超高層裝配式建筑“內(nèi)澆外掛”體系建造關鍵技術

2016年8月23日,中國建筑股份有限公司科技與設計管理部與中國建筑股份有限公司技術中心組織召開了“中國建筑2016年技術交流會”,會議征集論文200余篇,遴選了82篇優(yōu)秀論文編撰成《中國建筑2016年技術交流會優(yōu)秀論文集》,由中國建筑工業(yè)出版社出版。經(jīng)技術中心學術委員會組織專家評審及參會代表投票,本文《超高層裝配式建筑“內(nèi)澆外掛”體系建造技術》獲得優(yōu)秀論文一等獎,作者為:姜紹杰(中國建筑國際集團有限公司),劉新偉、吳曉杰(深圳海龍建筑科技有限公司)。本網(wǎng)為全文轉(zhuǎn)載,以饗讀者。

1 引言

房屋建筑采用建筑工業(yè)化方式建造能節(jié)約資源,減少勞動力,提高施工質(zhì)量等,根據(jù)專業(yè)機構測算,可以降低能耗23%,降低水耗79%,減低模板消耗81%,施工場地20%。因此,推行裝配式建筑是我國傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。

目前裝配式剪力墻結構建造方式主要包括以下四種:

(1)裝配整體式剪力墻,采用剪力墻墻身整體預制,邊緣構件采用現(xiàn)澆形式;

(2)雙面疊合剪力墻,采用剪力墻內(nèi)側面和外側面預制,中間現(xiàn)澆;

(3)單面疊合剪力墻,采用建筑外圍剪力墻外側面預制,內(nèi)側現(xiàn)澆;

(4)內(nèi)澆外掛,即主體結構受力構件采用現(xiàn)澆,非受力構件采用外掛形式。

前3種建造方式適用于一般高層建筑[1],而第4種內(nèi)澆外掛體系由于內(nèi)部主體結構受力構件采用現(xiàn)澆,周邊圍護的非主體結構構件采用工廠預制運至現(xiàn)場外掛安裝就位后在節(jié)點區(qū)與主體結構構件整體現(xiàn)澆,這種方式?jīng)]有突破結構設計規(guī)范限制,可適用于超高層建筑。

本文根據(jù)香港和內(nèi)地不同設計習慣和方法,結合超高層建筑對地震荷載和風荷載極為敏感的特點,從超高層建筑設計、生產(chǎn)、施工等整個建造過程介紹了“內(nèi)澆外掛”體系一些關鍵技術。

2 柔性連接節(jié)點技術

超高層建筑由于層數(shù)多,高度大,水平方向的地震反應和風致影響十分顯著,除了豎向荷載,預制外掛墻板將承受相當大的水平地震荷載、風荷載,連接節(jié)點設計主要采取了如下技術措施:

在主體結構受力構件與非主體結構受力構件之間選擇確定合理傳力路徑:對于一般外掛構件,其承受的豎向荷載主要通過預制構件頂部的外伸鋼筋錨入主體結構受力構件來傳遞給主體結構,而水平荷載諸如地震荷載、風荷載則通過預制構件兩端的鋼筋與主體豎向構件現(xiàn)澆形成整體,即采用“先裝法”先施工預制外墻板,后現(xiàn)澆梁、板等受力構件,兩端的鋼筋連接采取只傳遞剪力不傳遞彎矩的構造做法實現(xiàn)了“柔性連接”,弱化了對主體結構的影響。

對于一些預制外墻構件由于空間形狀比較復雜,采用有限元分析軟件進行局部補充計算:圖1是7度抗震烈度、沿海地區(qū)某超高層項目中的預制凸窗采用abaqus軟件分析的模型,計算結果表明,凸窗頂部的兩端受力較大,該處外伸鋼筋配筋也相應加強。

圖1 預制凸窗受力分析模型

3 防水設計技術

外掛墻板水平拼縫處采用靴腳合結構企口構造,如圖2。另外在豎直拼縫接觸面處進行洗水或掃花處理,增加構件連接的緊密性,同時設置止水槽,構成防水第二道防線[3],如圖3。這樣形成了廖多道防水路線,徹底解決了外墻滲水問題。

圖2 外掛墻板水平拼縫節(jié)點及防水構造

圖3 外掛墻板豎直拼縫節(jié)點及防水構造

門窗處,為解決后裝門窗處容易滲水問題,在工廠生產(chǎn)時,將門窗與外墻整體預制,門窗連接件預埋入構件中,通過混凝土構造達到止水目的;在陽臺位置,陽臺設計標高低于比室內(nèi)樓層標高,預制外墻門底部結構尺寸不應小于125mm,使預制外墻結構剛度滿足要求,保證預制外墻不發(fā)生變形,同時滿足陽臺防水要求;建筑頂層,現(xiàn)澆結構包住預制外墻頂部,實現(xiàn)預制構件與現(xiàn)澆構件完美結合,同時保證防水要求與外立面效果。

