裝配式住宅預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)

楊恩澤

(中鐵十六局集團城市建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100018)

1 裝配式技術(shù)的背景及發(fā)展

1.1 裝配式技術(shù)的背景

裝配式住宅是指用工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場裝配而成的建筑。在裝配式技術(shù)發(fā)展中，我國出臺了相關(guān)的政策，比如國務(wù)院辦公室廳《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》。到現(xiàn)在，裝配式技術(shù)已經(jīng)逐漸成型并應(yīng)用到一些重要工程，普通結(jié)構(gòu)建筑對裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)的運用也更加廣泛?？梢哉f，裝配式技術(shù)有著很好的前景，發(fā)展空間巨大。

1.2 裝配式技術(shù)的發(fā)展

以前建造房屋需要大量的人力、物力、財力，并且還可能危及生命安全，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐步趨于機械化，可以更大量、更快速地生產(chǎn)制造，并且縮短工期。對于某些小部件的裝配，只需要把根據(jù)計算得出的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)運用到房屋體系，然后再按結(jié)構(gòu)設(shè)計原理組合起來即可。20世紀(jì)初，世界各國就對裝配式建筑技術(shù)進行過研究，使得此技術(shù)較快地在全世界范圍內(nèi)推廣。早期的裝配式建筑從外觀上來看比較單調(diào)，甚至很多都是重復(fù)的。后來設(shè)計師們在原來的基礎(chǔ)上對裝配式建筑做了一定的改進，使裝配式建筑不再單調(diào)，同時還讓裝配式建筑變得更加多樣化，靈活化。而裝配式住宅預(yù)制構(gòu)件也是裝配式建筑的一種，將裝配式技術(shù)靈活運用到住宅，運用到人們的住當(dāng)中來。裝配式建筑所用原材料相對較少，對木材或鋼材的需求量減少很多，符合綠色建筑的要求，這也是裝配式建筑得以迅速發(fā)展的一大原因。而預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)發(fā)展過程中，對于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用尚且很少，而現(xiàn)在已經(jīng)是大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使得很多行業(yè)的發(fā)展迅速擴大，在建筑行業(yè)的運用也很廣泛，比如3D建模軟件等。而將互聯(lián)網(wǎng)運用到裝配式預(yù)制構(gòu)件的安裝中來的話，也將是一項新的重大技術(shù)突破。

2 預(yù)制構(gòu)件

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在建筑工藝中大部分使用的是鋼筋混凝土構(gòu)件，但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土結(jié)構(gòu)部分的抗壓能力很強，而抗拉強度很低，一般是抗壓強度的1/10，雖然在工程中鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)較好地避免了這種缺陷，以鋼筋的抗拉性能來代替混凝土所承受的抗拉力。但同時混凝土的極限拉應(yīng)變相對較小，很難滿足大型工程的正常使用壽命，在傳統(tǒng)工程建筑中只能通過減少設(shè)計荷載和設(shè)計彎矩值來避免混凝土達到極限拉應(yīng)變，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞，但是這種方案從結(jié)構(gòu)使用上來看削弱了該建筑的正常使用功能。預(yù)制構(gòu)件的出現(xiàn)主要是為解決鋼筋混凝土中存在的需要帶裂縫工作以及無法利用高強構(gòu)件，無法有效利用鋼筋的輕質(zhì)高強的特性這兩個問題。預(yù)制構(gòu)件的作用也主要就是解決這兩個問題，然后將裝配式預(yù)制構(gòu)件運用到居民住宅，即房屋建筑。

2.2 預(yù)制構(gòu)件的定義

裝配式預(yù)制構(gòu)件，也就是裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。配置、應(yīng)用到建筑中，對于房建的話就主要是房梁、天花板等主要受力構(gòu)件，對這些構(gòu)件采用裝配式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，可以大大提升房屋整體的強度、剛度和穩(wěn)定性。預(yù)制構(gòu)件的本質(zhì)就是預(yù)加應(yīng)力大小的控制與預(yù)應(yīng)力構(gòu)件位置的選擇，計算標(biāo)準(zhǔn)就是對比外荷載對構(gòu)件的軸力、剪力和彎矩與預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力是否相互抵消。同時應(yīng)遵循不影響結(jié)構(gòu)本身性質(zhì)、不增加新的內(nèi)力、不改變結(jié)構(gòu)本身的使用效果的要求。在此基礎(chǔ)上若抵消的外荷載內(nèi)力越多，則預(yù)制構(gòu)件所發(fā)揮的作用越好，即構(gòu)件獲得的極限承載力更大。其中因為彎矩對構(gòu)件(特別是跨梁)的影響更為顯著，因此，以構(gòu)件所受彎矩值為主要參數(shù)，驗算其最大彎矩值與設(shè)計彎矩值的大小比較。值得說明的是，預(yù)應(yīng)力是人為控制的一種抵抗力，通過人為的增設(shè)預(yù)應(yīng)力來抵抗原有鋼筋混凝土構(gòu)件所受拉的應(yīng)力，使得構(gòu)件在承受靜荷載或動荷載時出現(xiàn)裂縫的幾率降低，延遲裂縫出現(xiàn)的時間或者有效減小裂縫的寬度，給現(xiàn)場人員更長的反應(yīng)時間，從而減少安全事故的發(fā)生概率。

