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行業(yè)資訊 | 華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與思考

廣東建筑工業(yè)化展     2019-09-16     2123

華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程中有8棟多層混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)采用了裝配式技術(shù)，預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制柱、預(yù)制主梁

、預(yù)制次梁
、預(yù)制疊合板
、預(yù)制衛(wèi)生間沉箱
、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺(tái)
、預(yù)制非承重圍護(hù)墻
、預(yù)制內(nèi)隔墻
、預(yù)制梁墻一體構(gòu)件以及局部預(yù)制剪力墻，裝配率均達(dá)到 A 級裝配式評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
。以此工程為例闡述了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
，包括拆分設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)
、BIM 應(yīng)用
、施工中的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，并介紹了本工程應(yīng)用的預(yù)制混凝土新型干法連接技術(shù)以及再生塊體混凝土預(yù)制構(gòu)件。


1

 工程概況


華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)( 簡稱國際校區(qū))由教育部

、廣東省
、廣州市及華南理工大學(xué)四方共建，總用地面積為1105922㎡
，擬建總建筑面積 140萬㎡ 
，其中地上建筑面積120萬㎡ ，地下建筑面積20萬㎡
。為縮短工期盡快投入使用
，項(xiàng)目采取分期建設(shè)的策略。一期工程總建筑面積達(dá)50萬㎡
，其中地上建筑面積40萬㎡
，采用由設(shè)計(jì)牽頭的 EPC管理模式，設(shè)計(jì)施工并行
。于2018年8月1日開始初步設(shè)計(jì)并同時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)施工圖設(shè)計(jì)
，第一批建筑于2019年7月10日交付使用，以滿足9月開學(xué)的需要
。


圖1

根據(jù)《廣東省人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見》

、《廣州市人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑加快推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)施意見》
，國際校區(qū)一期工程需有至少12萬㎡地上建筑面積的建筑采用裝配式
，且達(dá)到不低于A級裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮建筑形體
、建筑功能等條件后
，國際校區(qū)采用裝配式建筑的單體包括 B，C
，E
，S 共四個(gè)塊的塔樓，建筑面積共計(jì)15. 2萬㎡(圖1)
，地上建筑面積13.8萬㎡
。其中 B，C
，E 地塊4棟塔樓使用功能為教研用房和實(shí)驗(yàn)室
，B 地塊醫(yī)藥醫(yī)學(xué)研究院為13層，建筑高度61. 30m; C地塊材料基因中心為15 層
，建筑高度64. 40m; E地塊巖土工程研究院為10 層
，建筑高度 45. 90m，大數(shù)據(jù)研究院為15層
，建筑高度70. 00m
。S地塊為4棟學(xué)生宿舍，S1-A1
，S1-A2
，S1-B1
，S1-B2 分別為18，14
，12
，12 層，其建筑高度分別為 69. 60
，54. 80
，47. 40，47. 40m
。


圖2

采用裝配式建筑技術(shù)的各棟塔樓的建筑效果圖如圖2所示

，與旁邊采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式的建筑相比，裝配式建筑塔樓在保證裝配率的基礎(chǔ)上
，也較好地保留了建筑的個(gè)性化立面和凹凸造型
。


2

裝配式結(jié)構(gòu)專項(xiàng)設(shè)計(jì)


根據(jù)建筑方案，并結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念

，初步確定了結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件尺寸之后
，開始考慮預(yù)制范圍和與裝配式技術(shù)相關(guān)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。


豎向構(gòu)件


除了規(guī)范要求不采用預(yù)制的情況之外

，豎向構(gòu)件的預(yù)制范圍在擬定中還遵循了如下幾個(gè)原則: 

1.核心筒和剪力墻采用現(xiàn)澆

，除了C 地塊塔樓頂部的部分剪力墻采用預(yù)制之外，其他所有核心筒
、剪力墻均采用現(xiàn)澆; 

2.中震組合下出現(xiàn)拉力的豎向構(gòu)件采用現(xiàn)澆;

3.躍層柱采用現(xiàn)澆; 

4.剪力和彎矩較大的角柱采用現(xiàn)澆; 

5.因太重而超過塔吊能力的構(gòu)件采用現(xiàn)澆

。


在確定構(gòu)件預(yù)制范圍的過程中要經(jīng)過反復(fù)嘗試，比如在遇到構(gòu)件因太重而超出吊裝能力時(shí)

