鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用

魯春曉

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230088

1 型鋼混凝土施工的技術(shù)

1.1 在材料上選擇最為合適的型鋼材料

建筑的施工質(zhì)量主要取決于施工的技術(shù)以及施工的材料，因此在型鋼混凝土施工的過(guò)程中，對(duì)原材料的選擇時(shí)，需要選擇強(qiáng)度和基本材料差不多的材料進(jìn)行施工，首先需要確定施工材料的拉伸性，對(duì)拉伸性的要求需要保證在480MPa，其中的型鋼含量需要控制在0.46%～1.96%之間，在長(zhǎng)度和寬度之間也有所限制，既不能過(guò)長(zhǎng)也不能太短，需要根據(jù)施工場(chǎng)地的實(shí)際要求進(jìn)行型鋼材料的選擇，另外，在型鋼材料進(jìn)行攪拌之前，先確定好需要的質(zhì)量長(zhǎng)度，保證能夠很好地進(jìn)行材料上的選擇，選擇質(zhì)量性能最好的材料纖維，以此來(lái)保證型鋼的分散性特點(diǎn)。

1.2 嚴(yán)格對(duì)材料進(jìn)行分配和分散裝置

型鋼混凝土的分配比例需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，其混合的比例應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循原先的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行混合，但也需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況進(jìn)行分配試驗(yàn)，選擇最為合適的分配比例。混凝土與型鋼的均勻混合分配，在實(shí)際的施工之中有著重要的作用，也是需要嚴(yán)格遵循的施工環(huán)節(jié)。為了能夠有效地保障型鋼與混凝土在攪拌混合之前的均勻分散，在型鋼進(jìn)入分散器之前需要分類(lèi)堆放。此外機(jī)械設(shè)備需要保持功率在0.75～1.0kW，分散率最好的時(shí)速為20～60kg/min。

1.3 在攪拌的過(guò)程中需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制

混凝土與型鋼的攪拌時(shí)間要進(jìn)行嚴(yán)格控制，在機(jī)械設(shè)備攪拌的過(guò)程中對(duì)混合的材料進(jìn)行干燥的攪拌需要保持在1min以?xún)?nèi)，如果加入適當(dāng)?shù)墓潭▌┗蛘邷p水劑的濕攪拌需要達(dá)到2min以上，以此來(lái)改善混合的材料，提升攪拌的質(zhì)量，攪拌質(zhì)量的提升對(duì)施工質(zhì)量也有著明顯的影響，因此在攪拌的過(guò)程之中需要嚴(yán)格的控制攪拌的時(shí)間，在攪拌的過(guò)程之中要逐漸減少水泥的使用劑量，從而使施工質(zhì)量得到全面提升。

1.4 根據(jù)施工場(chǎng)地進(jìn)行施工設(shè)備的選擇

型鋼混凝土的攪拌設(shè)備主要分為兩種，一種是雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌機(jī)，另外一種是強(qiáng)制性攪拌機(jī)。在通常的施工情況中，低攪拌功能有利于增加攪拌機(jī)的使用時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)纖維含量過(guò)高或者坍塌幅度較小的時(shí)候，可以適當(dāng)選擇低能耗的攪拌功率進(jìn)行混合攪拌，以避免攪拌機(jī)在混合過(guò)程中運(yùn)載過(guò)量造成的機(jī)械消耗，以此來(lái)延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

1.5 需要對(duì)運(yùn)輸進(jìn)行嚴(yán)格的把控

在型鋼混凝土的運(yùn)輸過(guò)程中，需要考慮坍塌幅度、材料中含氣量以及混合物的飽和程度，以此來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸上的選擇。在不同的環(huán)境因素、材料因素的影響下進(jìn)行運(yùn)輸方式上的選擇，在保證使用的條件下盡可能減少運(yùn)輸?shù)木嚯x，以此來(lái)增加材料的出口量，以此防止運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)重力的下沉，導(dǎo)致型鋼混凝土在攪拌中出現(xiàn)分布不均的情況，造成材料的特性和質(zhì)量大幅度下降。選擇最為合適的運(yùn)輸方式，一定程度上還能夠減少成本資金的投入[1]。

