中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土桩分会

建筑工业化的结构体系和关键技术

来源:建筑结构[2016/10/19]

核心提示:建筑工业化不仅是施工问题,而且与建筑、结构设计关系也极大。设计是龙头,应该为建筑工业化创造条件,建筑的结构体系施工,施工单位不能也无权决定或修改结构设计,就是一些建筑构件做法也都要经过设计认可,因此要求设计单位应该把建筑工业化揉在建筑结构设计的全过程中,为建筑工业化创造条件。

  建筑工业化不仅是施工问题,而且与建筑、结构设计关系也极大。设计是龙头,应该为建筑工业化创造条件,建筑的结构体系施工,施工单位不能也无权决定或修改结构设计,就是一些建筑构件做法也都要经过设计认可,因此要求设计单位应该把建筑工业化揉在建筑结构设计的全过程中,为建筑工业化创造条件。设计成果的内容和深度是构件生产、施工阶段对设计需求的结果。而在装配式建筑中,设计与生产又存在着不可分割的联系:设计便于生产制造中成本降低;生产工艺改进促使设计灵活性提高,设计与工艺成为了一个互利互进的关键环节。

  (一)工业化建筑的设计分析

  1.从构件生产工艺角度来看深化设计需考虑以下几个环节:

  1)构件详图:制作适合生产的构件详图,包括模板图、配筋图。

  2)模具图纸设计:符合模具设计的初步构件图可以在构件外观尺寸确定后提供,设计师根据需要可审核模具图。

  3)模具加工:尽量考虑模具使用的通用性及重复利用率。

  4)工厂备料:设计确定构件的所有预埋件型号、外饰面材料、门窗型号等。

  5)绑筋、组模、预埋:构件图中需明确表示配筋要求、预埋件的定位、防雷设置要求,注意位置避免互相干涉打架。

  6)混凝土浇筑:构件图需表达不同构件所用混凝土的标号。

  7)脱模、养护:构件图需表达脱模的吊点、吊具型号及位置。

  2.从构件物流运输角度来看深化设计需考虑以下几个环节:

  1)构件养护:是否达到脱模、起吊强度要求,要求达到设计强度75%以上。

  2)成品堆放:构件详图明确构件编号、楼栋号、层号、轴线及构件顺序,构件表面喷涂相应信息。

  3)成品质检:对应构件详图检验钢筋外露尺寸、构件尺寸等,发放合格证或准用证。

  4)构件装车:构件拆分尺寸考虑车辆宽度及载重要求,配备专用构件运输架。

  5)构件质量检查:深化设计图纸明确构件验收标准。

  (二)工业化建筑的结构体系分析

  工业化建筑是指采用构配件定型生产的装配施工方式,按照统一标准定型设计,在工厂内成批生产各种构件,然后运到工地,在现场以机械化的方法装配而成的建筑。

  1.外墙挂板体系:

  内墙用大模板以混凝土浇筑,墙体内配钢筋网架;外墙挂预制混凝土复合墙板,配以构造柱和圈梁。便于施工,加快进度,提高建筑的工厂化加工,确保工程质量和不降低抗震能力的前提下节省建设投资。

  预制部件:外墙、叠合楼板、阳台、楼梯、叠合梁

  体系特点:竖向受力结构采用现浇,外墙挂板不参与受力,预制比例一般10%-50%,施工难度较低,成本较低。

  适用高度:高层、超高层

  适用建筑:保障房、商品房、办公建筑

  2.装配式框架体系

  预制装配式框架结构体系是按标准化设计,根据结构、建筑特点将柱、梁、板、楼梯、阳台、外墙等构件拆分,在工厂进行标准化预制生产,现场采用塔吊等大型设备安装,形成房屋建筑。

  预制部件:柱、叠合梁、叠合楼板、阳台、楼梯等

  体系特点:工业化程度高,内部空间自由度好,室内梁柱外露,施工难度较高,成本较高。

  适用高度:60米以下

  适用建筑:公寓、办公、酒店、学校等建筑

  3.装配式剪力墙体系

  “装配剪力墙结构”是“装配式混凝土结构”的一种类型,其定义是主要受力构件剪力墙、梁、板部分或全部由预制混凝土构件(预制墙板、叠合梁、叠合板)组成的装配式混凝土结构。在施工现场拼装后,采用墙板间竖向连接缝现浇、上下墙板间主要竖向受力钢筋浆锚连接以及楼面梁板叠合现浇形成整体的一种结构形式。

