PEC 結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑工程中的應(yīng)用分析

唐 宏

（浙江天和建筑設(shè)計有限公司，浙江 湖州 313000）

引言

2016 年國家提出大力推廣裝配式建筑，推動建筑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，在國家政策的大力支持下，近年來，裝配式建筑得到快速發(fā)展[1]。鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用與發(fā)展得到廣泛關(guān)注和認可，兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點。目前市場上比較常用的鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)包括鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系、部分包覆鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)體系、捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系等[2]，其中，部分包覆鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)體系具有剛度更大、承載力更高、防火性能更好等諸多優(yōu)點，而且柱子翼緣比較窄，增大了建筑的使用面積，在近些年來得到更廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[3]。以湖州市第二中學(xué)的食堂重建工程為例，對部分包覆鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑工程中的應(yīng)用進行了深入分析，以期能為部分包覆鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 PEC 結(jié)構(gòu)體系

1.1 PEC 結(jié)構(gòu)體系介紹

部分包覆鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)（Partially Encased Composite structures of steel and concrete，簡稱PEC）最早誕生于20 世紀80 年代的歐洲地區(qū)，其主要思想是在H 型鋼腔體內(nèi)焊接鋼筋或扁鋼，然后再在H 型鋼開口截面輪廓中（工字鋼腹腔內(nèi)）預(yù)制澆筑對應(yīng)強度等級的混凝土，從而形成一種新型的鋼- 混混凝土組合構(gòu)件體系[4-5]。

1.2 PEC 結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢

與常規(guī)裝配式結(jié)構(gòu)相比，PEC 結(jié)構(gòu)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：（1） 解決了裝配式結(jié)構(gòu)可靠性問題，具體表現(xiàn)在：栓焊連接，節(jié)點可靠；鋼混組合，抗震優(yōu)越；工藝成熟，質(zhì)控簡單。（2） 解決了鋼結(jié)構(gòu)的耐火問題，具體表現(xiàn)在：混凝土包覆，鋼混組合；免刷防火涂料，抗火3h 以上；永久抗火，避免二次裝修涂刷。（3） 解決了鋼結(jié)構(gòu)的防腐問題，具體表現(xiàn)在：混凝土包覆，永久防腐；免刷防腐涂料，避免二次涂刷；結(jié)構(gòu)防腐同主體結(jié)構(gòu)（＞70 年）。（4） 解決了鋼結(jié)構(gòu)建筑的隔音降噪問題，具體表現(xiàn)在：鋼混組合結(jié)構(gòu)，隔音優(yōu)越；解決純鋼梁隔音填充的“音橋”問題；隔墻隔音性能提升10 dB，相比純鋼梁隔音效果提升約30%。（5） 解決了鋼結(jié)構(gòu)樓面震顫問題，具體表現(xiàn)在：相比純鋼結(jié)構(gòu)，剛度提升50%以上；樓面剛度與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)保持一致；解決鋼梁樓面的剛度偏弱的震顫感。（6） 縮短了施工工期，全面提升了裝配式建筑的施工效率，減少了噪音污染和建筑垃圾的產(chǎn)生，同時還有效降低了工程造價。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 工程概況

湖州市第二中學(xué)的食堂重建工程共四層，分別為地上三層，地下一層，建筑占地面積為2 391.16 m2，實際總建筑面積8 196.64 m2，地上建筑面積6 153.76 m2，地下室建筑面積2 042.88 m2，結(jié)構(gòu)高度整體為17.3 m。工程采用部分包覆鋼- 混凝土組合框架結(jié)構(gòu)體系，其中樓面采用疊合樓板、鋼筋桁架疊合板，衛(wèi)生間采用鋼筋桁架樓承板，屋面采用鋼筋桁架疊合板，設(shè)計使用年限為50 年，抗震設(shè)防類別為重點（乙類），工程抗震設(shè)防烈度為6 度，主體結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。

