裝配整體式夾心保溫剪力墻項目設(shè)計實踐與思考

■ 吳 越 WU Yue

0 引言

近年來，上海市在落實裝配式建筑推進工作的同時，積極在裝配式建筑領(lǐng)域推進一體化、集成化技術(shù)應(yīng)用。從2020 年開始實施的新版上海市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計算細則，對于實現(xiàn)對應(yīng)集成效果的承重墻和非承重外圍護，在計算預(yù)制率時其修正系數(shù)有相應(yīng)加分。此外，2014 年出臺的《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），給予了夾心保溫裝配式建筑不超過3%的容積率獎勵。雖然，2021 年發(fā)布的《關(guān)于推進本市超低能耗建筑發(fā)展的實施意見》（滬建建材聯(lián)〔2020〕541 號）已將此3%容積率獎勵調(diào)整給了超低能耗建筑，但能得到此獎勵的項目除了要滿足《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（滬建建材〔2019〕157 號）的要求，還需采用外墻保溫一體化技術(shù)。即采用外墻保溫一體化技術(shù)，仍是項目獲得此容積率獎勵的前提。若外墻保溫一體化項目因自身情況限制實施超低能耗建筑有難度，還可以考慮只申請1%容積率獎勵。目前，上海市認(rèn)定的外墻保溫一體化技術(shù)具體包含：夾心保溫、預(yù)制反打保溫、復(fù)合保溫模板三種形式。對于上海市寸土寸金的實際情況，容積率獎勵政策對于開發(fā)企業(yè)吸引力極大。

隨著夾心保溫技術(shù)的日益成熟，也受益于前文所述的相關(guān)政策影響，近年來裝配整體式夾心保溫剪力墻項目數(shù)量不斷提升。另一方面，雖然落地數(shù)量逐年增多，但并不是每一個項目都是在項目設(shè)計初期即考慮到了其技術(shù)特點進行的正向設(shè)計。夾心保溫，作為一種對設(shè)計、施工、管理等各環(huán)節(jié)技術(shù)水平都要求較高的保溫形式，需要相關(guān)人員在項目具體實施前，做好充分準(zhǔn)備[1]。本文結(jié)合某裝配整體式夾心保溫剪力墻工程設(shè)計實例，總結(jié)裝配式建筑設(shè)計及夾心保溫項目應(yīng)注意的一些設(shè)計要點和注意事項，為后續(xù)類似項目提供參考。

1 工程概況

本項目建筑面積約145 000 平方米，主要由46 棟3 層、1 棟7 層和10 棟8 層的住宅樓組成。除52#樓東單元采用內(nèi)保溫體系外，其他住宅樓均采用夾心保溫體系。項目中除配套用房采用常規(guī)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)外，其他建筑單體均采用裝配式建造方式，且單體預(yù)制率均超過40%。項目工程效果鳥瞰圖詳見圖1。

圖1 工程效果鳥瞰圖

2 結(jié)構(gòu)及裝配式設(shè)計

2.1 裝配式建筑方案的確定

本文主要圍繞項目中的1～46#樓，即46 棟3 層聯(lián)排別墅展開。因為聯(lián)排樓棟數(shù)量較多，本項目在設(shè)計初期，便考慮了戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計理念，通過戶型組合、樓棟歸并等方式，將該46 棟建筑單體分為7 種組合方式。這里需要著重提一下的是：裝配式建筑的高質(zhì)量發(fā)展離不開標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化設(shè)計理念的貫徹與實施，設(shè)計人員可從同一開發(fā)企業(yè)不同樓盤間的標(biāo)準(zhǔn)化、同一項目中不同樓棟的戶型標(biāo)準(zhǔn)化、具體的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化幾個不同的維度來綜合考慮。項目標(biāo)準(zhǔn)化程度高，意味著模具數(shù)量的減少，意味著裝配式建筑建造效率的提高和建造成本的降低。另一方面，建筑師常常擔(dān)心裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化會帶來建筑多樣性的缺失，但高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計并不意味著完全的“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計”。設(shè)計師可通過“少規(guī)格、多組合”的方式實現(xiàn)具有創(chuàng)造性的、新意的裝配式建筑外觀[2]。比較著名的案例，如澳大利亞的波浪大樓，就是通過標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制構(gòu)件，實現(xiàn)了具有韻律的外立面。