  预制部件:剪力墙、叠合楼板,叠合梁、楼梯、阳台、空调板、飘窗、户隔墙等

  体系特点:工业化程度高,预制比例可达70%,房间空间完整,几乎无梁柱外露,施工简易,成本最低可与现浇持平、可选择局部或全部预制,空间灵活度一般。

  适用高度:高层、超高层

  适用建筑:保障房、商品房等

  沈阳万科和沈阳市政府合作建设万科春河里项目位于沈阳市青年公园附近,总建筑面积45万平方米。按照土地招拍挂要求须采用装配式施工方案,目前装配式建筑最高达为31层(96米),使用产品包括外墙板、内墙板、叠合楼板、楼梯、空调板、PCF等,项目于2011年7月开工。

  4.装配式框架-剪力墙体系:

  预制部件:柱、剪力墙、叠合楼板,阳台,楼梯、户隔墙等;

  体系特点:工业化程度高,施工难度高,成本较高,室内柱外露,内部空间自由度较好。

  适用高度:高层、超高层;

  适用建筑:商品房、保障房等。

  (三)推进我国工业化的技术步骤

  首先要发展工厂化和装配化,因为在工厂制作可以改变生产条件,大大提高机械化和自动化水平,尤其是建筑物量大面广的结构构件,宜尽量在工厂内生产(包括RC及钢结构构件),但也必须从实际出发具体分析。

  如建筑外墙板(包括承重和围护外墙板)在工厂内预制运至现场安装,具有巨大优势,可在工厂内一次制成装饰结构和保温三合一的外墙板运到现场安装,外立面即可完工亮相,大大减少了施工工序、劳动力、多次外脚手架的搭拆和长时期的高空危险作业,减少现场作业,消灭了砌筑、抹灰等笨重体力劳动,加快工程进度,做到现场文明绿色施工。

  内承重墙(剪力墙)则完全不同,近年来普遍采用的大模板、钢筋点焊网片、商品混凝土和混凝土泵及布料杆等,除振捣外几乎全部都是机械作业,机械化水平已经很高了,这套工艺已经达到了工业化施工水平,还有利于抗震,减少由于墙体装配连接带来的一系列复杂工艺,所以现浇混凝土工艺不一定不是建筑工业化。

  至于非承重内隔墙还是采用预制轻质混凝土圆孔条板,也不排除整块预制墙板在结构施工时插入。

  关于RC楼板的工艺在地震区还是采用叠合楼板,以解决墙板节点整体性问题,在非地震区仍可采用预制楼板,但需改进墙体与楼板的节点现浇。楼板施工重点要解决模板工艺,因模板大量消耗木材等物资资源,又费工、费时,改革模板工艺就可以在RC楼板施工的工业化方面迈进一步,至于现浇楼板、剪力墙等钢筋施工,应采取工厂预制的点焊钢筋网片,钢筋成型加工一律由工厂生产。

  近几年我国已大规模在众多高层或超高层工程的核心筒部位推广了液压爬模,这也是一种模板工业化施工很好的体系,建议以后还应该在RC剪力墙结构的高层住宅建筑中推广应用。

  对于一些小型构件如楼梯、阳台等更应该全面采用预制装配工艺,减少现场作业。

  RC无梁楼盖也是“建筑工业化”的重要体系之一。新规范对这种体系在地震区进行了限制(高度不超过30m),这种体系30年前就在美国大量推广,可见其优势,其施工特点是楼板可采用工具式大型飞模,楼板钢筋采用点焊网片,外墙为轻质挂板,内隔断为轻钢龙骨石膏板,RC柱子采用快速整体支、脱模。这种体系除外墙板是预制装配、内隔墙是干作业外几乎全是现浇RC构件,但其工业化施工水平却是非常高的。

  RC框架结构实现工业化施工,宜先从三合一预制装配外墙板,剪力墙采用大模板快速整体支、拆柱模,RC叠合楼板和预制装配内隔墙(或干作业)等方面抓起。

  总之,RC结构施工要实行工业化还是采用预制装配与现场现浇相结合的施工工艺,尤其是地震区和高层建筑,这要从我国实际出发,建筑工业化不在于预制装配或现场现浇,关键是要提高劳动效率和机械化水平。

  在装饰、机电施工工业化方面,总的精神是取消或大大减少现场湿作业、消除砌筑抹灰等强体力劳动,减少手工作业,最大程度地实行工厂预制、现场组装的工艺。

  门窗全部在工厂制作并组装成整体运至现场整体安装,外门窗也要在预制外墙板的生产厂内安装完成后再出厂。

  卫浴、厨房宜采取标准模数式设计,采用标准部配件和定型设备,有条件最好采用厕、厨匣子结构,在厂内整套组装好后运至现场整体安装。

  装饰和机电虽然工作量不如结构大,但品种复杂,工序频繁,相互交错,并且不少项目在工厂内预制有诸多不便,需进一步探索。

  (四)工业化关键技术研究

  1.PC墙体

  在许多发达国家由于人工成本很高,工业化生产的住宅不但品质好、施工速度快,甚至比传统的现场施工造价更低,其成熟的技术已经得到广泛的认可,并逐渐成为住宅生产的主流方式,其中用预制混凝土构件(Precastcomponents,简称PC)建设的PC住宅以优良的性能在不同国家受到普遍欢迎。

