装配整体式夹心保温剪力墙项目设计实践与思考

2022-07-23WUYue

住宅科技 2022年6期

■ 吴越 WU Yue

0 引言

近年来，上海市在落实装配式建筑推进工作的同时，积极在装配式建筑领域推进一体化、集成化技术应用。从2020 年开始实施的新版上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则，对于实现对应集成效果的承重墙和非承重外围护，在计算预制率时其修正系数有相应加分。此外，2014 年出台的《关于推进本市装配式建筑发展的实施意见》（沪建管联〔2014〕901 号），给予了夹心保温装配式建筑不超过3%的容积率奖励。虽然，2021 年发布的《关于推进本市超低能耗建筑发展的实施意见》（沪建建材联〔2020〕541 号）已将此3%容积率奖励调整给了超低能耗建筑，但能得到此奖励的项目除了要满足《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》（沪建建材〔2019〕157 号）的要求，还需采用外墙保温一体化技术。即采用外墙保温一体化技术，仍是项目获得此容积率奖励的前提。若外墙保温一体化项目因自身情况限制实施超低能耗建筑有难度，还可以考虑只申请1%容积率奖励。目前，上海市认定的外墙保温一体化技术具体包含：夹心保温、预制反打保温、复合保温模板三种形式。对于上海市寸土寸金的实际情况，容积率奖励政策对于开发企业吸引力极大。

随着夹心保温技术的日益成熟，也受益于前文所述的相关政策影响，近年来装配整体式夹心保温剪力墙项目数量不断提升。另一方面，虽然落地数量逐年增多，但并不是每一个项目都是在项目设计初期即考虑到了其技术特点进行的正向设计。夹心保温，作为一种对设计、施工、管理等各环节技术水平都要求较高的保温形式，需要相关人员在项目具体实施前，做好充分准备[1]。本文结合某装配整体式夹心保温剪力墙工程设计实例，总结装配式建筑设计及夹心保温项目应注意的一些设计要点和注意事项，为后续类似项目提供参考。

1 工程概况

本项目建筑面积约145 000 平方米，主要由46 栋3 层、1 栋7 层和10 栋8 层的住宅楼组成。除52#楼东单元采用内保温体系外，其他住宅楼均采用夹心保温体系。项目中除配套用房采用常规现浇混凝土结构外，其他建筑单体均采用装配式建造方式，且单体预制率均超过40%。项目工程效果鸟瞰图详见图1。

图1 工程效果鸟瞰图

2 结构及装配式设计

2.1 装配式建筑方案的确定

本文主要围绕项目中的1～46#楼，即46 栋3 层联排别墅展开。因为联排楼栋数量较多，本项目在设计初期，便考虑了户型标准化设计理念，通过户型组合、楼栋归并等方式，将该46 栋建筑单体分为7 种组合方式。这里需要着重提一下的是：装配式建筑的高质量发展离不开标准化、模数化设计理念的贯彻与实施，设计人员可从同一开发企业不同楼盘间的标准化、同一项目中不同楼栋的户型标准化、具体的构件标准化几个不同的维度来综合考虑。项目标准化程度高，意味着模具数量的减少，意味着装配式建筑建造效率的提高和建造成本的降低。另一方面，建筑师常常担心装配式建筑的标准化会带来建筑多样性的缺失，但高质量的标准化设计并不意味着完全的“标准设计”。设计师可通过“少规格、多组合”的方式实现具有创造性的、新意的装配式建筑外观[2]。比较著名的案例，如澳大利亚的波浪大楼，就是通过标准化的预制构件，实现了具有韵律的外立面。

这46 栋楼的预制构件主要由预制剪力墙、预制非承重外围护墙、预制凸窗、预制楼板组成。在常规项目的预制构件种类选择上，楼梯作为一般情况下标准化程度较高的预制构件，往往会被作为预制的优先选择。但因本项目楼梯采用环绕式三跑楼梯、各层楼梯标准化程度低等原因，楼梯采用现浇形式[3]。因这些楼栋的层数较低，预制率指标计算较难满足要求，故本项目46 栋联排的夹心保温预制外围护墙、预制凸窗均从首层开始做起。

