裝配式混凝土建筑深化設(shè)計(jì)及應(yīng)用解析

鄭 強(qiáng)

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092

2. 中建四局第五建筑工程有限公司 廣東 深圳 518000

與傳統(tǒng)的建筑施工的現(xiàn)場作業(yè)模式不同，裝配式建筑就如同“像造汽車一樣造房子”，通過深化設(shè)計(jì)將建筑物拆分為梁、板、柱、墻等預(yù)制部件，在工廠以工業(yè)化的模式流水生產(chǎn)，并在項(xiàng)目現(xiàn)場借助機(jī)械設(shè)備將各預(yù)制部件拼裝完成建筑物的施工。

近年來，裝配式建筑的發(fā)展獲得國家及地方的政策支持與推動。在國家層面，2017年3月，住建部出臺《“十三五”裝配式建筑行動方案》，明確到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到15%以上，其中重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)（京津冀、長三角、珠三角）達(dá)到20%以上，積極推進(jìn)地區(qū)（常住人口超過300萬的城市）達(dá)到15%以上，鼓勵推進(jìn)地區(qū)達(dá)到10%以上。

在地區(qū)層面，上海市從2013年起陸續(xù)下發(fā)了多項(xiàng)推進(jìn)裝配式混凝土建筑的政策文件，文件中對裝配式建筑的比例、總量、優(yōu)惠政策、實(shí)施規(guī)劃等都有明確規(guī)定，為廣大開發(fā)企業(yè)、建筑企業(yè)能夠深入開展裝配式建筑的設(shè)計(jì)與應(yīng)用保駕護(hù)航。

在規(guī)范方面，國家層面和上海市已在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作、施工、質(zhì)量驗(yàn)收等環(huán)節(jié)頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)供參照執(zhí)行。在深化設(shè)計(jì)層面，雖然國家和地方也頒布了相應(yīng)的圖集，但仍未有較全面系統(tǒng)的指導(dǎo)性實(shí)施細(xì)則。深化設(shè)計(jì)作為裝配式建筑實(shí)施過程中的先行環(huán)節(jié)，對裝配式建筑質(zhì)量控制、成本控制和進(jìn)度控制有至關(guān)重要的作用[1-5]。

1 深化設(shè)計(jì)簡介

預(yù)制混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)，是在常規(guī)建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加對預(yù)制混凝土構(gòu)件在生產(chǎn)及施工環(huán)節(jié)應(yīng)用的延伸 設(shè)計(jì)。

在深化設(shè)計(jì)過程中，不僅需要做到符合現(xiàn)有國家相關(guān)建筑設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范，不改變原設(shè)計(jì)圖的建筑及結(jié)構(gòu)尺寸，不改變原建筑空間功能，還要做到預(yù)制構(gòu)件要有利于生產(chǎn)與施工的尺寸、質(zhì)量、公差、安全保護(hù)措施。設(shè)計(jì)構(gòu)件高度時(shí)要充分考慮構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離，較長距離運(yùn)輸時(shí)不宜超高超寬，并且考慮減少物料種類。設(shè)計(jì)清單應(yīng)詳細(xì)清楚，便于生產(chǎn)和施工的統(tǒng)計(jì)和 管理。

按深化設(shè)計(jì)內(nèi)容劃分，可分為構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)、構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)和運(yùn)輸安裝裝配式設(shè)計(jì)。

2 深化設(shè)計(jì)解析及主要問題分析

2.1 構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)

構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)是指根據(jù)項(xiàng)目情況和需求，在設(shè)計(jì)圖紙中拆分出可供生產(chǎn)及裝配施工的單個(gè)預(yù)制部件，繪制出拆分構(gòu)件布置圖，對構(gòu)件進(jìn)行編號并繪制出構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)圖。

拆分的構(gòu)件主要有：疊合樓板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制墻體、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺、預(yù)制凸窗、預(yù)制空調(diào)板等。根據(jù)分布的不同，可分為水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件兩大類。構(gòu)件拆分應(yīng)滿足項(xiàng)目的預(yù)制率要求，并優(yōu)選易于工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件或現(xiàn)場施工難度較大的構(gòu)件進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)考慮生產(chǎn)及裝配的便利性，構(gòu)件組合分布合理、經(jīng)濟(jì)可靠。

常見問題：構(gòu)件拆分不合理、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理等。

如圖1所示，拆分的樓板短邊寬度達(dá)到3.3 m以上，加上出筋長度后總寬度超過3.5 m，會對生產(chǎn)和運(yùn)輸造成極大的不便。因此需要對此處拆分進(jìn)行優(yōu)化，確保樓板短邊寬度在3.0 m以內(nèi)，最好不超過2.8 m。

