裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計研究與應(yīng)用

伍雁華，張宏，叢勐，羅申，張吉華，劉春，朱可

（1.東南大學建筑設(shè)計研究院有限公司，南京 210096；2.東南大學建筑學院，南京 211189；3.江蘇金砼預(yù)制裝配建筑發(fā)展有限公司，江蘇 無錫 214214；4.阿博建材（昆山）有限公司，江蘇 蘇州 215300）

1 引言

現(xiàn)澆鋼筋混凝土建造主要可分為模板工程、支撐工程、鋼筋工程和混凝土工程。 現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程的工業(yè)化創(chuàng)新發(fā)展的重點在于通過工業(yè)化的方式對上述四大工程進行協(xié)同優(yōu)化，以完成現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件的成型、定位與連接。

本文以現(xiàn)澆鋼筋混凝土建造四大工程中的鋼筋工程為研究對象，通過運用標準化設(shè)計方法，對工廠加工制造、配送運輸和部品化裝配施工的組合成型鋼筋骨架設(shè)計技術(shù)開展應(yīng)用研究。

裝配式組合成型鋼筋骨架技術(shù)是指將鋼筋骨架附加構(gòu)造筋、桁架筋等與受力鋼筋、箍筋通過焊接、綁扎和機械連接等工藝連接形成空間受力體， 并采用組合成型鋼筋骨架構(gòu)件工廠專業(yè)化加工制造、物流配送運輸、現(xiàn)場裝配式安裝施工模式的工業(yè)化鋼筋工程技術(shù)。

作為一種面向混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系的工業(yè)化加工配送和裝配式施工技術(shù)，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件技術(shù)應(yīng)用在設(shè)計階段需要實現(xiàn)以下目標： 其一是成型鋼筋骨架構(gòu)件適合工業(yè)化高效制造； 其二是構(gòu)件運輸安全高效； 其三是成型鋼筋骨架構(gòu)件現(xiàn)場裝配化安裝施工連接高效便捷。 高效制造要求工廠制造的骨架制品為標準件，以便大批量高質(zhì)量標準化穩(wěn)定生產(chǎn)，同時降低鋼材損耗；運輸安全高效則要求工廠制造的成型鋼筋骨架構(gòu)件體型規(guī)整科學，以提高運輸?shù)陌踩院托?，降低物流配送運輸成本；裝配便捷則要求成型鋼筋骨架構(gòu)件之間的安裝節(jié)點位置人工操作方便快捷，安裝流程和步驟清晰簡便。

2 裝配式成型鋼筋骨架標準化設(shè)計

裝配式成型鋼筋骨架標準化設(shè)計根據(jù)設(shè)計和生產(chǎn)制造的不同階段，分為3 個層級：結(jié)構(gòu)空間的標準化、構(gòu)件的標準化及鋼筋的標準化。

結(jié)構(gòu)空間的標準化設(shè)計主要指建筑采用標準規(guī)則結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)，形成標準化結(jié)構(gòu)空間單元，設(shè)計方案及施工圖階段通過標準結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)設(shè)計控制后期結(jié)構(gòu)構(gòu)件的種類和規(guī)格達到最少化。 構(gòu)件的標準化設(shè)計主要是指裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件通過優(yōu)化設(shè)計形成邊界清晰、 規(guī)格統(tǒng)一的標準化工廠預(yù)制組合成型鋼筋骨架構(gòu)件。 鋼筋的標準化設(shè)計主要通過統(tǒng)一鋼筋構(gòu)件的直徑、長度、間距等幾何參數(shù)，提高其在生產(chǎn)制造過程中的標準化、機械化、自動化程度。

3 面向制造的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計

工業(yè)化工廠加工制造是裝配式成型鋼筋骨架技術(shù)的重要特征。 面向制造的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計技術(shù)，核心在于標準件分件、標準件組合以及標準化的連接節(jié)點設(shè)計技術(shù)。

標準件分件，主要是在梁、板、墻柱等結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)件中提取適合機械化自動加工生產(chǎn)制造的標準件； 標準件組合指將機械生產(chǎn)的標準件分類組合形成成型鋼筋骨架構(gòu)件； 標準化的連接節(jié)點， 是指通過構(gòu)件及其連接節(jié)點位置和工藝的優(yōu)化設(shè)計，歸并和減少成型鋼筋骨架構(gòu)件連接節(jié)點的類型，減少生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝的工序，降低制造和安裝難度。

梁、 柱標準件主要是指箍筋與構(gòu)造鋼筋在工廠通過焊接或綁扎形成的梁、柱成型鋼筋籠。 墻、板標準件主要指由兩層雙向鋼筋網(wǎng)通過輔助連接件連接形成的成型鋼筋籠構(gòu)成。 梁、柱標準件根據(jù)不同的制造工藝，分為封閉箍筋、成型鋼筋籠、成型鋼筋骨架梁柱構(gòu)件。 墻、 板構(gòu)件標準件可以分為桁架鋼筋、焊接鋼筋網(wǎng)、成型鋼筋骨架墻板構(gòu)件（見圖1～圖3），剪力墻構(gòu)件標準件可以分為邊緣構(gòu)件、焊接鋼筋網(wǎng)、成型鋼筋骨架剪力墻構(gòu)件。