這46 棟樓的預(yù)制構(gòu)件主要由預(yù)制剪力墻、預(yù)制非承重外圍護墻、預(yù)制凸窗、預(yù)制樓板組成。在常規(guī)項目的預(yù)制構(gòu)件種類選擇上，樓梯作為一般情況下標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的預(yù)制構(gòu)件，往往會被作為預(yù)制的優(yōu)先選擇。但因本項目樓梯采用環(huán)繞式三跑樓梯、各層樓梯標(biāo)準(zhǔn)化程度低等原因，樓梯采用現(xiàn)澆形式[3]。因這些樓棟的層數(shù)較低，預(yù)制率指標(biāo)計算較難滿足要求，故本項目46 棟聯(lián)排的夾心保溫預(yù)制外圍護墻、預(yù)制凸窗均從首層開始做起。

本項目的設(shè)計始于2018 年，當(dāng)時上海市單體預(yù)制率的計算依據(jù)為《本市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計算細則(試行)》（滬建建材〔2016〕601 號）。目前，《上海市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計算細則》（滬建建材〔2019〕765 號）已出臺并實施，新版計算細則，鼓勵高度集成化的外圍護和高效的水平預(yù)制構(gòu)件。此鼓勵方向，具體從新版計算細則的兩點調(diào)整可以看出：一方面，新版計算細則將砌筑外圍護墻體同樣納入了預(yù)制率計算公式的分母；另一方面，新版計算細則中，預(yù)制構(gòu)件的修正系數(shù)和預(yù)制構(gòu)件的工業(yè)化程度息息相關(guān)，工業(yè)化水平高的技術(shù)工藝所對應(yīng)的修正系數(shù)相應(yīng)也高。對于實現(xiàn)了免抹灰、集成保溫、集成外飾面、集成副框（窗框）的預(yù)制墻體，還有額外的修正系數(shù)加分。因此，像本項目這樣，優(yōu)先選擇集成化程度高的預(yù)制外圍護構(gòu)件，在今后用新版計算細則計算預(yù)制率時會更具優(yōu)勢[4]。

在本項目設(shè)計時，新的容積率獎勵政策暫未實施。近兩年，因《關(guān)于推進本市超低能耗建筑發(fā)展的實施意見》的出臺，實施保溫一體化的項目若想拿到容積率獎勵，項目的外墻、屋面及外窗等圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能還需比上海市一般的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求提高15%以上，外墻保溫一體化系統(tǒng)中一體化保溫部分的比例也需要不低于80%。故后續(xù)夾心保溫項目在設(shè)計時，一般需考慮部分配合以外保溫材料做模板的保溫形式，在保溫材料不變的情況下保溫層厚度一般也會有所增加。當(dāng)項目需配合以外保溫材料做模板的保溫做法時，設(shè)計師需考慮到外保溫和夾心保溫厚度不同對外立面造成的影響。平面上，盡量將兩種不同保溫形式的交界面設(shè)置在轉(zhuǎn)角位置。對于高層項目，可能還會面臨底下兩層現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層主要采用外保溫材料做模板、上面預(yù)制層主要采用夾心保溫的設(shè)計方案[5]，此時可考慮通過在接觸面位置合理設(shè)置線條等方式處理。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

本項目各水平預(yù)制構(gòu)件間通過現(xiàn)澆帶整體澆筑，滿足剛性樓板計算假定；豎向預(yù)制構(gòu)件間采用裝配式建筑中最為常規(guī)的灌漿套筒連接，設(shè)計依據(jù)等同現(xiàn)澆理論。也正是因為這個原因，在結(jié)構(gòu)整體計算時，本項目及一般裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)項目，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的計算方法基本一致，只是在墻體荷載統(tǒng)計、相關(guān)計算參數(shù)的設(shè)定上，需結(jié)合裝配式建筑特點進行部分調(diào)整[6]。

