裝配整體式多高層住宅結構設計多種預制結構體系比選

張 毅，應堅國，程茂輝[.華建集團上海建筑設計研究院有限公司， 上海 0009； .上海金橋(集團)有限公司，上海 0009]

1 項目簡介

本工程位于上海市浦東新區金橋開發區，項目包括多個地塊。其中：06 地塊為多層住宅小區，共 12 棟 6～8 F裝配整體式結構多層住宅，總高度 ≤ 24 m，地下為 2 F 停車庫；04、05 地塊為高層住宅小區，共 16 棟 14～16 F 裝配整體式結構高層住宅，總高度 ≤ 50 m，地下為 2 F 停車庫。本項目為中高端住宅建筑，外立面為全石材外掛。

本項目為上海新建住宅項目，根據滬建建材聯文件通知以及裝配式建筑管理要求，項目應全部按裝配式建筑要求實施，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2 裝配式政策解讀

裝配式建筑是指把傳統建造方式中的大量現場作業工作轉移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構件和配件，運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成的建筑。裝配式建筑主要包括預制裝配式混凝土結構、鋼結構、現代木結構建筑等，因為采用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理、智能化應用，是現代工業化生產方式的代表。

2.1 國家政策

裝配式建筑規劃自 2015 年以來密集出臺，2015 年末發布的 GB/T 51129—2015《工業化建筑評價標準》，決定2016 年全國全面推廣裝配式建筑，并取得突破性進展。

2015 年 11 月 14 日，住建部出臺的《建筑產業現代化發展綱要》提出計劃到 2020 年裝配式建筑占新建建筑的比例 20% 以上，到 2025 年裝配式建筑占新建建筑的比例50% 以上。

2016 年 2 月 22 日，國務院出臺《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》。該文件指出要因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑，力爭用 10 a 左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到 30%。

2016 年 3 月 5 日，政府工作報告提出要大力發展鋼結構和裝配式建筑，提高建筑工程標準和質量。

2.2 上海市政策

2014 年，頒布《關于推進本市裝配式建筑發展的實施意見》[滬建管聯〔2014〕901 號]。其要求裝配式建筑的新建建筑面積比例 2015 年 ≥ 50%；2016 年起外環線以內新建民用建筑應全部采用裝配式建筑、外環線以外 ＞ 50%；2017 年起外環線以外在 50% 基礎上逐年增加。采用混凝土結構體系建造的裝配式單體預制裝配率應 ≥ 30%，2016年起 ≥ 40%。裝配式建筑項目的建筑外墻宜采用預制夾心保溫墻體。

2016 年，頒布《關于本市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則(試行)的通知》[滬建建材〔2016〕601 號]。其指出單體預制率是指混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土混合結構、木結構等結構類型的裝配式建筑 ± 0.000 以上，主體結構和圍護結構中預制構件部分的材料用量占對應構件材料總用量的比率。2016 年起，除特定范圍以外，符合條件的新建民用、工業建筑應全部按裝配式建筑要求實施，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2019 年，頒布《關于進一步明確裝配式建筑實施范圍和相關工作要求的通知》[滬建建材〔2019〕97 號]。其要求 2016 年 4 月 1 日以后完成報建或項目信息報送的項目，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2019 年，頒布《關于印發上海市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則》的通知[滬建建材〔2019〕765 號]。其指出建筑單體預制率是指混凝土結構、鋼結構、竹木結構、混合結構等結構類型的裝配式建筑單體 ± 0.000 以上，主體結構、外圍護中預制構件部分的材料用量（考慮構件修正系數）占對應結構材料總用量的比率。

