裝配式高層混凝土住宅設(shè)計質(zhì)量管理策略①

王 瑋, 張曉丹, 郭 玉, 方忠年

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院,江蘇徐州221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)工程咨詢研究院(江蘇)有限公司,江蘇徐州221008)

0 引 言

與現(xiàn)澆混凝土建筑相比,裝配式建筑具有節(jié)約資源、縮短工期、降低勞動強度、提升工程質(zhì)量以及節(jié)能環(huán)保等新型工業(yè)化建造方式的優(yōu)點[1][2]。為了推進裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,裝配式建筑設(shè)計需要采取集成設(shè)計方法,解決預(yù)制構(gòu)件的拆分、生產(chǎn)和運輸、施工安裝、后期裝修和維護等全產(chǎn)業(yè)鏈問題,對設(shè)計質(zhì)量管理增加了技術(shù)創(chuàng)新、工作強度以及專業(yè)化協(xié)同等新要求[3]-[5]。

在裝配式混凝土住宅工業(yè)化的發(fā)展中,我國關(guān)于裝配式住宅設(shè)計階段質(zhì)量管理策略的研究已取得一定的成果,主要集中在采取預(yù)制裝配式混凝土住宅設(shè)計-生產(chǎn)-施工一體化的集成技術(shù)創(chuàng)新措施來提高建造質(zhì)量[4][6];以及施工圖深化設(shè)計的質(zhì)量管控,包括結(jié)構(gòu)體系的選擇、預(yù)制構(gòu)件的工程做法、構(gòu)造連接等具體技術(shù)措施[6][7]。在全過程管理中,采取專家評審階段性設(shè)計成果和信息管理的手段優(yōu)化管理流程,以提升設(shè)計質(zhì)量[8]。適合裝配式高層混凝土住宅建造技術(shù)特點的設(shè)計質(zhì)量管理體系的研究仍欠缺,影響了裝配式混凝土住宅的技術(shù)經(jīng)濟性和建造質(zhì)量[9]。

以徐州地區(qū)某裝配式高層混凝土住宅小區(qū)作為研究對象,從項目管理組角度,針對裝配式高層混凝土住宅設(shè)計流程中各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制目標和影響因素,建立基于并行工程的設(shè)計質(zhì)量管理體系。然后,在工程實踐中從結(jié)構(gòu)選型、預(yù)制率拆解、建筑設(shè)計等質(zhì)量管理點,開展預(yù)制裝配式混凝土住宅設(shè)計質(zhì)量管理策略研究。

1 并行工程的設(shè)計質(zhì)量管理體系

并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、集成化處理的系統(tǒng)方法和綜合技術(shù),要求產(chǎn)品開發(fā)人員從總體方案設(shè)計開始就考慮產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各階段的所有因素,具有并行、集成、分布和漸進性特征[8][10][11]。

基于并行工程的裝配式高層混凝土住宅設(shè)計質(zhì)量管理,要求項目管理組整合業(yè)主需求,通過建立有效的信息交流機制,強化設(shè)計過程中各部門、不同專業(yè)間的協(xié)同工作,將后續(xù)生產(chǎn)、施工和使用環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題在設(shè)計的早期階段就被發(fā)現(xiàn)并解決,提高設(shè)計質(zhì)量。

1.1 并行設(shè)計過程的構(gòu)建

1.1.1 裝配式住宅設(shè)計流程特征

裝配式住宅設(shè)計過程分為規(guī)劃及方案設(shè)計、預(yù)制裝配式技術(shù)策劃、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計五個階段,具體如下:

(1)規(guī)劃及方案設(shè)計?；陧椖慷ㄎ?、建設(shè)規(guī)模、裝配化目標、成本限額以及各種外部條件影響因素,初步制定合理的小區(qū)規(guī)劃概念方案和戶型方案,影響裝配式技術(shù)方案和預(yù)制構(gòu)件的標準化程度。

(2)預(yù)制裝配式技術(shù)策劃。通過確定住宅結(jié)構(gòu)體系、裝配式建筑單體選擇、預(yù)制率估算、預(yù)制構(gòu)件初步布置方案等,分析裝配式技術(shù)的可行性和預(yù)制率的可能性,是預(yù)制裝配式項目實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3)初步設(shè)計。選取預(yù)制構(gòu)件并計算項目預(yù)制率,綜合平、立、剖整體設(shè)計,在裝配式技術(shù)專項評審中強調(diào)結(jié)構(gòu)體系與項目預(yù)制率的可實施性。