  建筑的预制构件是实现建筑工业化生产的基础构件,是半成品,如板、梁、板墙、楼梯、住宅单元等。

  预制混凝土外墙(PC外墙)板模板主要采用钢模,钢筋加工后整体绑扎,然后调到模板内安装,混凝土浇筑后进行整体养护。生产过程中的模具清洁、钢筋加工成新、面砖粘贴、窗框安装、预埋件固定、混凝土施工即蒸汽养护、拆模搬运等工序均采用工厂式流水施工,每个工种都由相对少数固定的娴熟工人实施操作。

  与传统的现浇结构相比,预制混凝土结构整体现浇的外板,保证了结构构件连接的整体性、连续性,不会因不同材料热膨胀系数之间的差异而引起的砖墙与混凝土接缝处开裂,导致渗水的现象。但是另一方面,由于众多板块拼接,势必会产生预制板墙之间的水平缝和竖向缝等纵横交错的板块拼缝,从而有可能产生渗漏现象。

  2.PC外墙防水技术

  常见的外墙拼接防水技术有三种,一般采用构造与材料防水相结合的方式:

  (1)水平拼缝排水;

  (2)垂直拼缝排水;

  (3)预制窗板窗框防水。

  水平拼缝防水:

  在水平拼缝防水技术中常见的防水措施有三种:

  1)材料密封防水做法;

  2)采用物理防水的方式――空腔构造防水排水;

  3)为空心密封条防水。

  水平拼缝:最外侧可采用材料密封防水的做法,将最外层作为材料密封防水层,可选用耐候硅胶等高分子密封胶将拼缝最外侧密封,直接阻止水气进入接缝。拼缝中部是构造形成的空腔,采用的防水方式是分别在上下两块预制混凝土墙板相应的部位设置凹槽,这样在两块板墙拼接时就会形成一个内高外低的空腔。同时可以在空腔的下部也就是在下块板的顶部设置一个排水槽,并将排水管设置在排水槽的近端垂直拼缝底部。在预制墙板的拼接内侧采用的防水措施是在内侧设置空心橡胶止水条。

  垂直拼缝防水:垂直拼缝防水措施就是设置竖向空腔。节点竖向空腔可以有效的防止水流向内侧,同时也可以通过下部设置的排水管排出流入水平空腔的水。为了使防水更加的安全有效、阻挡渗入的水汽,可以在空心橡胶止水条后部设置现浇混凝土结构。

  预制窗板窗框防水:采用铝合金窗框与预制混凝土板浇灌的方法,将PC外墙的外门窗框直接预埋于预制混凝土板中,铝合金窗框与混凝土墙体被一次性制作成一个整体,从工艺上解决了外门窗的渗透问题,大大提高防水性能并可以有效的减少施工现场工程量,同时也提升了房屋的性能,改善了客户的居住质量。

  3.PC外墙尚未解决的难点问题

  虽然目前PC墙体得到广泛的认可,应用范围也在逐渐的扩大,但仍然存在许多问题尚未解决:

  (1)就PC墙而言国内技术的整个系统并未能达到工业化的标准。建筑工业化需要一个完整的设计、生产、运输、施工安装、后期维护的产业系统。每个环节,环环相扣并需要相应的技术、人才及法律法规的相互配合。但国内在这些方面还只是初期阶段。就开发研究需要强大的技术和资金支持就这一项目而言,国内现在不管从政府还是企业都还在探讨和博弈中。

  (2)成本方面的较量:国内廉价的“人口福利”虽然在快速消失,但在建筑这一劳动密集型产业中,毕竟有着强大的劳动力基础。比起花大价钱建造PC墙体的生产场地、从国外进口生产线、高标准的技术人才、运输费用及吊装所需设备及安装限制等,砌块墙体所需要的运输、安装、养护及技术方面所需的投入就倍显其现阶段的优势――所以还是市场限制其发展。

  (3)防火及防水配件不成熟:现在国内使用的防火材料不太能满足PC墙体与楼板之间的防火要求及墙体变形要求。还有就是PC墙体四周都需防水胶条,但国内产品一般太易老化,大大降低了PC墙体系统的防水能力,并且胶条的使用周期和PC墙体的使用周期还存在严重不匹配的问题。

  (4)设计及施工技术的转型未完成:由于国内近30年粗糙的设计要求及粗矿型的施工方法使得国人对精细化和人性化的建筑环境暂时还没有更高的要求。但是随着人们对自己身处环境认知程度的不断提升,对生活质量的无止追求,建筑的“产品”性将慢慢体现出来。

(责任编辑:徐洁)

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