裝配式窯洞模塊化探究

閆鑫 郝艷娥 潘龍凱 石寶輝 張翔宇

（延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000）

傳統窯洞一般指在平地上箍造的土窯、磚窯和石窯，上部覆蓋一定厚度的土，又稱為獨立式窯洞或明箍窯[1]。傳統窯洞上層覆土具有以下優點：1）窯洞上層覆土可以吸收室外空氣熱量以及太陽的輻射，當室內的溫度過低時會釋放熱量，因此具有良好的保溫隔熱功能。在國家倡導的可持續發展戰略中，有效節約常規能源的消耗同時降低了碳排放量，達到了節能減排的設計要求[2]；2）黃土是非常容易獲取的建筑材料，一般來說可就地取材。這就大大降低了材料的成本和運輸產生的費用。上層覆土不需要繁瑣復雜的技術也不會產生高昂的維修費用；3）覆土建筑的室內濕度可達50%～60%，并且土壤具有良好的阻燃性，大大提高了建筑的防火性能，可以避免火災蔓延的情況。在覆土的作用下，建筑還具有良好的防風、隔音、抗震性能等優勢。因此，窯洞被譽為天然的節能生態住宅。但是傳統窯洞存在光線昏暗、采光不利、空氣流通差，窯內墻壁難以粉刷，窯面容易風化雨蝕以及降雨量過多時會出現滲水甚至坍塌等問題，在建造時也全憑經驗，沒有進行結構計算與受力分析，施工方法缺乏理論指導，從而使得窯洞結構安全隱患問題時有發生[3]。因此，對傳統窯洞建造方式進行升級改良，延續上部覆土給予窯洞的優勢[4]，通過在工廠建造好預制構件再運到建造地進行連接的裝配式窯洞就應運而生，裝配式窯洞示意圖，裝配見圖1。

圖1 裝配式窯洞示意圖

1 裝配式窯洞的主體構件模塊及制作

傳統窯洞實景圖如圖2所示，可以看出，窯洞結構可簡化兩部分受力構件，一部分是上部拱圈構件，主要承受上部結構的均布荷載和自重，為受彎構件；另一部分是下部窯腿構件，主要承擔上部結構傳來的豎向荷載，同時也承擔水平推力，為受壓構件。通常窯洞采用多孔窯洞相連的形式。一般混凝土構件的抗壓性能很強而抗拉性能很弱，通常需要通過配筋的方法改善構件整體的抗拉、抗剪、抗彎性能。對于窯洞中的拱圈構件，可采用使拱圈各截面彎矩為零，只受壓力的方法進行設計，即合理拱圈。從而可以減少鋼筋的用量，達到降低造價、加快施工進度，提高陜北地區居民對于該窯洞的接受程度。

圖2 傳統窯洞實景

裝配式窯洞上的荷載主要有混凝土拱圈自重、填土自重和腦畔（屋面）上的活載。若拱圈等厚，則拱圈自重隨φ變化。屋面排水坡度較小，填土表面接近一水平面，填土自重的大小隨拱圈軸線變化。活載主要有雪載或施工活載等，可以認為均勻分布。為計算簡便，假定荷載沿拱的跨長為不間斷無突變的連續分布。荷載集度和拱軸線縱坐標y成正比關系。則任意截面處的荷載集度為[5]。拱圈計算簡圖如圖3所示。

圖3 拱圈計算簡圖

式中：γ1——拱圈重力密度；t——拱圈厚度；γ2——填土重力密度；

h——拱頂處填土厚度；q——均布活載集度。

式中：FH—拱的水平推力；

Mx—X截面以右全部荷載對截面重心的力矩值；

將式（2）對x微分兩次，并由彎矩的二階導數等于分布荷載集度得：

由式（3）得

解此微分方程可得：

設拱腳處的荷載集度為Pk，拱頂處荷載集度為Pc，則：

令Pk/Pc=m，可得：

又令：

將（7）式，（8）式，代入（5）可得

式（9）即為裝配式窯洞的合理拱軸線。

根據上述公式推導可得上層覆土的裝配式窯洞其合理拱軸線為一條懸鏈線。得到該公式后，可以按照用戶需求的開間長度和拱的高度確定拱的跨度x和拱高f，帶入公式（9）求出y，從而就能畫出的合理拱軸線，方便后邊拱圈模板的制作。