3 各類裝配式外墻體系技術對比分析

現行市場常用的混凝土裝配整體式外墻體系分為全預制剪力墻（實心）、雙面疊合預制剪力墻、預制夾心保溫剪力墻、保溫一體化預制剪力墻等，如圖 1 所示。

圖1 不同預制剪力墻體系結構構造比較圖

（1）全預制剪力墻（實心）體系，是由預制混凝土構件通過可靠方式進行連接并與現場后澆混凝土、水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結構。該體系保溫及飾面均不預制，保溫形式可采用內保溫。優點為連接節點技術成熟，線角可以預制、后裝、后澆。缺點為現澆段需支外模，局部現澆與預制裝配施工存在交叉作業。

（2）雙面疊合預制剪力墻體系，又稱雙皮墻，預制混凝土墻板由 2 層預制板及桁架鋼筋組成，在工廠預制完成，現場安裝就位后，在 2 層板中間澆注混凝土，采取規定的構造措施，提高整體性，預制部分和現澆部分共同參與結構受力。優點為構件流水線生產，豎向鋼筋傳統搭接連接費用較低，構件自重輕。缺點為平板式預制件對建筑房型布置限制較大，不適合做空間構件如飄窗等，需專門的生產線，市場應用不多。

（3）預制夾心保溫剪力墻，又稱三明治墻，夾心保溫外墻是將保溫材料預制于內外葉墻片之間，使墻體本身具有保溫隔熱的功能。此類預制外墻保溫形式，集施工外模板、保溫、防水等建筑功能為一體。該裝配形式由于可申請上海市面積獎勵，在現階段住宅項目中應用較多。優點為外墻與保溫、防水構造一體化，保溫與建筑同壽命。缺點為鋼筋及混凝土等材料用量大，成本較高，墻厚較厚。

（4）保溫一體化（模塊化）預制剪力墻，不同于傳統裝配式剪力墻以開間或整片墻為拆分單元，而是以 1.3 m 寬的預制墻板為標準件，像搭樂高積木一樣蓋房子。優點為模塊化的標準件，標準件形式簡單、規格統一、運輸與吊裝簡易輕量、生產與拼裝效率高。缺點為施工技術精度要求較高，有一定難度。

4 裝配式構件連接節點施工要點及質量控制

傳統的現澆鋼筋混凝土結構剪力墻、剪力墻的邊緣構件、混凝土梁、樓板，均采用現場澆筑的方式。裝配式結構，用疊合梁、疊合板替換了傳統的現澆梁板。

（1）幾種裝配式結構體系中，全預制剪力墻（實心）結構體系及預制夾心保溫剪力墻體系，剪力墻板均采用預制，剪力墻的邊緣構件仍采用現澆，因此剪力墻豎向鋼筋在上下層間的連接節點做法和質量保證尤為重要。此節點采用灌漿套筒連接形式。預制構件之間鋼筋連接所用的套筒及灌漿料的適配性應通過鋼筋連接接頭型式檢驗確定，其檢驗方法應符合現行行業標準 JGJ 107—2016《鋼筋機械連接技術規程》的規定。鋼筋水平連接時，灌漿套筒應各自獨立灌漿，豎向構件宜采用連通腔灌漿，并應合理劃分連通灌漿區域，每個區域除預留灌漿孔、出漿孔與排氣孔外，應形成密閉空腔，不應漏漿。連通灌漿區域任意 2 個灌漿套筒間距 ≤ 1.5 m，灌漿路徑過長時應做分倉處理，宜 3～4 個套筒為一個倉格。

（2）保溫一體化（模塊化）剪力墻結構體系。保溫材料預埋在剪力墻內部，剪力墻兩側 80 mm 厚混凝土墻體通過混凝土肋相連，剪力墻板及剪力墻邊緣構件均采用預制，剪力墻的豎向鋼筋及水平鋼筋均需采取機械連接。因此鋼筋連接接頭做法、預制墻體上下層連接的質量保證是本體系的重中之重。保溫一體化（模塊化）剪力墻典型橫切面示意如圖 2 所示。