2.2.1 荷載取值

本項目采用了新版容積率獎勵出臺前上海市夾心保溫墻體的常見厚度取值，即厚度一般最少取為300 mm，其中內(nèi)葉板200 mm 厚為結(jié)構(gòu)受力要求，中間40 mm 的保溫層厚度是根據(jù)節(jié)能計算獲得，最外側(cè)的60 mm 厚混凝土外葉板主要起保護作用。其外葉板并不是疊合構(gòu)件，即并不參與整體受力，在計算時需作為線荷載輸入。其次，相較傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)項目，裝配式夾心保溫項目的絕大部分外圍護墻由傳統(tǒng)砌塊材料調(diào)整為夾心保溫預(yù)制混凝土，其容重相較砌塊變化較大，故在非承重外圍護墻的線荷載輸入時需加以注意。

2.2.2 部分模型參數(shù)的調(diào)整

（1）我國目前裝配式建筑的常規(guī)做法，除了鋼結(jié)構(gòu)之外，一般均未實現(xiàn)同一層內(nèi)所有墻肢的100%預(yù)制。對于此種同一層內(nèi)混凝土墻肢既有預(yù)制又有現(xiàn)澆的情況，相關(guān)規(guī)范明確：宜對其中現(xiàn)澆墻肢的水平地震作用彎矩及剪力乘以增大系數(shù)，且該系數(shù)具體不得小于1.1。對此，有兩種具體處理方式，方式一：利用結(jié)構(gòu)計算軟件的裝配式建筑設(shè)計模塊，在建模時明確區(qū)分預(yù)制和現(xiàn)澆部分，軟件將根據(jù)設(shè)置自動對現(xiàn)澆墻肢的計算結(jié)果進行放大。方式二：通過直接放大樓層地震力的方式實現(xiàn)。此項目根據(jù)當(dāng)時審圖老師的要求，采用了第二種處理方式。

（2）梁剛度放大系數(shù)的變化：考慮到疊合構(gòu)件的剛度相較現(xiàn)澆混凝土梁板較低，故需將中梁和邊梁的放大系數(shù)稍微調(diào)低。此外，梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)同需相應(yīng)稍微調(diào)低。

（3）上海市目前的裝配式建筑，外圍護多采用預(yù)制混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)砌塊，這對結(jié)構(gòu)本身的整體剛度影響較大，故項目的周期折減系數(shù)需適當(dāng)微調(diào)降低。

2.2.3 項目超限情況

本項目2#樓存在平面凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及樓板局部不連續(xù)的情況，53#樓存在平面凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的情況，項目針對這兩棟樓進行了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防專項評審。

結(jié)合兩棟樓的具體不規(guī)則情況，對結(jié)構(gòu)的薄弱部位采取了必要的加強措施，如：針對結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在設(shè)計時加高了外圍框架梁高度，進而改善結(jié)構(gòu)整體抗扭性能；針對樓板局部不連續(xù)，加厚關(guān)鍵部位的樓板厚度至130 mm，并加大樓板配筋，同時補充樓板有限元應(yīng)力分析；針對豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的問題，將轉(zhuǎn)換構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施等級提高一級，并補充了小震下的彈性時程分析。

超限的兩棟單體，具體采用了PMSAP 和盈建科兩個分析程序進行結(jié)構(gòu)整體分析。采用了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的陣型分解反應(yīng)譜法，考慮了單向地震作用下±5%的偶然偏心和雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。經(jīng)計算，2#樓和53#樓的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震下均處于彈性工作狀態(tài)。此外，還利用盈建科補充選用了五條天然地震波及兩條人工波進行彈性時程分析，分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)無薄弱層。

2.3 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）連接件對于夾心保溫墻板的正常、安全使用至關(guān)重要，我國目前使用最廣泛的兩種連接件主要是依據(jù)材料性質(zhì)進行的分類，一類是金屬連接件；一類是以玻璃纖維塑料，即FRP 為代表的非金屬連接件。兩種材料相比，非金屬連接件導(dǎo)熱率小，造價相對較低，但對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中的產(chǎn)業(yè)工人質(zhì)量控制要求相對較高[7]。本項目最終采用的是金屬連接件。