在陜西北部的榆林、延安等地，窯洞的跨度L=3.5～3.65m，窯口總高H=3.8～4.3m，窯腿高H1=2.0～2.10m，拱圈矢高f=H-H1=1.80～2.20m。拱頂處填土厚約1.5m。

拱圈重力密度γ1=25KN/m3，上層覆土重力密度γ2=20KN/m3，均布活載集度q=0.5KN/m3。幾種常用的尺寸數據所對應的合理拱軸線方程見表1。

表1 常見尺寸數據下的合理拱軸線方程

拱圈形狀確定后，拱圈的寬度可制作為1000～3000mm（且應該為100的整數倍），具體根據需求可以靈活設置，如圖4所示。拱圈厚度應根據上層覆土的重力密度、厚度、已知荷載按照混凝土結構的有關知識進行設計。因為該拱圈為合理拱軸線理論上只受壓力可以不用配筋，實際生產過程中應按照混凝土結構規范有一定的構造配筋，以保證拱圈的安全。

圖4 拱部示意圖

1.2 窯腿構件模塊

通過上述推演得出的合理拱軸線表達式確定出拱圈，以拱圈的具體樣式設計窯腿。窯腿的構造是矩形的墻式結構如圖5所示。窯腿按具體施工要求合理配置（應取100mm的整數倍）

由于受上部拱圈的傳來的水平推力和壓力，兩側邊窯腿屬于壓彎構件，而中間窯腿為軸心受壓構件。按照混凝土結構的設計理論進行驗算配筋即可。

1.3 前后墻體模塊

前后墻體的構造見圖5，寬度按具體施工要求進行配置（應取100mm的整數倍）。前后墻體不受上部傳來的荷載只提供圍護作用，僅承受自重，按照混凝土結構設計規范進行構造配筋即可。

圖5 窯腿以及前后墻示意圖

1.4 裝配式窯洞各構件模板的制作

1.4.1 裝配式建筑PC構件模板

傳統混凝土建筑的模板制作大都以鋼模板為主，木模板輔助。鋼模板質量大，移動安裝需起重機械吊運，造價高。對于裝配式建筑來說，對于模板的依賴性較大，然而模板和構件又是一一對應的，特別是這種拱形的結構，一項數據發生變化整個模板都不再適配，這就導致裝配式建筑的造價居高不下[6]。對于窯洞來說，造價是陜北地區居民在住宅方面關注的一個重要指標。新型裝配式建筑PC構件模板的使用和探究給我們提供了新的思路[7]。

1.4.2 拱圈模板

將木模板用拱形槽鋼模板代替可以減少支模過程中需要的人工，加快施工進度，降低工程費用。具體的制作過程：將槽鋼用卷板機器卷成拱形，可根據實際荷載和所需拱的大小來確定槽鋼的型號，一般采用9#～12#即可。拱形鋼模板的外半徑=拱形結構的內半徑-模板的厚度-木方高度，通常還需留4～6mm的調整空間。

1.4.3 窯腿和墻模板

墻體是主要的承重構件，預制墻體時要嚴格把控。為了保證墻體的尺寸形狀以及垂直度，在具體的安裝預制過程中要嚴格地按照施工順序進行：墻體外側→內測安裝。

1）模板安裝之前要將雜質清理干凈；2）按照圖紙將墻模板的邊線畫出；3）對墻模板進行拼接（要求不漏縫隙）；4）預埋件、鋼筋布置完成后進行安裝加固；5）澆筑、養護、檢查。

