重庆市某工程装配式设计方案优选及建造关键技术研究

胡黎，李永福

（重庆建工建筑产业技术研究院有限公司，重庆 400082）

1 工程概况

当前，世界大约50%的住宅开发在中国，我国在住宅制造和使用过程中消耗的能源占社会总能耗的30%，相关建材的生产能耗占16.7%[1]。为牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，国务院和各省市发布了多项文件，对装配式建筑发展提出指导目标和方案。其中，《重庆市人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑的实施意见》要求，力争到2020年全市装配式建筑面积占新建建筑面积的比例达到15%以上，到2025年达到30%以上。

重庆市某高校宿舍楼工程，一期建筑面积约170000m2。根据合同要求，该工程约40000m2的建筑需采用装配式方案建造技术。经研究发现，本科、硕士、博士3栋楼宿舍楼造型较为规整，建造形式大致相同，适合采用装配式方案建造技术，本文以该项目博士生宿舍为例进行说明 （图1）。博士生宿舍总建筑面积16947.50m2，其中地上建筑面积 16227.50m2，地下建筑面积720.00m2，建筑高度27.600m，地上8层，地下1层（局部吊层）。主体结构设计使用年限50年，抗震设防烈度6度。

图1 重庆某工程宿舍楼3D设计效果图

2 装配式设计方案优选

2.1 方案概况

为达成业主要求的节点工期，必须选择技术成熟度高、施工速度快、质量易得到保证的装配式方案，同时，要考虑后期使用体验感和维修率。因此，对重庆和成都装配式建筑实施情况进行了考察。经多次讨论，主体结构梁柱初步形成4种装配式方案：全PC方案、竖向结构采用钢管混凝土的钢框架方案（为做区分，本文简称为钢管混凝土方案）、钢柱内不浇筑混凝土的普通钢框架方案（本文简称钢框架方案）及交错桁架方案（表1）。

表1 装配式方案概况

传统钢结构楼板主要采用钢筋桁架楼承板，价格较高，且在不做吊顶的情况下，作为宿舍的顶棚在建筑美感上有所不足，所以该工程的楼板统一采用PC叠合板；楼梯采用预制混凝土楼梯；内隔墙采用ALC板，经济和质量较为理想；维护墙体的条板墙，总体造价高昂，造价超过普通砌体的3倍，且存在渗漏风险，故采用加气混凝土砌块。宿舍楼按要求进行全装修施工。

2.2 装配率对比

表2 博士生宿舍装配率对比表

装配式建筑是指结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。该工程按《重庆市装配式建筑装配率计算细则（试行）》进行装配率计算。计算时，按主体结构、围护墙与内隔墙、装修和设备管线三大类进行评价，并利用BIM技术，快速建模，得出初步工程量，作为各方面对比的依据（表2）。

2.3 工程量对比

经过初步计算，其主要工程量如下：

（1）全PC方案：基础总计133个直径约1200mm桩；主体含钢量约 32kg/m2（梁 12kg/m2，板 6.5kg/m2， 墙 12kg/m2， 柱1.5kg/m2）；混凝土用量约0.3m3/m2。

（2）钢管混凝土方案：基础总计133个直径约1200mm桩；主体用钢量约56.4kg/m2（钢柱26.3kg/m2，钢 梁 22.9kg/m2，楼 梯及其它7.2kg/m2）；混凝土用量约0.14m3/m2。

（3）钢框架方案：基础总计133个直径约1200mm桩；主体用钢量约85kg/m2（钢柱52.2kg/m2，钢梁 25.6kg/m2，楼梯及其它7.2kg/m2）；混凝土用量为 0.12m3/m2。

（4）交错桁架方案：基础总计68个直径约1200mm桩；主体用钢量约49.6kg/m2（钢柱15.1kg/m2， 钢梁22.9kg/m2， 支撑 4.3kg/m2，楼梯及其它 7.3kg/m2）；混凝土用量约0.12m3/m2。

2.4 基础及主体施工工期对比

（1）预制PC方案：预计基础工期50d，主体结构100d，共150d。

（2）钢管混凝土架方案：预计基础工期50d，主体结构75d，共125d。

（3）钢框架方案：预计基础工期 50d，主体 60d，共 110d。

（4）交错桁架方案：预计基础施工 30d，主体 60d，共 90d。

2.5 装配式方案确定

根据以上预计方案对比可以发现，预制PC方案造价略低于交错桁架，但工期长，且无法满足装配式建筑装配率50%，故预制PC方案首先排除。再通过对比钢管混凝土、钢框架及交错桁架方案，装配率方面几乎相同，而交错桁架方案的工期最短，造价最低，理论上为该工程最优方案，但交错桁架体系在国内应用的实例仅2起，该工程的设计及施工人员均从未参与过相关工程，设计难度大，结构设计人员最终放弃了采用该方案。钢管混凝土方案造价明显低于钢框架方案，但工期略长。

