房屋建筑裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用與研究

吳正清

(甘肅銅城工程建設(shè)有限公司 甘肅 白銀 730900)

近些年來,隨著工業(yè)水平的提升,預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量越來越好,制造速度越來越快,而建筑的工業(yè)化建造,房屋的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì),現(xiàn)澆體系的建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸無法滿足發(fā)展需要,裝配式建筑業(yè)再一次進(jìn)入了發(fā)展黃金期。2016年,我國發(fā)布《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》,其中明確指出,要大力推廣裝配式建筑,制定裝配式建筑設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范,鼓勵(lì)建筑企業(yè)裝配式施工。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、政策支持和市場選擇的情況下,預(yù)制裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)將在我國房屋建筑領(lǐng)域起到?jīng)Q定性的作用。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)概述

1.1 預(yù)制裝配式混凝土技術(shù)

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu),簡稱為PC結(jié)構(gòu),其是指在專業(yè)的構(gòu)件加工廠生產(chǎn)澆筑,并在控制條件下養(yǎng)護(hù)最終定型的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,再通過交通工具運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行裝配施工的混凝土結(jié)構(gòu)的房屋建造方法。根據(jù)裝配方法使用與建筑中比例的不同,裝配式建筑結(jié)構(gòu)分為全裝配式、部分裝配式兩種,由于要考慮整體性、抗震性等方面的設(shè)計(jì),全裝配式的建筑目前知識應(yīng)用于低層建筑,或少量應(yīng)用于多層建筑。而部分裝配式的建筑,按照其是結(jié)構(gòu)方面的還是維護(hù)方面,分為裝配整體式的建筑結(jié)構(gòu)和內(nèi)澆外掛的混凝土建筑結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式的混凝土結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)時(shí)就要開始考慮其標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化的構(gòu)件設(shè)計(jì),盡量減少特殊結(jié)構(gòu),避免過多的開模制作成本;與此同時(shí),也要考慮到設(shè)計(jì)的效果,不能做成千篇一律,對設(shè)計(jì)人員的要求較高。預(yù)制裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件是在構(gòu)件工廠制作完成的,在施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝、固接等工作,其施工的工藝和過程與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有較大不同,其施工的周期較短,結(jié)構(gòu)建設(shè)很快,因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)是已經(jīng)養(yǎng)護(hù)完成的,所以對于施工時(shí)的環(huán)境、氣溫等要求較為寬松;現(xiàn)場施工基本上是干作業(yè),較少的產(chǎn)生污染和噪音等,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好;并且結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作過程是在工廠內(nèi)完成,損耗較小,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高。裝配式結(jié)構(gòu)的施工過程,因其快節(jié)奏的施工進(jìn)度,對管理人員的專業(yè)能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有著較高的要求,需要科學(xué)合理地做好工作安排。

圖1 預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)

1.2 裝配式結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用

在七十年代到九十年代,我國人口數(shù)量出現(xiàn)了指數(shù)級的增長,但此時(shí)工業(yè)發(fā)展因受到影響而較為遲緩,為此我國大量學(xué)習(xí)了外國的先進(jìn)建筑方法,并結(jié)合我國實(shí)際情況進(jìn)行發(fā)展,分別于1984年～1991年之間制定了一系列相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范,幫助我國建筑行業(yè)逐步進(jìn)入規(guī)范化。

表1 我國建筑早期規(guī)范

而我國對于建筑工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展也一直在進(jìn)行,其中,主要代表研發(fā)預(yù)制裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)的企業(yè)主要是萬科集團(tuán),因?yàn)檠b配式的結(jié)構(gòu)形勢在建筑的經(jīng)濟(jì)適用性方面領(lǐng)先于其他結(jié)構(gòu),因此也成了我國國家和其他企業(yè)持續(xù)研究與發(fā)展的對象。

