基于模塊化的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

卞奕，梁培新，宗蘭

（1.江蘇中銳華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 江陰214431;2.南京工程學(xué)院建工學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

裝配式建筑具有建造速度快、現(xiàn)場濕作業(yè)量小、節(jié)約周轉(zhuǎn)性材料、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、對(duì)環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，屬于綠色建筑范疇。隨著環(huán)境污染和勞動(dòng)力緊缺等問題的日益突出，學(xué)校建筑很多采用裝配式建筑。學(xué)校教學(xué)樓、宿舍、辦公樓、食堂、圖書館等一般層數(shù)不高，通常采用框架結(jié)構(gòu)。本文主要以江陰市易地新建顧山實(shí)驗(yàn)小學(xué)為背景，介紹了學(xué)校裝配式框架結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)思路及預(yù)制裝配設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1 工程概況

易地新建顧山實(shí)驗(yàn)小學(xué)位于江陰市顧山鎮(zhèn)府前街南、福新路西、英才街北側(cè)，項(xiàng)目總用地面積53 300 m2，總建筑面積 35 000 m2。 其中，1#行政圖書樓、2#教學(xué)樓、3#綜合樓A （3#綜合樓分A、B、合班教室三個(gè)部分）、4#食堂、5#看臺(tái)為一期建筑；3#綜合樓B、3#綜合樓合班教室、6#共享文體中心為二期建筑。本工程按照國家綠色環(huán)保的要求，提出了整體預(yù)制率不小于30%的要求。本工程除5#看臺(tái)采用純現(xiàn)澆混凝土外，其它各棟樓均為局部預(yù)制梁、局部疊合板、預(yù)制樓梯的裝配式建筑結(jié)構(gòu)。

2 整體設(shè)計(jì)思路

2.1 模塊化標(biāo)準(zhǔn)化

在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)于教學(xué)樓、食堂、行政樓這類規(guī)整的建筑，主要功能單元采用模塊化設(shè)計(jì)。通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫使得各模塊單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)建筑布置直接進(jìn)行模塊的組合連接，實(shí)現(xiàn)建筑功能的要求。以2#教學(xué)樓為例，它由3個(gè)教室模塊、2個(gè)辦公公共模塊和2個(gè)其他模塊組成，其分布和組合關(guān)系如圖1所示。

圖1 2#教學(xué)樓模塊分布與組合關(guān)系

教室模塊（圖2）由若干平面尺寸完全相同的帶走廊的房間組成（8 850 mm×11 200 mm），盡量實(shí)現(xiàn)主要構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，從而有效地控制建造成本。2#教學(xué)樓平面所示共有2個(gè)辦公公共模塊，包括教師辦公室、教研辦公室、學(xué)生閱覽室及衛(wèi)生間、配電間、樓梯間和走廊等公共區(qū)域，2個(gè)辦公公共模塊的總體模塊尺寸一致，但內(nèi)部建筑功能布局略有不同，只需在模塊內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)微調(diào)，即可滿足建筑功能需求。其他模塊1和其他模塊2體量較小，也是各自單獨(dú)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行模塊的組合拼接。

在結(jié)構(gòu)上，各模塊之間設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫，使各模塊可單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后根據(jù)建筑要求進(jìn)行組合拼裝，體現(xiàn)了綠色設(shè)計(jì)理念。

圖2 2#教學(xué)樓的教室模塊放大圖

2.2 兼顧安全經(jīng)濟(jì)

本工程對(duì)1#行政圖書樓、2#教學(xué)樓、3#綜合樓、4#食堂采用裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，對(duì)5#看臺(tái)和6#共享文體中心采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。1#~4#均為建筑上相對(duì)規(guī)則的建筑，便于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，適用于裝配式結(jié)構(gòu)。5#看臺(tái)坡道和折板較多，不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)由于建筑體量較小，采用裝配式結(jié)構(gòu)體系，成本高，不經(jīng)濟(jì)。6#共享文體中心立面不規(guī)則，錯(cuò)層和立面縮進(jìn)較多，層數(shù)較少，平面布置復(fù)雜，不利于采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和批量化生產(chǎn)，因此其下部主體結(jié)構(gòu)仍然采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系。1#~4#樓也并不是所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都預(yù)制，對(duì)于一些跨度較大的框架梁，其梁端彎矩、剪力設(shè)計(jì)值較大，同時(shí)運(yùn)輸和安裝較為困難且有一定危險(xiǎn)性，則采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)一些承受較大扭矩的邊梁，也采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3 考慮施工因素影響

框架柱是框架結(jié)構(gòu)最主要的抗側(cè)力構(gòu)件。在裝配式框架結(jié)構(gòu)中，預(yù)制柱鋼筋一般采用全灌漿套筒或者半灌漿套筒連接。由于柱子豎向鋼筋較多，因此連接接頭的施工質(zhì)量對(duì)框架柱性能影響較大，且接柱成本較高。本工程層數(shù)不高，因此在滿足一定預(yù)制率要求的基礎(chǔ)上，框架柱全部采用現(xiàn)澆，既避免了套筒灌漿施工質(zhì)量因素對(duì)框架柱性能的影響，又節(jié)約了建造成本。