圖1 裝配式成型鋼筋骨架梁構(gòu)件做法示意

圖3 裝配式成型鋼筋骨架板/ 墻構(gòu)件做法示意

4 面向運輸與吊裝的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計

面向運輸和吊裝的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計主要關(guān)注成型鋼筋骨架的運輸、吊裝效率以及構(gòu)件安全。 鋼筋骨架是通過焊接成型的鋼筋空間受力體，在具有可靠經(jīng)驗時，由綁扎成型的鋼筋構(gòu)件也可作為空間受力體。 由于本文的研究對象主要是機械化制造的焊接成型鋼筋骨架構(gòu)件。

裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件在運輸和吊裝階段需要避免以下問題：（1）構(gòu)件焊點發(fā)生開焊；（2）鋼筋骨架發(fā)生塑性變形；（3）結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件喪失穩(wěn)定。

裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件的焊點及其相關(guān)要求在規(guī)范條文中表述較為明確[1]，根據(jù)鋼筋構(gòu)件中焊點的形式、鋼筋布置的受力特征可以建立受力模型。 考慮到運輸和吊裝階段裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件的受力特征， 成型鋼筋骨架梁柱構(gòu)件的綁扎連接節(jié)點不參與受力計算， 僅作為防止成型鋼筋骨架構(gòu)件中鋼筋失穩(wěn)、側(cè)移的構(gòu)造措施。

在滿足車輛運輸能力的前提下， 成型鋼筋骨架的承載能力需要和堆放層數(shù)形成平衡。 運輸和吊裝階段鋼筋構(gòu)件的承載能力主要指成型鋼筋構(gòu)件在運輸階段不產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。 在受拉、受彎狀態(tài)下，根據(jù)鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線，彈性屈服點可以作為鋼筋產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的控制點。

考慮到運輸車輛限高4 m（超高時不超過4.2 m），截面邊長超過600 mm 的柱子堆放層數(shù)往往不超過5 層，截面邊長超過1 000 mm 柱子的堆放層數(shù)為3 層。堆放荷載超過底層成型鋼筋骨架構(gòu)件箍筋承載能力限值時， 可以通過增設(shè)箍筋固定焊點等措施減小計算長度， 或減小堆放層數(shù)等方法降低底層成型鋼筋骨架中箍筋應(yīng)力值。

計算結(jié)果表明，當成型鋼筋骨架梁柱構(gòu)件的箍筋直徑小、強度低、間距大時，堆放超過一定層數(shù)和重量將會超過底層的成型鋼筋骨架的承載能力極限值。 一般情況下運輸、起吊和裝配階段針對成型鋼筋骨架的驗算是必要的， 施工圖中應(yīng)根據(jù)驗算結(jié)果明確提出鋼筋和焊點做法、布置的具體要求。

5 面向現(xiàn)場的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計

面向現(xiàn)場裝配的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計技術(shù)， 核心在于通過節(jié)點和構(gòu)件的裝配設(shè)計提高現(xiàn)場裝配操作的便利性，減少輔助工裝的使用量。

裝配式成型鋼筋骨架連接節(jié)點位置的選擇決定了裝配現(xiàn)場的操作面， 連接節(jié)點做法則決定了裝配操作的程序和復(fù)雜程度。 適宜工人現(xiàn)場操作的節(jié)點位置，應(yīng)位于工人舉手可及之處，通常高度在2 m 以內(nèi)，超過這個范圍往往會存在一定的操作難度，需要借助輔助工具。

以裝配式成型鋼筋骨架梁、柱構(gòu)件為例，當梁柱節(jié)點處的梁鋼筋采用后穿做法時， 可以將梁柱節(jié)點位置的柱箍筋和上層塑性鉸區(qū)的柱箍筋在工廠制造成整體構(gòu)件（見圖4）。裝配式成型鋼筋骨架梁構(gòu)件采用箍筋和腰筋焊接成型，縱筋采用臨時固定措施，待吊裝到工位后，再將縱筋穿插移動至所需位置，通過附加鋼筋穿過梁柱節(jié)點連接，或者采用端錨錨固。

圖4 裝配式成型鋼筋骨架柱構(gòu)件安裝示意

裝配式成型鋼筋骨架墻、 板構(gòu)件主要通過焊接鋼筋網(wǎng)組合桁架鋼筋而成型。 剪力墻構(gòu)件的裝配需要將連接節(jié)點盡量靠近地面設(shè)置， 并盡可能在工廠完成鋼筋骨架構(gòu)件的制造和成型， 在現(xiàn)場可以通過一定量的附加穿插鋼筋完成構(gòu)件的裝配和節(jié)點連接工作。