圖1 構(gòu)件拆分

如圖2所示，該節(jié)點(diǎn)有3個(gè)預(yù)制件的梁底筋伸入現(xiàn)澆柱中，鋼筋數(shù)量、錨固長度等對柱鋼筋綁扎造成很大影響。對于此處節(jié)點(diǎn)，如果不可避免地需要拆分為3個(gè)預(yù)制件的話，應(yīng)對錨入鋼筋進(jìn)行優(yōu)化，比如等面積代換減少鋼筋數(shù)量、取消彎鉤改為錨固板等，同時(shí)底筋位置對預(yù)制件的吊裝順序也有要求，需要重點(diǎn)說明，避免因吊裝順序錯(cuò)誤造成返工。

圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)

2.2 生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)

生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)是指根據(jù)構(gòu)件外形、配筋、預(yù)留預(yù)埋留設(shè)、節(jié)點(diǎn)做法等要求，設(shè)計(jì)出可供工廠生產(chǎn)構(gòu)件用的鋼材質(zhì)或其他材質(zhì)的模具。

模具設(shè)計(jì)是目前深化設(shè)計(jì)中最容易被忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，而深化設(shè)計(jì)過程中如果不考慮模具因素，往往會在模具拼裝、脫模、線條處理等方面存在問題。以凸窗構(gòu)件為例，窗臺、外立面線條等部位應(yīng)有脫模斜角、滴水線、企口做法要考慮拼模和脫模的可行性，部分棱角宜由直角設(shè)計(jì)改為圓角，空調(diào)等預(yù)留洞口宜考慮設(shè)置有外低內(nèi)高的斜度，預(yù)埋件應(yīng)有防偏位措施，對于較大開洞、懸挑的構(gòu)件還要考慮加固措施以及模具防變形措施等等。此外，除疊合樓板等少數(shù)預(yù)制構(gòu)件外，模具費(fèi)用一般能占到預(yù)制構(gòu)件總費(fèi)用的15%左右，如果能在設(shè)計(jì)階段對模具用鋼量做到有效控制，對降低整體造價(jià)也會有非常明顯的效果。

常見問題：沒有設(shè)計(jì)封堵措施、滴水線沒有設(shè)置或設(shè)置不合理、未設(shè)置防偏位措施等。

如圖3所示，該構(gòu)件的模具設(shè)計(jì)沒有考慮箍筋出筋處模具的封堵措施要求，生產(chǎn)時(shí)僅通過泡沫條堵塞無法達(dá)到效果，振搗時(shí)漏漿影響構(gòu)件質(zhì)量[6-8]。

圖3 模具封堵

2.3 構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)

構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)，是整個(gè)深化設(shè)計(jì)階段中工作量最大也是最核心的階段，需要將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為可用于生產(chǎn)的構(gòu)件加工圖。詳圖主要包含5個(gè)方面的內(nèi)容：

1）構(gòu)件尺寸圖，包含平、立面各角度視圖、必要的剖面圖以及局部大樣圖等。

2）配筋圖，包含構(gòu)件主筋、箍筋、構(gòu)造筋、附加鋼筋等，同樣會有多個(gè)視圖。

3）預(yù)留預(yù)埋布置圖，預(yù)留主要是各種洞口，預(yù)埋則是構(gòu)件在生產(chǎn)、吊裝及后續(xù)施工中需要的部件，如灌漿套筒、脫模用套筒、支撐用套筒、模板用套筒、吊釘?shù)蹙摺⒕€盒管線等構(gòu)配件的布置圖。

4）料表清單，主要為鋼筋翻樣表。

5）構(gòu)件詳圖相關(guān)說明。

目前對于構(gòu)件詳圖的編制單位并沒有資質(zhì)要求，設(shè)計(jì)單位、構(gòu)件生產(chǎn)廠家、第三方機(jī)構(gòu)都可以完成，但詳圖設(shè)計(jì)內(nèi)容必須能滿足設(shè)計(jì)圖紙和國家相關(guān)規(guī)范的要求，并且滿足構(gòu)件生產(chǎn)及裝配的需要。雖然構(gòu)件詳圖不需要經(jīng)過審圖公司的審查，但應(yīng)交付原設(shè)計(jì)單位審核確認(rèn)，避免因疏漏和錯(cuò)誤影響項(xiàng)目的順利實(shí)施。