圖2 保溫一體化（模塊化）剪力墻典型橫切面示意圖

剪力墻的豎向鋼筋連接，采用錐形頭套筒灌漿連接的型式，如圖 3 所示。其有 3 個特點。① 上下鋼筋進行墩頭處理。② 套筒采用優質高強碳素鋼的無縫鋼管，上下兩頭按要求進行縮口處理。③ 鋼筋錨固長度≥10 d。而剪力墻的水平鋼筋連接，采用雙節套筒機械連接的方式，如圖 4 所示。其有 3 個特點。① 左、右兩側鋼筋在墩粗后車螺紋處理。② 設連接螺桿，螺桿兩端車螺紋與鋼筋螺紋方向相反。③鋼筋與連接螺桿間各設一個直螺紋套筒。雙節套筒機械連接屬機械連接范疇，滿足一級接頭性能要求。

圖3 錐形頭套筒灌漿連接（豎向鋼筋）

圖4 雙節套筒機械連接（水平鋼筋）

5 基于項目合理選擇裝配式結構體系

本項目 06 地塊為多層住宅建筑，04、05 地塊為高層住宅建筑，設計比選時也根據不同區塊高度不同，進行有針對性的分項比較。基于項目的裝配整體式剪力墻結構體系的比選如表 1 所示。

表1 2019 版《標準》“資源節約”章節實施難度簡析

表1 基于項目的裝配整體式剪力墻結構體系的比選

本項目需滿足裝配式建筑的要求，并需達到 40% 預制率的要求。考慮到本項目外立面全石材外掛的需要，經過對容積率、面積使用率、保溫形式和效果、成本和工期控制、施工和結構可靠度等方面的比選和分析可知，多層住宅建筑采用較新技術體系，即保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系；高層住宅建筑采用較成熟的技術體系，全預制實心剪力墻體系。

6 裝配式結構模型計算分析

本工程結構設計合理使用年限為 50 a。結構抗震設防類別為丙類，結構安全等級為二級，結構重要性系數為 1.0；抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度 0.10g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為 Ⅳ 類，場地特征周期為0.90 s；基本風壓值為 0.55 kN/m2，地面粗糙度 B 類。結構采用裝配整體式剪力墻結構體系，其中：多層為保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系，抗震等級為剪力墻四級；高層為全預制實心剪力墻體系，抗震等級為剪力墻三級。

結構計算軟件采用 YJK（盈建科）程序對結構進行豎向荷載、風荷載、多遇地震和設防地震的計算分析，并比較計算結果，確保計算模型合理，結果可信。確定結構構件尺寸，保證結構具備必要的承載力、合適的剛度、良好的變形能力和消耗地震能量的能力，各項指標滿足規范的要求。多層保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系，由于剪力墻內嵌保溫材料，剪力墻實際有效截面減少。根據《模塊化裝配整體式混凝土剪力墻結構體系技術應用規程》，剪力墻抗剪計算截面取混凝土兩側凈截面厚度，抗彎及抗壓計算截面可取混凝土等效厚度。典型單體（多層）抗震分析的計算結果如表 2 所示，典型單體（高層）抗震分析的計算結果如表 3 所示。

表2 典型單體（多層）抗震分析的計算結果（軟件名稱：YJK）

表3 典型單體（高層）抗震分析的計算結果（軟件名稱：YJK）

經過計算，單體預制率滿足規范對于單體預制率 ≥ 40%的要求，計算公式如式（1）所示。

式（1）中相應構件的權重系數如表 4 所示。

表4 建筑預制率計算方法（方法二：權重系數法）

7 結 語

裝配式建筑多高層項目的結構體系比選、保溫體系比選、施工技術控制比選尤為重要，應結合不同結構體系、不同連接節點施工工藝進行綜合判別。夾心保溫或保溫一體化技術的選用，可減少現場濕作業，更體現裝配式建筑的理念。合理的計算模型假定及參數可以直觀地模擬裝配式結構構件的受力，并反映變形協調。合理的結構體系比選、結構設計優化對工程造價的把控都是極為重要的。