超高層裝配式建筑“內(nèi)澆外掛”體系建造關(guān)鍵技術(shù)

2016年8月23日,中國建筑股份有限公司科技與設(shè)計管理部與中國建筑股份有限公司技術(shù)中心組織召開了“中國建筑2016年技術(shù)交流會”,會議征集論文200余篇,遴選了82篇優(yōu)秀論文編撰成《中國建筑2016年技術(shù)交流會優(yōu)秀論文集》,由中國建筑工業(yè)出版社出版。經(jīng)技術(shù)中心學(xué)術(shù)委員會組織專家評審及參會代表投票,本文《超高層裝配式建筑“內(nèi)澆外掛”體系建造技術(shù)》獲得優(yōu)秀論文一等獎,作者為:姜紹杰(中國建筑國際集團有限公司),劉新偉、吳曉杰(深圳海龍建筑科技有限公司)。本網(wǎng)為全文轉(zhuǎn)載,以饗讀者。

1 引言

房屋建筑采用建筑工業(yè)化方式建造能節(jié)約資源,減少勞動力,提高施工質(zhì)量等,根據(jù)專業(yè)機構(gòu)測算,可以降低能耗23%,降低水耗79%,減低模板消耗81%,施工場地20%。因此,推行裝配式建筑是我國傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。

目前裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)建造方式主要包括以下四種:

(1)裝配整體式剪力墻,采用剪力墻墻身整體預(yù)制,邊緣構(gòu)件采用現(xiàn)澆形式;

(2)雙面疊合剪力墻,采用剪力墻內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面預(yù)制,中間現(xiàn)澆;

(3)單面疊合剪力墻,采用建筑外圍剪力墻外側(cè)面預(yù)制,內(nèi)側(cè)現(xiàn)澆;

(4)內(nèi)澆外掛,即主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件采用現(xiàn)澆,非受力構(gòu)件采用外掛形式。

前3種建造方式適用于一般高層建筑[1],而第4種內(nèi)澆外掛體系由于內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件采用現(xiàn)澆,周邊圍護的非主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用工廠預(yù)制運至現(xiàn)場外掛安裝就位后在節(jié)點區(qū)與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體現(xiàn)澆,這種方式?jīng)]有突破結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范限制,可適用于超高層建筑。

本文根據(jù)香港和內(nèi)地不同設(shè)計習(xí)慣和方法,結(jié)合超高層建筑對地震荷載和風(fēng)荷載極為敏感的特點,從超高層建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工等整個建造過程介紹了“內(nèi)澆外掛”體系一些關(guān)鍵技術(shù)。

2 柔性連接節(jié)點技術(shù)

超高層建筑由于層數(shù)多,高度大,水平方向的地震反應(yīng)和風(fēng)致影響十分顯著,除了豎向荷載,預(yù)制外掛墻板將承受相當(dāng)大的水平地震荷載、風(fēng)荷載,連接節(jié)點設(shè)計主要采取了如下技術(shù)措施:

在主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件與非主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件之間選擇確定合理傳力路徑:對于一般外掛構(gòu)件,其承受的豎向荷載主要通過預(yù)制構(gòu)件頂部的外伸鋼筋錨入主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件來傳遞給主體結(jié)構(gòu),而水平荷載諸如地震荷載、風(fēng)荷載則通過預(yù)制構(gòu)件兩端的鋼筋與主體豎向構(gòu)件現(xiàn)澆形成整體,即采用“先裝法”先施工預(yù)制外墻板,后現(xiàn)澆梁、板等受力構(gòu)件,兩端的鋼筋連接采取只傳遞剪力不傳遞彎矩的構(gòu)造做法實現(xiàn)了“柔性連接”,弱化了對主體結(jié)構(gòu)的影響。

對于一些預(yù)制外墻構(gòu)件由于空間形狀比較復(fù)雜,采用有限元分析軟件進行局部補充計算:圖1是7度抗震烈度、沿海地區(qū)某超高層項目中的預(yù)制凸窗采用abaqus軟件分析的模型,計算結(jié)果表明,凸窗頂部的兩端受力較大,該處外伸鋼筋配筋也相應(yīng)加強。

圖1 預(yù)制凸窗受力分析模型

3 防水設(shè)計技術(shù)

