裝配式建筑技術(shù)在綠色建造中的綜合應(yīng)用*

王江營，陳 浩，劉國慶，陽 凡，曹文貴

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410004；3.湖南省第六工程有限公司，湖南 長沙 410015；4.新疆天一建工投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

2015年以來，國務(wù)院、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、科技部等部委先后出臺(tái)了《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》《關(guān)于在民用建筑工程中推進(jìn)建筑師負(fù)責(zé)制的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》《關(guān)于加快推進(jìn)綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證及生產(chǎn)應(yīng)用的通知》《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則(試行)》等一系列政策文件，旨在貫徹落實(shí)綠色發(fā)展理念，推進(jìn)綠色建造，提升建筑品質(zhì)，推動(dòng)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，滿足人民日益增長的美好生活需求。

肖緒文等[1-3]認(rèn)為，建筑垃圾減量化是推進(jìn)綠色建造的重要工作，需針對(duì)包括工程立項(xiàng)策劃、設(shè)計(jì)和施工階段在內(nèi)的建筑產(chǎn)品生產(chǎn)全過程采取針對(duì)性的減量化措施，其關(guān)鍵在于技術(shù)創(chuàng)新和管理水平提升；而綠色建造要求所有建造參與者積極承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，著眼于工程全生命周期，堅(jiān)持以人為本，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境友好、過程安全、品質(zhì)保證的建造目標(biāo)。黃寧[4]分析了歐美發(fā)達(dá)國家在綠色建造領(lǐng)域政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、組織方式、技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)鏈、人才培養(yǎng)等方面的成功經(jīng)驗(yàn)。鞏利軍[5]指出綠色建筑技術(shù)的一些應(yīng)用方式，并分析其在建筑工程中的發(fā)展。姚良云等[6]認(rèn)為BIM技術(shù)是綠色建造項(xiàng)目的重難點(diǎn)之一，并結(jié)合具體工程分析其應(yīng)用措施。何昌杰等[7]結(jié)合長沙冰雪世界項(xiàng)目實(shí)施過程中的各種技術(shù)難題，介紹了相應(yīng)的綠色建造技術(shù)。樊則森[8]認(rèn)為，建筑業(yè)要逐步向制造業(yè)看齊，采用工業(yè)化的模式促進(jìn)綠色建造邁上新的臺(tái)階。孫文[9]認(rèn)為，當(dāng)前部分企業(yè)或項(xiàng)目缺少綠色建造理念，缺失相應(yīng)的管理制度，應(yīng)不斷改善現(xiàn)場(chǎng)管理、提升綠色建造水平。

綜上所述，在“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，綠色建造將是我國建筑業(yè)當(dāng)下和未來的發(fā)展重點(diǎn)。眾所周知，裝配式建筑技術(shù)具有節(jié)約資源、綠色環(huán)保、性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，可作為助力綠色建造項(xiàng)目順利實(shí)施的重要支撐。

1 項(xiàng)目概況

湖南創(chuàng)意設(shè)計(jì)總部大廈項(xiàng)目(以下簡稱“創(chuàng)意大廈”)坐落于國家級(jí)文化產(chǎn)業(yè)園——馬欄山(長沙)視頻文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園，總建筑面積10.29萬m2，其中地上7.09萬m2，地下3.20萬m2，工程造價(jià)約5億元。本項(xiàng)目采用自主策劃、設(shè)計(jì)、施工、綠色交付、自主運(yùn)維，通過綜合應(yīng)用裝配式建筑技術(shù)、綠色施工技術(shù)、BIM技術(shù)、建筑師負(fù)責(zé)制、智能運(yùn)維技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了建造活動(dòng)綠色化、建造方式工業(yè)化、建造手段信息化、建造管理集約化、建造過程產(chǎn)業(yè)化。鑒于篇幅，本文僅針對(duì)裝配式建筑技術(shù)進(jìn)行闡述。