2.3 預(yù)制構(gòu)件的分類和優(yōu)缺點

2.3.1 預(yù)制構(gòu)件的分類

我國對以鋼材為配筋的配筋混凝土結(jié)構(gòu)系列，按其預(yù)應(yīng)力度分成全預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土三種結(jié)構(gòu)的分類方法。預(yù)應(yīng)力度(λ)的定義就是由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的。這三類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的區(qū)別就在于預(yù)應(yīng)力度的不同，也就是抵抗外荷載的程度的不同，也可以認(rèn)為三類安全等級的構(gòu)件。

2.3.2 預(yù)制構(gòu)件的優(yōu)缺點

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制構(gòu)件的優(yōu)點是提高了構(gòu)件的抗裂度和剛度，這是預(yù)制構(gòu)件代替鋼筋混凝土構(gòu)件的主要原因。預(yù)制構(gòu)件是對住宅某一部位進行驗算過后才投入使用，并且其構(gòu)件相比混凝土結(jié)構(gòu)來說自重大大降低，還可以節(jié)省材料。另外，預(yù)制構(gòu)件在結(jié)構(gòu)兩邊增設(shè)的軸向力可以抵抗豎直方向上的荷載，比如房頂上堆積的貨物，風(fēng)荷載等。而缺點是工藝復(fù)雜、設(shè)計要求高、成本高。同時，預(yù)制構(gòu)件由于是人為設(shè)置的構(gòu)件，對于預(yù)應(yīng)力的把控需要大量的試驗檢算才能得出滿足要求的預(yù)應(yīng)力，接著還需要精確地設(shè)計構(gòu)件框架、作用位置，預(yù)制構(gòu)件的安裝過程也較為復(fù)雜，難以把控。

應(yīng)當(dāng)指出，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝比較復(fù)雜，對施工質(zhì)量要求很高，同時，需要有專門的設(shè)備，比如張拉機具、孔道壓漿設(shè)備等，先張預(yù)應(yīng)力需要有張拉臺座，因而需要配備技術(shù)比較熟練的專業(yè)團隊等。綜合來說，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)比普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工要求和施工難度都更大，成本也更高，但是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用性能會比鋼混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能得到顯著提升。此外，預(yù)應(yīng)力還可以提高結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能，這對承受相對動荷載的房屋結(jié)構(gòu)來說很有幫助。比如在不同地區(qū)就需要考慮不同的抗震要求，在四川地區(qū)，由于其地震較多，且發(fā)生5級以上地震的概率較大，因此，該地區(qū)的建筑建設(shè)資金投入也就加大，目的是防止特大地震對房屋的瞬時影響，同時還要考慮小地震對房屋建筑使用壽命的影響。相比之下的貴州地區(qū)地震發(fā)生的概率較小，但該地區(qū)的地勢較為復(fù)雜，以喀斯特地貌為主要地形特點，該地區(qū)的房屋建筑主要考慮地基構(gòu)件的影響，通過在地基中設(shè)置預(yù)制構(gòu)件來減小這種影響。

3 預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)和設(shè)備

3.1 預(yù)加應(yīng)力的主要安裝技術(shù)

先張法，就是先張拉鋼筋，后澆筑構(gòu)件混凝土的方法，先在張拉臺座上按設(shè)計規(guī)定的拉力張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，并進行臨時錨固，再澆筑構(gòu)件混凝土，待混凝土達到要求強度(一般不低于強度設(shè)計值的75%)后，放張(將臨時錨具松開，緩慢放松張拉力)，讓預(yù)應(yīng)力鋼筋回縮，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用，將鋼筋的回縮力傳遞給混凝土，使混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力。這種在臺座上張拉預(yù)應(yīng)力筋后澆筑混凝土并通過粘結(jié)力傳遞而建立預(yù)加應(yīng)力的混凝土構(gòu)件就是先張法預(yù)制構(gòu)件。先張法所用的預(yù)應(yīng)力鋼筋一般可用高強鋼絲、鋼絞線等。先張法不專設(shè)永久錨具，預(yù)應(yīng)力鋼筋借助與混凝土的粘結(jié)力以獲得較好的自錨性能。先張法施工工序簡單，預(yù)應(yīng)力鋼筋靠粘結(jié)力自錨，臨時固定所用的錨具(一般稱為工具式錨具或夾具)可用重復(fù)使用，大批量生產(chǎn)先預(yù)制構(gòu)件比較經(jīng)濟，質(zhì)量也比較穩(wěn)定。目前，先張法在我國一般用于生產(chǎn)直線配筋的中小型構(gòu)件。大型構(gòu)件因需要配合錨具與剪力沿梁長度方向的分布而采用曲線配筋，使施工設(shè)備和工藝復(fù)雜化，且需要配備較大的張拉臺座，導(dǎo)致此方法的運用需要嚴(yán)格的技術(shù)保障和高質(zhì)量的設(shè)備要求，在實施安裝起來時又增加了難度，因而很少采用先張法。