外掛墻板水平拼縫處采用靴腳合結(jié)構(gòu)企口構(gòu)造,如圖2。另外在豎直拼縫接觸面處進行洗水或掃花處理,增加構(gòu)件連接的緊密性,同時設(shè)置止水槽,構(gòu)成防水第二道防線[3],如圖3。這樣形成了廖多道防水路線,徹底解決了外墻滲水問題。

圖2 外掛墻板水平拼縫節(jié)點及防水構(gòu)造

圖3 外掛墻板豎直拼縫節(jié)點及防水構(gòu)造

門窗處,為解決后裝門窗處容易滲水問題,在工廠生產(chǎn)時,將門窗與外墻整體預(yù)制,門窗連接件預(yù)埋入構(gòu)件中,通過混凝土構(gòu)造達到止水目的;在陽臺位置,陽臺設(shè)計標高低于比室內(nèi)樓層標高,預(yù)制外墻門底部結(jié)構(gòu)尺寸不應(yīng)小于125mm,使預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)剛度滿足要求,保證預(yù)制外墻不發(fā)生變形,同時滿足陽臺防水要求;建筑頂層,現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)包住預(yù)制外墻頂部,實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件完美結(jié)合,同時保證防水要求與外立面效果。

4 抗風(fēng)技術(shù)

當(dāng)預(yù)制外掛墻板左右側(cè)有非結(jié)構(gòu)墻即構(gòu)造柱存在,或預(yù)制外墻板跨度過大時,為避免風(fēng)荷載作用于外墻板上將其掀離梁位,在超高層中尤其容易發(fā)生,采用風(fēng)碼裝置固定外墻板,同時不將外墻板的荷載傳遞給下層受力構(gòu)件。預(yù)制外墻板外伸鋼筋上端錨入梁或樓板,右側(cè)錨入剪力墻,左側(cè)錨入結(jié)構(gòu)柱非結(jié)構(gòu)墻. 中。左側(cè)和下側(cè)可認為自由端,右側(cè)和上側(cè)可認為是簡支端柔性連接.,此時左側(cè)將需增加風(fēng)碼裝置,如圖4。

圖4 風(fēng)碼位置及構(gòu)造

風(fēng)碼將預(yù)制外墻板與下層梁固定。另一方面,由于風(fēng)碼上端鋼筋外圍套PVC管,防止預(yù)制外墻板作用力傳至下層梁。當(dāng)在超高層中應(yīng)用預(yù)制外墻板時,在非結(jié)構(gòu)墻一端需增加風(fēng)碼,另外,由于風(fēng)效應(yīng)過大,在較大跨度的預(yù)制外墻板跨中位置也需增加風(fēng)碼裝置。通過計算,當(dāng)150mm厚度的預(yù)制外墻板,層高約為3.5m,樓層相對于地面高度約為100m時,預(yù)制外墻板跨長超過5m,預(yù)制外墻板的剛度將不足以抵抗風(fēng)載作用,變形超過規(guī)范允許要求,需增加風(fēng)碼裝置。

風(fēng)碼裝置的位置和數(shù)量有預(yù)制外墻跨度和錨固方式相關(guān),作用類似栓釘,主要承擔(dān)風(fēng)荷載產(chǎn)生的剪力作用,風(fēng)碼鋼筋型號由計算確定。為方便施工,風(fēng)碼施工現(xiàn)場可采取后注漿形式,也可采用后支模澆筑混凝土形式。為更好的提高裝配式建筑施工效率,風(fēng)碼裝置從施工便利性方面也在不斷優(yōu)化。

5 質(zhì)量控制技術(shù)

在施工過程中,推行PASS(Performance Assessment Scoring System 的簡稱)制度進行質(zhì)量控制。PASS制度以過去連續(xù)12個月內(nèi)不同階段的平均分,乘以固定系數(shù),所得出來的總分作為施工質(zhì)量的評分。為保障PASS評分公平公正,成立獨立的PASS審核小組,負責(zé)每個季度兩個月的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場裝飾工作評審以及一個月的安全評審工作。PASS制度對質(zhì)量控制意義重大。

在預(yù)制構(gòu)件批量生產(chǎn)前,先進行BIM模型項目建造過程,并在工廠內(nèi)預(yù)演安裝過程,根據(jù)模擬結(jié)果和預(yù)安裝過程,相關(guān)人員可直觀的看到實際項目的效果,避免構(gòu)件尺寸錯誤,構(gòu)件之間的連接碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生,另一方面,產(chǎn)業(yè)工人也得到了很好的安裝培訓(xùn)。