由于裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件的現(xiàn)場裝配存在一定的鋼筋穿插和移動作業(yè)[2]，當梁、柱構(gòu)件箍筋采用135°彎鉤做法時，將極大地增加現(xiàn)場操作的難度， 采用不帶彎鉤的焊接封閉箍筋不但可節(jié)約鋼材用量，還可提高梁、柱構(gòu)件澆筑質(zhì)量，對安裝效率的提升效果明顯。

裝配式成型鋼筋骨架的節(jié)點連接做法可以采用搭接、機械連接和焊接。 采用搭接做法時，鋼筋連接界面不清晰，起吊和安裝時存在穿插作業(yè)，容易發(fā)生碰撞。 現(xiàn)場焊接作業(yè)過多不利于鋼筋連接接頭質(zhì)量的控制。 機械連接接頭由于操作方便、質(zhì)量可控、穩(wěn)定性高，被廣泛應(yīng)用[3]。

6 裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計的應(yīng)用

某地下人防工程項目，用地面積7 882.92 m2，建筑面積22 259 m2，地下4 層。 根據(jù)地形高差，西北向局部高出路面1 層，其余均為地下室，其中，-4～-2 層均為人防工程。 建筑頂板標高13.600 m， 底板標高-3.600 m， 建筑周邊路面標高8.280～15.300 m。

根據(jù)裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計技術(shù)的要求[4]，本項目采用了裝配式成型鋼筋骨架柱、梁、樓板、地下室外墻以及臨空墻構(gòu)件。 裝配式成型鋼筋骨架梁、柱構(gòu)件采用焊接封閉箍，通過標準化設(shè)計， 地下3 層成型鋼筋骨架柱構(gòu)件長度統(tǒng)一為4 m，柱縱筋在地面1.2～2.0 m 處同截面斷開，梁柱節(jié)點區(qū)的箍筋及上伸部分的箍筋均在工廠預(yù)制。 柱縱向鋼筋采用一級可調(diào)節(jié)機械套筒連接。 裝配式成型鋼筋骨架梁構(gòu)件的所有箍筋在工廠預(yù)制，如圖5 所示，梁縱筋臨時綁扎在鋼筋籠中，現(xiàn)場吊裝好之后移至梁柱節(jié)點內(nèi)通過端錨節(jié)點錨固。

圖5 裝配式成型鋼筋骨架柱構(gòu)件

裝配式成型鋼筋骨架技術(shù)在本項目的應(yīng)用中， 梁柱箍筋耗材量節(jié)省了5%～8%，柱縱筋耗材量節(jié)省約2%，樓板和墻鋼筋耗材量大約提高了2%～4%，節(jié)約了現(xiàn)場鋼筋搬運和綁扎的人工作業(yè)量約80%，整體經(jīng)濟效益明顯。

7 裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計在鄉(xiāng)村住宅中的應(yīng)用

鄉(xiāng)村住宅項目對建設(shè)成本要求相對較高， 研究團隊通過多年的研發(fā)，結(jié)合鋼網(wǎng)免拆模，在鄉(xiāng)村建設(shè)項目中大量應(yīng)用了低成本裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計。 鄉(xiāng)村住宅的建設(shè)環(huán)境相對苛刻，道路和現(xiàn)場作業(yè)條件往往限制了重載機械的使用。 由于裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件較輕，尺寸規(guī)格小，現(xiàn)場工人可不借助輔助工裝設(shè)備， 只需要在工廠技術(shù)人員的指導下進行簡單的安裝和連接工作即可高效完成構(gòu)件的裝配，如圖6 所示。

圖6 農(nóng)房住宅裝配式成型鋼筋骨架墻體應(yīng)用

鄉(xiāng)村裝配式成型鋼筋骨架住宅的墻、 柱和樓板構(gòu)件在現(xiàn)場裝配完成后，通過澆筑混凝土最終整體成型。 考慮到鄉(xiāng)村住宅項目的特殊性，將豎向受力裝配式成型鋼筋骨架構(gòu)件，和非受力的圍護墻體， 通過構(gòu)造鋼筋和免拆鋼網(wǎng)模組裝成一個整體構(gòu)件，以提高生產(chǎn)、運輸和裝配效率。 現(xiàn)場裝配完成澆筑受力結(jié)構(gòu)的混凝土，圍護構(gòu)件澆筑泡沫混凝土。

8 結(jié)語

在新型建筑工業(yè)化的創(chuàng)新技術(shù)體系中， 鋼筋工程的工業(yè)化是重要一環(huán)。 本文主要對面向制造、運輸、吊裝及現(xiàn)場裝配全過程的裝配式成型鋼筋骨架設(shè)計展開研究，結(jié)合實際案例，形成了具有特色的工業(yè)化技術(shù)系統(tǒng)。