裝配式設(shè)計(jì)和建造方式在學(xué)校公寓樓中的應(yīng)用

王東星

（中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000）

“低碳化”和“綠色化”的學(xué)校公寓樓與校園，是可持續(xù)發(fā)展思想在學(xué)校建筑上的體現(xiàn)[1]?！熬G色校園”概念是由丹麥于1991年提出的，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，“綠色校園”已成為當(dāng)今世界發(fā)展的趨勢(shì)。在我國(guó)，綠色校園建筑不僅能滿足教育市場(chǎng)發(fā)展素質(zhì)的需要，而且也能符合建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。在建設(shè)“綠色校園”的過程中，要把“節(jié)能”和“環(huán)?！弊鳛榻ㄖO(shè)計(jì)、開發(fā)、建造的基本要求，以確保建成后的建筑在投產(chǎn)使用后可以發(fā)揮預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)收益。為滿足此方面需求，將裝配式結(jié)構(gòu)建筑作為校園公寓樓建設(shè)的主要方向，本文將以此為切入點(diǎn)，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行建造與設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目實(shí)例分析

1.1 工程概況

根據(jù)工程項(xiàng)目的建造需求，本次研究的工程為某高校公寓樓建筑，在建設(shè)項(xiàng)目中包括5棟建筑，可將其為D1、D2、D3、D4、D5，其中D1、D2、D3、D4建筑為高校內(nèi)本科學(xué)生居住，D5建筑為高校內(nèi)研究生居住[2]。對(duì)應(yīng)建筑的基本情況見表1。

表1 裝配式建筑項(xiàng)目基本情況

在此基礎(chǔ)上，對(duì)D1、D2、D3、D4、D5建筑中的預(yù)制構(gòu)件分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，具體內(nèi)容見表2。

表2 D1、D2、D3、D4、D5建筑中的預(yù)制構(gòu)件分布情況

在明確建筑中預(yù)制件的分布情況后，分析該建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)容見表3。

表3 裝配式結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程項(xiàng)目在施工中使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均按照剪力墻-異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑主體結(jié)構(gòu)中梁結(jié)構(gòu)、柱結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在建筑的預(yù)制陽臺(tái)中、預(yù)制疊合板中、預(yù)制樓梯中、預(yù)制保溫夾心外墻板中。

在建造前，所有的建筑構(gòu)件均需要在指定工廠中生產(chǎn)，完成生產(chǎn)后，對(duì)預(yù)制件強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，例如檢驗(yàn)后強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)預(yù)制件進(jìn)行出廠應(yīng)用、施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝，如果檢驗(yàn)后強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就說明制造的成品不符合工程項(xiàng)目施工需要，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的具體需求與工程建造標(biāo)準(zhǔn)，安排預(yù)制件返廠。

1.2 裝配式設(shè)計(jì)和建造中的受力分析

考慮裝配式結(jié)構(gòu)建筑在建造中涉及腳手架施工，為確保預(yù)制混凝土建筑的施工質(zhì)量符合規(guī)范，建立腳手架有限元模型及其在施工中的平面、側(cè)面、立面圖，如圖1所示[3]。

在圖1中，需要全面考慮施工人員在腳手架上拼裝或吊裝構(gòu)件時(shí)的均布荷載，以保證施工的穩(wěn)定性。計(jì)算腳手架均布荷載如公式（1）所示。

式中：q為腳手架均布荷載；g為掛架自身重力表；a為外掛架的長(zhǎng)寬比值。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)明確施工中疊合板結(jié)構(gòu)是建筑主體結(jié)構(gòu)中的主要支撐體系，為確保支撐體系的穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)的頂部立桿段、非頂部立桿段進(jìn)行受力計(jì)算，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：I1為裝配式建筑中疊合板結(jié)構(gòu)頂部立桿段受力；k為支撐段立桿附加長(zhǎng)度系數(shù)；μ1、μ2為支撐端穩(wěn)定參數(shù)；h為支撐端長(zhǎng)度；b為立桿整體長(zhǎng)度；I2為裝配式建筑中疊合板結(jié)構(gòu)頂部非立桿段受力。根據(jù)上述內(nèi)容，明確裝配式建筑中疊合板在建造過程中的立桿最大橫向間距，如公式（4）所示。

