裝配整體式多高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計多種預制結(jié)構(gòu)體系比選

張 毅，應堅國，程茂輝[.華建集團上海建筑設(shè)計研究院有限公司， 上海 0009； .上海金橋(集團)有限公司，上海 0009]

1 項目簡介

本工程位于上海市浦東新區(qū)金橋開發(fā)區(qū)，項目包括多個地塊。其中：06 地塊為多層住宅小區(qū)，共 12 棟 6～8 F裝配整體式結(jié)構(gòu)多層住宅，總高度 ≤ 24 m，地下為 2 F 停車庫；04、05 地塊為高層住宅小區(qū)，共 16 棟 14～16 F 裝配整體式結(jié)構(gòu)高層住宅，總高度 ≤ 50 m，地下為 2 F 停車庫。本項目為中高端住宅建筑，外立面為全石材外掛。

本項目為上海新建住宅項目，根據(jù)滬建建材聯(lián)文件通知以及裝配式建筑管理要求，項目應全部按裝配式建筑要求實施，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2 裝配式政策解讀

裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構(gòu)件和配件，運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成的建筑。裝配式建筑主要包括預制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑等，因為采用標準化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應用，是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式的代表。

2.1 國家政策

裝配式建筑規(guī)劃自 2015 年以來密集出臺，2015 年末發(fā)布的 GB/T 51129—2015《工業(yè)化建筑評價標準》，決定2016 年全國全面推廣裝配式建筑，并取得突破性進展。

2015 年 11 月 14 日，住建部出臺的《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》提出計劃到 2020 年裝配式建筑占新建建筑的比例 20% 以上，到 2025 年裝配式建筑占新建建筑的比例50% 以上。

2016 年 2 月 22 日，國務(wù)院出臺《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》。該文件指出要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，力爭用 10 a 左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到 30%。

2016 年 3 月 5 日，政府工作報告提出要大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑，提高建筑工程標準和質(zhì)量。

2.2 上海市政策

2014 年，頒布《關(guān)于推進本市裝配式建筑發(fā)展的實施意見》[滬建管聯(lián)〔2014〕901 號]。其要求裝配式建筑的新建建筑面積比例 2015 年 ≥ 50%；2016 年起外環(huán)線以內(nèi)新建民用建筑應全部采用裝配式建筑、外環(huán)線以外 ＞ 50%；2017 年起外環(huán)線以外在 50% 基礎(chǔ)上逐年增加。采用混凝土結(jié)構(gòu)體系建造的裝配式單體預制裝配率應 ≥ 30%，2016年起 ≥ 40%。裝配式建筑項目的建筑外墻宜采用預制夾心保溫墻體。

2016 年，頒布《關(guān)于本市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則(試行)的通知》[滬建建材〔2016〕601 號]。其指出單體預制率是指混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型的裝配式建筑 ± 0.000 以上，主體結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)中預制構(gòu)件部分的材料用量占對應構(gòu)件材料總用量的比率。2016 年起，除特定范圍以外，符合條件的新建民用、工業(yè)建筑應全部按裝配式建筑要求實施，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2019 年，頒布《關(guān)于進一步明確裝配式建筑實施范圍和相關(guān)工作要求的通知》[滬建建材〔2019〕97 號]。其要求 2016 年 4 月 1 日以后完成報建或項目信息報送的項目，建筑單體預制率 ≥ 40% 或單體裝配率 ≥ 60%。

2019 年，頒布《關(guān)于印發(fā)上海市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則》的通知[滬建建材〔2019〕765 號]。其指出建筑單體預制率是指混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、竹木結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型的裝配式建筑單體 ± 0.000 以上，主體結(jié)構(gòu)、外圍護中預制構(gòu)件部分的材料用量（考慮構(gòu)件修正系數(shù)）占對應結(jié)構(gòu)材料總用量的比率。

3 各類裝配式外墻體系技術(shù)對比分析

現(xiàn)行市場常用的混凝土裝配整體式外墻體系分為全預制剪力墻（實心）、雙面疊合預制剪力墻、預制夾心保溫剪力墻、保溫一體化預制剪力墻等，如圖 1 所示。

圖1 不同預制剪力墻體系結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較圖

（1）全預制剪力墻（實心）體系，是由預制混凝土構(gòu)件通過可靠方式進行連接并與現(xiàn)場后澆混凝土、水泥基灌漿料形成整體的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。該體系保溫及飾面均不預制，保溫形式可采用內(nèi)保溫。優(yōu)點為連接節(jié)點技術(shù)成熟，線角可以預制、后裝、后澆。缺點為現(xiàn)澆段需支外模，局部現(xiàn)澆與預制裝配施工存在交叉作業(yè)。

