裝配式鋼結構建造技術在實驗室建筑中的應用

王子佳

(深圳市建筑工務署工程設計管理中心,廣東 深圳 518027)

1 設計概況

國家感染性疾病臨床醫學研究中心項目位于深圳市龍崗區布瀾路29號,在深圳市第三人民醫院與水官高速路之間,南臨李朗圣山公園,西臨應急院區項目,主要用于感染性疾病的臨床醫學研究,為鋼結構裝配式建筑。

本工程在疫情防控時期建設,為確保該項目能快速建成,并用于研發治療性抗體、疫苗、藥品等工作,將其認定為應急搶險建設工程。本項目設計為1棟鋼結構裝配式建筑,地上5層,無地下室,建筑總高度為37.8m,占地面積為2 800m2,總面積為 12 000m2, 主要包括網絡數據中心、實驗室、生物樣本庫、病毒檢驗區、消毒中心及動物實驗中心等。項目效果如圖1所示。

圖1 項目效果Fig.1 Project effect

本項目屬一類高層,地上建筑耐火等級一級,屋面防水等級一級,結構形式為鋼框架結構,抗震設防類別為甲類,抗震設防烈度為7度(0.10g),抗震措施8度,設計使用年限為50年,為綠色建筑二星級建筑。建筑平面功能分布及樓面標高如表1所示。

表1 建筑平面功能分布及樓面標高Table 1 Building plane function distribution and floor elevation

1.1 設計目標

本項目設計通過合理化功能布局、精細化設備設施設計及裝配式技術應用,以建設設施完備、安全高效、施工快速、綠色節能的實驗室建筑為設計目標,確保該項目能快速建成,并用于研發治療性抗體、疫苗、藥品等工作。

1.2 設計原則

1)統一性原則 本工程作為整個院區的有機組成部分,設計充分考慮了與醫院現有建筑形態、功能的統一,打造符合現代醫療科研實驗室建筑特征和空間感受的工作環境。

2)標準化、模塊化原則 充分發揮裝配式建筑優勢,通過結構體系合理化、實驗空間模塊化設計、標準化構件應用,達到縮短工期、節能減材的目的。

3)分區布局原則 結合本項目使用功能,強化分區布局概念,打造實驗核心區、動力中心區、研發展示區三大功能區塊。

本工程采用動力中心模式進行站房設置。動力中心位于建筑東側,包括變配電所、柴油發電機房、生活水泵房、消防水泵房、空調機房,這些站房性質相似,便于管理。同時,通過動靜分區設計集中布置動力房(見圖2),利于噪聲、振動處置,減少對實驗區域的干擾。

圖2 動力中心功能分析Fig.2 Function analysis of power center

建筑平面南側設置客梯廳,方便工作人員使用。北側分設潔梯、污梯,滿足試驗物品的轉運。工作人員區域設有休息交流區。建筑豎向布置注重實驗室氣流組織,將實驗室放置在建筑上部,便于布置和廢氣排放;業務用房設置在較低樓層,方便使用,同時減少對上層實驗室的穿行,便于管理;機電用房置于底層,方便室外管線銜接。試驗核心區功能分區如圖3所示。

圖3 試驗核心區功能分區Fig.3 Functional zoning of test core area

4)人性化原則 體現“以人為本”的設計理念,通過建筑與室內空間的設計和人性化設施的布置,創造舒適、溫馨、人性化的研發工作體驗。

5)可持續性 改造建筑通過高效利用空間,體現集約使用的原則,充分考慮了科學實驗空間使用的適應性、靈活性,考慮與遠期建筑的有效銜接。

2 項目管理工作機制

2.1 項目管理模式

為保證裝配式項目從設計到施工的順利實施,由建設單位牽頭組織行業內裝配式經驗豐富的設計、施工、生產等單位。

建設單位根據裝配式建筑工程的特點,總體協調全面工作。在工程建設的全過程中,建設單位承擔裝配式建筑設計、預制構件生產、施工等各方間的綜合管理協調責任,建立各單位協同合作工作機制,促進各方之間的緊密協作。

為保證項目的順利實施,組建項目管理團隊,通過建立周例會制度、組建微信工作群等工作機制,成立協同平臺來統籌協調參建各方的協同工作。

2.2 工程總承包(EPC) 模式情況

本工程主體建筑標段由設計與施工聯合體單位承接,本次承包內容包括項目前期配合工作,勘察、設計、采購、施工、交付使用方及其他與項目建設相關的所有服務及配合工作。

1)工程設計 包括但不限于方案設計、初步設計、施工圖設計、BIM模型建立及應用、施工配合、竣工圖編制及按國家有關規定和相關規范要求應由總承包單位完成的工作。

2)工程采購 完成本工程所需的所有材料和設備的采購及管理工作。

3)工程施工 土石方工程(含場地平整)、地基與基礎、主體結構、裝飾工程、電梯工程、電氣及智能化、通風空調工程、給排水工程、消防工程、室外景觀照明、導向標識系統、室外道路及管網、邊坡支護工程、停車場及交通工程、醫療專用設施設備等。