2 裝配式窯洞施工技術方案

2.1 地基處理和基礎的做法

2.1.1 裝配式窯洞的地基

陜北地區多為濕陷性黃土，其遇水失陷的特性對施工質量和安全具有很大的影響[9]。結合裝配式窯洞的荷載分布，對該類土層采用了兩種方式進行處理：換墊層法，根據工程實際將地基下方的濕陷性黃土挖出，替換為三七灰土墊層（無濕陷性特性的土層即可），特別強調一點，在處理濕陷性黃土時需要嚴格把控好土體的含水量，含水量過大會導致土層強度下降，使土層發生變形，常用翻曬的方法進行處理；強夯法，用起重機吊起大噸位重錘對土層進行夯擊，迫使土層孔隙壓縮，排除土體內的水和空氣，達到提高地基承載力的效果，夯擊過程中也要注意土層含水量的控制，防止產生彈簧土的情況。此外，地基兩側需設置排水溝確保施工用水和雨水得以順暢排出，維護地基的穩固性；做好地基保護工作，必須綜合考慮雨水風雪對地基的侵蝕因素，科學采取護坡措施，通過栽種綠草與其他植被以降低雨水沖刷[10]。

學校里比較老實的學生，經常要受到那些壞同學的襲擊和欺負，他們像膽怯的羊羔一樣，為了討好那些品德不端的學生，經常要送一些飯票、香煙之類給這些壞學生，以免遭攻擊。我自己也曾這么做過。可我沒覺得難為情。因為我覺得人家比我強。我的視力不好。

2.1.2 裝配式窯洞的基礎

根據該裝配式窯洞的荷載傳遞方向，采用條形基礎。根據工程實際計算條形基礎的尺寸和配筋，根據施工規范確定基礎墊層，大致的施工工藝為：基槽清理→澆墊層→扎條形基礎鋼筋→立條形基礎模板→澆條形基礎砼→養護→拆模。

2.2 構件的運輸和吊裝

2.2.1 運輸

PC構件的運輸車上應設有專用架，并且要有牢靠穩定構件措施，車輛慢啟動，保持勻速，轉彎錯車減速，并且應留意穩定構件措施的狀態，需要時在安全的狀況下盡快進行加固。窯腿和前后墻采用直立方式運輸，拱頂采用平放的方式運輸，拱頂疊放不能超過兩塊，構件間使用墊木（相同厚度且擺放在同一垂直線上）。卸車前需檢查吊具是否存在缺陷，是否有開裂，腐蝕嚴峻等問題，且需檢查墻板預埋吊環是否存在起吊問題。

2.2.2 吊裝

墻板吊裝時應采用慢起、快升、緩放的操作方式。起吊前檢查預埋部件吊環的規格、型號、位置等，保證吊環不能損壞或不符合規范。試起吊高度不能超過5m。起吊時，逐漸增加速度，不可越擋位加速。下降時，控制好纜風繩使墻板平穩下降。接近地面時，由安裝人員輔助對墻板進行定位。墻板就位后使用斜支撐固定，調整垂直度，墻板與地面垂直后可摘除吊鉤[11]。

拱圈構件吊裝前檢查編號、吊環、預留孔等。采用慢起、快升、緩放的操作方式，在安裝人員輔助下精準定位就位后立即加設臨時支撐。

2.3 裝配式窯洞各構件模塊的連接

裝配式窯洞各個構建的連接從下往上分別是地基和窯腿、窯腿各部分連接、窯腿和窯拱、窯拱各部分連接和相鄰兩口窯洞窯拱間的連接。

窯腿和地基之間的連接可以采用現澆帶連接。現澆帶連接（圖6所示）施工時可以在地基和墻體間預留一定的現澆帶單元，墻體定位對正后，將上下預制墻體中預留的豎向鋼筋進行搭接綁扎，然后澆筑混凝土，使地基和墻體形成一個整體，進一步提高建筑的整體穩定性[12]。