6 安裝精度控制技術(shù)

預(yù)制外掛墻板安裝前,應(yīng)按設(shè)計要求在構(gòu)件墻面和相應(yīng)對的支承結(jié)構(gòu)面上標記中心線、標高線等控制尺寸線,按標準圖或設(shè)計文件校核預(yù)埋件及連接鋼筋等。安裝時,先將斜撐桿一端固定于地面或樓面板上,七字碼底部固定于地面或樓面板上;再將構(gòu)件吊運至指定位置后,分別固定到七字碼上;最后根據(jù)水準點和軸線位置,調(diào)節(jié)支撐桿的旋轉(zhuǎn)裝置來校對構(gòu)件的直度,調(diào)節(jié)七字碼的螺母微調(diào)構(gòu)件的水平位移和豎向位移,如圖5。

圖5 預(yù)制外墻板安裝大樣

當(dāng)上下層預(yù)制外墻厚度不一致,上下內(nèi)側(cè)無參考線時,安裝僅僅利用七字碼難以實現(xiàn)上下層對齊。在下層外墻增加帶斜角的槽鋼輔助裝置,吊運上層外墻插入槽鋼輔助裝置內(nèi)側(cè),方便對齊安裝,如圖6。

圖6 斜角槽鋼輔助裝置

7 鋼筋防碰撞技術(shù)

施工現(xiàn)場,構(gòu)件之間以及構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間可能發(fā)生鋼筋碰撞,鋼筋碰撞會影響構(gòu)件的安裝。鋼筋碰撞在設(shè)計時即需考慮,現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的鋼筋在預(yù)制構(gòu)件就位后錯開構(gòu)件外伸鋼筋放置。通過在工廠內(nèi)預(yù)演安裝樣板測試,調(diào)整設(shè)計時的鋼筋碰撞問題。

當(dāng)兩件預(yù)制外墻板在剪力墻側(cè)向相連時,構(gòu)件外伸鋼筋在剪力墻內(nèi)交匯,節(jié)點處鋼筋密集容易碰撞。設(shè)計時將相鄰的一件構(gòu)件外伸鋼筋向外彎曲,另一件構(gòu)件外伸鋼筋向內(nèi)彎曲,剪力墻豎向鋼筋和橫向鋼筋錯開構(gòu)件的外伸鋼筋,避免施工時鋼筋碰撞,如圖7。

圖7 相鄰?fù)鈮Π暹B接大樣

當(dāng)疊合樓板與全預(yù)制樓板之間的連接時,兩件構(gòu)件的外伸鋼筋容易發(fā)生碰撞,鋼筋碰撞會導(dǎo)致兩件構(gòu)件連接不上,影響后澆混凝土施工。設(shè)計時,需將兩件預(yù)制構(gòu)件外伸鋼筋在構(gòu)件內(nèi)部向上彎曲,再通過一段鋼筋分別進行搭接,從而實現(xiàn)疊合樓板與全預(yù)制樓板的緊密連接,避免構(gòu)件間的碰撞,如圖8。 圖8 相鄰樓板連接大樣

8 施工組織管理技術(shù)

由于非結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件已經(jīng)提前在工廠預(yù)制,對于流水施工組織縮短了流水節(jié)拍,非常有利于施工現(xiàn)場的流水施工組織管理,其主要施工工序包括:1.吊運安裝預(yù)制構(gòu)件;2.綁扎現(xiàn)澆部分鋼筋;3.組合大鋼模/鋁模進行支模;4.現(xiàn)澆混凝土。由于第1個工序施工速度快占用時間短且并不會拖延其他工序,所以可以穿插機動進行。所以關(guān)鍵工序還是取決于現(xiàn)澆部分的合理科學(xué)的施工組織管理,如合理組織勞動班組、劃分流水施工段,同時也可以結(jié)合樓層平面分區(qū)考慮空間跳層劃分流水段,完全可以實現(xiàn)“四天一層”的建造速度。例如,第一天吊運安裝預(yù)制構(gòu)件的同時穿插綁扎剪力墻鋼筋,第二天安裝剪力墻模板和安裝疊合板及綁扎樓板鋼筋,第三天已經(jīng)完成模板安裝的施工段則可澆筑混凝土。

9 項目應(yīng)用

內(nèi)澆外掛技術(shù)具有廣泛的適用性和極高的推廣價值,下面結(jié)合香港和內(nèi)地兩個典型工程案例,介紹本成果技術(shù)應(yīng)用情況。