(4)施工圖設(shè)計。確定預(yù)制構(gòu)件布置、拆分及統(tǒng)計,深化平立剖面、構(gòu)件連接工藝,并開展建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電等專業(yè)的聯(lián)合會審,解決施工圖中各種矛盾,是項目的落地性控制階段。

(5)預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計。主要工作包括預(yù)制構(gòu)件的科學(xué)拆分、裝配節(jié)點設(shè)計和構(gòu)件加工設(shè)計等裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計。需要同預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠商和施工總承包單位對預(yù)制構(gòu)件詳圖深化進行審核,確保深化設(shè)計成果能夠順利實施。

1.1.2 各設(shè)計階段間的關(guān)系及關(guān)鍵控制點

(1)預(yù)制裝配式技術(shù)策劃在小區(qū)規(guī)劃概念方案的基礎(chǔ)上開展,與規(guī)劃方案設(shè)計同時進行,相互影響。設(shè)計師根據(jù)本地區(qū)預(yù)制裝配式技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的綜合實力,制定預(yù)制率拆解方案,理清概念戶型方案與預(yù)制裝配方案之間的關(guān)系,確定預(yù)制范圍。通過對建筑方案和預(yù)制裝配方案的相關(guān)指標調(diào)整,形成可推進的初步總體方案。

(2)初步設(shè)計是依據(jù)經(jīng)批準的小區(qū)規(guī)劃方案和預(yù)制裝配式技術(shù)策劃方案進行的總體方案及簡明設(shè)計,對裝配式住宅小區(qū)的建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)性能、建筑節(jié)能、住宅功能以及建筑環(huán)境等問題進行初步定位。需要各專業(yè)協(xié)同配合,并盡可能將后期潛在的問題提前解決。

(3)施工圖設(shè)計是以經(jīng)審核批準的初步設(shè)計文件為依據(jù)進行的詳細設(shè)計,包括裝配式住宅的建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電等各專業(yè)的施工詳圖,解決裝配式設(shè)計技術(shù)中的關(guān)鍵性問題,例如與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式等。

(4)深化設(shè)計是以審查合格的施工圖為依據(jù),綜合考慮后續(xù)的構(gòu)件生產(chǎn)工藝條件、構(gòu)件堆放和運輸、現(xiàn)場吊裝和安裝工法、住宅使用和維護等全過程因素,按照模數(shù)協(xié)調(diào)和生產(chǎn)工藝標準化的要求拆分預(yù)制構(gòu)件。

(5)裝配式住宅設(shè)計的各個階段既相互獨立又相互關(guān)聯(lián),不同專業(yè)之間的相互交圈影響貫穿于各個設(shè)計階段。

1.1.3 過程的評價與重組

并行工程技術(shù)要求設(shè)計過程與評價過程的并行,及時對各階段的設(shè)計成果進行全面評價,對各階段各專業(yè)之間的沖突、設(shè)計目標不達標的設(shè)計成果重新優(yōu)化調(diào)整。

裝配式住宅設(shè)計的上階段是下階段的依據(jù),同階段各專業(yè)相互影響,前期的技術(shù)策劃方案與總體規(guī)劃方案相互影響。針對裝配式住宅設(shè)計過程的具體情況,增加小區(qū)規(guī)劃方案和預(yù)制裝配式技術(shù)策劃的指標校核、初步設(shè)計評審、施工圖設(shè)計審查和深化設(shè)計審核,通過評審,結(jié)合專家意見,對每個階段的不同專業(yè)設(shè)計成果優(yōu)化調(diào)整,再評審,直至合格。

1.2 基于信息化管理的協(xié)同工作環(huán)境

基于并行工程的裝配式住宅設(shè)計管理系統(tǒng),強調(diào)從設(shè)計、構(gòu)件制作到工程建設(shè)全過程的協(xié)同工作。為了保證工作順利開展,提高設(shè)計效率,需要采取信息管理的方法,構(gòu)建協(xié)同工作環(huán)境,包括設(shè)計單位內(nèi)部協(xié)同以及與外部其它部門的協(xié)同工作環(huán)境[4]。

內(nèi)部協(xié)同包括各設(shè)計階段之間的協(xié)同和各專業(yè)之間的協(xié)同,外部協(xié)同包括設(shè)計團隊與建設(shè)(代建)、監(jiān)理、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)以及施工總承包等單位的協(xié)同。項目管理組在設(shè)計過程的信息化管理內(nèi)容主要包括:不同階段設(shè)計數(shù)據(jù)的管理和共享;裝配式住宅模數(shù)化管理和組織,便于預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);圍繞裝配式住宅項目,建設(shè)單位(代建單位)、構(gòu)件生產(chǎn)商、設(shè)計院、施工及監(jiān)理等單位之間進行各種形式的信息交互;建立并逐步完善包括建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、電氣設(shè)備等多專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工安裝及室內(nèi)裝修等提供完整的設(shè)計信息。