4 抗風技術

當預制外掛墻板左右側有非結構墻即構造柱存在,或預制外墻板跨度過大時,為避免風荷載作用于外墻板上將其掀離梁位,在超高層中尤其容易發(fā)生,采用風碼裝置固定外墻板,同時不將外墻板的荷載傳遞給下層受力構件。預制外墻板外伸鋼筋上端錨入梁或樓板,右側錨入剪力墻,左側錨入結構柱非結構墻. 中。左側和下側可認為自由端,右側和上側可認為是簡支端柔性連接.,此時左側將需增加風碼裝置,如圖4。

圖4 風碼位置及構造

風碼將預制外墻板與下層梁固定。另一方面,由于風碼上端鋼筋外圍套PVC管,防止預制外墻板作用力傳至下層梁。當在超高層中應用預制外墻板時,在非結構墻一端需增加風碼,另外,由于風效應過大,在較大跨度的預制外墻板跨中位置也需增加風碼裝置。通過計算,當150mm厚度的預制外墻板,層高約為3.5m,樓層相對于地面高度約為100m時,預制外墻板跨長超過5m,預制外墻板的剛度將不足以抵抗風載作用,變形超過規(guī)范允許要求,需增加風碼裝置。

風碼裝置的位置和數(shù)量有預制外墻跨度和錨固方式相關,作用類似栓釘,主要承擔風荷載產(chǎn)生的剪力作用,風碼鋼筋型號由計算確定。為方便施工,風碼施工現(xiàn)場可采取后注漿形式,也可采用后支模澆筑混凝土形式。為更好的提高裝配式建筑施工效率,風碼裝置從施工便利性方面也在不斷優(yōu)化。

5 質(zhì)量控制技術

在施工過程中,推行PASS(Performance Assessment Scoring System 的簡稱)制度進行質(zhì)量控制。PASS制度以過去連續(xù)12個月內(nèi)不同階段的平均分,乘以固定系數(shù),所得出來的總分作為施工質(zhì)量的評分。為保障PASS評分公平公正,成立獨立的PASS審核小組,負責每個季度兩個月的結構和現(xiàn)場裝飾工作評審以及一個月的安全評審工作。PASS制度對質(zhì)量控制意義重大。

在預制構件批量生產(chǎn)前,先進行BIM模型項目建造過程,并在工廠內(nèi)預演安裝過程,根據(jù)模擬結果和預安裝過程,相關人員可直觀的看到實際項目的效果,避免構件尺寸錯誤,構件之間的連接碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生,另一方面,產(chǎn)業(yè)工人也得到了很好的安裝培訓。

6 安裝精度控制技術

預制外掛墻板安裝前,應按設計要求在構件墻面和相應對的支承結構面上標記中心線、標高線等控制尺寸線,按標準圖或設計文件校核預埋件及連接鋼筋等。安裝時,先將斜撐桿一端固定于地面或樓面板上,七字碼底部固定于地面或樓面板上;再將構件吊運至指定位置后,分別固定到七字碼上;最后根據(jù)水準點和軸線位置,調(diào)節(jié)支撐桿的旋轉(zhuǎn)裝置來校對構件的直度,調(diào)節(jié)七字碼的螺母微調(diào)構件的水平位移和豎向位移,如圖5。

圖5 預制外墻板安裝大樣

當上下層預制外墻厚度不一致,上下內(nèi)側無參考線時,安裝僅僅利用七字碼難以實現(xiàn)上下層對齊。在下層外墻增加帶斜角的槽鋼輔助裝置,吊運上層外墻插入槽鋼輔助裝置內(nèi)側,方便對齊安裝,如圖6。

圖6 斜角槽鋼輔助裝置

7 鋼筋防碰撞技術

施工現(xiàn)場,構件之間以及構件與現(xiàn)澆結構之間可能發(fā)生鋼筋碰撞,鋼筋碰撞會影響構件的安裝。鋼筋碰撞在設計時即需考慮,現(xiàn)澆結構的鋼筋在預制構件就位后錯開構件外伸鋼筋放置。通過在工廠內(nèi)預演安裝樣板測試,調(diào)整設計時的鋼筋碰撞問題。

當兩件預制外墻板在剪力墻側向相連時,構件外伸鋼筋在剪力墻內(nèi)交匯,節(jié)點處鋼筋密集容易碰撞。設計時將相鄰的一件構件外伸鋼筋向外彎曲,另一件構件外伸鋼筋向內(nèi)彎曲,剪力墻豎向鋼筋和橫向鋼筋錯開構件的外伸鋼筋,避免施工時鋼筋碰撞,如圖7。

圖7 相鄰外墻板連接大樣

當疊合樓板與全預制樓板之間的連接時,兩件構件的外伸鋼筋容易發(fā)生碰撞,鋼筋碰撞會導致兩件構件連接不上,影響后澆混凝土施工。設計時,需將兩件預制構件外伸鋼筋在構件內(nèi)部向上彎曲,再通過一段鋼筋分別進行搭接,從而實現(xiàn)疊合樓板與全預制樓板的緊密連接,避免構件間的碰撞,如圖8。 圖8 相鄰樓板連接大樣