，嘗試提高塔吊起重能力
、更改塔吊設(shè)置位置、提高混凝土強(qiáng)度等級以減小構(gòu)件截面
、縮短預(yù)制構(gòu)件長度等方式
。每次更改豎向構(gòu)件預(yù)制范圍后，就需要將同層現(xiàn)澆豎向構(gòu)件在地震作用下的彎矩和剪力進(jìn)行適當(dāng)放大
。


圖3

豎向構(gòu)件的連接方式主要為全套筒灌漿連接和半套筒灌漿連接

。因套筒直徑大于鋼筋直徑，為了保證箍筋的混凝土保護(hù)層厚度
，與現(xiàn)澆柱相比
，預(yù)制柱的縱筋保護(hù)層厚度較大，分析時(shí)也做了相應(yīng)調(diào)整
。


預(yù)制柱安裝階段的難點(diǎn)主要在于如何使下層柱的縱筋對準(zhǔn)上層柱的套筒

。對于轉(zhuǎn)換層( 即下層為現(xiàn)澆柱，上層為預(yù)制柱) 節(jié)點(diǎn)，通常難以保證下層現(xiàn)澆柱縱筋的位置都能準(zhǔn)確對準(zhǔn)上層套筒
，故一般采用在現(xiàn)澆柱縱筋之外增設(shè)插筋
，同時(shí)上方加設(shè)兩道定位板( 圖3) 。


圖4

豎向構(gòu)件的預(yù)制工藝對安裝是否便利的影響很大

，舉一例說明
，如圖4所示。

圖4( a) 為套筒外接管道采用波紋管

，所有波紋管口都從柱的兩相鄰邊伸出
，該方式對于構(gòu)件廠很方便; 


圖4( b) 為套筒外接管道采用PVC 管，管口從就近的柱邊伸出

，在構(gòu)件生產(chǎn)過程中封閉模板時(shí)相對麻煩
。但安裝時(shí)明顯采用圖4( b) 的方式更好，不僅節(jié)省灌漿料
，而且不易堵管
。


圖5

C 地塊塔樓頂部的部分剪力墻為預(yù)制形式，連接方式采用了華南理工大學(xué)韋宏研究員與王帆教授研究團(tuán)隊(duì)提出的“基于鋼結(jié)構(gòu)連接方式的預(yù)制混凝土新型連接技術(shù)”

。以剪力墻水平拼縫連接為例
，其三維構(gòu)造示意圖如圖5所示。


預(yù)制剪力墻在安裝時(shí)采用型鋼高強(qiáng)螺栓連接

，可以滿足構(gòu)件在施工安裝時(shí)的承載力和穩(wěn)定性要求
。在暗柱和水平縫連接處理時(shí)，將水平后加鋼筋插入從預(yù)制構(gòu)件伸出的環(huán)筋中
，再后澆混凝土
。


圖5( a) 為上下預(yù)制剪力墻分離示意

，未安裝后加鋼筋
，圖5( b) 為已安裝水平及豎向后加鋼筋?div id="d48novz" class="flower left">
；阡摻Y(jié)構(gòu)連接方式的預(yù)制混凝土新型連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于鋼結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量可檢測
，且施工階段無需斜撐，方便后續(xù)裝修施工
。


水平構(gòu)件


除了規(guī)范要求不采用預(yù)制的情況之外

，水平構(gòu)件的預(yù)制范圍在擬定中還遵循了如下原則:

1.懸挑構(gòu)件盡可能采用現(xiàn)澆;

2.核心筒內(nèi)部及周邊板采用現(xiàn)澆; 


圖6

3.本項(xiàng)目除S地塊學(xué)生宿舍的衛(wèi)生間地板采用預(yù)制沉箱外( 圖6) ，其他教研用房及實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生間地板均為現(xiàn)澆;

4.現(xiàn)澆剪力墻側(cè)面相鄰的樓梯采用現(xiàn)澆; 

5.要求有較厚樓板的特殊功能實(shí)驗(yàn)室采用現(xiàn)澆; 