本项目的设计始于2018 年，当时上海市单体预制率的计算依据为《本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则(试行)》（沪建建材〔2016〕601 号）。目前，《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》（沪建建材〔2019〕765 号）已出台并实施，新版计算细则，鼓励高度集成化的外围护和高效的水平预制构件。此鼓励方向，具体从新版计算细则的两点调整可以看出：一方面，新版计算细则将砌筑外围护墙体同样纳入了预制率计算公式的分母；另一方面，新版计算细则中，预制构件的修正系数和预制构件的工业化程度息息相关，工业化水平高的技术工艺所对应的修正系数相应也高。对于实现了免抹灰、集成保温、集成外饰面、集成副框（窗框）的预制墙体，还有额外的修正系数加分。因此，像本项目这样，优先选择集成化程度高的预制外围护构件，在今后用新版计算细则计算预制率时会更具优势[4]。

在本项目设计时，新的容积率奖励政策暂未实施。近两年，因《关于推进本市超低能耗建筑发展的实施意见》的出台，实施保温一体化的项目若想拿到容积率奖励，项目的外墙、屋面及外窗等围护结构的热工性能还需比上海市一般的建筑节能设计标准要求提高15%以上，外墙保温一体化系统中一体化保温部分的比例也需要不低于80%。故后续夹心保温项目在设计时，一般需考虑部分配合以外保温材料做模板的保温形式，在保温材料不变的情况下保温层厚度一般也会有所增加。当项目需配合以外保温材料做模板的保温做法时，设计师需考虑到外保温和夹心保温厚度不同对外立面造成的影响。平面上，尽量将两种不同保温形式的交界面设置在转角位置。对于高层项目，可能还会面临底下两层现浇结构层主要采用外保温材料做模板、上面预制层主要采用夹心保温的设计方案[5]，此时可考虑通过在接触面位置合理设置线条等方式处理。

2.2 结构设计要点

本项目各水平预制构件间通过现浇带整体浇筑，满足刚性楼板计算假定；竖向预制构件间采用装配式建筑中最为常规的灌浆套筒连接，设计依据等同现浇理论。也正是因为这个原因，在结构整体计算时，本项目及一般装配整体式混凝土结构项目，与传统现浇混凝土结构的计算方法基本一致，只是在墙体荷载统计、相关计算参数的设定上，需结合装配式建筑特点进行部分调整[6]。

2.2.1 荷载取值

本项目采用了新版容积率奖励出台前上海市夹心保温墙体的常见厚度取值，即厚度一般最少取为300 mm，其中内叶板200 mm 厚为结构受力要求，中间40 mm 的保温层厚度是根据节能计算获得，最外侧的60 mm 厚混凝土外叶板主要起保护作用。其外叶板并不是叠合构件，即并不参与整体受力，在计算时需作为线荷载输入。其次，相较传统现浇结构项目，装配式夹心保温项目的绝大部分外围护墙由传统砌块材料调整为夹心保温预制混凝土，其容重相较砌块变化较大，故在非承重外围护墙的线荷载输入时需加以注意。

2.2.2 部分模型参数的调整

（1）我国目前装配式建筑的常规做法，除了钢结构之外，一般均未实现同一层内所有墙肢的100%预制。对于此种同一层内混凝土墙肢既有预制又有现浇的情况，相关规范明确：宜对其中现浇墙肢的水平地震作用弯矩及剪力乘以增大系数，且该系数具体不得小于1.1。对此，有两种具体处理方式，方式一：利用结构计算软件的装配式建筑设计模块，在建模时明确区分预制和现浇部分，软件将根据设置自动对现浇墙肢的计算结果进行放大。方式二：通过直接放大楼层地震力的方式实现。此项目根据当时审图老师的要求，采用了第二种处理方式。

（2）梁刚度放大系数的变化：考虑到叠合构件的刚度相较现浇混凝土梁板较低，故需将中梁和边梁的放大系数稍微调低。此外，梁端负弯矩调幅系数同需相应稍微调低。

（3）上海市目前的装配式建筑，外围护多采用预制混凝土代替传统砌块，这对结构本身的整体刚度影响较大，故项目的周期折减系数需适当微调降低。

2.2.3 项目超限情况

本项目2#楼存在平面凹凸不规则、扭转不规则及楼板局部不连续的情况，53#楼存在平面凹凸不规则、扭转不规则及竖向抗侧力构件不连续的情况，项目针对这两栋楼进行了结构抗震设防专项评审。