（2）雙面疊合預制剪力墻體系，又稱雙皮墻，預制混凝土墻板由 2 層預制板及桁架鋼筋組成，在工廠預制完成，現(xiàn)場安裝就位后，在 2 層板中間澆注混凝土，采取規(guī)定的構(gòu)造措施，提高整體性，預制部分和現(xiàn)澆部分共同參與結(jié)構(gòu)受力。優(yōu)點為構(gòu)件流水線生產(chǎn)，豎向鋼筋傳統(tǒng)搭接連接費用較低，構(gòu)件自重輕。缺點為平板式預制件對建筑房型布置限制較大，不適合做空間構(gòu)件如飄窗等，需專門的生產(chǎn)線，市場應用不多。

（3）預制夾心保溫剪力墻，又稱三明治墻，夾心保溫外墻是將保溫材料預制于內(nèi)外葉墻片之間，使墻體本身具有保溫隔熱的功能。此類預制外墻保溫形式，集施工外模板、保溫、防水等建筑功能為一體。該裝配形式由于可申請上海市面積獎勵，在現(xiàn)階段住宅項目中應用較多。優(yōu)點為外墻與保溫、防水構(gòu)造一體化，保溫與建筑同壽命。缺點為鋼筋及混凝土等材料用量大，成本較高，墻厚較厚。

（4）保溫一體化（模塊化）預制剪力墻，不同于傳統(tǒng)裝配式剪力墻以開間或整片墻為拆分單元，而是以 1.3 m 寬的預制墻板為標準件，像搭樂高積木一樣蓋房子。優(yōu)點為模塊化的標準件，標準件形式簡單、規(guī)格統(tǒng)一、運輸與吊裝簡易輕量、生產(chǎn)與拼裝效率高。缺點為施工技術(shù)精度要求較高，有一定難度。

4 裝配式構(gòu)件連接節(jié)點施工要點及質(zhì)量控制

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剪力墻、剪力墻的邊緣構(gòu)件、混凝土梁、樓板，均采用現(xiàn)場澆筑的方式。裝配式結(jié)構(gòu)，用疊合梁、疊合板替換了傳統(tǒng)的現(xiàn)澆梁板。

（1）幾種裝配式結(jié)構(gòu)體系中，全預制剪力墻（實心）結(jié)構(gòu)體系及預制夾心保溫剪力墻體系，剪力墻板均采用預制，剪力墻的邊緣構(gòu)件仍采用現(xiàn)澆，因此剪力墻豎向鋼筋在上下層間的連接節(jié)點做法和質(zhì)量保證尤為重要。此節(jié)點采用灌漿套筒連接形式。預制構(gòu)件之間鋼筋連接所用的套筒及灌漿料的適配性應通過鋼筋連接接頭型式檢驗確定，其檢驗方法應符合現(xiàn)行行業(yè)標準 JGJ 107—2016《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。鋼筋水平連接時，灌漿套筒應各自獨立灌漿，豎向構(gòu)件宜采用連通腔灌漿，并應合理劃分連通灌漿區(qū)域，每個區(qū)域除預留灌漿孔、出漿孔與排氣孔外，應形成密閉空腔，不應漏漿。連通灌漿區(qū)域任意 2 個灌漿套筒間距 ≤ 1.5 m，灌漿路徑過長時應做分倉處理，宜 3～4 個套筒為一個倉格。

（2）保溫一體化（模塊化）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。保溫材料預埋在剪力墻內(nèi)部，剪力墻兩側(cè) 80 mm 厚混凝土墻體通過混凝土肋相連，剪力墻板及剪力墻邊緣構(gòu)件均采用預制，剪力墻的豎向鋼筋及水平鋼筋均需采取機械連接。因此鋼筋連接接頭做法、預制墻體上下層連接的質(zhì)量保證是本體系的重中之重。保溫一體化（模塊化）剪力墻典型橫切面示意如圖 2 所示。