3 裝配式設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程一期的1#~4#樓采用預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，5#看臺(tái)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系。裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的類型包括：預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板和預(yù)制樓梯三類，具體各單體的預(yù)制率和預(yù)制構(gòu)件范圍如表1所示。

3.1 疊合板設(shè)計(jì)

本工程疊合板拆分的時(shí)候，主要考慮以下幾個(gè)原則：①板按次要方向拆分，即板縫垂直于板的長邊；②板寬不超過工廠生產(chǎn)臺(tái)模寬度和運(yùn)輸寬度的限制；③盡可能地減少板規(guī)格，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。以2#教學(xué)樓的教室模塊為例，教室模塊體量較大，經(jīng)過合理拆分后僅有 4 個(gè)規(guī)格模塊：2 020×3 020、2 020×2 770、2 170×2 180、2 170×2 175，標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化程度高。

1#~4#樓的二層至屋面結(jié)構(gòu)的板均采用疊合板，疊合板的預(yù)制底板厚度為60 mm。樓面預(yù)制底板多數(shù)采用單向板，局部跨度較大的區(qū)域采用雙向板。規(guī)范要求疊合板現(xiàn)澆層厚度不小于60 mm，由于學(xué)校公共建筑管線較多，本工程樓面現(xiàn)澆混凝土層厚度取80 mm~90 mm，以便于水電管線的安裝。屋面疊合板現(xiàn)澆層厚度取100 mm，考慮了防水滲透和溫度應(yīng)力的影響。單向板采用密拼方式排布，板縫連接節(jié)點(diǎn)如圖3所示。雙向板的板縫寬度不固定，主要是為了使疊合板規(guī)格盡量統(tǒng)一或減少。本工程雙向板板縫內(nèi)鋼筋連接有兩種方式，分別適用于板縫寬度小于300 mm和大于300 mm的情況。

表1 各單體的預(yù)制率和預(yù)制構(gòu)件范圍

圖3 單向板密拼板縫連接節(jié)點(diǎn)

3.2 疊合梁設(shè)計(jì)

梁的拆分位置可設(shè)在梁跨中，也可設(shè)在梁端。本工程框架梁拆分的位置設(shè)在梁端，采用鍵槽節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆框架柱進(jìn)行連接，鋼筋連接設(shè)在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)，不影響塑性鉸的連接。

疊合框架梁后澆混凝土厚度不宜小于150 mm，疊合次梁后澆混凝土厚度不宜小于120 mm。當(dāng)疊合板總厚度小于疊合梁后澆混凝土疊合層厚度要求時(shí)，預(yù)制部分可采用凹口截面形式（圖4a），增加梁的后澆層厚度。本工程1#樓、2#樓、4#樓大部分框架梁抗震等級(jí)為三級(jí)，只有轉(zhuǎn)換層和單跨梁抗震等級(jí)為2級(jí)；3#樓框架梁抗震等級(jí)為二級(jí)。疊合梁箍筋配置，二級(jí)疊合框架梁的梁端箍筋加密區(qū)采用了整體封閉箍筋（圖4b），三級(jí)框架梁的梁端箍筋加密區(qū)采用了組合式封閉箍筋（圖4a），以便于預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)及現(xiàn)場梁縱筋的安裝。

圖4 疊合梁剖面樣式

3.3 預(yù)制樓梯設(shè)計(jì)

本工程樓梯為預(yù)制雙跑樓梯，預(yù)制樓梯與梯梁之間采用簡支連接。預(yù)制樓梯上部采用固定鉸支座，下部采用滑動(dòng)鉸支座，通過在支座上設(shè)置一塊5 mm厚的聚四氟乙烯板實(shí)現(xiàn)。為避免樓梯在地震作用下與結(jié)構(gòu)梁互相作用形成約束，在樓梯的滑動(dòng)段應(yīng)留出移動(dòng)空間。

4 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)制疊合板深化設(shè)計(jì)主要包括脫模、運(yùn)輸、吊裝驗(yàn)算以及預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)。

預(yù)制疊合板深化時(shí)要注意：①板內(nèi)鋼筋規(guī)格和間距，②伸出構(gòu)件的鋼筋長度和端部樣式（是否帶彎鉤或者彎起），③水電暖點(diǎn)位的預(yù)埋或預(yù)留，④吊點(diǎn)設(shè)計(jì)，⑤安裝方向的標(biāo)識(shí)。

疊合梁的深化設(shè)計(jì)主要考慮以下內(nèi)容：①梁內(nèi)鋼筋的規(guī)格和間距，②伸出構(gòu)件的鋼筋的長度和樣式，③梁端鍵槽的設(shè)置，④梁端水電點(diǎn)位的預(yù)留和預(yù)埋，⑤吊點(diǎn)的設(shè)置。預(yù)制樓梯除了上下鉸接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造外，要分別設(shè)置脫模吊點(diǎn)（設(shè)在板側(cè)）和安裝吊點(diǎn)（設(shè)在板面）。其中，水電暖等機(jī)電點(diǎn)位的預(yù)留和預(yù)埋，要結(jié)合電氣、給排水、暖通等機(jī)電專業(yè)的圖紙仔細(xì)核對(duì)，否則會(huì)造成現(xiàn)場二次開洞，從而影響工期、質(zhì)量和安全。

5 結(jié)語

本文以易地新建顧山小學(xué)為背景，對(duì)其模塊化設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造提供參考。