式中：N為立桿最大橫向間距；q為混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

參照上述方式，對(duì)裝配式建筑建造與設(shè)計(jì)過程中的結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為校園公寓樓結(jié)構(gòu)體系的深化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1.3 結(jié)構(gòu)體系深化設(shè)計(jì)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，參照相關(guān)文件，對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)不同地震條件下的彈塑性進(jìn)行計(jì)算，得到工程項(xiàng)目具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

以此為依據(jù)，對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的體系進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，輔助使用ALLPLAN軟件，對(duì)預(yù)制件進(jìn)行精細(xì)的三維造型設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成預(yù)制件的加工圖紙、平面布置圖以及配料表。預(yù)制件是裝配式建筑的主要組成部分，預(yù)制件的構(gòu)造和連接是裝配式建筑建造的關(guān)鍵，因此，需要根據(jù)工程具體需求，設(shè)計(jì)預(yù)制件的節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括內(nèi)、外墻連接與施工；地板連接與施工；預(yù)制構(gòu)件與施工構(gòu)件的連接與施工等[4]。在施工中，各類節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要符合熱工、防火、隔熱等需求，又要滿足建筑設(shè)計(jì)中的外觀方面要求。

2 裝配式設(shè)計(jì)和建造方式應(yīng)用

2.1 外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

學(xué)校公寓樓項(xiàng)目的東、西兩面墻都是預(yù)制混凝土夾芯絕緣外墻板，其混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是C35，夾心保溫外墻面板厚度為200mm（包括50mm的外面層，70mm的保溫層，80mm的內(nèi)面層）。安裝完畢后，利用預(yù)留的內(nèi)面層兩側(cè)及頂部的拉結(jié)筋，分別與柱梁和梁端連接，下面層經(jīng)注漿孔注漿與樓面梁連接，構(gòu)成一套隔熱的外墻圍護(hù)體系。

內(nèi)外墻用鋼筋桁架相連，每隔350mm設(shè)一根。夾芯隔熱面板的中部為XPS隔熱面板，周圍用55mm厚的泡沫玻璃隔熱面板（A級(jí)耐火材料）密封[5]。預(yù)制夾芯隔熱外墻只須承擔(dān)風(fēng)力及自重。在內(nèi)頁墻體的底面留有兩個(gè)45mm直徑的小孔，用來連接梁頂預(yù)埋的插筋。埋設(shè)鋼筋的形狀為“L”形，錨固在梁體中的總長(zhǎng)度為18mm，露出長(zhǎng)度為180mm。外貼裝配式墻體節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖2所示。

圖2 外貼裝配式墻體節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造細(xì)節(jié)

在預(yù)制外墻板的周圍節(jié)點(diǎn)處，涂第一層防水的有機(jī)硅密封膠。在預(yù)制構(gòu)件的內(nèi)側(cè)，是由彈性材料制成的環(huán)形襯里，起到了第二層的防水作用[6]。在上下兩層防水層間，設(shè)置結(jié)構(gòu)式防水層，使其成為封閉的降壓式空艙。在外墻面板下端與梁頂部預(yù)留15mm的空隙進(jìn)行注漿處理，在吊運(yùn)前使用特制的橡膠墊塊進(jìn)行找平和鋪設(shè)。在外墻面板的內(nèi)面層的底部，設(shè)置兩列共計(jì)4個(gè)孔徑為45mm的注漿孔，橫向間距為1600mm，上下間距為350mm。在外墻上各注漿孔注漿完成后，對(duì)外墻兩側(cè)進(jìn)行封層處理[7]。外墻側(cè)封倉構(gòu)造如圖3所示。

圖3 外墻側(cè)封倉構(gòu)造圖

在墻板吊裝到位后，每塊壁板都需要暫時(shí)用兩根對(duì)角線支撐固定。角支護(hù)的上半部分必須用事先準(zhǔn)備好的連接裝置固定好。上端的支撐位置是距離盤面的三分之二，對(duì)角線支座的底端與地埋在一起。兩根對(duì)角柱間的距離為1.2～1.5m，與地面成40°～50°。

