房屋建筑裝配式混凝土結構技術應用與研究

吳正清

(甘肅銅城工程建設有限公司 甘肅 白銀 730900)

近些年來,隨著工業水平的提升,預制構件的質量越來越好,制造速度越來越快,而建筑的工業化建造,房屋的產業化經濟,現澆體系的建筑結構已經逐漸無法滿足發展需要,裝配式建筑業再一次進入了發展黃金期。2016年,我國發布《中共中央國務院關于進一步加強市規劃建設管理工作的若干意見》,其中明確指出,要大力推廣裝配式建筑,制定裝配式建筑設計、施工和驗收規范,鼓勵建筑企業裝配式施工。在經濟發展需求、政策支持和市場選擇的情況下,預制裝配式的混凝土結構將在我國房屋建筑領域起到決定性的作用。

1 裝配式混凝土結構概述

1.1 預制裝配式混凝土技術

預制裝配式混凝土結構,簡稱為PC結構,其是指在專業的構件加工廠生產澆筑,并在控制條件下養護最終定型的混凝土結構構件,再通過交通工具運輸到施工現場進行裝配施工的混凝土結構的房屋建造方法。根據裝配方法使用與建筑中比例的不同,裝配式建筑結構分為全裝配式、部分裝配式兩種,由于要考慮整體性、抗震性等方面的設計,全裝配式的建筑目前知識應用于低層建筑,或少量應用于多層建筑。而部分裝配式的建筑,按照其是結構方面的還是維護方面,分為裝配整體式的建筑結構和內澆外掛的混凝土建筑結構。預制裝配式的混凝土結構,在設計時就要開始考慮其標準化和模數化的構件設計,盡量減少特殊結構,避免過多的開模制作成本;與此同時,也要考慮到設計的效果,不能做成千篇一律,對設計人員的要求較高。預制裝配式的混凝土結構構件是在構件工廠制作完成的,在施工現場進行拼裝、固接等工作,其施工的工藝和過程與現澆結構有較大不同,其施工的周期較短,結構建設很快,因為混凝土結構是已經養護完成的,所以對于施工時的環境、氣溫等要求較為寬松;現場施工基本上是干作業,較少的產生污染和噪音等,實現了環境友好;并且結構構件的制作過程是在工廠內完成,損耗較小,質量標準較高。裝配式結構的施工過程,因其快節奏的施工進度,對管理人員的專業能力和實踐經驗有著較高的要求,需要科學合理地做好工作安排。

圖1 預制裝配式混凝土結構

1.2 裝配式結構在我國的應用

在七十年代到九十年代,我國人口數量出現了指數級的增長,但此時工業發展因受到影響而較為遲緩,為此我國大量學習了外國的先進建筑方法,并結合我國實際情況進行發展,分別于1984年～1991年之間制定了一系列相關的設計規范,幫助我國建筑行業逐步進入規范化。

表1 我國建筑早期規范

而我國對于建筑工業化和標準化的發展也一直在進行,其中,主要代表研發預制裝配式的混凝土結構的企業主要是萬科集團,因為裝配式的結構形勢在建筑的經濟適用性方面領先于其他結構,因此也成了我國國家和其他企業持續研究與發展的對象。

表2 我國各企業對于裝配式結構的研究

1.3 裝配式結構的表現形式

公共使用目的的建筑,其結構的形勢較為多變,裝配式混凝土結構是其常用的一種,首先對于建筑的整體和各部件進行設計,將梁、板、柱等的構件進行標準化制作,與傳統的結構形式來講,其只是施工和制造工藝上的區別,而裝配式結構因其大幅降低了現場施工,尤其是模板支撐這一項工作的難度,所以可以使用較為復雜的結構,豐富了建筑的形式,也增加了城市的色彩。不同尺寸的構件會彰顯不同的效果,小巧精致的結構構件可以組成復雜精密的空間,而尺寸龐大的結構構件則可以展現工業的震撼感,粗礦大氣的構件可以展示狂野的氣息,而柔和的構件則可彰顯細膩美感,具有非常多的可塑性,并且構件的靈活多邊性也為其替換、修補等提供了可能。

2 裝配式建筑在設計中的要點

2.1 結構體系的設計

對于結構體系的分析和設計是整個建筑全過程設計中最重要的部分,科學合理的設計結構部分,是保證建筑主體使用、抗震等多方面的主要保障,并且也是實現空間效果的主要步驟,在裝配式結構中,通過工廠預制的結構組件拼裝而成的結構體系,其根據組件構造的不同,一般分為“通用結構體系”的和“特殊結構體系”的兩種。

