廣東某院校學(xué)生宿舍裝配式設(shè)計(jì)

毛 娜，徐其功，2

（1、廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510010；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

1 工程簡介

廣東某院校學(xué)生宿舍項(xiàng)目位于廣東省清遠(yuǎn)市省級職業(yè)技術(shù)教育示范基地內(nèi)，為廣東省建筑工程集團(tuán)有限公司首個裝配式EPC 項(xiàng)目，被評為“廣東省第一批裝配式示范項(xiàng)目”。該項(xiàng)目共7 棟6 層高21.55 m 的單體，總建筑面積58 089 m2，無地下室，采用裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層和屋面現(xiàn)澆，2～6 標(biāo)準(zhǔn)層采用裝配式，學(xué)生宿舍樓效果如圖1所示。

圖1 學(xué)生宿舍樓效果Fig.1 Student Dormitory Building Effect

2 外墻保溫隔熱設(shè)計(jì)對比與分析

2.1 建筑外墻劃分

根據(jù)《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［1］，本項(xiàng)目需按照夏熱冬暖地區(qū)北區(qū)建筑節(jié)能要求設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮夏季降溫，兼顧冬季采暖要求。

如圖2所示，將建筑外墻分為南北外墻和東西外墻。圖2中東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)宿舍的外陽臺有效遮擋和減少了進(jìn)入宿舍內(nèi)部的熱量，減輕了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱能耗。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，廣東清遠(yuǎn)地區(qū)建筑南北向可不進(jìn)行保溫隔熱設(shè)計(jì)，東西向有保溫隔熱設(shè)計(jì)要求。

圖2 學(xué)生宿舍標(biāo)準(zhǔn)層建筑外墻劃分平面示意圖Fig.2 Plane of Dividing the Exterior Wall of Standard Floor Building In Student Dormitory

2.2 保溫形式的對比分析

適用于裝配式混凝土建筑的常用外墻的保溫形式一般有4 種，分別為自保溫（常用形式為加氣混凝土外掛墻板）、夾心外掛墻板、外掛墻板+內(nèi)保溫（保溫砂漿形式）、外掛墻板+內(nèi)保溫（復(fù)合板形式）。其中加氣混凝土外掛墻板技術(shù)不成熟［2］，運(yùn)輸過程存在風(fēng)險；外掛墻板+保溫砂漿內(nèi)保溫系統(tǒng)存在濕作業(yè)工序，影響建筑的裝配式評價指標(biāo)和施工工期。參考國內(nèi)部分地區(qū)裝配式剪力墻住宅外墻保溫模式［3］，本項(xiàng)目可采用夾心外掛墻板的形式。根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，還可以采用外掛墻板+內(nèi)保溫（復(fù)合板形式）的形式，設(shè)計(jì)前對該兩種構(gòu)造形式進(jìn)行了前期研究。

利用清華斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)軟件對各建筑單體建筑建模，并按表1和表2賦予模型不同的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 夾芯外掛墻板節(jié)能計(jì)算構(gòu)造參數(shù)Tab.1 Construction Parameter For Energy Saving Calculation of Sandwich Exterior Wall Panels

表2 外掛墻板+內(nèi)保溫系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算構(gòu)造參數(shù)Tab.2 Construction Parameter For Energy Saving Calculation of External Wall Panel + Internal Insulation System

夾芯外掛墻板的方案采用滿足結(jié)構(gòu)需求的鋼筋混凝土最小厚度值進(jìn)行節(jié)能核算，經(jīng)變換參數(shù)驗(yàn)算，表1中數(shù)據(jù)均符合學(xué)生宿舍的保溫隔熱要求，且滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［4］第6.7.3 條規(guī)定：建筑外墻采用保溫材料與兩側(cè)墻體構(gòu)成無空腔復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)體系時，保溫材料兩側(cè)的墻體應(yīng)采用不燃材料且厚度應(yīng)≥50 mm。

