裝配式成型鋼筋骨架設計研究與應用

伍雁華，張宏，叢勐，羅申，張吉華，劉春，朱可

（1.東南大學建筑設計研究院有限公司，南京 210096；2.東南大學建筑學院，南京 211189；3.江蘇金砼預制裝配建筑發展有限公司，江蘇 無錫 214214；4.阿博建材（昆山）有限公司，江蘇 蘇州 215300）

1 引言

現澆鋼筋混凝土建造主要可分為模板工程、支撐工程、鋼筋工程和混凝土工程。 現澆鋼筋混凝土工程的工業化創新發展的重點在于通過工業化的方式對上述四大工程進行協同優化，以完成現澆鋼筋混凝土構件的成型、定位與連接。

本文以現澆鋼筋混凝土建造四大工程中的鋼筋工程為研究對象，通過運用標準化設計方法，對工廠加工制造、配送運輸和部品化裝配施工的組合成型鋼筋骨架設計技術開展應用研究。

裝配式組合成型鋼筋骨架技術是指將鋼筋骨架附加構造筋、桁架筋等與受力鋼筋、箍筋通過焊接、綁扎和機械連接等工藝連接形成空間受力體， 并采用組合成型鋼筋骨架構件工廠專業化加工制造、物流配送運輸、現場裝配式安裝施工模式的工業化鋼筋工程技術。

作為一種面向混凝土現澆結構體系的工業化加工配送和裝配式施工技術，在滿足相關規范要求的前提下，裝配式成型鋼筋骨架構件技術應用在設計階段需要實現以下目標： 其一是成型鋼筋骨架構件適合工業化高效制造； 其二是構件運輸安全高效； 其三是成型鋼筋骨架構件現場裝配化安裝施工連接高效便捷。 高效制造要求工廠制造的骨架制品為標準件，以便大批量高質量標準化穩定生產，同時降低鋼材損耗；運輸安全高效則要求工廠制造的成型鋼筋骨架構件體型規整科學，以提高運輸的安全性和效率，降低物流配送運輸成本；裝配便捷則要求成型鋼筋骨架構件之間的安裝節點位置人工操作方便快捷，安裝流程和步驟清晰簡便。

2 裝配式成型鋼筋骨架標準化設計

裝配式成型鋼筋骨架標準化設計根據設計和生產制造的不同階段，分為3 個層級：結構空間的標準化、構件的標準化及鋼筋的標準化。

結構空間的標準化設計主要指建筑采用標準規則結構軸網，形成標準化結構空間單元，設計方案及施工圖階段通過標準結構軸網設計控制后期結構構件的種類和規格達到最少化。 構件的標準化設計主要是指裝配式成型鋼筋骨架構件通過優化設計形成邊界清晰、 規格統一的標準化工廠預制組合成型鋼筋骨架構件。 鋼筋的標準化設計主要通過統一鋼筋構件的直徑、長度、間距等幾何參數，提高其在生產制造過程中的標準化、機械化、自動化程度。

3 面向制造的裝配式成型鋼筋骨架設計

工業化工廠加工制造是裝配式成型鋼筋骨架技術的重要特征。 面向制造的裝配式成型鋼筋骨架設計技術，核心在于標準件分件、標準件組合以及標準化的連接節點設計技術。

標準件分件，主要是在梁、板、墻柱等結構鋼筋構件中提取適合機械化自動加工生產制造的標準件； 標準件組合指將機械生產的標準件分類組合形成成型鋼筋骨架構件； 標準化的連接節點， 是指通過構件及其連接節點位置和工藝的優化設計，歸并和減少成型鋼筋骨架構件連接節點的類型，減少生產和現場安裝的工序，降低制造和安裝難度。

梁、 柱標準件主要是指箍筋與構造鋼筋在工廠通過焊接或綁扎形成的梁、柱成型鋼筋籠。 墻、板標準件主要指由兩層雙向鋼筋網通過輔助連接件連接形成的成型鋼筋籠構成。 梁、柱標準件根據不同的制造工藝，分為封閉箍筋、成型鋼筋籠、成型鋼筋骨架梁柱構件。 墻、 板構件標準件可以分為桁架鋼筋、焊接鋼筋網、成型鋼筋骨架墻板構件（見圖1～圖3），剪力墻構件標準件可以分為邊緣構件、焊接鋼筋網、成型鋼筋骨架剪力墻構件。