8 施工組織管理技術

由于非結構預制構件已經(jīng)提前在工廠預制,對于流水施工組織縮短了流水節(jié)拍,非常有利于施工現(xiàn)場的流水施工組織管理,其主要施工工序包括:1.吊運安裝預制構件;2.綁扎現(xiàn)澆部分鋼筋;3.組合大鋼模/鋁模進行支模;4.現(xiàn)澆混凝土。由于第1個工序施工速度快占用時間短且并不會拖延其他工序,所以可以穿插機動進行。所以關鍵工序還是取決于現(xiàn)澆部分的合理科學的施工組織管理,如合理組織勞動班組、劃分流水施工段,同時也可以結合樓層平面分區(qū)考慮空間跳層劃分流水段,完全可以實現(xiàn)“四天一層”的建造速度。例如,第一天吊運安裝預制構件的同時穿插綁扎剪力墻鋼筋,第二天安裝剪力墻模板和安裝疊合板及綁扎樓板鋼筋,第三天已經(jīng)完成模板安裝的施工段則可澆筑混凝土。

9 項目應用

內(nèi)澆外掛技術具有廣泛的適用性和極高的推廣價值,下面結合香港和內(nèi)地兩個典型工程案例,介紹本成果技術應用情況。

啟德1A項目位于香港地區(qū),該項目由6棟35-41層住宅、一座配套商場及一個地下停車場組成(圖9)。其中,住宅采用內(nèi)澆外掛剪力墻結構,剪力墻現(xiàn)澆,非受力構件工廠預制,預制率約為40%。預制構件主要預制外墻板,疊合樓板,預制樓梯,整體預制衛(wèi)生間等。預制構件方量達17000m3,采用標準設計,有效降低了工程造價,提高了施工效率。

圖9 啟德1A項目標準層平面圖

中海天鉆項目位于深圳市羅湖區(qū),建筑主體共有11棟塔樓,其中,2棟為超高層裝配式剪力墻結構,高度分別為148米(層數(shù)46層)和126米(層數(shù)46層);抗震設防類別為丙類,建筑結構安全等級為二級,設計基準期為50年,設計使用年限為50年。根據(jù)《深圳市住宅產(chǎn)業(yè)化項目單體建筑預制率和裝配率計算細則(試行)》的要求,裝配式建筑裝配率不低于30%和預制率不低于15%,基于成本最優(yōu),選擇部分凸窗采用預制,樓板疊合預制,樓梯預制(圖10);該項目位于7度抗震區(qū)和沿海地區(qū),并且高度達到規(guī)范規(guī)定的B級高度,地震荷載以及風荷載較大,除結構主體計算較復雜外,預制構件也需要進行抗震、抗風分析 [4] 。

圖10 中海天鉆項目標準層平面圖

10 結語

“內(nèi)澆外掛”體系不影響受力結構的整體性,并方便外墻施工,相比裝配式剪力墻結構其他體系,經(jīng)濟性更好,在目前裝配式建筑發(fā)展初級階段,建造成本普遍偏高的情況下,具有較高的推廣應用價值。本文介紹了超高層建筑“內(nèi)澆外掛”體系的建造過程的一些關鍵技術,該技術也適用于一般“內(nèi)澆外掛”體系,總結如下:

(1)“內(nèi)澆外掛”體系接縫處的受力和防水是影響裝配式建筑品質(zhì)的重要因素,通過某地震區(qū)域超高層建筑有限元分析,論證了在地震荷載下,預制外掛墻板端部受力較大的特點;根據(jù)不同部位處的外掛墻板的水平、豎直接縫設計節(jié)點和防水構造,使外墻接縫處滿足受力和防水要求。

(2)當風荷載較大時,風碼技術可有效防止預制外掛墻板掀離梁位,使“內(nèi)澆外掛”技術應用于超高層建筑。

(3)部品的質(zhì)量至關重要, PASS制度可控制施工全過程的質(zhì)量,并通過BIM模型模擬和工廠預安裝,避免構件尺寸錯誤,安裝碰撞等問題的發(fā)生,提高了產(chǎn)業(yè)工廠安裝技能。

(4)安裝精度影響裝配式建筑的施工質(zhì)量,臨時安裝系統(tǒng)可有效控制外掛墻板的安裝精度。

(5)通過外掛墻板和疊合板鋼筋錯位防碰撞措施,可避免安裝碰撞問題影響施工效率。

(6)通過有效的施工組織管理,可實現(xiàn)內(nèi)澆外掛體系四天一循環(huán)的施工周期。

(7)通過香港和深圳兩個典型的超高層裝配式項目,為應用“內(nèi)澆外掛”技術提供了較好的參考實例。

參考文獻:

[1] 裝配式混凝土結構技術規(guī)程[M]. 中國建筑工業(yè)出版社. 2014

[2] 麥耀榮,香港公共房屋預制裝配式建筑方法的演進[J].混凝土世界.2015

[3] 預制混凝土建造作業(yè)守則[M]. 屋宇署. 2004

[4] Yee, Alfred A., "Design Consideration for Precast Prestressed Concrete Building Structure in Seismic Areas" PCI JOURNAL, V36, No.3, May-June 1991, pp.40-55.