1.3 設(shè)計質(zhì)量管理流程

綜合上述關(guān)于裝配式住宅并行設(shè)計過程的要求與方法,建立基于并行工程的設(shè)計質(zhì)量管理流程,見圖1。圖中數(shù)據(jù)庫是集合設(shè)計各階段的所有信息,并貫穿整個設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)與運輸、施工安裝和使用維護全過程。專家?guī)鞆脑O(shè)計初期組建,專家涵蓋規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)、水電、設(shè)備等專業(yè),由設(shè)計、監(jiān)理、預(yù)制構(gòu)件廠和總承包等多行業(yè)的高級專業(yè)技術(shù)人員組成,同時在各設(shè)計階段組建相應(yīng)專業(yè)的專家小組,對設(shè)計成果進行評審,專家評審貫穿于設(shè)計全過程。

圖1 裝配式住宅設(shè)計管理流程

2 實例應(yīng)用

基于并行工程技術(shù)的裝配式住宅設(shè)計應(yīng)該從整體上確定管理指標,在符合本地區(qū)在相關(guān)政策的前提下,結(jié)合本區(qū)域裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈特點選擇適合的裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系;同時考慮預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工和使用維護等全過程技術(shù)指標的可行性和合理性。故結(jié)合徐州某住宅小區(qū)的設(shè)計,采用并行工程技術(shù)針對裝配式高層住宅的設(shè)計控制點進行質(zhì)量管理應(yīng)用研究。

2.1 項目概況

項目位于徐州市銅山區(qū),包括19棟高層住宅、2棟2層商業(yè)住宅及4棟輔助用房,總建筑面積26.71萬m 2,其中地上建筑面積23.34萬m 2。高層住宅地上18層,地下1層,混凝土結(jié)構(gòu),二類高層,標準層層高2.90m,預(yù)制率不低于30%,裝配率不低于50%。

2.2 結(jié)構(gòu)選型與預(yù)制率拆解方案

2.2.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

在設(shè)計時,根據(jù)建筑高度、抗震要求、材料用量以及使用功能等要求,選擇合適的裝配式結(jié)構(gòu)體系。高層住宅地上18層,地下1層,抗震設(shè)防烈度為7度遠震。依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程,應(yīng)采用裝配整體式框剪或剪力墻結(jié)構(gòu)體系;同時,考慮室內(nèi)框架柱影響戶內(nèi)使用功能,高層住宅采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)對平面布置的影響較小、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和施工工藝成熟,經(jīng)濟性較好。但在布置預(yù)制剪力墻時,要考慮室內(nèi)裝修時管線預(yù)留點位的合理性和戶型調(diào)整的靈活性。

2.2.2 預(yù)制構(gòu)件的選擇

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件一般優(yōu)先使用“三板”,即預(yù)制裝配剪力墻板、疊合樓板和樓梯板,其它預(yù)制構(gòu)件根據(jù)情況需要可考慮預(yù)制梁、陽臺板、空調(diào)板和挑檐(女兒墻)等。依據(jù)項目特點、徐州地區(qū)預(yù)制產(chǎn)業(yè)鏈和總承包施工工法水平和相關(guān)規(guī)范規(guī)程,本項目預(yù)制拆解方案如下:

(1)剪力墻。由于全預(yù)制外墻成本較高、施工難度較大以及連接處易發(fā)生漏水的現(xiàn)象等一些缺點,且預(yù)制率最低為30%,對18層住宅容易實現(xiàn),故剪力墻預(yù)制方案以預(yù)制內(nèi)墻為主+部分預(yù)制外墻。為了南、北主立面外觀的豐富性,故南、北外墻以現(xiàn)澆為主,僅在東西山墻和單元之間外墻采用預(yù)制裝配形式。

根據(jù)預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的要求,預(yù)制剪力墻應(yīng)該具有一定的復(fù)制性,幾何尺寸盡量符合標準化要求。依據(jù)專家組建議,將“十、Z、T”字形預(yù)制剪力墻改為“一”字形,“L”形剪力墻應(yīng)歸類,盡量減少規(guī)格。以該小區(qū)F03號樓標準層為例,剪力墻布置見圖2。

圖2 F03號樓標準層剪力墻布置圖

(2)疊合樓板(含陽臺)。除戶間走道板和設(shè)備間跨度較小、預(yù)制不經(jīng)濟,以及屋面和衛(wèi)生間防水要求高外,戶內(nèi)樓面板均采用預(yù)制鋼筋桁架疊合板。