圖6 現澆帶連接

窯腿各個部分的連接、窯腿和窯拱的連接采用灌漿套筒連接（圖7所示）。灌漿套筒連接技術較成熟、具有較好的連接性能，而且安裝簡便，也是裝配式建筑常用的連接方式。施工時將墻體和窯拱預留的豎向鋼筋對接插入套筒中，從灌漿孔將高強度無收縮灌漿料用灌漿機注入套筒中，待灌漿料硬化后，上下層鋼筋應力在套筒和灌漿料的約束下就能夠有效傳遞[13]。

圖7 灌漿套筒連接

窯拱各個部分的連接、以及相鄰兩口窯洞窯口的連接采用焊接連接（圖8）。焊接連接的焊接接頭牢固、耐用、緊密。焊縫強度一般可達到母材強度的85%以上，甚至超過母材強度[14]。而且組件之間的直接焊接不需要接頭配件。結構簡單，造價低，整潔美觀，施工進度快，勞動強度小。施工時通過電弧產生的熱量使埋設在窯拱中的鋼板局部熔化，經冷卻凝結成焊縫[15]，從而將窯拱連接成為一體。

圖8 焊接連接

2.4 裝配式窯洞防水

預制拱頂的加工精度和混凝土質量直接影響安裝精度和防水情況。安裝前，必須仔細檢查拱頂，看拱頂表面和窯腿、前后墻周圍是否有裂縫。嚴禁使用不合格構件。此外，還要檢查預埋膠條的安裝質量，檢查膠條是否預埋牢固，有無破損，有無膠條變硬失去彈性的現象，沒有上述質量問題后才能進行吊裝。另外保證吊裝精度控制在5mm以內，這也是防水的有效措施[16]。

嚴格按照工藝操作，做好各階段的質量檢查。構件接縫外側防水膠的涂抹應嚴格按照工藝操作。涂膠前應仔細檢查構件連接是否嚴密，涂膠厚度必須符合設計要求。涂膠部位應進行底漆處理，以增強膠水的附著力。拱頂內側的連接鐵件和連接件應密封，防止鐵件生銹。

裝配完成后還可以通過上層覆土來保障該窯洞的防水性能。

可以通過以下三種方法解決：1）將拱頂的黃土覆蓋層夯實40～60cm，使土體的孔隙比減小從而減小滲透率，提高防水性[17]；2）在拱頂設置PVC防水卷材或者鋪設三元乙丙防水卷材；3）利用土和砂界面層具有良好阻水性的特點，在拱頂設置40～60cm厚的砂。

防水施工完成后，應及時進行噴水試驗，檢查防水效果，重點檢查拱頂接縫、前后墻板與現澆結構的接縫，外部檢查排水系統排水功能是否正常，內部仔細觀察水印和水痕。發現有局部滲漏的部位必須認真記錄，查找原因及時處理[18]。裝配式窯洞排水：做室內排水和室外排水相結合的排水體系，并且將降排水系統和房頂外表做硬化處理。

3 結語

本文應用運用Bim建模技術并結合現代化裝配式技術以及新型PC材料對傳統窯洞進行了改良設計。從傳統窯洞存在的問題出發，闡述了建造裝配式窯洞的目的、各個構件模塊的合理設計、使用新型裝配式建筑PC構件模板以降低造價。從地基和基礎的合理做法、裝配式窯洞各構件的連接方式，以及裝配式配式窯洞在施工過程中運輸、吊裝、防水與排水問題，提出合理較為詳盡的施工方案。使用裝配式模塊化建造新型窯洞，大大降低了窯洞建造對工藝的要求，減小了窯洞建造的難度，同時可以解決傳統窯洞存在光線昏暗、采光不利、空氣流通差，窯內墻壁難以粉刷，窯面子容易風化雨蝕，降雨量過多時會出現滲水甚至坍塌，體量受限制等問題，同時用混凝土材料替代黃土建造窯洞使窯洞的安全性和舒適性得到提高。改變了陜北地區的標志性建筑——窯洞即將被淘汰的命運。使用裝配式模塊化建筑是為了響應國家號召，堅持走綠色可持續發展的道路，減少建筑垃圾的產生，縮短工期、降低工程成本、提高工程質量，為陜北地區的居民建房提供新思路。