創(chuàng)意大廈共有A，B，C 3棟主樓，A棟建筑功能為酒店，B，C棟為寫字樓。A棟為混凝土裝配式建筑，高59.55m，綠色建筑二星級(jí)，裝配率79%，是湖南省目前裝配率最高的混凝土高層建筑；B棟為鋼-混結(jié)構(gòu)裝配式(混凝土核心筒+鋼框架)建筑，高99.15m，綠色建筑二星級(jí)，裝配率76%；C棟為鋼結(jié)構(gòu)裝配式(中心支撐結(jié)構(gòu)體系+鋼框架)建筑，高94.80m，綠色建筑三星級(jí)，裝配率84%；建筑間連廊采用膠合木結(jié)構(gòu)體系。除在結(jié)構(gòu)工程中運(yùn)用混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等裝配式技術(shù)，本項(xiàng)目在機(jī)電工程和裝飾工程中也采用了裝配式技術(shù)。

2 結(jié)構(gòu)工程裝配式技術(shù)

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)

創(chuàng)意大廈采用的常規(guī)裝配式部品部件有疊合梁、疊合板、預(yù)制柱、預(yù)制樓梯、ALC條板等，除此之外，自主研發(fā)了共軸承插型預(yù)制一體化衛(wèi)生間、層疊式預(yù)制混凝土電梯井(設(shè)備管道井)、預(yù)制混凝土設(shè)備基礎(chǔ)、預(yù)制混凝土地面板等新型模塊化裝配式部品部件，并在創(chuàng)意大廈中成功應(yīng)用。

共軸承插型預(yù)制一體化衛(wèi)生間[10]在工廠制作成型(見圖1)，可實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)、管線、裝飾、保溫”四位一體，具有三重防水系統(tǒng)和兩重排水系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用“共軸”和“承插”技術(shù)，不僅質(zhì)量可靠、施工效率高，還可做到面積全利用、空間零浪費(fèi)，有效解決傳統(tǒng)施工方法存在的缺棱掉角、漏漿空洞、滲水積臭、建筑垃圾多等問題。

圖1 施工完成后的一體化衛(wèi)生間

層疊式預(yù)制混凝土電梯井和設(shè)備管道井[11]基本原理較相似，二者根據(jù)不同的建筑需求，可設(shè)計(jì)成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式；在側(cè)壁中合理設(shè)置聚苯板，以達(dá)到減重、隔聲的效果。其中，層疊式預(yù)制電梯井用于框架結(jié)構(gòu)中非承重電梯井道，即利用預(yù)制構(gòu)件替代傳統(tǒng)磚砌井道，不參與結(jié)構(gòu)整體受力，其落在樓面框架梁上，由樓面框架梁承受預(yù)制電梯井所產(chǎn)生的荷載。因預(yù)制構(gòu)件剛度比磚砌體剛度大，為減小其對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響，電梯井、設(shè)備管道井與其底部樓板、頂部梁間采用全干式柔性連接，無套筒灌漿，不傳遞水平地震力，對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小。該技術(shù)可取代現(xiàn)場(chǎng)電梯井和設(shè)備管道井砌體工程，減少人工、節(jié)省工序、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，有效解決傳統(tǒng)施工中質(zhì)量難控制、濕作業(yè)多、施工工效低、操作空間小等問題。

設(shè)備基礎(chǔ)傳統(tǒng)做法采用現(xiàn)場(chǎng)支模、現(xiàn)澆混凝土制作而成，通常存在精細(xì)度不夠、外觀質(zhì)量不理想、美觀度差等問題。創(chuàng)意大廈采用預(yù)制混凝土設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)，在設(shè)備基礎(chǔ)周邊設(shè)計(jì)一定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)模塊，在工廠采用鋼模預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)只需對(duì)預(yù)制混凝土標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行干式拼裝、連接固定，再澆筑設(shè)備基礎(chǔ)中心部位混凝土，從而形成完整的設(shè)備基礎(chǔ)(見圖2)。其中，標(biāo)準(zhǔn)模塊分為L形和一字形，L形模塊位于設(shè)備基礎(chǔ)四角，一字形模塊位于基礎(chǔ)四邊中部，各標(biāo)準(zhǔn)模塊間通過企口和螺栓進(jìn)行水平連接。該技術(shù)無需裝模，自帶線條，可大幅度減少木工、泥工、粉刷等工作。