综上，最终选择了钢框架方案。

3 建造关键技术

3.1 BIM深化设计

BIM技术的核心是信息集成。BIM技术目前在国内一些大型工程如北京水立方、上海中心大夏等已经得到了较好的应用，尽管国内研究和应用起步较晚，但BIM技术在设计、施工和维护管理阶段的作用正在得到一步步证实[2]。在装配式建筑设计阶段，由于装配式建筑设计多专业协同难度大、精细化程度要求高、设计内容要求全、成本管控严的特点，传统设计方式无法满足装配式建筑的需求，但BIM技术能从可视化、协同化、参数化这三方面达到装配式建筑构件拆分的目的[3]。

该工程利用BIM相关软件，建立结构模型、机电管线模型、装饰模型（图2）。通过对机电管线深化、排布，确定构件预留洞口、预埋管位置，复核管线交叉、管线排布尺寸，进行结构与机电管线的碰撞检查，形成碰撞分析报告，根据报告中的问题制定相应对策，并利用结构模型直接出深化设计图。最终保证了该工程所有的预制构件几乎未出现明显预留预埋错漏，且大幅降低了传统施工构件设计不合理造成的现场返工量大的情况，也降低了整个工程的工期及造价。

图2 BIM模型

3.2 叠合板与钢结构连接节点优化

装配式建筑构造节点设计的要求如下：第一，节点设计的构件要具备优良的使用功能。构件材料要通过车间生产完成，设计中要以信息化与标准化、规范化为主，以质量可靠为目标进行设计规范化处理。第二，节点设计要减少施工困难[4]。

叠合板通常与混凝土梁相组合。根据《桁架钢筋混凝土叠合板（60mm厚底板）》（15G366—1）的要求，叠合板在梁上的搁置长度为1cm。而该工程采用叠合板与钢结构的组合形式，两种构件都是在工厂加工，现场组装。而1cm的加工及施工总误差在所难免，容易致使叠合板无法搁置在钢梁上，从而导致浇筑混凝土时漏浆，甚至造成安全隐患。但叠合板搁置长度过长又会与钢梁上的剪力钉冲突。最终从多方面考虑，将栓钉略微内移，叠合板搁置长度定为2cm，并对互相碰撞的钢梁栓钉及叠合板钢筋进行调整（图 3）。

图3 叠合板与钢梁连接节点大样图

传统叠合板需采用满堂脚手架，而该工程创新地利用钢梁承重的特性，取消梁两侧的立杆，采用支撑加强体系的抱箍（图4），而跨中只设1至2道立杆支撑。该形式避免了叠合板未搁置在梁上造成倾覆等安全隐患，方便人员进行施工作业及检查，减少对堆场的要求。在成本上，对比满堂脚手架，节约30%左右；在空间上，作业层下只有局部立杆，节能80%。

支撑加强体系包括抱箍、销杆、可调支撑、木方等。其中抱箍由8mm钢板及两根48*3的圆管组成，底座为钢管C16槽钢制成，底座上方的可调节支撑由48*3的圆管构成。工人利用抱箍的功能特点，将该产品固定在钢架梁上，实现钢框架工具式抱箍，调节可调支撑的高度，托起PC叠合楼板，达到自承重的效果。

图4 钢梁、叠合板组合支撑加强体系抱箍示意图

3.3 墙体与钢结构连接及防开裂节点优选

钢结构变形能力强，可以满足结构抗震的需要，但墙体刚度很大，与钢结构的变形不一致，容易在相交处产生裂缝。连接节点必须考虑变形能力，材料间要预留出一定的缝隙，允许其变形，又要求缝隙不能影响建筑的正常功能。

（1）该工程条板墙与主体结构之间采用柔性连接，以防止出现裂缝。缝隙用专用嵌缝剂填充并用PU发泡剂封堵。同时为了建筑美观，钢梁的上下翼缘之间砌筑加气混凝土，并在不同材质交界处挂耐碱玻纤网格布（图5）。

图5 挑板节点大样图

（2）墙体开裂不仅影响美观，还会造成渗漏等质量问题，外墙对墙体开裂的要求更为严格。同时为满足节能要求，外墙热桥柱采用加气混凝土外包，使外墙砌体为一个整体（图6）。

图6 砌体外包大样图

4 结论

该工程虽然选用了钢框架方案作为最终的施工方案，在装配率、造价、工期上做到了综合较优，但其余三种方案也是值得我们研究的。交错桁架体系应用较少，设计难度大，在建筑形状规整时，其造价最低，工期最短。钢管混凝土柱虽然会造成工期略微增加，但也将明显降低造价，在工期允许时，仍是一种值得采用的结构形式。而全预制PC结构，工期较长，且为满足装配率要求，其外墙必须使用非砌筑施工，如果能找到一种价格合适且不易渗漏的新型条板墙，在工期允许的情况下，也是有一定的使用价值的。

在建造关键技术方面，BIM技术的应用，可以以非常直观的方式完成对应的深化设计，及时发现构件冲突，大幅降低了设计错漏，但要达到BIM技术与装配式更加紧密的结合，还要在今后的实践中进一步磨合与完善。与此同时，不同构件连接的节点，特别是外墙开裂的措施优选，也是整个施工中的重点。