6.尺寸規(guī)格不多的構(gòu)件采用現(xiàn)澆

。


圖7

設(shè)計(jì)過程發(fā)現(xiàn)如下情況對預(yù)制構(gòu)件安裝的影響較大

。


1.預(yù)制構(gòu)件的鋼筋碰撞問題

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)鋼筋模型

，可以檢查預(yù)制構(gòu)件的鋼筋碰撞問題( 圖7)
。預(yù)制柱頂標(biāo)高由截面最高的主梁控制，其他截面稍小的主梁不一定能搭在柱側(cè)，在這一步與施工方和深化設(shè)計(jì)師共同探討柱頂工具式支架如何設(shè)置
。目前的技術(shù)瓶頸在于建立鋼筋三維模型耗時(shí)較多
，如果這方面更加智能化，則能顯著提高鋼筋構(gòu)造設(shè)計(jì)的效率
。


2.后澆混凝土區(qū)域的鋼筋安裝問題

裝配式混凝土建筑工地現(xiàn)場安裝工種除了預(yù)制構(gòu)件安裝工外

，一般還有鋼筋工、木工
、搭內(nèi)架工和混凝土工
，其中鋼筋工的安裝量雖然比傳統(tǒng)現(xiàn)澆工程少，但由于后澆區(qū)域空間狹小
，故實(shí)際上鋼筋工現(xiàn)場插筋
、穿筋安裝困難較多。設(shè)計(jì)期間和施工安裝期間
，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與施工方
、構(gòu)件廠配合，不斷優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)及安裝工法
。


圖8

圖8舉例說明在后澆混凝土區(qū)域安裝鋼筋時(shí)可能遇到的問題

。左圖中箍筋彎鉤設(shè)在后澆區(qū)會(huì)影響設(shè)置面筋，右圖中面筋穿筋困難
，因此應(yīng)提前裝在梁面以避免后續(xù)穿筋困難
。


圖9

圖10

3.主次梁相交節(jié)點(diǎn)

大部分次梁為鉸接，采用鋼企口連接方式

。圖9( a) 為已生產(chǎn)的構(gòu)件端部節(jié)點(diǎn)
，圖9( b) 為鋼企口標(biāo)準(zhǔn)大樣。邊梁或者相鄰洞口的次梁扭矩較大
，樓板結(jié)構(gòu)中還有部分連續(xù)次梁的扭矩也較大
，采用如圖10所示的端節(jié)點(diǎn)連接方式。


圖11

4.裝配式樓板

目前裝配式混凝土工程大量采用疊合板

，應(yīng)用時(shí)需注意桁架上弦筋與混凝土面之間的凈空應(yīng)保證方便穿過線管
，因構(gòu)件廠對混凝土流動(dòng)性要求不高，所以在模臺(tái)上振搗時(shí)多余的混凝土不易泄出
，造成混凝土板厚超過設(shè)計(jì)值( 圖 11)
。


因疊合板混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，應(yīng)注意運(yùn)輸期間的顛簸或者現(xiàn)場堆疊層數(shù)過高造成的開裂問題

。對疊合板拼縫的處理尚需進(jìn)一步研究
。板厚較大造成結(jié)構(gòu)自重較大，使疊合板的應(yīng)用受到質(zhì)疑
，如現(xiàn)澆板厚 110-120mm時(shí)
，疊合板厚為預(yù)制65mm+現(xiàn)澆75mm
，疊合板厚超過現(xiàn)澆板厚的16%-27%，造成

梁

、柱
、基礎(chǔ)也進(jìn)一步增大，建造成本增加
。


新材料應(yīng)用


本項(xiàng)目 C 地塊的部分疊合板和預(yù)制主

、次梁采用了再生塊體混凝土，舊混凝土來源于構(gòu)件廠廢棄的產(chǎn)品
，破碎成設(shè)計(jì)直徑的塊體后
，按設(shè)計(jì)比例與新混凝土拌和使用。本項(xiàng)目疊合板所用舊混凝土塊體直徑為70-100mm
，預(yù)制梁用舊混凝土塊體直徑為 100-150mm
。


將再生塊體混凝土應(yīng)用于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，替代率( 再生塊體體積占構(gòu)件總體積之百分比) 為30%-40%

，本項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件的再生塊體替代率為 20%
。


圖12

圖 12( a) 為在構(gòu)件廠模臺(tái)上生產(chǎn)的再生塊體混凝土疊合板底板，圖 12( b) 為構(gòu)件廠下料振搗中的再生塊體混凝土梁

。


圖13

圖13為7d齡期混凝土疊合板底板承載力對比試驗(yàn)