结合两栋楼的具体不规则情况，对结构的薄弱部位采取了必要的加强措施，如：针对结构平面扭转不规则，在设计时加高了外围框架梁高度，进而改善结构整体抗扭性能；针对楼板局部不连续，加厚关键部位的楼板厚度至130 mm，并加大楼板配筋，同时补充楼板有限元应力分析；针对竖向抗侧力构件不连续的问题，将转换构件的抗震构造措施等级提高一级，并补充了小震下的弹性时程分析。

超限的两栋单体，具体采用了PMSAP 和盈建科两个分析程序进行结构整体分析。采用了扭转耦联的阵型分解反应谱法，考虑了单向地震作用下±5%的偶然偏心和双向地震作用下的扭转效应。经计算，2#楼和53#楼的结构构件在多遇地震下均处于弹性工作状态。此外，还利用盈建科补充选用了五条天然地震波及两条人工波进行弹性时程分析，分析的结果表明，结构无薄弱层。

2.3 装配式结构设计

（1）连接件对于夹心保温墙板的正常、安全使用至关重要，我国目前使用最广泛的两种连接件主要是依据材料性质进行的分类，一类是金属连接件；一类是以玻璃纤维塑料，即FRP 为代表的非金属连接件。两种材料相比，非金属连接件导热率小，造价相对较低，但对预制构件生产过程中的产业工人质量控制要求相对较高[7]。本项目最终采用的是金属连接件。

（2）结合目前上海市保温一体化专家评审的要求及相关预制率指标计算要求，采用夹心保温形式的装配式建筑，预制外围护墙常常兜圈布置。故在转角处可能会出现角部相邻预制墙体相互碰撞的问题。此时，如未采取适当的处理方式，预制构件在现场吊装安装过程中将会发生相互磕碰甚至损坏的情况。此时，正确的处理方式为：需在紧邻的两个预制构件间设置施工空隙，宽度一般取为20 mm。具体又有两种处理方式，一种是将其中一边的构件后退，另一种是将其中一边构件的角部做成缺口，本项目采取了方式一，具体如图2 所示。

图2 施工空隙设置方式

（3）对于预制剪力墙板的水平外伸钢筋，当现浇边缘构件纵筋采用绑扎搭接时，预制墙板的水平外伸钢筋宜设计为开口形式，锚固长度不低于0.8laE，具体见图3。另一种情况，若预制墙板水平外伸钢筋采用封闭形式，现浇段构件纵筋宜采用焊接或机械连接形式，且机械连接需采用I 级接头，否则现浇段下端水平筋在现场摆放时将存在困难。而且，此时，节点钢筋的放置顺序十分重要，具体应该为：先进行预制墙体的吊装及安装，之后摆放现浇段的水平筋，最后插纵筋。此顺序宜直接体现在图纸中，并在施工技术交底时予以再次明确。否则，可能会出现施工现场工人将封闭箍筋先剪断再焊接的方式，有的甚至后续不再进行焊接，造成质量隐患。近年来，预制墙板水平外伸钢筋采用开口形式的项目数量越来越多。

图3 预制剪力墙水平外伸钢筋开口做法

由此也能看出，对于装配式建筑的结构设计，不仅需要具备结构设计相关经验，对结构设计师现场经验的丰富与否也具有较高要求。作为装配式建筑的结构设计人员，我们需要多思考，多去施工现场参观学习。或是多利用BIM 进行施工模拟，方便设计人员能够更快速的对施工工艺和工序产生直观的了解。

（4）预制剪力墙的竖向连接，是直接关系到装配式建筑质量的重要连接部位，其现场施工的难点主要存在于现浇转预制的转换层中。为保证此层的施工质量，施工图纸中应包含转换层的插筋布置图，出图前一定要最后核对此图，严防在深化设计过程中调整了部分预制构件套筒的排布后未同步更新插筋布置图的现象产生。此外，为了保障钢筋的定位准确性及施工的可操作性，现场在对插筋的相对位置进行控制时，可采用与构件厂生产该构件用的模具同套的钢制套板进行控制。在施工顺序的选择上，可采用在其他工种均完成施工后、混凝土未浇筑前再进行预留插筋定位的方式，这样可以有效避免相关操作对插筋位置的扰动，保证定位的精确性，降低后续施工操作的难度。