裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應用與展望

姚丹丹

（山東工業(yè)職業(yè)學院，山東 淄博 255000）

0 引 言

20 世紀 50年代，在建筑形式上我國開始嘗試裝配式建筑的建造，主要借鑒了前蘇聯(lián)、東歐國家的建造施工經(jīng)驗。第一個五年計劃中提出，集中力量進行工業(yè)化建設，國家政策推行標準化、工廠化、裝配式施工的房屋建造方式。20 世紀 60～ 80年代初，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系得到快速發(fā)展。裝配式房屋、裝配式混凝土梁板結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)以及排架結(jié)構(gòu)得到應用。1976年新建的前三門大街，住宅和旅館全面采用大模板現(xiàn)澆混凝土內(nèi)墻和預制混凝土保溫外掛墻板相結(jié)合的體系。1988年，北京市和平里小黃莊大板住宅建成，共 16 層。然而，80年代末開始，裝配式建筑的發(fā)展進入了停滯階段。1976年唐山大地震中預制裝配式房屋破壞嚴重，裝配式建筑結(jié)構(gòu)整體性和抗震性能較差；裝配式大板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏、隔音差、保溫差的問題；同時現(xiàn)澆施工技術(shù)得到廣泛的應用與發(fā)展，裝配式建筑的發(fā)展停滯。進入 21 世紀，隨著裝配式技術(shù)逐步成熟，經(jīng)濟實力提高，裝配式建筑逐漸符合現(xiàn)階段國情。裝配式建筑進入新發(fā)展階段［1-2］。在新發(fā)展階段，萬科集團對工業(yè)化標準住宅建造技術(shù)進行了探索與試點，主要形成兩大技術(shù)：PC 技術(shù)和 PCF 技術(shù)；中南集團在國外預制混凝土技術(shù)的基礎上，同時按照我國設計標準形成了 NPC 技術(shù)體系；宇輝集團利用剪力墻豎向連接專利技術(shù)，在預留孔洞中插入鋼筋，鋼筋與空洞之間的縫隙用混凝土澆筑形成整體，形成了裝配整體式預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)；合肥西偉德混凝土預制有限公司引進德國 doublewall precast construction building system 技術(shù)形成了疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)［3］。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)體系

萬科集團根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，逐步形成了與裝配式剪力墻體系適宜的工業(yè)化建筑體系。為了促進住宅產(chǎn)業(yè)化，積極推進裝配式建筑的發(fā)展，大量學者和企業(yè)對裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系、技術(shù)發(fā)展、質(zhì)量管控和項目管理等方面進行了深入的研究與實踐。自 2007年啟動裝配式建筑試點工程以來，積極推進裝配式建筑的發(fā)展，積累了豐富的項目經(jīng)驗和技術(shù)成果，主流住宅產(chǎn)品全面采用裝配式的建造方式，目前主要形成了兩大技術(shù)：①PC（precast concrete）技術(shù)，該技術(shù)主要應用于全預制混凝土構(gòu)件，如陽臺板、樓梯、空調(diào)板、樓板等；②PCF（precast concrete form）技術(shù)，即預制混凝土模板技術(shù)，運用該技術(shù)形成了預制混凝土剪力墻外墻模板以及疊合樓板的預制板等。結(jié)構(gòu)其他部分，如剪力墻、隔墻、電梯井等仍然采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式建造。宇輝集團基于“插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接”技術(shù)，形成了裝配整體式預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)。主要的預制構(gòu)件是豎向剪力墻、疊合樓板、樓梯以及陽臺等。合肥寶業(yè)西偉德混凝土預制構(gòu)件有限公司引進德國技術(shù)，其核心技術(shù)是生產(chǎn)桁架鋼筋雙面預制疊合式剪力墻。

2 裝配式建筑預制構(gòu)件及關鍵技術(shù)

2.1 夾心保溫剪力墻板

夾心保溫剪力墻板是一種應用比較廣泛的預制構(gòu)件，主要由外葉墻板、保溫層和內(nèi)葉墻板組成，俗稱三明治保溫墻板。內(nèi)葉墻板在最里側(cè)，主要起結(jié)構(gòu)支撐作用，中間層是保溫層，常采用聚苯板材料作為保溫材料鋪設在內(nèi)外葉墻板上，外葉墻板在最外側(cè)，主要作用是保護聚苯板等保溫材料，同時外葉墻板也起結(jié)構(gòu)支撐作用［4］。

2.2 鋼筋套筒灌漿技術(shù)