先張法對裝配式預(yù)制構(gòu)件的安裝有一定的好處，比如增大了結(jié)構(gòu)的強度，同時這種方法容易操作，對一些小規(guī)模建筑工程很實用，只是對于某些大型工程來說這種方法往往不被考慮。

3.2 預(yù)制構(gòu)件安裝技術(shù)創(chuàng)新路線

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的根本技術(shù)要求是預(yù)加應(yīng)力的計算把控，根本目的是減小或防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂或開裂程度。因此，在預(yù)制構(gòu)件的思想基礎(chǔ)上，可以增設(shè)靜定多跨梁、減少構(gòu)件跨度或者在構(gòu)件支點處增加約束力等方法輔助預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的作用效果，不過此類構(gòu)件對于實際結(jié)構(gòu)的防裂效果的作用還需要一定的研究才能得出結(jié)果。除此之外，對于住宅類型的裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)，更多的是考慮靜荷載對構(gòu)件的影響，需要計算出承載能力極限狀態(tài)下的預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進行正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)制構(gòu)件的裂縫和變形的驗算。對于動荷載，主要考慮地震等情況的影響。預(yù)應(yīng)力還可作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的手段，促進梁跨結(jié)構(gòu)新體系與施工方法的發(fā)展，這也提醒了人們在未來房屋建筑有可能朝著新的理念去發(fā)展。預(yù)應(yīng)力鋼筋還能提高梁跨結(jié)構(gòu)的抗疲勞程度，增強結(jié)構(gòu)耐久性。也就是說，未來的房屋建筑將不僅僅局限于豎向修筑，而且可以往橫向建筑發(fā)展，利用預(yù)制構(gòu)件的良好連接性能，將橋梁工藝運用到房屋建筑中，這將是一種新型的房屋建筑工藝技術(shù)。

另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，裝配式預(yù)制構(gòu)件的計算可以通過軟件模擬，在構(gòu)件的安裝技術(shù)上可以利用大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析功能折算出最佳的安裝方案。在構(gòu)件裂縫計算與驗算時，通過自動化桿件壓彎裝置大致模擬出實際建筑中構(gòu)件的裂縫最大寬度。還可以利用電腦軟件對預(yù)制構(gòu)件的進行預(yù)安裝，也就是先按比例縮小對構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力值進行試驗，記錄一次數(shù)據(jù)，再進行下一次試驗，多次試驗得出最佳預(yù)應(yīng)力值，然后再設(shè)計滿足該值要求的預(yù)制構(gòu)件，這樣不僅大大降低了安裝成本，加快了建筑工期，而且可以直接在電腦模擬時就能找出預(yù)制構(gòu)件安裝過程中可能出現(xiàn)的問題，節(jié)省了安裝時間和成本。因此，對于裝配式預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)，不僅僅是局限于預(yù)制構(gòu)件本身所能滿足或提供的承載力，在條件允許的情況下，而且可以適當(dāng)降低對預(yù)制構(gòu)件所達到的效果，而在裝配式預(yù)制構(gòu)件的安裝過程的簡便化，在數(shù)據(jù)化上下功夫。這對裝配式預(yù)制構(gòu)件未來的持續(xù)發(fā)展有很重要的作用。在現(xiàn)在的任何時代都離不開互聯(lián)網(wǎng)，如果裝配式技術(shù)和預(yù)制構(gòu)件技術(shù)可以與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以結(jié)合，使房屋建筑構(gòu)件的安裝變得智能化，數(shù)據(jù)信息化的構(gòu)件安裝也能更快、更方便地發(fā)現(xiàn)問題與改進。目前很多房屋建筑已經(jīng)開始運用BIM等軟件進行模型處理，而預(yù)制構(gòu)件屬于細(xì)節(jié)工程，需要大量的實驗，才能滿足整體要求，有效利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是很可行的。

4 結(jié) 論

預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)要求相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說難度要大得多，特別是預(yù)拉應(yīng)力和預(yù)壓應(yīng)力的控制，同時，預(yù)制構(gòu)件的安裝過程有較高的設(shè)備要求，比如對錨具的選擇；還要有過硬的專業(yè)安裝團隊和經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員才能完成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安裝過程。在當(dāng)今這個大數(shù)據(jù)時代，更是需要將建筑技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，使裝配式預(yù)制構(gòu)件的安裝技術(shù)數(shù)據(jù)化?？傊瑢τ谘b配式預(yù)制構(gòu)件的安裝，還有很大的研究空間。

[ID:009824]