（2）結(jié)合目前上海市保溫一體化專家評審的要求及相關(guān)預(yù)制率指標(biāo)計算要求，采用夾心保溫形式的裝配式建筑，預(yù)制外圍護墻常常兜圈布置。故在轉(zhuǎn)角處可能會出現(xiàn)角部相鄰預(yù)制墻體相互碰撞的問題。此時，如未采取適當(dāng)?shù)奶幚矸绞剑A(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場吊裝安裝過程中將會發(fā)生相互磕碰甚至損壞的情況。此時，正確的處理方式為：需在緊鄰的兩個預(yù)制構(gòu)件間設(shè)置施工空隙，寬度一般取為20 mm。具體又有兩種處理方式，一種是將其中一邊的構(gòu)件后退，另一種是將其中一邊構(gòu)件的角部做成缺口，本項目采取了方式一，具體如圖2 所示。

圖2 施工空隙設(shè)置方式

（3）對于預(yù)制剪力墻板的水平外伸鋼筋，當(dāng)現(xiàn)澆邊緣構(gòu)件縱筋采用綁扎搭接時，預(yù)制墻板的水平外伸鋼筋宜設(shè)計為開口形式，錨固長度不低于0.8laE，具體見圖3。另一種情況，若預(yù)制墻板水平外伸鋼筋采用封閉形式，現(xiàn)澆段構(gòu)件縱筋宜采用焊接或機械連接形式，且機械連接需采用I 級接頭，否則現(xiàn)澆段下端水平筋在現(xiàn)場擺放時將存在困難。而且，此時，節(jié)點鋼筋的放置順序十分重要，具體應(yīng)該為：先進行預(yù)制墻體的吊裝及安裝，之后擺放現(xiàn)澆段的水平筋，最后插縱筋。此順序宜直接體現(xiàn)在圖紙中，并在施工技術(shù)交底時予以再次明確。否則，可能會出現(xiàn)施工現(xiàn)場工人將封閉箍筋先剪斷再焊接的方式，有的甚至后續(xù)不再進行焊接，造成質(zhì)量隱患。近年來，預(yù)制墻板水平外伸鋼筋采用開口形式的項目數(shù)量越來越多。

圖3 預(yù)制剪力墻水平外伸鋼筋開口做法

由此也能看出，對于裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅需要具備結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗，對結(jié)構(gòu)設(shè)計師現(xiàn)場經(jīng)驗的豐富與否也具有較高要求。作為裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，我們需要多思考，多去施工現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)?；蚴嵌嗬肂IM 進行施工模擬，方便設(shè)計人員能夠更快速的對施工工藝和工序產(chǎn)生直觀的了解。

（4）預(yù)制剪力墻的豎向連接，是直接關(guān)系到裝配式建筑質(zhì)量的重要連接部位，其現(xiàn)場施工的難點主要存在于現(xiàn)澆轉(zhuǎn)預(yù)制的轉(zhuǎn)換層中。為保證此層的施工質(zhì)量，施工圖紙中應(yīng)包含轉(zhuǎn)換層的插筋布置圖，出圖前一定要最后核對此圖，嚴(yán)防在深化設(shè)計過程中調(diào)整了部分預(yù)制構(gòu)件套筒的排布后未同步更新插筋布置圖的現(xiàn)象產(chǎn)生。此外，為了保障鋼筋的定位準(zhǔn)確性及施工的可操作性，現(xiàn)場在對插筋的相對位置進行控制時，可采用與構(gòu)件廠生產(chǎn)該構(gòu)件用的模具同套的鋼制套板進行控制。在施工順序的選擇上，可采用在其他工種均完成施工后、混凝土未澆筑前再進行預(yù)留插筋定位的方式，這樣可以有效避免相關(guān)操作對插筋位置的擾動，保證定位的精確性，降低后續(xù)施工操作的難度。

3 展望

近年來，建筑物外保溫系統(tǒng)脫落現(xiàn)象時有發(fā)生，相關(guān)管理部門對如何預(yù)防此類現(xiàn)象的發(fā)生非常重視。

研發(fā)及推廣新型保溫結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)是解決此問題的思路之一。在此背景下，預(yù)制反打外保溫、夾心保溫項目數(shù)量將有望進一步提升。作為建筑項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，我們在開展包括夾心保溫在內(nèi)的一體化保溫項目實踐過程中，應(yīng)注重經(jīng)驗總結(jié)及質(zhì)量把控，防止質(zhì)量通病的產(chǎn)生，通過技術(shù)積累進一步促進保溫一體化技術(shù)的健康優(yōu)質(zhì)發(fā)展。