2.2 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 材料選擇

基礎(chǔ)墊層混凝土為C15，砌體隔墻中的構(gòu)造柱、過梁、圈梁或腰梁和設(shè)備基礎(chǔ)混凝土為C25，承臺、地梁、底板混凝土為C30；鋼筋采用HPB300 和HRB400，框架柱、框架梁、次梁及以上構(gòu)件相應(yīng)節(jié)點處加勁板及連接板等采用Q355B，錨栓、樓梯花紋鋼板、角鋼、槽鋼采用Q235；地下部分填充墻采用混凝土多孔磚，地上部分外墻采用200 厚(B07 級,A5.0)陶粒加氣混凝土砌塊,內(nèi)墻采用200(100)厚(B06 級,A3.5)ALC 輕質(zhì)隔墻板。

2.2.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1） 建筑二層主要包括預(yù)制樓梯、疊合樓板、鋼筋桁架樓承板、預(yù)制鋼梁、現(xiàn)澆梁、后澆帶、現(xiàn)澆板、雨棚等多種結(jié)構(gòu)，水平投影面積分別為187.83 m2、1 381.35 m2、56.4 m2、252.48 m2、26.91 m2、35.13 m2、58.32 m2和66.25 m2；（2） 建筑三層主要包括預(yù)制樓梯、鋼筋桁架疊合板、鋼筋桁架樓承板、現(xiàn)澆板、預(yù)制鋼梁、現(xiàn)澆梁等結(jié)構(gòu)，水平投影面積分別為100.7 m2、1 517.42 m2、28.78 m2、60.53 m2、266.11 m2、24.6 m2、40.71 m2；（3） 13.500 標高層主要結(jié)構(gòu)包括預(yù)制樓梯、鋼筋桁架疊合樓板、預(yù)制鋼梁、現(xiàn)澆梁、現(xiàn)澆板和后澆帶，水平投影面積分別為33.94 m2、577.47 m2、135.33 m2、24.6 m2、64.35 m2、7.62 m2；（4） 屋面層主要包括、鋼筋桁架疊合樓板、預(yù)制鋼梁、現(xiàn)澆梁、現(xiàn)澆板、后澆帶等結(jié)構(gòu)，水平投影面積分別為1 066.63 m2、280.79 m2、28.6 m2、38.08 m2、66.01 m2。

2.2.3 連接節(jié)點設(shè)計

裝配式建筑預(yù)制節(jié)點設(shè)計應(yīng)保證被連接鋼筋的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造易于傳遞拉力、壓力、剪力、彎矩和扭矩，傳力路線簡捷、清晰；裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)中，節(jié)點及接縫處的縱向鋼筋連接宜根據(jù)接頭受力、施工工藝等要求選用盲孔灌漿連接、機械連接、焊接連接、綁扎連接等連接方式，預(yù)制構(gòu)件堅向受力鋼筋的連接，宜優(yōu)先選用套筒灌漿連接接頭；異形構(gòu)件深化設(shè)計時應(yīng)考慮臨時加固措施及生產(chǎn)、吊裝、運輸?shù)纫螅瑯?gòu)件內(nèi)凹角處增加附加鋼筋以增強構(gòu)件抗裂性能。裝配式建筑的構(gòu)件節(jié)點較多，但主要分為以下四類：鋼筋桁架樓承板節(jié)點、疊合板節(jié)點、梁柱節(jié)點和預(yù)制樓梯節(jié)點。各種節(jié)點的部分設(shè)計示意見圖1。

圖1 部分連接節(jié)點設(shè)計示意

2.3 裝配建筑評價

根據(jù)《湖州市綠色建筑和綠色建材政府采購基本要求（試行）》2021-02 規(guī)定：醫(yī)院、學(xué)校、辦公樓、綜合體、保障性公租房及人才房應(yīng)采用混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)裝配率不低于50%。另外根據(jù)浙江省住建廳批準《裝配式建筑評價標準（DB33/T1165-2019）中相關(guān)規(guī)定：公共建筑的裝配率不低于60%，居住建筑的裝配率不低于50%。因此，對裝配置建筑評價，首先要計算建筑的整體裝配率，裝配率的計算公式為