(3)預(yù)制樓梯。選擇梁承式預(yù)制樓梯。

(4)其它。考慮在內(nèi)、外剪力墻部分裝配的情況下,預(yù)制率30%的目標容易實現(xiàn);梁與疊合板、預(yù)制剪力墻節(jié)點現(xiàn)澆,形成結(jié)構(gòu)平面交圈,能提高結(jié)構(gòu)的整體性,也方便后期施工,故采用現(xiàn)澆梁。

最終預(yù)制率計算值,見表1。

表1 F03號樓預(yù)制率/%

2.3 預(yù)制裝配影響下的建筑設(shè)計

2.3.1 總圖規(guī)劃分析

裝配式住宅總圖規(guī)劃布局遵循“少規(guī)格、多組合”原則,在滿足項目要求前提下,避免單體戶型過多、平面形態(tài)和樓棟形態(tài)不規(guī)則、端頭戶與中間戶面寬進深變化等問題。采用較少的標準化樓棟合理調(diào)整總圖形態(tài),減少整體預(yù)制裝配方案的復(fù)雜性和后期設(shè)計及施工難度。

在規(guī)劃方案階段,根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求,按五種面積檔位設(shè)計標準戶型,經(jīng)評審優(yōu)化,最終選取八種標準戶型對每棟樓進行組合,見表2。

表2 住宅小區(qū)標準戶型及樓棟戶型組合

2.3.2 平面設(shè)計分析

裝配式住宅單體平面設(shè)計,從成本和施工維度考慮戶型面寬、進深、輪廓、剪力墻位置等要素。開間和進深采取模數(shù)化控制,體型系數(shù)盡量小,不出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)折、凹槽,平面輪廓盡量規(guī)則,有利于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的工業(yè)化和安裝的便利性。內(nèi)部剪力墻和豎向管井布置應(yīng)合理,預(yù)制剪力墻內(nèi)墻面要提前預(yù)留設(shè)備點位,便于后期空間功能改造。以F03號樓的標準層平面圖為例,建筑平面布置見圖3。

圖3 F03號樓標準層平面圖

2.3.3 立面設(shè)計分析

裝配式住宅的立面設(shè)計既要關(guān)注平面與空間關(guān)系、模數(shù)關(guān)系、構(gòu)件位置與選擇等因素,還要考慮層高的模數(shù)化、體型的平直和外立面材料與造型等因素[12]。

預(yù)制率拆解方案主要為以結(jié)構(gòu)構(gòu)件為主的方式,即以內(nèi)墻+少量外剪力墻+疊合樓板+樓梯板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件,僅東、西端山墻和單元間外墻采取裝配式,南、北主立面采用現(xiàn)澆,立面較為自由。為增加立面的靈活性和多樣性,外掛預(yù)制GRC成品線條,外墻飾面為真石漆噴涂。

2.4 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計

工程總承包單位負責(zé)組織施工圖深化設(shè)計工作,綜合考慮預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工吊裝、臨時支撐與固定、裝配、連接節(jié)點以及預(yù)留預(yù)埋等因素,委托設(shè)計單位按照建筑結(jié)構(gòu)特點,在預(yù)制率的約束下,將建筑結(jié)構(gòu)拆分為獨立的構(gòu)件單元。尤其注重采用模數(shù)化和標準化的方法對預(yù)制構(gòu)件拆分,提高構(gòu)件的通用性和連接節(jié)點的標準化。

深化設(shè)計內(nèi)容包括預(yù)制墻板、預(yù)制樓板、連接工藝、灌漿工藝、模板支撐體系、安全固定措施、臨時支撐系統(tǒng)、現(xiàn)澆節(jié)點以及吊裝輔助工具的選擇及分析。預(yù)制構(gòu)件深化圖包含對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)進行編號,尤其需要注明樓棟號;管線、箱盒的位置標高,以及水電管口的預(yù)留方式均應(yīng)在預(yù)制構(gòu)件深化圖中標明。以F03號樓標準層剪力墻為例,預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計圖見圖4。

圖4 F03號樓WYJQ1剪力墻東視面詳圖

3 結(jié) 語

針對裝配式高層混凝土住宅的設(shè)計流程中各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制目標和影響因素,建立了基于并行工程的設(shè)計質(zhì)量管理體系。并以實際工程項目為載體,通過目標分解法對設(shè)計質(zhì)量控制點進行分析,采取相應(yīng)的管理對策,實現(xiàn)了設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)和施工一體化的裝配式住宅建造質(zhì)量管理目標。