圖1 裝配式成型鋼筋骨架梁構件做法示意

圖3 裝配式成型鋼筋骨架板/ 墻構件做法示意

4 面向運輸與吊裝的裝配式成型鋼筋骨架設計

面向運輸和吊裝的裝配式成型鋼筋骨架設計主要關注成型鋼筋骨架的運輸、吊裝效率以及構件安全。 鋼筋骨架是通過焊接成型的鋼筋空間受力體，在具有可靠經驗時，由綁扎成型的鋼筋構件也可作為空間受力體。 由于本文的研究對象主要是機械化制造的焊接成型鋼筋骨架構件。

裝配式成型鋼筋骨架構件在運輸和吊裝階段需要避免以下問題：（1）構件焊點發生開焊；（2）鋼筋骨架發生塑性變形；（3）結構或者構件喪失穩定。

裝配式成型鋼筋骨架構件的焊點及其相關要求在規范條文中表述較為明確[1]，根據鋼筋構件中焊點的形式、鋼筋布置的受力特征可以建立受力模型。 考慮到運輸和吊裝階段裝配式成型鋼筋骨架構件的受力特征， 成型鋼筋骨架梁柱構件的綁扎連接節點不參與受力計算， 僅作為防止成型鋼筋骨架構件中鋼筋失穩、側移的構造措施。

在滿足車輛運輸能力的前提下， 成型鋼筋骨架的承載能力需要和堆放層數形成平衡。 運輸和吊裝階段鋼筋構件的承載能力主要指成型鋼筋構件在運輸階段不產生不可恢復的變形。 在受拉、受彎狀態下，根據鋼筋應力應變曲線，彈性屈服點可以作為鋼筋產生不可恢復變形的控制點。

考慮到運輸車輛限高4 m（超高時不超過4.2 m），截面邊長超過600 mm 的柱子堆放層數往往不超過5 層，截面邊長超過1 000 mm 柱子的堆放層數為3 層。堆放荷載超過底層成型鋼筋骨架構件箍筋承載能力限值時， 可以通過增設箍筋固定焊點等措施減小計算長度， 或減小堆放層數等方法降低底層成型鋼筋骨架中箍筋應力值。

計算結果表明，當成型鋼筋骨架梁柱構件的箍筋直徑小、強度低、間距大時，堆放超過一定層數和重量將會超過底層的成型鋼筋骨架的承載能力極限值。 一般情況下運輸、起吊和裝配階段針對成型鋼筋骨架的驗算是必要的， 施工圖中應根據驗算結果明確提出鋼筋和焊點做法、布置的具體要求。

5 面向現場的裝配式成型鋼筋骨架設計

面向現場裝配的裝配式成型鋼筋骨架設計技術， 核心在于通過節點和構件的裝配設計提高現場裝配操作的便利性，減少輔助工裝的使用量。

裝配式成型鋼筋骨架連接節點位置的選擇決定了裝配現場的操作面， 連接節點做法則決定了裝配操作的程序和復雜程度。 適宜工人現場操作的節點位置，應位于工人舉手可及之處，通常高度在2 m 以內，超過這個范圍往往會存在一定的操作難度，需要借助輔助工具。

以裝配式成型鋼筋骨架梁、柱構件為例，當梁柱節點處的梁鋼筋采用后穿做法時， 可以將梁柱節點位置的柱箍筋和上層塑性鉸區的柱箍筋在工廠制造成整體構件（見圖4）。裝配式成型鋼筋骨架梁構件采用箍筋和腰筋焊接成型，縱筋采用臨時固定措施，待吊裝到工位后，再將縱筋穿插移動至所需位置，通過附加鋼筋穿過梁柱節點連接，或者采用端錨錨固。