圖2 保溫一體化（模塊化）剪力墻典型橫切面示意圖

剪力墻的豎向鋼筋連接，采用錐形頭套筒灌漿連接的型式，如圖 3 所示。其有 3 個特點。① 上下鋼筋進行墩頭處理。② 套筒采用優(yōu)質(zhì)高強碳素鋼的無縫鋼管，上下兩頭按要求進行縮口處理。③ 鋼筋錨固長度≥10 d。而剪力墻的水平鋼筋連接，采用雙節(jié)套筒機械連接的方式，如圖 4 所示。其有 3 個特點。① 左、右兩側(cè)鋼筋在墩粗后車螺紋處理。② 設(shè)連接螺桿，螺桿兩端車螺紋與鋼筋螺紋方向相反。③鋼筋與連接螺桿間各設(shè)一個直螺紋套筒。雙節(jié)套筒機械連接屬機械連接范疇，滿足一級接頭性能要求。

圖3 錐形頭套筒灌漿連接（豎向鋼筋）

圖4 雙節(jié)套筒機械連接（水平鋼筋）

5 基于項目合理選擇裝配式結(jié)構(gòu)體系

本項目 06 地塊為多層住宅建筑，04、05 地塊為高層住宅建筑，設(shè)計比選時也根據(jù)不同區(qū)塊高度不同，進行有針對性的分項比較?；陧椖康难b配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的比選如表 1 所示。

表1 2019 版《標準》“資源節(jié)約”章節(jié)實施難度簡析

表1 基于項目的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的比選

本項目需滿足裝配式建筑的要求，并需達到 40% 預制率的要求?？紤]到本項目外立面全石材外掛的需要，經(jīng)過對容積率、面積使用率、保溫形式和效果、成本和工期控制、施工和結(jié)構(gòu)可靠度等方面的比選和分析可知，多層住宅建筑采用較新技術(shù)體系，即保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系；高層住宅建筑采用較成熟的技術(shù)體系，全預制實心剪力墻體系。

6 裝配式結(jié)構(gòu)模型計算分析

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計合理使用年限為 50 a。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.0；抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計基本地震加速度 0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為 Ⅳ 類，場地特征周期為0.90 s；基本風壓值為 0.55 kN/m2，地面粗糙度 B 類。結(jié)構(gòu)采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中：多層為保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系，抗震等級為剪力墻四級；高層為全預制實心剪力墻體系，抗震等級為剪力墻三級。

結(jié)構(gòu)計算軟件采用 YJK（盈建科）程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行豎向荷載、風荷載、多遇地震和設(shè)防地震的計算分析，并比較計算結(jié)果，確保計算模型合理，結(jié)果可信。確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，保證結(jié)構(gòu)具備必要的承載力、合適的剛度、良好的變形能力和消耗地震能量的能力，各項指標滿足規(guī)范的要求。多層保溫一體化（模塊化）預制剪力墻體系，由于剪力墻內(nèi)嵌保溫材料，剪力墻實際有效截面減少。根據(jù)《模塊化裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系技術(shù)應用規(guī)程》，剪力墻抗剪計算截面取混凝土兩側(cè)凈截面厚度，抗彎及抗壓計算截面可取混凝土等效厚度。典型單體（多層）抗震分析的計算結(jié)果如表 2 所示，典型單體（高層）抗震分析的計算結(jié)果如表 3 所示。

表2 典型單體（多層）抗震分析的計算結(jié)果（軟件名稱：YJK）

表3 典型單體（高層）抗震分析的計算結(jié)果（軟件名稱：YJK）

經(jīng)過計算，單體預制率滿足規(guī)范對于單體預制率 ≥ 40%的要求，計算公式如式（1）所示。

式（1）中相應構(gòu)件的權(quán)重系數(shù)如表 4 所示。

表4 建筑預制率計算方法（方法二：權(quán)重系數(shù)法）

7 結(jié) 語

裝配式建筑多高層項目的結(jié)構(gòu)體系比選、保溫體系比選、施工技術(shù)控制比選尤為重要，應結(jié)合不同結(jié)構(gòu)體系、不同連接節(jié)點施工工藝進行綜合判別。夾心保溫或保溫一體化技術(shù)的選用，可減少現(xiàn)場濕作業(yè)，更體現(xiàn)裝配式建筑的理念。合理的計算模型假定及參數(shù)可以直觀地模擬裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力，并反映變形協(xié)調(diào)。合理的結(jié)構(gòu)體系比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對工程造價的把控都是極為重要的。