表2 我國各企業(yè)對于裝配式結(jié)構(gòu)的研究

1.3 裝配式結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式

公共使用目的的建筑,其結(jié)構(gòu)的形勢較為多變,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是其常用的一種,首先對于建筑的整體和各部件進(jìn)行設(shè)計(jì),將梁、板、柱等的構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制作,與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式來講,其只是施工和制造工藝上的區(qū)別,而裝配式結(jié)構(gòu)因其大幅降低了現(xiàn)場施工,尤其是模板支撐這一項(xiàng)工作的難度,所以可以使用較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),豐富了建筑的形式,也增加了城市的色彩。不同尺寸的構(gòu)件會彰顯不同的效果,小巧精致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以組成復(fù)雜精密的空間,而尺寸龐大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件則可以展現(xiàn)工業(yè)的震撼感,粗礦大氣的構(gòu)件可以展示狂野的氣息,而柔和的構(gòu)件則可彰顯細(xì)膩美感,具有非常多的可塑性,并且構(gòu)件的靈活多邊性也為其替換、修補(bǔ)等提供了可能。

2 裝配式建筑在設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

對于結(jié)構(gòu)體系的分析和設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑全過程設(shè)計(jì)中最重要的部分,科學(xué)合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部分,是保證建筑主體使用、抗震等多方面的主要保障,并且也是實(shí)現(xiàn)空間效果的主要步驟,在裝配式結(jié)構(gòu)中,通過工廠預(yù)制的結(jié)構(gòu)組件拼裝而成的結(jié)構(gòu)體系,其根據(jù)組件構(gòu)造的不同,一般分為“通用結(jié)構(gòu)體系”的和“特殊結(jié)構(gòu)體系”的兩種。

2.1.1 通用結(jié)構(gòu)

裝配式構(gòu)建中的通用結(jié)構(gòu)體系部分,主要是應(yīng)用于住宅類,或者使用功能要求簡單,空間形式不復(fù)雜的建筑。因此,裝配式建筑目前主要是在房屋建筑中的民用居住類方面大面積推廣使用。當(dāng)前的住宅建筑中裝配式的結(jié)構(gòu)形勢有三大類,分別是“裝配整體式框架結(jié)構(gòu)”、“裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)”、“裝配整體式框架—剪力墻結(jié)構(gòu)”(框剪結(jié)構(gòu)),這三類受力形式不同,優(yōu)劣各異,應(yīng)根據(jù)其最終的設(shè)計(jì)目的選用。裝配整體式的框架結(jié)構(gòu)中,預(yù)制構(gòu)件主要為柱、板、梁,裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互連接固定,組成受力主體框架,框架結(jié)構(gòu)因其主要受力構(gòu)件都是預(yù)制的,所以施工效率很高,最終特點(diǎn)和現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)一致,其內(nèi)部由分割砌體墻劃分使用空間,自由度較高。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu),其預(yù)制構(gòu)件主要是預(yù)制的剪力墻,通過組裝作為主要承重的部分,而節(jié)點(diǎn)一般為現(xiàn)澆混凝土,保證結(jié)構(gòu)具有整體性,對比于預(yù)制框架,預(yù)制剪力墻的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,施工難度較大,并且剪力墻會導(dǎo)致平面形式布置受限,但其整體性較高,抗震性能較好。而裝配整體式的框—剪結(jié)構(gòu),則使用部分預(yù)制柱、部分預(yù)制剪力墻的組成結(jié)構(gòu),其整體組裝,節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆,整體守里較好,工業(yè)化程度較高,具有上述兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 各類裝配式結(jié)構(gòu)的適用高度

2.1.2 特殊結(jié)構(gòu)

裝配式結(jié)構(gòu)因其本身材料還是混凝土,所以有著較強(qiáng)的可塑性,不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工大量受限的情況,裝配式結(jié)構(gòu)的特殊構(gòu)件可以在工廠制作,雖然一定程度上其定制模板成本會提高,但是可以實(shí)現(xiàn)較多復(fù)雜的形狀且質(zhì)量得以保證,大幅降低施工現(xiàn)場的難度,是房屋建筑中的一個(gè)巨大潛力點(diǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化

對于裝配式建筑來說,其最重要的一點(diǎn)就是標(biāo)準(zhǔn)化,因?yàn)槠錁?gòu)件都是工業(yè)技術(shù)進(jìn)行制作的,所以標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),可以對其生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、使用等的全過程實(shí)現(xiàn)完美契合,嚴(yán)格地節(jié)約和控制成本。房屋建筑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化,其是利用構(gòu)件模數(shù)來控制其自身的標(biāo)準(zhǔn)化和之后房屋設(shè)計(jì)、運(yùn)輸和建造的全過程,實(shí)現(xiàn)相互有效地配合。因?yàn)榉课萁ㄖ氖褂霉δ芤话惚容^確定,因此容易確定模具的尺寸,包括戶型的藍(lán)圖化設(shè)計(jì)這種大型模塊和房間、單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件這種小尺寸模塊。在民用居住建筑中,其可以按榀或塊等進(jìn)行重復(fù),對于預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)和模具的重復(fù)使用更加適合,對于其內(nèi)外墻、樓梯間等結(jié)構(gòu)部件以及陽臺、衛(wèi)生間等小空間部分均可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì),非常地適用。