表2為按外掛墻板+內(nèi)保溫系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能計(jì)算時選取的不同厚度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：表2中參數(shù)均能滿足建筑外墻保溫隔熱設(shè)計(jì)要求。同時對夾芯外掛墻板、外掛墻板+內(nèi)保溫系統(tǒng)2 種做法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比，如表3所示。

經(jīng)上述比較分析，最終采用相對經(jīng)濟(jì)的外掛墻板+內(nèi)保溫（復(fù)合板）的保溫做法。

裝配式混凝土建筑推薦采用保溫隔熱一體化的外圍護(hù)系統(tǒng)，因此我國較多省區(qū)采用夾心保溫外墻板的形式，但廣東省屬于夏熱冬暖地區(qū)，采用這種保溫形式并不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，因此很少采用。外掛墻板+內(nèi)保溫（復(fù)合板）的做法不足之處在于不能實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件與保溫隔熱一體預(yù)制，內(nèi)保溫層需在預(yù)制外掛墻板安裝后再施工安裝?？紤]到裝配式建筑的施工特點(diǎn)，上層構(gòu)件安裝的同時，下面已安裝好的樓層可以同步進(jìn)行裝修工作，彌補(bǔ)了該做法多道工序?qū)ㄖて谠斐捎绊懙牟蛔?。該做法同時可以減少現(xiàn)場濕作業(yè)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。

表3 夾芯外掛墻板與外掛墻板+內(nèi)保溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較Tab.3 Economic Comparison of Sandwich External Wall Panel and External Wall Panel+Internal Insulation System

3 預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)

本工程中框架柱全為現(xiàn)澆，標(biāo)準(zhǔn)層外圍框架梁和衛(wèi)生間沉箱及周邊部分梁、樓梯休息平臺等為現(xiàn)澆外，標(biāo)準(zhǔn)層其他構(gòu)件均為預(yù)制，主要采用的預(yù)制構(gòu)件有鋼筋桁架疊合板、疊合梁、預(yù)制外掛墻板、預(yù)制樓梯、全預(yù)制懸挑板、預(yù)制空調(diào)板等。標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制構(gòu)件平面布置情況如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制構(gòu)件平面布置Fig.3 Plane Layout of Prefabricated Components of Standard Floor

3.1 預(yù)制樓板拆分

預(yù)制底板的厚度，除要滿足構(gòu)件本身的受力要求外，還需根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝以及現(xiàn)場施工過程的荷載通過計(jì)算確定。本項(xiàng)目中裝配式標(biāo)準(zhǔn)層的疊合樓板總厚度為130 mm，預(yù)制層厚度取60 mm?？紤]建遠(yuǎn)構(gòu)件廠內(nèi)生產(chǎn)構(gòu)件固定模臺寬度為3.5 m［5］，可生產(chǎn)板類構(gòu)件最大寬度為3.2 m；考慮道路和運(yùn)輸車輛寬度限制，運(yùn)輸構(gòu)件短邊方向出筋寬度不得超過3.2 m。因此根據(jù)本項(xiàng)目疊合樓板受力特點(diǎn)和在結(jié)構(gòu)中所處位置，按單向疊合板和雙向疊合板進(jìn)行拆分。

走廊部位樓板基本為單向板傳力模式，因此按單向疊合板拆分（見圖4a），拆分時，樓板沿非受力方向劃分，預(yù)制底板采用分離式接縫，可在任意位置拼接；房間內(nèi)板塊尺寸過大，且樓板為雙向板傳力模式，因此按雙向疊合板拆分（見圖4b）?？紤]拼接后樓板底部拼接縫的觀感效應(yīng)，房間內(nèi)預(yù)制板之間采用整體式接縫，接縫位置設(shè)置在疊合板的次要受力方向上受力較小部位，預(yù)制板間預(yù)留300 mm 寬現(xiàn)澆帶，兩側(cè)預(yù)制板外伸鋼筋在現(xiàn)澆帶中搭接連接。

