預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究*

張季超，沈冬兒，張 巖，陳澤宇，彭海婷

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 河南 450001)

0 引言

建筑業(yè)的發(fā)展從單純地解決人們的住房需求問題上升到滿足人們對生活質(zhì)量的追求，改善居住環(huán)境。但是當(dāng)前國內(nèi)絕大部分建筑采用的是傳統(tǒng)粗放型的建造生產(chǎn)方式，一方面浪費(fèi)大量資源，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境；另一方面，不能保證建筑的施工質(zhì)量，導(dǎo)致建筑安全事故頻頻發(fā)生。因此，加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)行建筑工業(yè)化勢在必行[1]。

工業(yè)化建造模式將大部分或者全部的構(gòu)配件生產(chǎn)由施工現(xiàn)場轉(zhuǎn)為工廠車間或現(xiàn)場預(yù)制車間生產(chǎn)，將手工制作方式轉(zhuǎn)為以機(jī)械化生產(chǎn)，將施工現(xiàn)場的濕作業(yè)主導(dǎo)轉(zhuǎn)為以機(jī)械式吊裝與拼裝等干作業(yè)為主[2]。模塊化結(jié)構(gòu)將建筑物的各個(gè)子系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)骨架、圍護(hù)組件、功能部件等集成為一個(gè)個(gè)建筑模塊，如圖1所示，建筑模塊在工廠內(nèi)完成制造，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場用裝配化方式構(gòu)筑組裝而成的房屋系統(tǒng)，是目前裝配率最高的結(jié)構(gòu)形式之一，是建筑工業(yè)化的高端模式。相比傳統(tǒng)建造模式，模塊化施工有利于提高生產(chǎn)力、改善施工安全和工程質(zhì)量，有利于提高建筑綜合品質(zhì)和性能，有利于減少用工、縮短工期、減少資源能源消耗、減少建筑垃圾和揚(yáng)塵。

圖1 建筑模塊組成

1 預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工工藝

預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工過程主要分成預(yù)制和裝配兩大部分。第1階段是工廠內(nèi)預(yù)制，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、預(yù)制墻板和樓板的澆筑養(yǎng)護(hù)，建筑模塊的拼裝連接都是在預(yù)制工廠內(nèi)完成。第2階段是現(xiàn)場裝配，建筑模塊通過專門的運(yùn)輸車輛運(yùn)送到施工現(xiàn)場，然后根據(jù)施工方案將建筑模塊吊裝至設(shè)計(jì)位置，通過節(jié)點(diǎn)處的連接和后澆混凝土將結(jié)構(gòu)連成整體[3]。這種新型的模塊化施工方式與同等規(guī)模的傳統(tǒng)建造方式相比可以有效縮短整個(gè)建設(shè)周期，而且施工過程綠色環(huán)保[2]。

預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)總體施工工藝流程如圖2所示，大致分為建筑模塊制作、運(yùn)輸儲存、吊裝、安裝和現(xiàn)澆構(gòu)件連接5個(gè)施工過程。

圖2 預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)總體施工工藝流程

經(jīng)過可靠的連接和節(jié)點(diǎn)整體現(xiàn)澆，預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)形成之后的受力情況，作用效應(yīng)與傳統(tǒng)建筑相差不大。預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新說到底其實(shí)是對傳統(tǒng)施工建造方法的創(chuàng)新，模塊化建筑具有與傳統(tǒng)建筑不同的獨(dú)特施工方法。因此，模塊化建筑在建造之前需對其施工過程進(jìn)行模擬分析，以便對模塊化施工過程有整體的把握。

對預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)而言，工廠內(nèi)建筑模塊的預(yù)制生產(chǎn)一般遵循設(shè)計(jì)圖和生產(chǎn)線進(jìn)行，工廠化生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)規(guī)范化、運(yùn)輸物流化，對建造質(zhì)量和安全有保障。吊裝和連接是預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)現(xiàn)場工地施工的兩個(gè)重要施工步驟，建筑模塊的吊裝和連接施工過程表現(xiàn)出了諸多力學(xué)問題及技術(shù)問題，有一定的難度，歸納為以下5個(gè)問題。