2 鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系

2.1 體系構(gòu)成

①鋼管混凝土束組合結(jié)構(gòu)剪力墻：鋼管束內(nèi)部結(jié)構(gòu)美觀，排列有序，施工方便，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化鋼管連接在一起，形成鋼管束，內(nèi)部澆筑混凝土，如圖1所示。②H型鋼梁：高頻焊接H型鋼，普通焊接H型鋼或熱軋H型鋼。③裝配式鋼筋桁架樓承板：現(xiàn)場(chǎng)不需要支模，運(yùn)輸方便，易安裝及拆卸。④輕質(zhì)隔墻：輕質(zhì)條板、加氣混凝土塊，以及其他輕質(zhì)墻體。⑤建筑外裝飾面：輕質(zhì)防火保溫板、輕質(zhì)防火板、防腐層、防火保溫隔熱層、CCA板外墻裝飾面、外墻涂料等功能性綠色環(huán)保裝飾。

圖1 鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)體系

2.2 主要功能

①優(yōu)良的抗震性能：鋼結(jié)構(gòu)在地震烈度的作用下可以吸收更多的地震能量，具有良好的延性。目前抗震6級(jí)是標(biāo)準(zhǔn)，抗震8級(jí)已經(jīng)在很多工程中應(yīng)用。②縮短建設(shè)周期：有些鋼構(gòu)件如汽車(chē)制造一樣，在工廠里是標(biāo)準(zhǔn)化和流線(xiàn)型加工的；在施工現(xiàn)場(chǎng)，可以同時(shí)建3層。建高樓層時(shí)，不會(huì)影響低樓層的施工，可以開(kāi)始結(jié)構(gòu)維修和裝修，可以像積木一樣直接組裝。流水作業(yè)沒(méi)有沖突，可以大大縮短工期。③優(yōu)化工程質(zhì)量：鋼構(gòu)件采用現(xiàn)代設(shè)備生產(chǎn)，毫米計(jì)算誤差，質(zhì)量穩(wěn)定；施工時(shí)，鋼構(gòu)件外露，使施工構(gòu)件有形可見(jiàn)，隱蔽工程少。④節(jié)能：人工砌筑方式在施工現(xiàn)場(chǎng)消失，混凝土攪拌機(jī)和飛沙走石也在施工現(xiàn)場(chǎng)消失，減少了建筑垃圾和二氧化碳的排放；隔熱性能優(yōu)異（夏季涼爽）；結(jié)構(gòu)體系與保溫材料的完美結(jié)合（冬季保暖）。⑤綠色環(huán)保：鋼構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)從建造-拆除-回收-再加工-再建造的100%回收，低損耗循環(huán)利用；其中CCA板及整體灌漿墻的外墻體可作為變廢為寶的代表之一，通過(guò)將工業(yè)廢料尾礦砂等進(jìn)行處理，使其作為原料進(jìn)行澆灌，將原本該填埋的建筑垃圾變成建筑原材料，不含石棉，做到了真正的無(wú)毒無(wú)害；施工過(guò)程噪音小，不擾民；粉塵少，保護(hù)環(huán)境。⑥布局靈活：輕質(zhì)隔墻，讓非承重墻體可隨意改變結(jié)構(gòu)，“鋼管束”讓建筑結(jié)構(gòu)告別“肥梁環(huán)柱”，DIY空間格局，隨心所欲。

2.3 綜合優(yōu)勢(shì)

鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：延性好、抗震性能好；建筑垃圾少、粉塵少、噪音小；施工周期短，速度快，建設(shè)投資省；材料可回收利用，綠色環(huán)保，碳排放量小，施工安全、節(jié)水節(jié)電；工廠化制造、預(yù)制裝配標(biāo)準(zhǔn)化施工；承重結(jié)構(gòu)少，空間大，布局靈活，房間利用率高；基坑工程量小，自重輕；很少或沒(méi)有模板。