圖4 預(yù)制疊合板拆分示意Fig.4 Prefabricated Laminate Splitting

3.2 外掛墻板拆分

外掛墻板是裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)上的非承重外維護(hù)掛板，其拆分通常限于一個層高和一個開間，拆分設(shè)計(jì)時要考慮到構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝條件等因素的影響。外掛墻板拆分的同時還應(yīng)根據(jù)建筑立面的特點(diǎn)，合理設(shè)置拼縫的位置，減少對建筑立面效果的影響。因此外掛墻板的拆分既要滿足墻板的尺寸控制要求，又要符合建筑外觀設(shè)計(jì)要求。

本項(xiàng)目外掛墻板拆分時充分利用了建筑外立面凹凸線條的特點(diǎn)，有陽臺的立面外墻巧妙地將拼縫隱藏于U 型裝飾假柱和空調(diào)板百葉窗內(nèi)（見圖5a）。由于層高為3.55 m，西側(cè)無陽臺外墻若按開間拆分，墻板尺寸超出構(gòu)件生產(chǎn)和運(yùn)輸尺寸的要求，且構(gòu)件過重，與吊裝設(shè)備不匹配，因此將一個開間的墻板拆分成 3 塊（見圖5b）。

圖5 預(yù)制外掛墻板拆分示意Fig.5 Schematic of Prefabricated Exterior Wall Panel Splitting

考慮到生產(chǎn)和運(yùn)輸問題，項(xiàng)目中的預(yù)制空調(diào)板與外掛墻板采用分開制作生產(chǎn)，現(xiàn)場組合拼裝的方式，簡化了生產(chǎn)和運(yùn)輸。

4 預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不但要考慮結(jié)構(gòu)受力特性的要求，還要考慮構(gòu)件安裝時的可操作性，是保證建筑安全和質(zhì)量以及工程進(jìn)度的重要因素。

4.1 梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為減少梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)梁外伸鋼筋數(shù)量，在本項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)階段已對梁配筋進(jìn)行合并，并在滿足梁端受力和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］等相關(guān)規(guī)范要求的前提下，將梁第二排底筋在距兩端一定距離處截?cái)?，減少外伸鋼筋的數(shù)量，同時采用錨固板的設(shè)計(jì)，方便節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋避讓和構(gòu)件安裝（見圖6）。

圖6 預(yù)制梁與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)連接大樣Fig.6 Connection Sample of Prefabricated Beam and Cast-in-situ Joints

該節(jié)點(diǎn)連接形式基本等同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，與采用套筒連接鋼筋的延性連接節(jié)點(diǎn)［7］相比，節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋避讓設(shè)計(jì)是深化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)時同時考慮了構(gòu)件的吊裝順序和施工工藝等因素，才使得構(gòu)件安裝順利進(jìn)行。

4.2 主次梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主、次梁存在50 mm 的高差，采用主梁預(yù)留后澆槽口的方式因槽口太薄容易開裂，因此采用圖7所示的主次梁連接方式。這種連接方式缺點(diǎn)是次梁端部需預(yù)留現(xiàn)澆段，且考慮鋼筋搭接長度要求預(yù)留現(xiàn)澆段長度較長，對于跨度不大的次梁減去現(xiàn)澆段長度后預(yù)制段長度可能所剩無幾了。該節(jié)點(diǎn)連接屬于梁柱強(qiáng)連接［7］，梁端現(xiàn)澆段為大震作用下梁端生成塑性鉸提供了變形空間，能夠保證該結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖7 疊合主次梁連接大樣Fig.7 Sample of Overlapping Primary and Secondary Beams

4.3 疊合樓板連接大樣

本項(xiàng)目中鋼筋桁架疊合板的支座連接節(jié)點(diǎn)參照國標(biāo)圖集《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造》［8］的連接構(gòu)造，如圖8所示。

圖8 疊合板支座連接大樣Fig.8 Sample of Superposition Plate Support Connection

對應(yīng)于3.1 中預(yù)制樓板的2 種拆分形式，疊合板間拼縫采取圖9中的分離式和整體式2 種形式。

圖9 疊合板間拼縫連接大樣Fig.9 Sample of Joint Between Overlapping Plates

4.4 外掛墻板支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中大部分外掛墻板底部有懸挑板支撐，上部與框架梁的支座連接主要起固定防傾覆作用（見圖10），其下端直接坐落在懸挑板上。