。試驗(yàn)結(jié)果顯示:7d 齡期混凝土疊合板底板試件的承載力和剛度明顯優(yōu)于同齡期的全新混凝土試件。


分析原因主要有如下三點(diǎn): 

1.7d齡期時(shí)

，再生塊體混凝土強(qiáng)度大于全新混凝土; 

2.由于突出板面塊體的阻擋

，模臺(tái)上振搗時(shí)，多余的混凝土不易從板邊泄出
，造成再生塊體底板中部的實(shí)際厚度大于全新混凝土
，這是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的客觀現(xiàn)象; 

3.突出板面再生塊體的存在增大了混凝土受壓區(qū)面積，相當(dāng)于進(jìn)一步增加了板厚

。


拆分圖及裝配率


裝配式建筑中

，最終的拆分設(shè)計(jì)圖中囊括了前期設(shè)計(jì)師考慮的內(nèi)容，如結(jié)構(gòu)布置的合理性
、構(gòu)件規(guī)格的統(tǒng)一性問題
，構(gòu)件接縫位置的選擇，如何兼顧建筑造型以及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)
、運(yùn)輸和吊裝問題等。圖14為本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)樓結(jié)構(gòu)平面拆分布置圖
。


圖14

在 BIM 模型的協(xié)助下計(jì)算裝配率

，根據(jù)《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51129—2017)，本項(xiàng)目采用裝配式技術(shù)的8棟塔樓的裝配率均達(dá)到A級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)( 表1
，2)
。



3

安裝進(jìn)度


采用由設(shè)計(jì)牽頭的EPC管理模式

，設(shè)計(jì)施工并行，這在本項(xiàng)目推進(jìn)速度方面體現(xiàn)出明顯的效果
，8棟裝配式建筑工期也沒有滯后
。圖15為航拍宿舍地塊施工場景，4棟采用裝配式技術(shù)的塔樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積約800-1200㎡
。從2018年12月底地下室頂板完成后
，裝配速度越來越快，最后達(dá)到4.5d/層
，于 2019年4月16日結(jié)構(gòu)封頂
。


圖15

研究樓和實(shí)驗(yàn)樓預(yù)制構(gòu)件較重且標(biāo)準(zhǔn)層面積較大( 1800-2000㎡) ，安裝速度最快可達(dá)到6.5d /層

，不趕工期時(shí)約 8.5d /層
，與旁邊樓層建筑面積相當(dāng)?shù)?/span>現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工速度持平甚至稍快，且裝配式建筑技術(shù)的施工速度還有較大的提高空間
。


經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)

，8棟采用裝配式技術(shù)的塔樓，在施工過程中基本沒有因設(shè)計(jì)原因而修改通知
，這也證明了各專業(yè)集成設(shè)計(jì)前置的優(yōu)勢
。


4

結(jié)語


華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程中，有超過 30%的建筑面積采用了裝配式建筑技術(shù)

，并成就了本項(xiàng)目的六大亮點(diǎn)之一: 廣州市目前裝配式建筑面積最大且全部達(dá)到 A 級裝配式評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建筑群
。但是，本項(xiàng)目仍有如下需要改進(jìn)或進(jìn)行后續(xù)研究的方面：


1.本項(xiàng)目采用裝配式建筑技術(shù)的造價(jià)高于旁邊傳 統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑

，初步測算差值約為400元/㎡
。為降低造價(jià)，設(shè)計(jì)前期的標(biāo)準(zhǔn)化原則應(yīng)得到進(jìn)一步研究與關(guān)注
，預(yù)制構(gòu)件少規(guī)格
、多組合才符合工業(yè)化生產(chǎn)的原則。


2.本項(xiàng)目在預(yù)制外圍護(hù)系統(tǒng)方面的應(yīng)用較少

，搭建外立面腳手架的工作量較大
，因此后續(xù)還需研發(fā)出更理想的圍護(hù)墻以減少外立面模板的工作量。


3.目前行業(yè)上使用較多的裝配式節(jié)點(diǎn)連接方式在施工過程中仍存在一些不足之處

，可考慮在裝配式混凝土構(gòu)件連接上合理利用鋼結(jié)構(gòu)的制作經(jīng)驗(yàn)
、鋼結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)。


（來源：建筑結(jié)構(gòu)）

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