啟德1A項目位于香港地區(qū),該項目由6棟35-41層住宅、一座配套商場及一個地下停車場組成(圖9)。其中,住宅采用內(nèi)澆外掛剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻現(xiàn)澆,非受力構(gòu)件工廠預(yù)制,預(yù)制率約為40%。預(yù)制構(gòu)件主要預(yù)制外墻板,疊合樓板,預(yù)制樓梯,整體預(yù)制衛(wèi)生間等。預(yù)制構(gòu)件方量達17000m3,采用標準設(shè)計,有效降低了工程造價,提高了施工效率。

圖9 啟德1A項目標準層平面圖

中海天鉆項目位于深圳市羅湖區(qū),建筑主體共有11棟塔樓,其中,2棟為超高層裝配式剪力墻結(jié)構(gòu),高度分別為148米(層數(shù)46層)和126米(層數(shù)46層);抗震設(shè)防類別為丙類,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,設(shè)計基準期為50年,設(shè)計使用年限為50年。根據(jù)《深圳市住宅產(chǎn)業(yè)化項目單體建筑預(yù)制率和裝配率計算細則(試行)》的要求,裝配式建筑裝配率不低于30%和預(yù)制率不低于15%,基于成本最優(yōu),選擇部分凸窗采用預(yù)制,樓板疊合預(yù)制,樓梯預(yù)制(圖10);該項目位于7度抗震區(qū)和沿海地區(qū),并且高度達到規(guī)范規(guī)定的B級高度,地震荷載以及風(fēng)荷載較大,除結(jié)構(gòu)主體計算較復(fù)雜外,預(yù)制構(gòu)件也需要進行抗震、抗風(fēng)分析 [4] 。

圖10 中海天鉆項目標準層平面圖

10 結(jié)語

“內(nèi)澆外掛”體系不影響受力結(jié)構(gòu)的整體性,并方便外墻施工,相比裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)其他體系,經(jīng)濟性更好,在目前裝配式建筑發(fā)展初級階段,建造成本普遍偏高的情況下,具有較高的推廣應(yīng)用價值。本文介紹了超高層建筑“內(nèi)澆外掛”體系的建造過程的一些關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)也適用于一般“內(nèi)澆外掛”體系,總結(jié)如下:

(1)“內(nèi)澆外掛”體系接縫處的受力和防水是影響裝配式建筑品質(zhì)的重要因素,通過某地震區(qū)域超高層建筑有限元分析,論證了在地震荷載下,預(yù)制外掛墻板端部受力較大的特點;根據(jù)不同部位處的外掛墻板的水平、豎直接縫設(shè)計節(jié)點和防水構(gòu)造,使外墻接縫處滿足受力和防水要求。

(2)當(dāng)風(fēng)荷載較大時,風(fēng)碼技術(shù)可有效防止預(yù)制外掛墻板掀離梁位,使“內(nèi)澆外掛”技術(shù)應(yīng)用于超高層建筑。

(3)部品的質(zhì)量至關(guān)重要, PASS制度可控制施工全過程的質(zhì)量,并通過BIM模型模擬和工廠預(yù)安裝,避免構(gòu)件尺寸錯誤,安裝碰撞等問題的發(fā)生,提高了產(chǎn)業(yè)工廠安裝技能。

(4)安裝精度影響裝配式建筑的施工質(zhì)量,臨時安裝系統(tǒng)可有效控制外掛墻板的安裝精度。

(5)通過外掛墻板和疊合板鋼筋錯位防碰撞措施,可避免安裝碰撞問題影響施工效率。

(6)通過有效的施工組織管理,可實現(xiàn)內(nèi)澆外掛體系四天一循環(huán)的施工周期。

(7)通過香港和深圳兩個典型的超高層裝配式項目,為應(yīng)用“內(nèi)澆外掛”技術(shù)提供了較好的參考實例。

參考文獻:

[1] 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M]. 中國建筑工業(yè)出版社. 2014

[2] 麥耀榮,香港公共房屋預(yù)制裝配式建筑方法的演進[J].混凝土世界.2015

[3] 預(yù)制混凝土建造作業(yè)守則[M]. 屋宇署. 2004

[4] Yee, Alfred A., "Design Consideration for Precast Prestressed Concrete Building Structure in Seismic Areas" PCI JOURNAL, V36, No.3, May-June 1991, pp.40-55.