式中：P 表示建筑的整體裝配率；Q1表示主體結(jié)構(gòu)指標實際評價分值，Q2表示圍護墻和內(nèi)隔墻指標實際評價分值；Q3表示裝修和設(shè)備管線指標實際評價分值；Q4表示評價項目中缺少的評價項分值總和。

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標，可分別計算得到梁、板、樓梯、陽臺、空調(diào)板等構(gòu)件中預(yù)制部件的應(yīng)用比例（q1b）、內(nèi)隔墻中非砌筑墻體的應(yīng)用比例（q2c）、集成衛(wèi)生間干式工法應(yīng)用比例（q3c）、圍護墻采用墻體與保溫隔熱一體化的應(yīng)用比例（q2bc），對應(yīng)的比值分別為95.02%、50.4%、83.01%和69.18%，根據(jù)裝配置建筑評分規(guī)則，對應(yīng)的得分分別為20、5、4.9 和2.4。另外，本項目內(nèi)墻均采用管線、裝修一體化設(shè)計，應(yīng)用比例達到100%，故得分為5。本項目為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，采用部分包覆鋼——混凝土組合框架結(jié)構(gòu)體系，采用全裝修模式，水平向布置管線與樓板和濕作業(yè)樓面墊層分離，故項目并無缺少項，即Q4=0。

通過上述分析，對本項目裝配式建筑的裝配率進行計算，結(jié)果顯示：本項目主體結(jié)構(gòu)（Q1）得分為50，圍護墻和內(nèi)隔墻指標（Q2）得分為12.4，裝修和設(shè)備管線（Q3）得分為13.9，故根據(jù)式（1）計算得到的本項目裝配率為76.3%，經(jīng)評定，本項目滿足《湖州市綠色建筑和綠色建材政府采購基本要求（試行）》與《裝配式建筑評價標準》。綜上：該項目評價為AA 級裝配式建筑。

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用

本項目在設(shè)計過程中，充分運用了BIM技術(shù)，發(fā)揮BIM 技術(shù)的三維可視性、優(yōu)化性、模擬性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢。項目基于Autodesk Revit 軟件中的Dynamo可視化編程平臺，通過Dynamo 的設(shè)置固定代碼，自動計算出預(yù)制率，提高工作效率，同時能夠直觀、高效、全面地展示管線綜合與洞口預(yù)留預(yù)埋情況。通過BIM還能實現(xiàn)PC 構(gòu)件深化，過程更新與實時查看構(gòu)件安裝情況，實時溝通協(xié)調(diào)與線上填寫質(zhì)量驗收報告。BIM結(jié)構(gòu)三維模型示意見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型示意

4 結(jié)論

本文對PEC 結(jié)構(gòu)體系在裝配式建筑工程中的應(yīng)用進行了探索和分析，得出如下結(jié)論：

（1） PEC 結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠性、耐火性、耐腐蝕性、隔音降噪性更好，剛度更大，震顫感更弱，同時明顯縮短了施工工期，提高了施工效率，降低了工程造價。

（2） 以湖州市第二中學(xué)的食堂重建工程為例，對部分包覆鋼- 混凝土組合框架結(jié)構(gòu)體系的材料選擇、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接節(jié)點設(shè)計等進行詳細分析。

（3） 工程案例的總體裝配率為76.3%，滿足相關(guān)標準要求，評價結(jié)果為AA 級裝配式建筑。

（4） 本工程在設(shè)計過程中采用了BIM 技術(shù)，實現(xiàn)了構(gòu)件的標準化設(shè)計、減小了設(shè)計誤差，優(yōu)化了工程量，提高了項目的建設(shè)質(zhì)量和綜合管理水平。