圖2 施工完成的混凝土設(shè)備基礎(chǔ)

預(yù)制混凝土地面板可根據(jù)建筑外觀設(shè)計(jì)成與之相匹配的造型、花色，基本流程為：分析建筑效果圖→引用立面材質(zhì)與符號(hào)→提取建筑元素→模擬立體幾何+觀影效果→確定像素→預(yù)制混凝土地面板。創(chuàng)意大廈采用的預(yù)制混凝土地面板尺寸為 1 800mm×2 000mm×200mm?，F(xiàn)場(chǎng)鋪裝時(shí)，自下而上分別為剛性層、水穩(wěn)層、預(yù)制混凝土地面板，并預(yù)埋套筒螺母，鋪裝后采用螺栓固定預(yù)制混凝土地面板，同時(shí)對(duì)板縫進(jìn)行處理，施工完成的預(yù)制混凝土地面板如圖3所示。

圖3 施工完成的預(yù)制混凝土地面板

2.2 鋼結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)

創(chuàng)意大廈B，C棟采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)，其鋼柱主要為箱形鋼柱，鋼梁主要為H型鋼梁，采用鋼筋桁架樓承板，累計(jì)用鋼量約6 400t?，F(xiàn)場(chǎng)施工重難點(diǎn)包括：①標(biāo)準(zhǔn)鋼構(gòu)件加工制作精度要求高；②鋼柱與混凝土鋼筋連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜；③柱標(biāo)高及垂直度的控制難度大；④吊裝工作量大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

為解決上述問題，現(xiàn)場(chǎng)采用如下技術(shù)。

1)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與二維碼技術(shù) 使用TEKLA軟件對(duì)全樓鋼結(jié)構(gòu)建模，轉(zhuǎn)化成零構(gòu)件加工圖、結(jié)構(gòu)安裝布置圖及報(bào)表清單；根據(jù)深化結(jié)果制作5 250個(gè)二維碼，各桿件均有唯一編號(hào)，便于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件清點(diǎn)與安裝。

2)鋼-混組合結(jié)構(gòu)技術(shù) 豎向結(jié)構(gòu)柱采用鋼箱柱+內(nèi)灌混凝土，以提高承載力、減小截面尺寸，部分鋼梁采用鋼-混組合梁，以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)與混凝土各自的受力性能。

3)鋼結(jié)構(gòu)高效焊接技術(shù) 箱體柱及H型鋼梁采用雙絲埋弧焊、電渣焊制作，現(xiàn)場(chǎng)鋼柱對(duì)接焊接采用單坡口+襯墊免清根焊接技術(shù)，以提升工作效率、確保工程質(zhì)量。

4)垂直度控制與智能測(cè)量技術(shù) 在深化設(shè)計(jì)時(shí)確定好所有鋼柱柱頂標(biāo)高及鋼梁安裝坐標(biāo)，并在構(gòu)件中心線及標(biāo)高標(biāo)識(shí)處貼反光感應(yīng)片，全站儀可利用無線傳輸技術(shù)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析自動(dòng)化、智能化。

5)基于BIM的現(xiàn)場(chǎng)施工管理信息技術(shù) 設(shè)計(jì)階段，依托BIM技術(shù)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少缺漏碰撞；施工階段，各管理崗位、各工序、工種的協(xié)同工作，場(chǎng)地布置管理、安裝方案可視化交底，顯著提升了施工和管理效率。

6)輕鋼模網(wǎng)聚苯顆?；炷翉?fù)合墻體 該墻體采用雙排輕鋼龍骨做支撐骨架，內(nèi)、外側(cè)面分別采用水泥纖維板、輕鋼模網(wǎng)做免拆模板，中間空腔現(xiàn)場(chǎng)澆筑聚苯顆?；炷翝{料，待漿料凝固后即形成“面層+芯層+面層”3層夾心墻體，可阻斷熱橋，具有結(jié)構(gòu)牢固、自保溫、免抹灰、防水防火性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 木結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)