1)建筑模塊的吊點(diǎn)布置及起吊角度計(jì)算。

2)建筑模塊臨時(shí)支撐的布置方法。

3)建筑模塊吊裝安全穩(wěn)定性計(jì)算。

4)施工過程的模擬計(jì)算方法。

5)拆除臨時(shí)支撐對結(jié)構(gòu)安全的影響。

2 建筑模塊的吊點(diǎn)布置及起吊角度計(jì)算

2.1 吊點(diǎn)的選擇及布置原則

決定預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)的吊裝方案時(shí)，建筑模塊吊點(diǎn)數(shù)量的選擇和位置分布是首先要考慮的問題。吊點(diǎn)的數(shù)量選擇和位置布局要保證建筑模塊在起吊過程中變形盡可能小，以防建筑模塊中的構(gòu)件發(fā)生形變，無法準(zhǔn)確安裝到設(shè)計(jì)位置上[4]。建筑模塊在起吊過程中還需要考慮其在空中的姿態(tài)以及構(gòu)件受力。一般來說，吊點(diǎn)布置時(shí)考慮的總原則如下。

1)起吊時(shí)，吊點(diǎn)一般設(shè)置在物體的重心位置或重心之上，但建筑模塊的重心位置難以確定，因此，建筑模塊的吊點(diǎn)一般設(shè)置在柱上端，吊點(diǎn)在建筑模塊重心之上，在起吊過程中不會出現(xiàn)頭重腳輕而發(fā)生傾覆，保證建筑模塊的穩(wěn)定與平衡。

2)建筑模塊相鄰吊點(diǎn)之間的距離不能過小。吊點(diǎn)間距過小會使得相鄰吊點(diǎn)之間的梁兩端支座處變形過大，導(dǎo)致建筑模塊節(jié)點(diǎn)安裝時(shí)無法就位。通常來說，建筑模塊的吊點(diǎn)間距與柱距一致。

3)建筑模塊的吊點(diǎn)布局應(yīng)盡可能使建筑模塊的所有構(gòu)件應(yīng)力分布比較均勻，變形較小。

目前，建筑模塊吊裝施工常用的方法是根據(jù)建筑模塊的柱分布設(shè)置吊點(diǎn)，吊點(diǎn)一般設(shè)置在建筑模塊的框架柱上端，通常不設(shè)置在建筑模塊的框架梁和樓板上。吊鉤與活動的榫頭連接，榫頭與建筑模塊柱上端的榫眼扣接，確保吊鉤與建筑模塊連接牢固。

2.2 起吊角度范圍選取原則

對于預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工中的建筑模塊吊裝，起吊高度的不同會給吊裝中的建筑模塊帶來不同的結(jié)果[5](本文所提及的起吊高度均指的是最高吊鉤至建筑模塊柱上端的豎直距離)。

1)若起吊高度過高，吊索與水平面的夾角較大，能較好發(fā)揮吊索的索力，但是吊索的長度過大會導(dǎo)致建筑模塊在起吊過程中容易發(fā)生大幅度的擺動，對建筑模塊本身以及整個(gè)施工區(qū)域的安全可能造成威脅。而且起吊高度會受到起吊機(jī)升高極限的限制，起吊高度過大無法確保頂層的建筑模塊能夠安放在正確的設(shè)計(jì)位置上。

2)若起吊高度過低，吊索與水平面夾角過小，當(dāng)夾角<45°時(shí)，吊索索力在水平方向的分力比豎直方向的分力大，建筑模塊的頂梁受到較大的壓力，容易發(fā)生彎曲變形，甚至發(fā)生破壞。因此起吊高度不能過低，吊索與水平面的夾角不應(yīng)小于45°；當(dāng)起吊角度<45°時(shí)，應(yīng)對建筑模塊的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

3)若起吊高度合適時(shí)，吊索索力和建筑模塊的應(yīng)力分布較均勻，大小適中，建筑模塊在起吊過程中的整體穩(wěn)定性較好。

綜上所述，起吊高度的改變，同時(shí)也是起吊角度的改變，這種改變影響建筑模塊構(gòu)件的應(yīng)力與吊索索力的大小，選擇合適的起吊高度可以平衡建筑模塊的應(yīng)力與吊索索力的變化。起吊高度的選擇原則就是在起吊機(jī)升高極限以內(nèi)，確定起吊高度或起吊角度的合理范圍，使得建筑模塊的應(yīng)力和吊索索力相對較小并分布均勻。這種合理范圍的確定，通常是根據(jù)相關(guān)吊裝規(guī)范以及工程經(jīng)驗(yàn)來確定的。按JGJ276—2012《建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[6]：吊索與所吊構(gòu)件間的水平夾角必須大于45°。根據(jù)計(jì)算研究和工程經(jīng)驗(yàn)，建筑模塊的吊索與水平線的夾角宜為50°。