圖10 有懸挑板支撐的墻板上端支座節(jié)點(diǎn)大樣Fig.10 Sample of End Bearing Joint of Wall Panel Supported by Cantilever Plate

沒有懸挑板支撐的外掛墻板上部設(shè)有線性支承式支座［9］，支座鋼筋錨入現(xiàn)澆框架梁內(nèi)，承受墻體所有平面外荷載，下部設(shè)置限位件對墻板起豎向支撐和限制墻板平面外位移的作用（見圖11）。

4.5 外墻拼縫防水設(shè)計(jì)

防水設(shè)計(jì)是裝配式混凝土建筑外墻設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)建筑正常使用功能的重要保證。西側(cè)外墻按建筑開間拆分構(gòu)件尺寸較大，不符合構(gòu)件生產(chǎn)和運(yùn)輸條件要求，且構(gòu)件重量過大與塔吊性能不匹配。因此中間設(shè)置一條豎縫（見圖5），為了防止墻體拼縫處滲水影響建筑正常使用，設(shè)計(jì)了一種新的外墻板中間拼縫大樣如圖12所示，拼縫外側(cè)打防水膠，內(nèi)側(cè)預(yù)留現(xiàn)澆混凝土缺口，利用混凝土的自身防水特性進(jìn)行二道防水保護(hù)。

圖11 無懸挑板支撐的外掛墻板連接示意Fig.11 Diagram of Connection of External Wall Panels Without Cantilever Support

圖12 外墻板中間拼縫大樣Fig.12 Sample of Middle Joints of Exterior Wallboard

其他部位外墻接縫采用結(jié)構(gòu)防水構(gòu)造與材料防水相結(jié)合的形式：圖13a 中水平拼縫采用企口接縫，接縫兩側(cè)均設(shè)密封材料和密封膠雙層防水材料［10］；圖13b 中豎向拼縫采用外側(cè)排水空腔及打膠，內(nèi)側(cè)依賴現(xiàn)澆部分混凝土自防水的內(nèi)澆外掛的預(yù)制外墻防水構(gòu)造［11］。

圖13 外墻板拼縫構(gòu)造大樣Fig.13 Exterior Wallboard Joint Construction Sample

5 建筑裝配率計(jì)算

根據(jù)《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》［12］的要求，裝配式混凝土建筑應(yīng)同時滿足下列要求：①主體結(jié)構(gòu)部分的評價分值不低于20 分；②圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻部分的評價分值不低于10 分；③采用全裝修；④裝配率不低于50%。

對照文獻(xiàn)［12］中表4.0.1 的評分項(xiàng)，以 B01 棟單體為例，各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［12］中公式（4.0.1）計(jì)算得到 B01 棟裝配率為：

從上述計(jì)算可得本項(xiàng)目中B01 棟符合裝配式建筑的評價要求。經(jīng)同樣方法復(fù)核，本項(xiàng)目其它單體同樣滿足裝配式建筑的評價要求。

表4 B01 棟裝配式建筑評價分表Tab.4 B01 Assessment Table for Assembled Buildings

6 結(jié)語

⑴對位于廣東省的裝配式混凝土建筑，南北向一般無需進(jìn)行保溫隔熱設(shè)計(jì)，東西向須進(jìn)行保溫隔熱設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目經(jīng)對比分析，采用外墻板+內(nèi)保溫的構(gòu)造形式比采用夾心保溫板方案經(jīng)濟(jì)合理。

⑵預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)要考慮構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝等各環(huán)節(jié)因素的要求，有助于節(jié)約成本和保證項(xiàng)目工期。

⑶構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是保證建筑質(zhì)量的重要因素之一。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時同樣要考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝等各環(huán)節(jié)的要求，特別是鋼筋避讓對構(gòu)件安裝難易起決定性作用，也是影響施工進(jìn)度的因素之一。

⑷裝配率是評價裝配式建筑的評價指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目符合文獻(xiàn)［12］中關(guān)于裝配式建筑的評價要求。