2.1.1 通用結構

裝配式構建中的通用結構體系部分,主要是應用于住宅類,或者使用功能要求簡單,空間形式不復雜的建筑。因此,裝配式建筑目前主要是在房屋建筑中的民用居住類方面大面積推廣使用。當前的住宅建筑中裝配式的結構形勢有三大類,分別是“裝配整體式框架結構”、“裝配整體式剪力墻結構”、“裝配整體式框架—剪力墻結構”(框剪結構),這三類受力形式不同,優劣各異,應根據其最終的設計目的選用。裝配整體式的框架結構中,預制構件主要為柱、板、梁,裝配式結構構件相互連接固定,組成受力主體框架,框架結構因其主要受力構件都是預制的,所以施工效率很高,最終特點和現澆框架結構一致,其內部由分割砌體墻劃分使用空間,自由度較高。裝配整體式剪力墻結構,其預制構件主要是預制的剪力墻,通過組裝作為主要承重的部分,而節點一般為現澆混凝土,保證結構具有整體性,對比于預制框架,預制剪力墻的節點數量多,施工難度較大,并且剪力墻會導致平面形式布置受限,但其整體性較高,抗震性能較好。而裝配整體式的框—剪結構,則使用部分預制柱、部分預制剪力墻的組成結構,其整體組裝,節點現澆,整體守里較好,工業化程度較高,具有上述兩種結構各自的優缺點。

表3 各類裝配式結構的適用高度

2.1.2 特殊結構

裝配式結構因其本身材料還是混凝土,所以有著較強的可塑性,不同于現澆結構現場施工大量受限的情況,裝配式結構的特殊構件可以在工廠制作,雖然一定程度上其定制模板成本會提高,但是可以實現較多復雜的形狀且質量得以保證,大幅降低施工現場的難度,是房屋建筑中的一個巨大潛力點。

2.2 設計的標準化

對于裝配式建筑來說,其最重要的一點就是標準化,因為其構件都是工業技術進行制作的,所以標準化的設計和生產,可以對其生產、運輸、組裝、使用等的全過程實現完美契合,嚴格地節約和控制成本。房屋建筑設計的標準化,其是利用構件模數來控制其自身的標準化和之后房屋設計、運輸和建造的全過程,實現相互有效地配合。因為房屋建筑的使用功能一般比較確定,因此容易確定模具的尺寸,包括戶型的藍圖化設計這種大型模塊和房間、單個結構構件這種小尺寸模塊。在民用居住建筑中,其可以按榀或塊等進行重復,對于預制構件設計和模具的重復使用更加適合,對于其內外墻、樓梯間等結構部件以及陽臺、衛生間等小空間部分均可以進行標準化的設計,非常地適用。

2.3 設計的多樣化

雖然裝配式結構是利用模具進行較多重復設計和施工的結構形式,但是對其多樣化的設計也不可或缺,除混凝土具有較強的可塑性,能制作個形狀構件外,其材料的顏色、裝飾部分的表面感、肌理等方面,混凝土均可以實現。對于裝飾性構件,因其在設計之初便做好了安裝的條件,所以可以根據設計的風格,來進行不同的裝飾選用,保證建筑表現不單一,設計可以實現多樣化。

3 裝配式結構的常見問題及解決

3.1 構件質量

裝配式建筑結構和構件的工廠化設計是其最大的優點,因此在這一步驟嚴格要求不能出現問題,否則其絕大部分的優點都會直接變為缺陷。對于工廠生產預制構件的過程,需要嚴格落實對于裝配式構件指定的質量標準,制作方需要嚴格執行質量檢查和留樣要求,負責人員要嚴格記錄其數據。投資方可以通過第三方進行質量監督,而建設單位在進行施工和拼裝過程中,也要避免質量監察方面的疏漏。

3.2 合理地進行構件連接

裝配式結構因其不具備現澆結構那樣堅實的整體性,所以其相互間的連接就顯得更加重要,最終保證其建成后的正常使用和抗震能力。但是當前階段,部分施工單位對于其連接部分的施工處理并不重視,這會導致最終建成后的質量出現嚴重問題,或產生大量的修補、返工成本。房屋建筑的連接部分需要實現對建筑的各部分不同的構件進行組裝,首先需要確保的就是施工操作順序,未遵循合理順序的連接會導致其強度的大幅度削減。

3.3 BIM 技術的應用

BIM 技術是“建筑信息模型”的簡稱,其可以建立建筑中,包括結構、施工過程、建筑設備等多方面的數據,實現仿真預拼裝,可以直觀地展示建設過程,并且對于構件信息的錄入和預拼裝,可以發現設計或制作施工中的缺陷,節約成本,實現施工精細化。當前,我國對于BIM 技術在建筑設計、施工中的應用處于起步后發展的階段,因其對于工程人員水平要求較高,并不能很快的大范圍使用。在未來裝配式結構的發展中,我們要持續深入研究,最大限度優化其設計施工過程。

4 結語

建筑工業化生產的根本目的是為了減少施工中失誤對建筑最終質量的影響,并且可以批量化的制作構件,降低建筑成本,裝配式建筑是工業化在建筑領域最直接和最有效的實踐,是推動我國建設單位和企業提升經濟效益和社會效益的有效方法。裝配式建筑以其科學性、合理性和邏輯性,將預制構件應用于民用建筑,使其具有工業感且不單調,為建筑的發展開拓了一個方向,也為綠色、協調、可持續的發展奠定了基礎。