圖4 裝配式成型鋼筋骨架柱構件安裝示意

裝配式成型鋼筋骨架墻、 板構件主要通過焊接鋼筋網組合桁架鋼筋而成型。 剪力墻構件的裝配需要將連接節點盡量靠近地面設置， 并盡可能在工廠完成鋼筋骨架構件的制造和成型， 在現場可以通過一定量的附加穿插鋼筋完成構件的裝配和節點連接工作。

由于裝配式成型鋼筋骨架構件的現場裝配存在一定的鋼筋穿插和移動作業[2]，當梁、柱構件箍筋采用135°彎鉤做法時，將極大地增加現場操作的難度， 采用不帶彎鉤的焊接封閉箍筋不但可節約鋼材用量，還可提高梁、柱構件澆筑質量，對安裝效率的提升效果明顯。

裝配式成型鋼筋骨架的節點連接做法可以采用搭接、機械連接和焊接。 采用搭接做法時，鋼筋連接界面不清晰，起吊和安裝時存在穿插作業，容易發生碰撞。 現場焊接作業過多不利于鋼筋連接接頭質量的控制。 機械連接接頭由于操作方便、質量可控、穩定性高，被廣泛應用[3]。

6 裝配式成型鋼筋骨架設計的應用

某地下人防工程項目，用地面積7 882.92 m2，建筑面積22 259 m2，地下4 層。 根據地形高差，西北向局部高出路面1 層，其余均為地下室，其中，-4～-2 層均為人防工程。 建筑頂板標高13.600 m， 底板標高-3.600 m， 建筑周邊路面標高8.280～15.300 m。

根據裝配式成型鋼筋骨架設計技術的要求[4]，本項目采用了裝配式成型鋼筋骨架柱、梁、樓板、地下室外墻以及臨空墻構件。 裝配式成型鋼筋骨架梁、柱構件采用焊接封閉箍，通過標準化設計， 地下3 層成型鋼筋骨架柱構件長度統一為4 m，柱縱筋在地面1.2～2.0 m 處同截面斷開，梁柱節點區的箍筋及上伸部分的箍筋均在工廠預制。 柱縱向鋼筋采用一級可調節機械套筒連接。 裝配式成型鋼筋骨架梁構件的所有箍筋在工廠預制，如圖5 所示，梁縱筋臨時綁扎在鋼筋籠中，現場吊裝好之后移至梁柱節點內通過端錨節點錨固。

圖5 裝配式成型鋼筋骨架柱構件

裝配式成型鋼筋骨架技術在本項目的應用中， 梁柱箍筋耗材量節省了5%～8%，柱縱筋耗材量節省約2%，樓板和墻鋼筋耗材量大約提高了2%～4%，節約了現場鋼筋搬運和綁扎的人工作業量約80%，整體經濟效益明顯。

7 裝配式成型鋼筋骨架設計在鄉村住宅中的應用

鄉村住宅項目對建設成本要求相對較高， 研究團隊通過多年的研發，結合鋼網免拆模，在鄉村建設項目中大量應用了低成本裝配式成型鋼筋骨架設計。 鄉村住宅的建設環境相對苛刻，道路和現場作業條件往往限制了重載機械的使用。 由于裝配式成型鋼筋骨架構件較輕，尺寸規格小，現場工人可不借助輔助工裝設備， 只需要在工廠技術人員的指導下進行簡單的安裝和連接工作即可高效完成構件的裝配，如圖6 所示。

圖6 農房住宅裝配式成型鋼筋骨架墻體應用

鄉村裝配式成型鋼筋骨架住宅的墻、 柱和樓板構件在現場裝配完成后，通過澆筑混凝土最終整體成型。 考慮到鄉村住宅項目的特殊性，將豎向受力裝配式成型鋼筋骨架構件，和非受力的圍護墻體， 通過構造鋼筋和免拆鋼網模組裝成一個整體構件，以提高生產、運輸和裝配效率。 現場裝配完成澆筑受力結構的混凝土，圍護構件澆筑泡沫混凝土。

8 結語

在新型建筑工業化的創新技術體系中， 鋼筋工程的工業化是重要一環。 本文主要對面向制造、運輸、吊裝及現場裝配全過程的裝配式成型鋼筋骨架設計展開研究，結合實際案例，形成了具有特色的工業化技術系統。