装配式设计和建造方式在学校公寓楼中的应用

王东星

（中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030000）

“低碳化”和“绿色化”的学校公寓楼与校园，是可持续发展思想在学校建筑上的体现[1]。“绿色校园”概念是由丹麦于1991年提出的，经过数年的发展，“绿色校园”已成为当今世界发展的趋势。在我国，绿色校园建筑不仅能满足教育市场发展素质的需要，而且也能符合建筑业可持续发展的要求。在建设“绿色校园”的过程中，要把“节能”和“环保”作为建筑设计、开发、建造的基本要求，以确保建成后的建筑在投产使用后可以发挥预期的经济效益与社会收益。为满足此方面需求，将装配式结构建筑作为校园公寓楼建设的主要方向，本文将以此为切入点，对装配式结构建筑进行建造与设计。

1 项目实例分析

1.1 工程概况

根据工程项目的建造需求，本次研究的工程为某高校公寓楼建筑，在建设项目中包括5栋建筑，可将其为D1、D2、D3、D4、D5，其中D1、D2、D3、D4建筑为高校内本科学生居住，D5建筑为高校内研究生居住[2]。对应建筑的基本情况见表1。

表1 装配式建筑项目基本情况

在此基础上，对D1、D2、D3、D4、D5建筑中的预制构件分布情况进行统计与分析，具体内容见表2。

表2 D1、D2、D3、D4、D5建筑中的预制构件分布情况

在明确建筑中预制件的分布情况后，分析该建筑的设计标准，具体内容见表3。

表3 装配式结构建筑项目的设计标准

本工程项目在施工中使用的钢筋混凝土结构均按照剪力墙-异形柱框架结构设计，建筑主体结构中梁结构、柱结构均为现浇结构，装配式结构主要应用在建筑的预制阳台中、预制叠合板中、预制楼梯中、预制保温夹心外墙板中。

在建造前，所有的建筑构件均需要在指定工厂中生产，完成生产后，对预制件强度进行检验，例如检验后强度达到设计标准，可以对预制件进行出厂应用、施工现场拼装，如果检验后强度未能达到设计标准，就说明制造的成品不符合工程项目施工需要，应结合项目的具体需求与工程建造标准，安排预制件返厂。

1.2 装配式设计和建造中的受力分析

考虑装配式结构建筑在建造中涉及脚手架施工，为确保预制混凝土建筑的施工质量符合规范，建立脚手架有限元模型及其在施工中的平面、侧面、立面图，如图1所示[3]。

在图1中，需要全面考虑施工人员在脚手架上拼装或吊装构件时的均布荷载，以保证施工的稳定性。计算脚手架均布荷载如公式（1）所示。

式中：q为脚手架均布荷载；g为挂架自身重力表；a为外挂架的长宽比值。

在此基础上，应明确施工中叠合板结构是建筑主体结构中的主要支撑体系，为确保支撑体系的稳定性，对结构的顶部立杆段、非顶部立杆段进行受力计算，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：I1为装配式建筑中叠合板结构顶部立杆段受力；k为支撑段立杆附加长度系数；μ1、μ2为支撑端稳定参数；h为支撑端长度；b为立杆整体长度；I2为装配式建筑中叠合板结构顶部非立杆段受力。根据上述内容，明确装配式建筑中叠合板在建造过程中的立杆最大横向间距，如公式（4）所示。

式中：N为立杆最大横向间距；q为混凝土强度等级。

参照上述方式，对装配式建筑建造与设计过程中的结构相关参数进行计算，为校园公寓楼结构体系的深化设计提供技术支持。

1.3 结构体系深化设计

在上述内容的基础上，参照相关文件，对建筑框架结构不同地震条件下的弹塑性进行计算，得到工程项目具体结构的设计参数。

以此为依据，对装配式建筑结构的体系进行深化设计，在设计过程中，辅助使用ALLPLAN软件，对预制件进行精细的三维造型设计，自动生成预制件的加工图纸、平面布置图以及配料表。预制件是装配式建筑的主要组成部分，预制件的构造和连接是装配式建筑建造的关键，因此，需要根据工程具体需求，设计预制件的节点，设计内容包括内、外墙连接与施工；地板连接与施工；预制构件与施工构件的连接与施工等[4]。在施工中，各类节点结构的设计既要符合热工、防火、隔热等需求，又要满足建筑设计中的外观方面要求。

2 装配式设计和建造方式应用

2.1 外墙围护结构设计

学校公寓楼项目的东、西两面墙都是预制混凝土夹芯绝缘外墙板，其混凝土的强度等级是C35，夹心保温外墙面板厚度为200mm（包括50mm的外面层，70mm的保温层，80mm的内面层）。安装完毕后，利用预留的内面层两侧及顶部的拉结筋，分别与柱梁和梁端连接，下面层经注浆孔注浆与楼面梁连接，构成一套隔热的外墙围护体系。