3 建筑模塊臨時(shí)支撐的布置方法

作為預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)的基本單元，建筑模塊在出廠時(shí)已有基本的結(jié)構(gòu)雛形，但梁柱截面較小，建筑模塊整體的剛度也比較小。若建筑模塊在運(yùn)輸、吊裝過程中受到外力較大，容易變形過大，因此在結(jié)構(gòu)成型之前，需要在建筑模塊構(gòu)件間布置臨時(shí)支撐。預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐體系類型選擇和布置方案選擇是十分重要的，合理的臨時(shí)支撐布置方案不僅在一定程度上加快工程施工進(jìn)度以及減少施工費(fèi)用，更重要的是合理布置臨時(shí)支撐是確保結(jié)構(gòu)安全成型的保障。臨時(shí)支撐的布置需要考慮以下兩點(diǎn)。

1)在結(jié)構(gòu)成型前，保證建筑模塊在連接前不產(chǎn)生過大內(nèi)力和位移，能準(zhǔn)確定位在設(shè)計(jì)位置上。

2)在結(jié)構(gòu)成型后，臨時(shí)支撐要方便拆除，拆撐過程易于控制。拆除過程要使建筑模塊的構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)緩慢調(diào)整，逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)。

在起吊過程中，建筑模塊在柱端起吊的方式使得建筑模塊柱子的上端受力較大，但是與柱相連的頂梁截面較小，而且柱子跨度較小，因此建筑模塊的柱子上端以及頂梁受到應(yīng)力較大，底板框架梁受力較小。為了平衡建筑模塊上下平面的受力，在建筑模塊的每一個(gè)相鄰柱之間設(shè)置交叉的臨時(shí)支撐，支撐點(diǎn)位于柱端。臨時(shí)支撐與柱端的連接板用螺栓連接，方便施工結(jié)束后拆除臨時(shí)支撐。

4 建筑模塊吊裝安全穩(wěn)定性計(jì)算

建筑模塊在整體起吊階段主要是以建筑模塊的自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量為主。為保證起吊安全，一般在起吊質(zhì)量的基礎(chǔ)上乘以豎向動力系數(shù)。建筑模塊豎向動力系數(shù)主要指建筑模塊吊裝過程中所產(chǎn)生的動力加速度。參照GB50755—2012《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，提升過程中豎向動力系數(shù)取1.4[7]。

出于施工安全的考慮，建筑模塊需在6級以下風(fēng)力進(jìn)行起吊作業(yè)，此時(shí)建筑模塊的受力需考慮結(jié)構(gòu)自重、起吊工具的質(zhì)量以及少量的操作人員荷載。在實(shí)際起吊施工中，風(fēng)力可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)測并可根據(jù)建筑模塊上安裝的風(fēng)速儀即時(shí)確定。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6級以上時(shí)，建筑模塊應(yīng)停止提升，并做好防護(hù)措施。從偏安全考慮設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，建筑模塊起吊計(jì)算的風(fēng)荷載按施工期間可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速考慮，即6級強(qiáng)風(fēng)，風(fēng)速為10.8～13.8m/s，相當(dāng)于39～49km/h，風(fēng)壓為72.9～119Pa。

建筑模塊在有無6級強(qiáng)風(fēng)作用下吊裝的構(gòu)件應(yīng)力值如表1所示，從中可看出在分析建筑模塊起吊受力時(shí)，需考慮風(fēng)荷載對建筑模塊的影響，同時(shí)建議建筑模塊在風(fēng)力6級及以上時(shí)停止吊裝作業(yè)。

表1 有無6級強(qiáng)風(fēng)荷載時(shí)建筑模塊起吊的應(yīng)力結(jié)果對比

5 施工過程的模擬計(jì)算方法

預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)從工廠預(yù)制到施工結(jié)束是結(jié)構(gòu)逐步“成長”的過程。隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，建筑模塊逐個(gè)安裝連接，結(jié)構(gòu)的整體剛度、荷載、邊界條件和材料的性能都在不斷地發(fā)生變化，構(gòu)件的最大應(yīng)力和變形可能會出現(xiàn)在某一施工階段，因此需要關(guān)注預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)在施工過程中應(yīng)力和位移的發(fā)展，了解結(jié)構(gòu)發(fā)生最大應(yīng)力與變形的位置，明確結(jié)構(gòu)體系在施工期間存在的受力狀態(tài)，為正確的施工提供理論指導(dǎo)[8]。