3 裝配式建筑設計

3.1 裝配式建筑標準化設計

本項目建筑形體規整,外部幕墻體系采用鋁單板幕墻與玻璃幕墻。

內部功能布局合理規劃,各層均有可重復利用模塊,如樓電梯間、衛生間、辦公區、標準化實驗間等。其中,3,4,5層為實驗室等主要的專業功能集中區域,設計時專業實驗室采用了基本模塊化的平面設計,同類實驗室平面統一標準化,為裝配式深化打下基礎。實驗室模塊化組件安裝如圖4所示。

圖4 實驗室模塊化組件安裝Fig.4 Laboratory modular component installation

為實現裝配式實施,在與施工、設備供貨方充分溝通后,利用設計施工總承包的承建優勢,確定了“建筑設計→工程設計→標準化設計→BIM設計→構建單元模塊分段設計→加工生產→預拼裝→運輸→組裝”的裝配式路徑。大量的生產工作在加工工廠完成,現場工作在主體結構施工的同時,標準化、模塊化生產加工已經在同步開始,從而達到縮短工期、保證施工質量的目的。

3.2 主體結構采用裝配式鋼結構

本項目主體結構采用鋼框架體系,所有鋼構件均為標準化構件,主、次梁全螺栓連接,梁柱栓焊連接,采用鋼結構樓梯。鋼梁高強螺栓如圖5所示,鋼樓梯構造如圖6所示。

圖5 鋼梁高強螺栓示意Fig.5 High strength bolts of steel beam

圖6 鋼樓梯構造示意Fig.6 Steel stair structure

3.3 圍護墻和內隔墻

1)電梯井位置采用加氣塊。

2)局部衛生間隔墻采用100mm厚蒸壓輕質加氣混凝土內隔墻條板(ALC板),以水泥、石灰、石英砂、發氣材料等為主原料,經磨細、配料、澆筑、切割、高壓。預制ALC墻板施工前經過整層排版,所有預制墻板運至現場后不允許大面積切割,將墻體施工階段的材料浪費幾乎降為零,有利于節約社會資源,保護環境。本項目內墻、外墻條板尺寸為200mm×600mm(厚×寬),少量內墻為100mm(厚)。輕質墻板采用機械錨固方式分別與結構墻、梁、柱相連接,內配有鋼筋,保證墻體具有良好的整體性,同時具有良好的抗震、抗沖擊、抗彎等性能。

3)工藝試驗區采用專用潔凈內墻板(見圖7)。潔凈板又稱凈化板,是一種由彩涂板、不銹鋼等材質作為面材的復合板。潔凈板具有獨特的防塵、防靜電、抗菌等效果。被廣泛應用于電子、制藥、食品、生物、航天航空、精密儀器制造及科研等對室內環境要求苛刻的潔凈工程領域。潔凈板采用專用彩涂鋼板、鋁合金板等材料作為面板,以巖棉、玻鎂板、鋁蜂窩等為芯材復合而成,產品性能優異,適用于各類室內環境要求苛刻的潔凈室工程,是理想的潔凈室圍護材料。

圖7 潔凈板構造示意Fig.7 Structure of clean plate

4)其余內隔墻與外圍墻均采用200mm厚蒸壓輕質加氣混凝土內隔墻條板。

4 裝配式建筑全裝修

根據《深圳市裝配式建筑評分規則》,全裝修是指建筑功能空間的固定面裝修和設備設施安裝全部完成,公共建筑全裝修范圍包括公共區域和已確定使用功能的室內區域。

5 施工組織方案

根據深圳市建設工程施工現場生活區設置和管理的要求,為滿足現場實際情況,有效利用場地的使用空間,滿足安全生產、文明施工、方便生活和環境保護的要求,同時減小對周邊道路交通產生的影響,減少材料的二次搬運量,所有材料堆放區按照“就近堆放、及時周轉”的原則,確定施工總平面布置。項目場地分為辦公生活區、材料堆場區與施工現場區3個管理區。其中堆場區內詳細規劃為樣板展示區、鋼筋加工區、鋼結構堆放區、預制墻板堆放區等。

按照不同施工階段進行現場施工平面布置,包含施工大門設置、場內臨時道路組織、施工區劃分、大型機械布置、堆場布置及其他設施布置。車輛出入口分別設置于南北兩側,通過網格化的劃分形成了場地內外環場道路,保證項目所有材料與構件的有序運輸。主樓西側設置一臺STC7528型平臂塔式起重機,滿足工程材料進出堆場的同時,保證了項目的快速建造。輔樓一側通過汽車式起重機合理站位,與主樓進行同步施工建設。