2.2 預(yù)制板建造與連接

本工程除4樓采用C35外，其余樓面均采用C30，后澆層厚度為70mm～90mm。在疊合板材的預(yù)制構(gòu)件中，應(yīng)設(shè)置網(wǎng)格筋，網(wǎng)格筋的位置應(yīng)與疊合板材在吊裝過程中的主要應(yīng)力方向相一致，網(wǎng)格筋間的距離應(yīng)為600mm。疊層鋼板采用單面鋼板，采用分體式接頭，保證吊裝的精度。當(dāng)大平板分成兩個(gè)或多個(gè)平板時(shí)，在平板間設(shè)有調(diào)節(jié)縫，調(diào)節(jié)縫的寬度應(yīng)為5mm，平板與梁和墻體的搭接長(zhǎng)度應(yīng)為8mm。在基礎(chǔ)安裝就緒前，在跨中和距離基礎(chǔ)500mm的位置上，用立桿和橫梁組成臨時(shí)支承，通常要保證兩層以上的連續(xù)使用。各層的支撐應(yīng)該在相同的垂直線上排列。在節(jié)點(diǎn)的設(shè)置方面，采用較為成熟和可靠的規(guī)范的節(jié)點(diǎn)方式，以便于施工和安裝，不僅降低了成本，還保證了項(xiàng)目的質(zhì)量[8]。具體連接構(gòu)造如圖4所示。

圖4 疊合板與梁中支座連接構(gòu)造示意圖

本項(xiàng)目采用45mm的預(yù)制樓面板，65mm的后澆層。四樓的學(xué)生宿舍使用的是C35，其他樓層的混凝土是C30，均為單方向疊合。每塊鋼板上都設(shè)置了兩根縱筋，縱筋間相隔550mm。在預(yù)制平臺(tái)和后澆混凝土疊合層的結(jié)合部形成4mm或更大的人造表面且該表面的面積不能小于結(jié)合部表面的80%。疊合陽臺(tái)和樓板的結(jié)合部預(yù)留錨固鋼筋，待樓板吊裝就位后，將錨固鋼筋錨固于樓板，和樓板上現(xiàn)澆混凝土一起澆筑于樓板上。

2.3 預(yù)制樓梯連接施工

本項(xiàng)目計(jì)劃應(yīng)用一種層厚140mm，C30級(jí)，采用鉸鏈結(jié)構(gòu)的樓梯板，對(duì)學(xué)校公寓樓預(yù)制樓梯進(jìn)行施工。上部為固定鉸，下部為滑動(dòng)鉸，把安裝位置標(biāo)在階梯上，為墻體繪制海拔控制線。將厚2cm的M10膠黏劑鋪在階梯上部及下部的梁板上，并采用干燥后的M10膠黏劑。為預(yù)制樓梯的施工制定控制線，檢查控制線和標(biāo)高，以控制施工高度。樓梯邊與建筑物墻壁間留有約2.5cm的空間，用來做保溫砂漿。在吊裝及就位過程中，一定要保證臺(tái)階由上至下，并在工作樓層上方30cm處稍作停頓，使臺(tái)階邊緣與臺(tái)階橫梁上的安裝點(diǎn)線對(duì)齊，然后緩慢地停止。基礎(chǔ)就位后，用鐵鍬將階梯移至適當(dāng)?shù)奈恢貌⒎胖?。在階梯部分修正完畢后，將階梯上部的墊片用連接角鋼筋與平臺(tái)部分的墊片進(jìn)行焊接。后續(xù)進(jìn)行內(nèi)墻裝修時(shí)，須用密封材料填塞扶梯間連接部位。

3 結(jié)語

隨著建筑工程項(xiàng)目的建設(shè)管理與施工技術(shù)的不斷提高，預(yù)制構(gòu)件的制造質(zhì)量與精度也不斷提高，裝配式建筑在市場(chǎng)內(nèi)廣泛應(yīng)用且發(fā)展迅速。將裝配式建造技術(shù)應(yīng)用于學(xué)校公寓樓的建造中，不僅可以解決當(dāng)前教學(xué)住宿資源緊缺的問題，還可以打造一個(gè)綠色、低碳、環(huán)保的校園，符合國(guó)家目前發(fā)展裝配式建筑的政策，可以更快地推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因此，本文進(jìn)行了此次研究，希望通過研究，能夠?yàn)槲覈?guó)教育市場(chǎng)的持續(xù)化發(fā)展提供技術(shù)支持與幫助。