創(chuàng)意大廈A，B，C 3棟建筑間設(shè)有交通連廊，連廊采用膠合木結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 創(chuàng)意大廈膠木結(jié)構(gòu)連廊

3 機(jī)電工程裝配式技術(shù)

創(chuàng)意大廈機(jī)電工程中，機(jī)房、支架、風(fēng)管采用裝配式技術(shù)。其中，B，C棟地下1層換熱機(jī)房設(shè)備共計(jì)24套，3棟各類成品支架共計(jì)21 946套，各系統(tǒng)風(fēng)管面積共計(jì)36 557m2，現(xiàn)場(chǎng)施工具有以下難點(diǎn)。

1)工程量大、工期緊 安裝工程總造價(jià)1.2億，施工工期僅120d。

2)設(shè)備機(jī)房面積小 設(shè)備多、管線復(fù)雜，布置空間緊湊，現(xiàn)場(chǎng)加工與安裝難度大。

3)H型鋼梁支架安裝難度大 B，C棟采用鋼結(jié)構(gòu)、H型鋼梁，支架安裝時(shí)，不能在型鋼上進(jìn)行焊接和打孔作業(yè)。

4)施工場(chǎng)地、加工區(qū)域面積小 風(fēng)管制作量大，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制加工、存放占用場(chǎng)地面積大。

3.1 裝配式機(jī)房技術(shù)

對(duì)于機(jī)房，綜合考慮設(shè)備和管道閥門連接、管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)阻力等因素，對(duì)設(shè)備與管道布置方案進(jìn)行對(duì)比，確定板式換熱器和水泵集成化、模塊化設(shè)計(jì)為最優(yōu)方案。首先，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將獨(dú)立模塊拆分成單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，如水泵拆分為進(jìn)水立管、出水立管、水泵與基礎(chǔ)、型鋼支架等4個(gè)子模塊，水處理設(shè)備拆分為設(shè)備與基礎(chǔ)、管道及附件、型鋼支架等3個(gè)子模塊；其次，工廠根據(jù)深化后的加工圖采用全自動(dòng)數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)焊接機(jī)器人進(jìn)行加工制作，構(gòu)件精度控制在0.5mm內(nèi)；然后，利用BIM技術(shù)模擬設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)就位過程，選擇最佳路徑；最后，模塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，安裝人員根據(jù)裝配圖和二維碼標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，利用管段和螺栓組裝各模塊，全程無電焊作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝嚴(yán)密、精確，管道一次成型，壓力試驗(yàn)無泄漏，排布美觀，高度、間距統(tǒng)一。安裝完成后的機(jī)房如圖5所示。

圖5 安裝完成后的機(jī)房

3.2 裝配式支架技術(shù)

傳統(tǒng)型鋼支架需切割、焊接、噴涂油漆，存在噪聲大、浪費(fèi)材料，易產(chǎn)生火花、碎渣、光污染、有毒有害氣體等不足。為此，創(chuàng)意大廈采用裝配式支架技術(shù)，具有以下特點(diǎn)。

1)標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝，質(zhì)量穩(wěn)定。

2)施工安全 無電焊作業(yè)，無打磨除銹，無需現(xiàn)場(chǎng)刷油漆。

3)安裝便捷 操作簡易、高效，可明顯降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工污染。

裝配式支架實(shí)施過程分為機(jī)電各專業(yè)建模、管道綜合優(yōu)化、綜合模型評(píng)審、支吊架初步定位、支架固定形式確定、受力分析、導(dǎo)出平面及大樣圖等7個(gè)步驟，最終形成二維連接件、直角連接件、梁夾、C型鋼免焊接底座、V形加勁裝置、C型槽鋼等產(chǎn)品。裝配式支架如圖6所示。

圖6 裝配式支架

3.3 裝配式風(fēng)管技術(shù)