在預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工過程中，結(jié)構(gòu)的時(shí)變性貫穿整個(gè)施工過程。對預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程的模擬計(jì)算和施工過程分析，主要考慮以下6個(gè)因素的時(shí)變性。

1)結(jié)構(gòu)幾何形體時(shí)變。

2)結(jié)構(gòu)剛度時(shí)變。

3)結(jié)構(gòu)邊界條件時(shí)變。

4)結(jié)構(gòu)材料性能時(shí)變。

5)結(jié)構(gòu)荷載時(shí)變。

6)施工誤差累積。

6 拆除臨時(shí)支撐對結(jié)構(gòu)安全的影響

為了更好地保護(hù)建筑模塊，預(yù)制工廠會在建筑模塊中安裝臨時(shí)支撐，保證建筑模塊在運(yùn)輸和吊裝階段不受破壞[9]。模塊化結(jié)構(gòu)在建造過程中，建筑模塊仍存在臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，臨時(shí)支撐的拆除過程會改變結(jié)構(gòu)模型邊界條件，從而影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形。

本文結(jié)合某10層預(yù)制裝配整體式模塊化綜合辦公樓工程，利用精確施工模擬方法，模擬模塊化結(jié)構(gòu)拆撐過程。設(shè)置4種拆撐方案如下。

1)方案1 第1層建筑模塊在安裝和澆筑樓板后，拆除該層的臨時(shí)斜撐，再進(jìn)行下一施工層施工，簡稱“建一拆一”。

2)方案2 第1層建筑模塊的臨時(shí)斜撐在第3層施工結(jié)束后拆除，簡稱“建三拆一”。

3)方案3 第1層建筑模塊的臨時(shí)斜撐在第5層施工結(jié)束后拆除，簡稱“建五拆一”。

4)方案4 整棟樓的臨時(shí)斜撐在所有樓層施工完成后再統(tǒng)一拆除，簡稱“完工拆撐”。

4種拆撐方案的最大豎向位移及豎向位移差對比曲線如圖3～6所示。

圖3 4種拆撐方案的角柱最大豎向位移

圖4 4種拆撐方案的邊柱最大豎向位移

圖5 4種拆撐方案的中柱最大豎向位移

圖6 4種拆撐方案的最大豎向位移差

結(jié)果表明，方案4“完工拆撐”方案的結(jié)構(gòu)豎向位移最大，方案1“建一拆一”方案的結(jié)構(gòu)豎向位移差最大。說明臨時(shí)斜撐的拆除主要引起結(jié)構(gòu)的豎向位移變化，這種豎向位移可以在結(jié)構(gòu)施工過程中通過施工找平方法補(bǔ)償，因此可以在確保安全的前提下，在施工過程中拆除臨時(shí)支撐。但是臨時(shí)支撐在施工過程中可以有效地協(xié)調(diào)相鄰建筑模塊柱的豎向位移差，因此不建議過早拆除臨時(shí)支撐。綜上所述，在預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)施工過程中，適宜以施工3層為1個(gè)周期拆除臨時(shí)支撐，即在施工3層結(jié)構(gòu)后拆除第1層結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐，這樣既可以充分發(fā)揮臨時(shí)支撐的作用，在一定施工范圍內(nèi)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的豎向變形差，又可以及時(shí)補(bǔ)償臨時(shí)支撐拆除引起的結(jié)構(gòu)豎向位移。

7 結(jié)語

隨著我國建筑工業(yè)化的發(fā)展，國內(nèi)政策對建筑的裝配率要求越來越高，預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)作為目前裝配程度最高的結(jié)構(gòu)正適應(yīng)了這一潮流的發(fā)展。但預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)在中國剛剛起步發(fā)展，模塊化施工技術(shù)發(fā)展還未成熟，需要對其施工工藝技術(shù)規(guī)范化，充分考慮施工過程的控制因素，形成全面合理的施工技術(shù)方案。本文結(jié)合某10層預(yù)制裝配整體式模塊化綜合辦公樓項(xiàng)目，對施工力學(xué)的5個(gè)方面問題進(jìn)行了探討，總結(jié)了建筑模塊在吊裝和連接兩個(gè)主要施工步驟上的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和需要注意的安全問題，期望能對預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)研究起到拋磚引玉作用，并能為預(yù)制裝配整體式模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)際施工提供理論參考。