鋼筋灌漿套筒由帶肋鋼筋、套筒和灌漿料組成，帶肋鋼筋插入套筒，并與套筒內(nèi)壁上的凹槽齒和，向套筒內(nèi)灌注具有良好流動性、早強、高強、微膨脹等性能的水泥基灌漿料，水泥基灌漿料硬化將鋼筋和套筒緊密連接在一起，鋼筋連接后所受外力能夠有效傳遞。在1970年，美國結(jié)構(gòu)工程師 Yee 博士研發(fā) NMB 連接套筒；1972年此項技術(shù)由日本公司購置并應用于當?shù)氐念A制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中；在日美的大量研究與修改后，鋼筋套筒灌漿技術(shù)在日本和美國得到廣泛應用［5］。鋼筋套筒灌漿連接施工流程主要包括：預制構(gòu)件的套筒在工廠與鋼筋進行連接、將套筒在模板上進行安裝固定和注漿管道、出漿管道與套筒連接，在建筑施工現(xiàn)場進行構(gòu)件安裝、灌漿腔的密封、灌漿料加水拌和以及套筒灌漿。豎向預制構(gòu)件受力鋼筋的連接方式主要有兩種，半灌漿套筒或全灌漿套筒連接。水平預制構(gòu)件縱向受力鋼筋的連接方式主要是全灌漿套筒連接［6］。

2.3 鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)

鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)基于連接錨固原理進行連接。在豎向結(jié)構(gòu)部品下段范圍內(nèi)預留出豎向孔洞，孔洞內(nèi)壁表面留有螺紋狀粗糙面，周圍配有橫向約束螺紋箍筋。裝配式構(gòu)件將下部鋼筋插入孔洞內(nèi)通過灌漿口注入灌漿料，直至排氣孔溢出，停止灌漿。當灌漿料凝結(jié)后將此部分連接成一體。鋼筋漿錨搭接連接的技術(shù)要點在于灌漿料應滿足高強、早強和無收縮的要求；灌漿孔的孔道應滿足要求；被搭接的鋼筋之間的約束。

2.4 環(huán)筋扣合錨接結(jié)構(gòu)體系

裝配式環(huán)筋扣合錨接混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系包括若干預制剪力墻、預制疊合樓板。在剪力墻外四周突出封閉的鋼筋環(huán)，讓封閉箍筋與連接剪力墻外四周的封閉鋼筋環(huán)交錯，然后在封閉箍筋內(nèi)穿鋼筋進行固定后澆筑混凝土。預制疊合樓板與剪力墻通過現(xiàn)澆混凝土錨接［7］。

2.5 裝配式建筑中 BIM 技術(shù)

BIM 技術(shù)在裝配式建筑設計階段、構(gòu)件生產(chǎn)階段、施工階段、碰撞檢測階段、運營維護階段都得到了廣泛應用。設計階段，利用三維建模軟件將建筑結(jié)構(gòu)與模型進行對比，形成與建筑結(jié)構(gòu)一致的信息化模型，為工程建設提供參考依據(jù)。構(gòu)件生產(chǎn)階段，根據(jù)設計要求及規(guī)范標準將預制構(gòu)件的參數(shù)、規(guī)格等相關信息輸入到 BIM 平臺中，生產(chǎn)廠家以此為依據(jù)，方便生產(chǎn)工作的進行。施工階段，將構(gòu)件生產(chǎn)信息與 BIM 數(shù)據(jù)平臺進行及時、準確地反饋，保證預制構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量、力學性能、尺寸規(guī)格等都能夠滿足工程要求，提高工程質(zhì)量。碰撞檢測階段，通過 BIM 軟件建立建筑信息模型，施工單位能夠減少各專業(yè)之間的矛盾和交叉問題。運營維護階段，基于 BIM 技術(shù)的數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢，數(shù)據(jù)平臺能夠?qū)こ倘^程進行記錄，保證建設數(shù)據(jù)與維護數(shù)據(jù)的準確、全面。對工程維修來講，BIM 技術(shù)對工程的全面記錄，為后續(xù)維修工作提供準確的參考依據(jù)，保證維修工作的順利進行［8］。

3 裝配式建筑施工技術(shù)的應用

本文對國內(nèi)使用裝配式建造技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)建筑進行了歸納整理，如表1 所示。主要針對裝配式建筑的所在地、高度、結(jié)構(gòu)體系、預制率、預制構(gòu)件五個方面進行了分析。從表1 中能得到以下結(jié)論。

1）裝配式建造技術(shù)在北京、上海、深圳等地區(qū)的應用較其他地區(qū)多。

2）裝配式建筑在高度上集中在 40～100 m，超過100 m 的裝配式建筑較少。

3）裝配式建筑常用的結(jié)構(gòu)形式主要有剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)中以剪力墻結(jié)構(gòu)應用較廣泛。