6 信息化管理

6.1 BIM應用情況

1)設計階段 應用BIM進行施工圖設計,包括各專業協同、管線綜合、BIM模型制作、施工圖和預制構件圖信息表達、預制構件連接節點設計、鋼筋碰撞、施工工序模擬等,提升設計質量。

2)生產階段 應用BIM傳遞設計階段的信息,進行預制構件、裝配式模板深化設計和生產管理,提升預制構件和裝配式模板生產質量和效率。

3)施工階段 應用BIM傳遞設計、生產階段的信息,進行施工全過程管控,實現對施工進度、人力、材料、設備、成本、安全、質量和場地布置的多維動態集成管理,提升施工質量和效率。施工現場BIM模型如圖8所示。

圖8 施工現場BIM模型Fig.8 Construction site BIM model

6.2 信息化管理情況

在施工生產階段嚴格使用各項管理平臺。

1)協同云平臺 項目的請示、出差、請假、電腦補貼申請等流程,都需從此平臺申請。該平臺還集成了業財、報銷、郵件、管理駕駛艙等多個系統,提供一鍵登錄功能。

2)企業郵箱 企業郵箱具有企業隱私管理,對來往于公司的郵件進行高效存儲,具有網頁版。

3)業財系統 系統包括商務、庫存資產子系統等系統。項目在商務、物資操作時需用到此平臺。

4)管理駕駛艙 通過此平臺查看項目重要數據,包括項目效果圖、進度圖、項目基本信息、商務數據、財務收款數據、 物資生產數據等。

5)斑馬計劃管理平臺 通過編制雙代號網絡圖對項目進行進度優化與控制,可設置前鋒線,對項目進度一目了然。

6)職業健康安全管理信息系統 系統涵蓋了各層級安全管理各項功能,項目人員組織參與安全生產工作需用到此平臺。

7)質量云建造系統 平臺集成了施工質量管理系統和系統管理功能。包含后臺云庫的五大基礎清單、前段操作的三大核心流程、交互效果的三大功能輸出,致力于以信息化手段推進大數據分析,促進科學質量管理。

8)廣聯云平臺 項目內部的OA 系統主要包括文檔協同、任務流程、應用流程、成員管理及BIM協作,是一個簡單高效的工程項目多方協作云平臺。

9)BIM平臺 鋼結構全生命周期主要指從鋼結構設計開始,通過原材料采購、工廠加工制作、產品運輸、現場安裝到驗收完畢交付使用的全生命歷程。通過對設計、采購、 制作、安裝的集成管理,達到降本增效的目的。

10)勞務管理系統 云筑系統為承包企業提供人員統計項目庫、統計分析等功能,便于承包企業隨時隨地把控項目信息。通過云服務為現場班組長提供實名認證、班組人員信息、考勤、記賬的功能。為現場工人提供實名認證、個人信息、考勤、工資發放、招聘等信息的查詢。

7 建設工期及全壽命周期成本

采用預制裝配式鋼結構體系,材料費約為傳統現澆混凝土結構的1.8倍,機械費約為傳統現澆混凝土結構的3倍,人工費較傳統的現澆混凝土結構體系節省約40%。人工、材料、機械綜合單價較傳統現澆方式增加約300元/m2。

根據項目統計,預制裝配式鋼結構體系與現澆混凝土框架結構體系運用全壽命周期成本評價體系計算初始成本、建設成本、維護成本等,具有以下優勢。

1)預制裝配式鋼結構與現澆混凝土框架結構相比建設工期縮短約50%,大大提高了施工效率,節約人工成本。工期的縮短,可節約貸款利息,節省現場大型機械的租賃費及現場管理費。

2)全壽命周期中,預制裝配式鋼結構體系建筑全壽命周期成本比現澆混凝土框架建筑成本降低約30%,裝配式鋼結構建筑在全壽命周期中具有更好的經濟性。

因此,裝配式鋼框架結構體系的全壽命周期成本低于現澆混凝土結構體系,裝配式鋼結構建筑具有更好的經濟性與推廣應用價值。

8 結語

通過采取上述管理和技術措施,本項目技術項、技術總評分均滿足《深圳市裝配式建筑評分規則》的相關要求,可認定為裝配式建筑。

國家感染性疾病臨床醫學研究中心項目作為實驗室功能性建筑,通過標準化設計、全過程BIM技術,把實驗室、辦公室、衛生間等劃分為標準模塊,進行工廠化生產,減少現場濕作業,對工廠生產組件編碼,現場組裝裝配,一次成型,實現裝修一體化,是實驗室建筑裝配式建設的一個成功案例。