内外墙用钢筋桁架相连，每隔350mm设一根。夹芯隔热面板的中部为XPS隔热面板，周围用55mm厚的泡沫玻璃隔热面板（A级耐火材料）密封[5]。预制夹芯隔热外墙只须承担风力及自重。在内页墙体的底面留有两个45mm直径的小孔，用来连接梁顶预埋的插筋。埋设钢筋的形状为“L”形，锚固在梁体中的总长度为18mm，露出长度为180mm。外贴装配式墙体节点具体构造细节如图2所示。

图2 外贴装配式墙体节点具体构造细节

在预制外墙板的周围节点处，涂第一层防水的有机硅密封胶。在预制构件的内侧，是由弹性材料制成的环形衬里，起到了第二层的防水作用[6]。在上下两层防水层间，设置结构式防水层，使其成为封闭的降压式空舱。在外墙面板下端与梁顶部预留15mm的空隙进行注浆处理，在吊运前使用特制的橡胶垫块进行找平和铺设。在外墙面板的内面层的底部，设置两列共计4个孔径为45mm的注浆孔，横向间距为1600mm，上下间距为350mm。在外墙上各注浆孔注浆完成后，对外墙两侧进行封层处理[7]。外墙侧封仓构造如图3所示。

图3 外墙侧封仓构造图

在墙板吊装到位后，每块壁板都需要暂时用两根对角线支撑固定。角支护的上半部分必须用事先准备好的连接装置固定好。上端的支撑位置是距离盘面的三分之二，对角线支座的底端与地埋在一起。两根对角柱间的距离为1.2～1.5m，与地面成40°～50°。

2.2 预制板建造与连接

本工程除4楼采用C35外，其余楼面均采用C30，后浇层厚度为70mm～90mm。在叠合板材的预制构件中，应设置网格筋，网格筋的位置应与叠合板材在吊装过程中的主要应力方向相一致，网格筋间的距离应为600mm。叠层钢板采用单面钢板，采用分体式接头，保证吊装的精度。当大平板分成两个或多个平板时，在平板间设有调节缝，调节缝的宽度应为5mm，平板与梁和墙体的搭接长度应为8mm。在基础安装就绪前，在跨中和距离基础500mm的位置上，用立杆和横梁组成临时支承，通常要保证两层以上的连续使用。各层的支撑应该在相同的垂直线上排列。在节点的设置方面，采用较为成熟和可靠的规范的节点方式，以便于施工和安装，不仅降低了成本，还保证了项目的质量[8]。具体连接构造如图4所示。

图4 叠合板与梁中支座连接构造示意图

本项目采用45mm的预制楼面板，65mm的后浇层。四楼的学生宿舍使用的是C35，其他楼层的混凝土是C30，均为单方向叠合。每块钢板上都设置了两根纵筋，纵筋间相隔550mm。在预制平台和后浇混凝土叠合层的结合部形成4mm或更大的人造表面且该表面的面积不能小于结合部表面的80%。叠合阳台和楼板的结合部预留锚固钢筋，待楼板吊装就位后，将锚固钢筋锚固于楼板，和楼板上现浇混凝土一起浇筑于楼板上。

2.3 预制楼梯连接施工

本项目计划应用一种层厚140mm，C30级，采用铰链结构的楼梯板，对学校公寓楼预制楼梯进行施工。上部为固定铰，下部为滑动铰，把安装位置标在阶梯上，为墙体绘制海拔控制线。将厚2cm的M10胶黏剂铺在阶梯上部及下部的梁板上，并采用干燥后的M10胶黏剂。为预制楼梯的施工制定控制线，检查控制线和标高，以控制施工高度。楼梯边与建筑物墙壁间留有约2.5cm的空间，用来做保温砂浆。在吊装及就位过程中，一定要保证台阶由上至下，并在工作楼层上方30cm处稍作停顿，使台阶边缘与台阶横梁上的安装点线对齐，然后缓慢地停止。基础就位后，用铁锹将阶梯移至适当的位置并放置。在阶梯部分修正完毕后，将阶梯上部的垫片用连接角钢筋与平台部分的垫片进行焊接。后续进行内墙装修时，须用密封材料填塞扶梯间连接部位。

3 结语

随着建筑工程项目的建设管理与施工技术的不断提高，预制构件的制造质量与精度也不断提高，装配式建筑在市场内广泛应用且发展迅速。将装配式建造技术应用于学校公寓楼的建造中，不仅可以解决当前教学住宿资源紧缺的问题，还可以打造一个绿色、低碳、环保的校园，符合国家目前发展装配式建筑的政策，可以更快地推动建筑产业化的发展。因此，本文进行了此次研究，希望通过研究，能够为我国教育市场的持续化发展提供技术支持与帮助。