4）裝配式建筑的預制率集中在 60 % 以下，預制率超過 60 % 的較少，預制率為 100 % 的極少。

5）裝配式建筑的預制構(gòu)件主要有預制剪力墻、預制疊合梁柱、預制疊合樓板、預制樓梯、預制陽臺、預制空調(diào)板等。

4 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑存在的問題及展望

在生產(chǎn)效率方面，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場裝配，生產(chǎn)效率高，減少人力成本；在工程質(zhì)量方面，裝配式預制構(gòu)件生產(chǎn)誤差控制在毫米級，預制生產(chǎn)可實現(xiàn)墻體無滲漏、無裂縫；在技術(shù)集成方面，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的設計、制作、施工標準化、一體化通過工廠化、裝配化形成集成技術(shù)；在資源節(jié)約方面，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑在施工節(jié)水、節(jié)材、節(jié)能、減少垃圾、減少抹灰等都比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢；在環(huán)境保護方面，裝配式施工現(xiàn)場無揚塵、無廢水、無噪音。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑在生產(chǎn)效率、工程質(zhì)量、技術(shù)集成、節(jié)約資源和環(huán)境保護方面有諸多優(yōu)勢，但在近幾年的推廣中還存在如下問題，有待于在下一步研發(fā)推廣應用中解決。

4.1 建造成本問題

相比較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑建造成本較高。首先大部分預制構(gòu)件生產(chǎn)廠僅服務于裝配式建筑企業(yè)，同時市場對于預制構(gòu)件的需求較小，構(gòu)件生產(chǎn)過程中并沒有達到預想的“工廠”生產(chǎn)的價格優(yōu)勢；其次，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑會產(chǎn)生額外的構(gòu)件節(jié)點連接成本以及運輸成本；預制構(gòu)件如何通過標準化的生產(chǎn)方式以及商業(yè)化的供應模式來減少裝配式混凝土建筑與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的成本差距是亟需解決的問題［9］。

表1 國內(nèi)使用裝配式建造技術(shù)的建筑

4.2 現(xiàn)場施工安裝問題

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的施工技術(shù)、施工管理與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相差較大，同時裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工安裝過程較傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)復雜。從預制構(gòu)件運輸、構(gòu)件進場堆放、吊車垂直運輸設備、安裝作業(yè)面、構(gòu)件臨時固定、節(jié)點連接，安裝工序較多，有時裝配式建筑現(xiàn)場安裝流水作業(yè)時間要比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)慢。裝配式預制構(gòu)件在工廠生產(chǎn)這個過程中，鋼筋操作只是把工人從現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到了車間、憑空增加了運輸時間、生產(chǎn)和運輸過程造成了工期的延長等，這并不符合綠色發(fā)展的要求。如何充分發(fā)揮工廠裝配和混凝土成型各自的優(yōu)勢，把裝配和現(xiàn)澆技術(shù)有機結(jié)合應用到建筑中實現(xiàn)裝配式建筑工期減少，是目前需要重點研究解決的問題［10］。

4.3 展望

預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑將成為建筑行業(yè)重要發(fā)展方向，也是社會發(fā)展的必然趨勢。據(jù)有關數(shù)據(jù)表明，當房屋住宅的預制率達到 37 % 時，能夠節(jié)約 36 % 的水資源、節(jié)約 31 % 的電、減少 87 % 模板周轉(zhuǎn)料具投入，并且會減少 83 % 的垃圾產(chǎn)生，縮短施工工期、降低施工管理成本。所以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的廣泛應用是推動我國構(gòu)建低碳性社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措［11］。

5 結(jié) 語

國內(nèi)裝配式建筑企業(yè)主要有萬科集團、中南建設、宇輝集團、合肥西偉德等。在裝配式建筑建造中主要的技術(shù)體系和關鍵技術(shù)有剪力墻結(jié)構(gòu)體系、套筒灌漿技術(shù)、鋼筋漿錨搭接連接技術(shù)、環(huán)筋扣合錨接結(jié)構(gòu)體系以及裝配式建筑中 BIM 技術(shù)。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑主要集中在北京、上海和深圳等地，建筑高度集中在 40～100 m，常用的結(jié)構(gòu)形式主要是剪力墻結(jié)構(gòu)，預制率集中在 60 % 以下，預制構(gòu)件主要有預制剪力墻、預制疊合梁柱、預制疊合樓板、預制樓梯、預制陽臺、預制空調(diào)板等。在裝配式建造過程中主要的問題是建造成本和現(xiàn)場施工問題。綜上，裝配式建筑還有進一步發(fā)展的空間，同時裝配式建造技術(shù)還有待進一步的研究。Q