2.3 設(shè)計(jì)的多樣化

雖然裝配式結(jié)構(gòu)是利用模具進(jìn)行較多重復(fù)設(shè)計(jì)和施工的結(jié)構(gòu)形式,但是對其多樣化的設(shè)計(jì)也不可或缺,除混凝土具有較強(qiáng)的可塑性,能制作個(gè)形狀構(gòu)件外,其材料的顏色、裝飾部分的表面感、肌理等方面,混凝土均可以實(shí)現(xiàn)。對于裝飾性構(gòu)件,因其在設(shè)計(jì)之初便做好了安裝的條件,所以可以根據(jù)設(shè)計(jì)的風(fēng)格,來進(jìn)行不同的裝飾選用,保證建筑表現(xiàn)不單一,設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多樣化。

3 裝配式結(jié)構(gòu)的常見問題及解決

3.1 構(gòu)件質(zhì)量

裝配式建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工廠化設(shè)計(jì)是其最大的優(yōu)點(diǎn),因此在這一步驟嚴(yán)格要求不能出現(xiàn)問題,否則其絕大部分的優(yōu)點(diǎn)都會直接變?yōu)槿毕?。對于工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件的過程,需要嚴(yán)格落實(shí)對于裝配式構(gòu)件指定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),制作方需要嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢查和留樣要求,負(fù)責(zé)人員要嚴(yán)格記錄其數(shù)據(jù)。投資方可以通過第三方進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督,而建設(shè)單位在進(jìn)行施工和拼裝過程中,也要避免質(zhì)量監(jiān)察方面的疏漏。

3.2 合理地進(jìn)行構(gòu)件連接

裝配式結(jié)構(gòu)因其不具備現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)那樣堅(jiān)實(shí)的整體性,所以其相互間的連接就顯得更加重要,最終保證其建成后的正常使用和抗震能力。但是當(dāng)前階段,部分施工單位對于其連接部分的施工處理并不重視,這會導(dǎo)致最終建成后的質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重問題,或產(chǎn)生大量的修補(bǔ)、返工成本。房屋建筑的連接部分需要實(shí)現(xiàn)對建筑的各部分不同的構(gòu)件進(jìn)行組裝,首先需要確保的就是施工操作順序,未遵循合理順序的連接會導(dǎo)致其強(qiáng)度的大幅度削減。

3.3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用

BIM 技術(shù)是“建筑信息模型”的簡稱,其可以建立建筑中,包括結(jié)構(gòu)、施工過程、建筑設(shè)備等多方面的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)仿真預(yù)拼裝,可以直觀地展示建設(shè)過程,并且對于構(gòu)件信息的錄入和預(yù)拼裝,可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)或制作施工中的缺陷,節(jié)約成本,實(shí)現(xiàn)施工精細(xì)化。當(dāng)前,我國對于BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、施工中的應(yīng)用處于起步后發(fā)展的階段,因其對于工程人員水平要求較高,并不能很快的大范圍使用。在未來裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展中,我們要持續(xù)深入研究,最大限度優(yōu)化其設(shè)計(jì)施工過程。

4 結(jié)語

建筑工業(yè)化生產(chǎn)的根本目的是為了減少施工中失誤對建筑最終質(zhì)量的影響,并且可以批量化的制作構(gòu)件,降低建筑成本,裝配式建筑是工業(yè)化在建筑領(lǐng)域最直接和最有效的實(shí)踐,是推動我國建設(shè)單位和企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的有效方法。裝配式建筑以其科學(xué)性、合理性和邏輯性,將預(yù)制構(gòu)件應(yīng)用于民用建筑,使其具有工業(yè)感且不單調(diào),為建筑的發(fā)展開拓了一個(gè)方向,也為綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。