2.4 工程應(yīng)用實(shí)例

2.4.1 萬(wàn)郡·大都城（內(nèi)蒙古首席鋼結(jié)構(gòu)住宅典范）總用地面積415.13畝（1畝=666.67平方米），26棟高層建筑，建筑面積近100萬(wàn)m2。該項(xiàng)目采用鋼管束剪力墻組合結(jié)構(gòu)體系，發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)制作工業(yè)化程度高、施工速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、建筑裝配化、室內(nèi)一體化和管理信息化。能夠滿(mǎn)足住宅建筑的各種使用性能要求，具有抗震性能好，得房率高，節(jié)能環(huán)保，空間布置靈活等優(yōu)勢(shì)。

2.4.2 中天杭蕭鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制建筑基地一期科研樓工程具有辦公、研發(fā)、住宿等配套功能。整棟樓11層，總建筑面積1.4萬(wàn)m2。工程主體采用鋼框架和鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系，水平結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)外墻均采用拼裝技術(shù)施工。項(xiàng)目擁有66%的裝配率，相當(dāng)于裝配式建筑A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目建設(shè)可按3天一層的速度推進(jìn)，較傳統(tǒng)建筑方式工期縮短60%，基礎(chǔ)部分造價(jià)節(jié)省10%[2]。

3 PEC預(yù)制裝配式組合結(jié)構(gòu)體系

3.1 PEC結(jié)構(gòu)概述

PEC結(jié)構(gòu)是由部分外包鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的截面構(gòu)成。混凝土填充在開(kāi)口截面鋼構(gòu)件的輪廓中，并且混凝土可按工程要求進(jìn)行加固，如縱筋、箍筋、系桿、栓釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)構(gòu)件。

歐洲規(guī)范中的部分填充組合構(gòu)件為部分包裹組合（PEC）結(jié)構(gòu)，主要由工字鋼翼緣之間填充混凝土形成（包括熱軋工字鋼和焊接工字鋼截面），同時(shí)工字鋼腹板配有抗剪件（Eurocode4，Table5.2）；也有外包組合構(gòu)件作為梁，與鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板混凝土組合樓板等形成復(fù)合型組合梁（Eurocode4，F(xiàn)igure6.1）。構(gòu)件中配以箍筋和縱筋（Eurocode4，6.3.3）。這類(lèi)構(gòu)件可稱(chēng)為“歐標(biāo)截面”。20世紀(jì)90年代以后，出現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)形式：免除了抗剪件、采用直線(xiàn)型系桿連接翼緣，可以稱(chēng)其為“非標(biāo)截面”（“加標(biāo)截面”）。

3.2 PEC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

組合作用（約束作用）：PEC結(jié)構(gòu)提高了鋼筋的局部穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，在一定程度上限制了混凝土的早期沉降。可預(yù)制性、可裝配性。表面保護(hù)作用（防火防腐作用）。一定程度的輕量化：分別相對(duì)純鋼或純混凝土。

此外，建筑內(nèi)部裝修對(duì)鋼梁腹部的填充，為部分填充組合梁的利用提供了可能性。

3.3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.3.1 紹興市行政中心配套住宅（國(guó)內(nèi)首棟PEC框架結(jié)構(gòu)），項(xiàng)目總建筑面積34.1萬(wàn)m2。其中8個(gè)是由BIM、智能和現(xiàn)場(chǎng)組裝集成系統(tǒng)和組件組成的優(yōu)質(zhì)住宅建筑組件。該項(xiàng)目符合AA級(jí)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)，裝配率為76%。鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅集成技術(shù)體系以PEC鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系為核心，通過(guò)在H型鋼的空腔內(nèi)澆筑混凝土形成高強(qiáng)度H型鋼復(fù)合材料，具有良好的抗震性能；因此，避免了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)所面臨的節(jié)點(diǎn)連接可靠性問(wèn)題，解決了鋼結(jié)構(gòu)的防火防腐問(wèn)題，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3.3.2 羅馬尼亞布加勒斯特中央國(guó)際大廈是一幢高層辦公樓，全樓共29層。此建筑采用PEC柱+鋼梁+支撐并于2007年竣工。對(duì)樓體進(jìn)行了抗風(fēng)、抗震和抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)。此樓結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件或主要受力構(gòu)件采用部分填充組合構(gòu)件，結(jié)構(gòu)中的某類(lèi)構(gòu)件采用部分填充組合構(gòu)件。這類(lèi)結(jié)構(gòu)已在歐洲得到一定程度的應(yīng)用，所建高層建筑可達(dá)30層左右[3]。