常見問題：企口沒有設(shè)置或設(shè)置不合理、結(jié)構(gòu)薄弱處或脫模薄弱處無補(bǔ)強(qiáng)措施、吊點(diǎn)構(gòu)配件選型不當(dāng)?shù)取?/p>

如圖4所示，此大開洞構(gòu)件側(cè)翼挑出70 cm卻僅厚5 cm，本身拆分設(shè)計(jì)就不合理，同時(shí)側(cè)翼連接處補(bǔ)強(qiáng)措施不當(dāng)，導(dǎo)致構(gòu)件脫模時(shí)開裂。

圖4 構(gòu)件開裂

如圖5所示，該疊合墻板僅厚5 cm，卻在詳圖設(shè)計(jì)時(shí)選用了常規(guī)的吊釘作為吊裝件，由于生產(chǎn)偏差和保護(hù)層不足造成吊釘處混凝土破損。吊點(diǎn)構(gòu)配件選型不當(dāng)會在吊裝時(shí)極易發(fā)生安全事故，造成嚴(yán)重后果。

圖5 吊點(diǎn)部位缺陷

2.4 運(yùn)輸安裝設(shè)計(jì)

運(yùn)輸安裝設(shè)計(jì)是指構(gòu)件在保障運(yùn)輸及吊裝施工環(huán)節(jié)順利完成所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。構(gòu)件的裝運(yùn)應(yīng)有裝車計(jì)劃、運(yùn)輸架設(shè)計(jì)、支撐加固設(shè)計(jì)等，對門窗框、外飾面、棱角線條等也應(yīng)有完善的成品保護(hù)設(shè)計(jì)，超長、超重、超高（寬）及特殊構(gòu)件必須有專項(xiàng)方案，避免構(gòu)件在運(yùn)輸和裝配環(huán)節(jié)發(fā)生變形、破損，影響正常使用。

深化設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮現(xiàn)場裝配的環(huán)境和需求，如控制單個(gè)構(gòu)件最大質(zhì)量、現(xiàn)場運(yùn)輸路線、堆場布置、吊裝順序、節(jié)點(diǎn)處理等。有些內(nèi)容可能在設(shè)計(jì)階段無法確認(rèn)，但應(yīng)在施工交底階段與施工方做好溝通，并協(xié)助施工方在施工組織設(shè)計(jì)和預(yù)制構(gòu)件專項(xiàng)施工方案中完善和優(yōu)化上述 問題。

常見問題：大開洞構(gòu)件無運(yùn)輸補(bǔ)強(qiáng)措施。

對于大開洞、高寬比過大的構(gòu)件，應(yīng)在深化設(shè)計(jì)中考慮洞口補(bǔ)強(qiáng)措施，包括不限于鋼筋補(bǔ)強(qiáng)（圖6）、設(shè)置豎向或斜支撐等。如果未設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)措施或者設(shè)置不當(dāng)，有可能在運(yùn)輸、吊裝施工過程中造成構(gòu)件開裂（圖7）。

3 裝配式建筑設(shè)計(jì)體系及預(yù)制率分析

圖6 構(gòu)件洞口補(bǔ)強(qiáng)措施

圖7 構(gòu)件裂縫

從結(jié)構(gòu)角度來說，目前大部分裝配式建筑都是裝配整體式結(jié)構(gòu)，是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠方式連接，并與現(xiàn)場后澆混凝土形成整體的混凝土結(jié)構(gòu)，只是通常表述為裝配式結(jié)構(gòu)。

根據(jù)應(yīng)用部位和結(jié)構(gòu)體系的不同，目前裝配式建筑設(shè)計(jì)體系主要有：預(yù)制剪力墻體系、預(yù)制框架體系、疊合剪力墻體系、豎向現(xiàn)澆水平疊合體系、內(nèi)澆外掛體系等，其中預(yù)制剪力墻體系和預(yù)制框架體系應(yīng)用的比較廣泛。

3.1 預(yù)制剪力墻體系及預(yù)制率分析

預(yù)制剪力墻體系為預(yù)制剪力墻、疊合梁、疊合樓板構(gòu)建成的混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目需要，建筑外圍墻體可預(yù)制成夾心保溫墻體（圖8）。