運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)創(chuàng)意大廈風(fēng)管管段進(jìn)行分解并編碼，其分解流程為：機(jī)電專業(yè)建?！鷻C(jī)電管線綜合優(yōu)化→機(jī)電綜合模型評(píng)審→風(fēng)管管段分解→風(fēng)管編碼→導(dǎo)出風(fēng)管清單。具體風(fēng)管分段設(shè)計(jì)包括變徑管、三通管、彎頭等設(shè)計(jì)。然后，將風(fēng)管管段信息錄入加工廠數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行全自動(dòng)化加工，現(xiàn)場(chǎng)按編號(hào)拼裝。

4 裝飾工程裝配式技術(shù)

4.1 幕墻工程

創(chuàng)意大廈幕墻工程面積共53 578m2，幕墻范圍包括玻璃幕墻、構(gòu)件式玻璃幕墻、地彈門、百葉窗、上懸窗、造型穿孔鋁單板、鋁單板幕墻、輕鋼雨篷、室外玻璃欄桿。其中，鋁合金型材采用隔熱斷橋，傳熱系數(shù)≤5.8W/(m2·K)，玻璃采用鋼化中空三銀Low-E超白玻璃，傳熱系數(shù)為1.1W/(m2·K)，遮陽系數(shù)Sc=0.2。

現(xiàn)場(chǎng)采用單元式幕墻技術(shù)，其具有智能化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、機(jī)械化運(yùn)輸、精準(zhǔn)化安裝等優(yōu)點(diǎn)，具體施工環(huán)節(jié)為：安裝轉(zhuǎn)接件→吊裝幕墻單元板塊→單元板塊三維調(diào)節(jié)→安裝水槽料→層間防火封堵。創(chuàng)意大廈A棟采用PC構(gòu)件預(yù)埋技術(shù)，其工序裝配率提高至95%，精準(zhǔn)度大幅度提升。創(chuàng)意大廈幕墻外觀如圖7所示。

圖7 創(chuàng)意大廈幕墻外觀

4.2 室內(nèi)裝修工程

創(chuàng)意大廈室內(nèi)裝修工程約7萬m2，包括客房、走道、電梯廳、報(bào)告廳、會(huì)議室、貴賓室、辦公室，其中，隔墻、墻板、吊頂、樓地面等采用裝配式技術(shù)。

室內(nèi)裝修工程中，均采用BIM技術(shù)優(yōu)化排版，將設(shè)計(jì)思路流轉(zhuǎn)至生產(chǎn)端及施工端；進(jìn)行工廠數(shù)字化生產(chǎn)，保障加工精準(zhǔn)度；現(xiàn)場(chǎng)可快速精確安裝，具有節(jié)能節(jié)材、綠色環(huán)保、施工便捷、品質(zhì)可靠、便于維護(hù)整改等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 綠植模塊技術(shù)

為進(jìn)一步降低建筑能耗、提升使用環(huán)境質(zhì)量，創(chuàng)意大廈采用綠植模塊技術(shù)。通過合理設(shè)計(jì)，在幕墻上科學(xué)布置單元體載物平臺(tái)、爬架系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)，可種植攀爬類植物(見圖8)。

圖8 綠植模塊結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

1)合理運(yùn)用裝配式建筑技術(shù)，可解決施工現(xiàn)場(chǎng)常見質(zhì)量問題，減少用工，提升建設(shè)效率、安全文明程度和建筑品質(zhì)。

2)通過自主研發(fā)應(yīng)用裝配式新技術(shù)，可為建筑工業(yè)化提供技術(shù)支撐，能從根本上提高建筑裝配率，創(chuàng)意大廈在未考慮綠植模塊、預(yù)制設(shè)備基礎(chǔ)、裝配式路面板的情況下，建筑裝配率均超過76%。

3)要進(jìn)一步培養(yǎng)裝配式建筑技術(shù)專業(yè)團(tuán)隊(duì)，通過與BIM技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在工程建設(shè)中逐步實(shí)現(xiàn)全專業(yè)、全領(lǐng)域裝配式技術(shù)應(yīng)用，不斷降低建設(shè)成本、提升綜合效益。