4 捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)

4.1 體系構(gòu)成

①甲殼柱——鋼管和波紋板的組合構(gòu)造巧妙，填充混凝土。這種組合式鋼筋混凝土內(nèi)構(gòu)件取代了傳統(tǒng)的無(wú)模板、無(wú)鋼支撐的鋼柱，可節(jié)約50%以上的成本，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)大規(guī)模組裝的需要。②甲殼梁——傳統(tǒng)H型鋼的腹板，被“劈”成兩半，內(nèi)部空間可以放置預(yù)應(yīng)力鋼筋，澆筑混凝土。免高支模，減少防火涂料。③優(yōu)弦梁——下翼緣局部使用鋼管預(yù)應(yīng)力的簡(jiǎn)支梁，節(jié)省用鋼。④優(yōu)肋板——底板和加勁肋，可以使用不同材質(zhì)、不同厚度進(jìn)行組合，經(jīng)濟(jì)狀況良好，底部沒(méi)有缺口，這是優(yōu)肋板的優(yōu)點(diǎn)。⑤優(yōu)節(jié)點(diǎn)——優(yōu)節(jié)點(diǎn)把螺栓和連接板都省掉了，是最好的轉(zhuǎn)換件。

4.2 特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)，擁有甲殼柱、甲殼梁、優(yōu)弦梁、優(yōu)肋板、優(yōu)節(jié)點(diǎn)等核心技術(shù)，可根據(jù)需要靈活組合，大大減少了傳統(tǒng)施工中的高支模作業(yè)，降低用鋼量，極大減少了人工和工期，是建筑裝配化的創(chuàng)新方向。免模板、免支撐、免配筋，就可以把一個(gè)房子蓋好。

4.3 工程應(yīng)用實(shí)例

同華冷庫(kù)——世界上第一個(gè)采用捷約預(yù)制裝配框架體系組裝殼柱殼梁的工程，是中國(guó)最大的單體冷庫(kù)。該項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)洋山保稅區(qū)內(nèi)，總建筑面積50222.6m2，1號(hào)、2號(hào)冷庫(kù)鏡像對(duì)稱(chēng)，每棟長(zhǎng)70.4m、寬64.7m；3號(hào)冷庫(kù)長(zhǎng)度為89.1m、寬64.7m。每個(gè)冷庫(kù)由冷藏庫(kù)和大廳兩部分組成，由抗震縫隔開(kāi)。冷藏庫(kù)為地下1層地上3層，樓面層高12.5m，總高37m，柱網(wǎng)尺寸9.2m×8.8m。大廳有6層，每層高度從4.3～7.5m不等，整個(gè)建筑設(shè)有地下室，埋深不超過(guò)5m。整個(gè)裝配框架系統(tǒng)的柱梁板均為工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝，混凝土為現(xiàn)澆。捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)最大限度提升建筑空間利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用與發(fā)展受到了建筑行業(yè)的高度認(rèn)可，多種組合結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，本文介紹了裝配式鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系、PEC預(yù)制裝配的組合結(jié)構(gòu)體系以及捷約預(yù)制裝配式框架體系三種可用于裝配式建筑的組合結(jié)構(gòu)體系，重點(diǎn)介紹了三種組合結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成、優(yōu)勢(shì)以及典型案例，可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。