圖8 預(yù)制剪力墻體系（帶夾心保溫）

預(yù)制剪力墻體系通常應(yīng)用在住宅項(xiàng)目的樓棟中。以上海地區(qū)裝配率計(jì)算公式分析，預(yù)制剪力墻體系以豎向墻板（包括預(yù)制剪力墻板和外墻非受力墻板）＋疊合樓板的組合可輕松達(dá)到30%以上的預(yù)制率，如加上其他預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制率最高可達(dá)50%。預(yù)制剪力墻體系可做預(yù)制構(gòu)件的部位有：非邊緣約束構(gòu)件的剪力墻墻體、外墻非受力墻體、疊合樓板、疊合梁、陽臺、凸窗、樓梯、空調(diào)板等，邊緣約束構(gòu)件、底部加強(qiáng)區(qū)域構(gòu)件、屋面樓板不適宜做預(yù)制，非受力內(nèi)隔墻受政策要求以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，通常也不做預(yù)制。

以上海市奉賢區(qū)某動遷安置房項(xiàng)目為例，4棟住宅為16～18層、剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積37 837.94 m2，其中地上建筑面積35 629.58 m2。按土地出讓要求，本項(xiàng)目裝配式建筑實(shí)施比例為100%，單體預(yù)制率不低于40%。根據(jù)要求，該項(xiàng)目選擇了疊合梁、疊合樓板、墻板和樓梯，以其中1#樓為例，總預(yù)制率為42.18%（表1）。

表1 某預(yù)制剪力墻體系項(xiàng)目預(yù)制率

3.2 預(yù)制框架體系及預(yù)制率分析

預(yù)制框架體系為預(yù)制柱、疊合梁、疊合樓板構(gòu)建成的混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目需要，外圍護(hù)可采用夾心保溫外墻板。預(yù)制剪力墻體系通常應(yīng)用在公共建筑的樓棟中。以上海地區(qū)裝配率計(jì)算公式分析，預(yù)制柱＋部分疊合梁＋疊合樓板的組合可以達(dá)到25%以上的預(yù)制率，如加上其他預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制率可達(dá)40%左右。

預(yù)制框架體系可做預(yù)制構(gòu)件的部位有：柱、疊合樓板、疊合梁、樓梯等。核心筒體、電梯間部位墻體、屋面樓板等則不適宜做預(yù)制。有相交的主次梁，由于節(jié)點(diǎn)處理較復(fù)雜、施工難度大，在構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)時(shí)要謹(jǐn)慎考慮是否預(yù)制。

以上海市靜安區(qū)某商務(wù)辦公樓綜合體項(xiàng)目為例，12棟高層及多層框架結(jié)構(gòu)公共建筑，總用地面積49 981.8 m2，總建筑面積209 557.52 m2，其中地上計(jì)容建筑面積124 954.50 m2。按土地出讓要求，本項(xiàng)目裝配式建筑實(shí)施比例為100%，單體預(yù)制率不低于25%。根據(jù)要求，該項(xiàng)目選擇了疊合梁、疊合樓板、靠近塔吊的部分柱子和樓梯，以其中1#樓為例，總預(yù)制率為26.66%（表2）。

表2 某預(yù)制框架體系項(xiàng)目預(yù)制率

3.3 夾心保溫

以保溫一體化形式劃分，與傳統(tǒng)的外保溫、內(nèi)保溫形式不同的是，裝配式結(jié)構(gòu)還有特有的夾心保溫形式。夾心保溫集合圍護(hù)、保溫、防水、防火等功能，在構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)節(jié)即可完成保溫一體化的生產(chǎn)作業(yè)。夾心保溫在預(yù)制剪力墻體系及預(yù)制框架體系中均可應(yīng)用，目前上海地區(qū)對夾心保溫應(yīng)用有獎勵政策，在深化設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目需求情況選擇使用[9-10]。

4 結(jié)語

隨著裝配式混凝土建筑應(yīng)用的深入推進(jìn)，深化設(shè)計(jì)還將在技術(shù)體系、結(jié)構(gòu)體系和部品體系環(huán)節(jié)等方面進(jìn)一步發(fā)展和完善。在技術(shù)體系層面，將完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和工業(yè)化結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)體系層面，將會不斷研發(fā)和應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)體系，如新型連接處理的裝配式受力體系、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土體 系等。

在部品體系方面，將開始施行部品生產(chǎn)系列開發(fā)、規(guī)模生產(chǎn)和配套供應(yīng)。而隨著深化設(shè)計(jì)的不斷完善優(yōu)化，會給裝配式建筑在質(zhì)量保障、生產(chǎn)施工效率、建筑物壽命、造價(jià)成本、綠色能耗等方面帶來更優(yōu)異的效果，為裝配式建筑的發(fā)展提供更加廣闊的空間！