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建筑裝飾行業深度研究:裝配式建筑是如何建成的

時間:2020-02-04 16:14:11

裝配式建筑相關新聞近年來不斷進入大家視野,火神山、雷神山醫院更是采用裝配式集裝 箱結構快速建造為大家熟知。大家印象中,裝配式建筑就像搭積木一樣把房子拼搭起來。 那么,積木有多少種搭法?每塊積木都張什么樣子?積木和積木間如何連接起來?每種搭 法有什么優缺點?為此,我們實地考察并參閱文獻,總結了現有裝配式 11 種主流體系, 把每種體系的主要預制構件、連接方式、優缺點、案例做了通俗的說明,供大家在春節期 間充電學習。

1. PC 框架體系

裝配式混凝土框架結構包括裝配整體式混凝土框架結構及其他裝配式混凝土框架結構。前 者是指全部或部分框架梁、柱采用預制構件通過可靠的連接方式裝配而成,連接節點處采 用現場后澆混凝土、水泥基灌漿料等將構件連成整體的混凝土結構。后者主要指各類干式 連接的框架結構,主要與剪力墻、抗震支撐等配合使用。前者是梁柱受力的體系,由柱子 來承受水平和豎向荷載;后者在框架結構的基礎上加入了部分剪力墻,使剪力墻和柱子共 同承受水平和豎向荷載,更適用于住宅。

1.1. 主要預制構件

(1)預制樓板(含預制實心板、預制空心板、預制疊合板、預制陽臺),預制樓板的使用 可以減少施工現場支護模板的工作量,節省人工和周轉材料,具有良好的經濟性,是預制 混凝土建筑降低造價、加快工期、保證質量的重要措施。

(2)預制梁(含預制實心梁、預制疊合梁、預制 U 型梁): 預制梁為主要的水平承重構 件,與預制樓板同為免模板技術。

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(3)預制墻(含預制實心剪力墻、預制空心墻、預制疊合式剪力墻、預制非承重墻):采 用預制墻體可提高建筑性能和品質,節省使用期間的維護費用,同時減少門窗洞口滲漏風 險,具有良好的間接效益,針對國內住宅的特點,預制墻體和預制樓板將是工業化住宅構 件的主要產品。

(4)預制柱(含預制實心柱、預制空心柱) :鋼筋混凝土預制柱通常作為建筑結構部件來 使用,也可以被用作裝飾。預制柱的外觀多種多樣,變化多端。為了運輸和安裝方便,預 制柱的出廠長度越長越好。

(5)預制樓梯(預制樓梯段、預制休息平臺)。

(6)其他復雜異形構件(預制飄窗、預制帶飄窗外墻、預制轉角外墻、預制整體廚房衛 生間、預制空調板等)。

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1.2. 連接方式

裝配式混凝土框架結構的連接主要分為濕連接和干鏈接。濕連接是指預制梁、柱或 T 形構 件在結合部利用鋼筋連接或錨固的同時,通過現澆混凝土連接成整體框架的連接方式。關 于濕連接的抗震性能的試驗證明,連接性能從總體上能夠與現澆混凝土節點相媲美。濕連 接容錯率高,是目前 PC 框架體系主流方式。

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干連接主要分為預應力連接和混合連接。預應力連接通過張拉預應力筋施加預應力把預制 梁和柱連接成整體,預應力連接在抗震性能的測驗中構件損壞小,相對位移能力較強,位 移恢復能力強、殘余變形小,能量耗散少,無粘結預應力連接比有粘結預應力連接的剛度 退化小?;旌线B接在預應力連接的基礎上增加普通鋼筋,利用其屈服來耗能,形成了預應 力鋼筋和普通鋼筋混合配筋的連接。在抗震性能方面與現澆結構相當,混合連接的自恢復 性好,變形能力強,耗能性能好,構件損壞小,節點域抗剪能力優于現澆結構。

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對裝配式鋼筋混凝土結構的研究來看,由于鋼筋套筒灌漿工藝因現場缺乏有效檢測手段, 且以目前工人的技術水平,質量無法保證。因此,構件連接部位仍是裝配式混凝土結構抗 震的薄弱環節,裝配式鋼筋混凝土結構體系的抗震性能可進一步優化提高?,F有的裝配式 鋼筋混凝土框架結構整體抗震性能接近或等同于現澆水平,仍可進一步優化。為此,有必要發展高性能新型裝配式建筑結構體系、高性能連接形式與節點,從而滿足更高抗震性能 目標需求。

1.3. 優缺點

裝配整體式框架主要包括框架節點后澆和框架節點預制兩大類,前者的預制構件在梁柱節 點處通過后澆混凝土連接,預制構件為一字形;而后者的連接節點位于框架柱、框架梁中 部,由于預制框架節點制作、運輸、現場安裝難度較大,現階段住宅工程較少采用。

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1.4. 代表作品

北京市長陽天地產業化住宅項目,由中建一局集團建設發展有限公司承建。該項目集預制 構件深化設計、預制構件加工生產、現場安裝施工于一體。使用產業化住宅預制構件包括: 外飾面磚預制外墻板、預制內墻板、預制疊合板、預制樓梯、陽臺板、女兒墻、預制樓梯 隔墻板、預制 PCF 板,預制防火隔墻裝飾板,預制構件數量約 16400 件,混凝土用量約 16000 立方,預制率達到 55%。

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2. PS 結構體系

裝配式鋼結構是由鋼制材料組成的結構。目前高層裝配式鋼結構建筑的結構體系傳統的有 純框架、框架-支撐體系,新型的有集裝箱、鋼管束、鋼異形柱等。裝配式鋼結構主要由型 鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構件組成,并采用硅烷化、純錳磷化、水洗烘干、 鍍鋅等除銹防銹工藝。各構件或部件之間通常采用焊縫、螺栓或鉚釘連接。

2.1. 幾個細分結構體系

(1)純框架體系:可根據建筑功能的需求進行梁柱的靈活布置,增加建筑使用空間的利 用率。但由于純鋼框架抗側力剛度較小,為了控制位移,構件的截面很大,且變形較大, 舒適度較差。

(2)框架-支撐體系:由于支撐的存在,較純框架建筑,構件截面可有效減小,進一步增 加建筑使用空間的利用率,抗側力能力有顯著增加,同時降低了整體用鋼量。但支撐布置 受建筑功能的影響,不易找到合適布置位置,且支撐(大撐)布置位置零散,造成結構剛 度不均勻。

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(3)集裝箱體系:可像積木一樣將各個功能房間或戶型進行多樣的組合,建設周期較短。 但抗震性能較低,連接及單體強度較難滿足高抗震設防烈度地區的高層建筑建設需求,適 用于低、多層建筑,且集裝箱常規尺寸難以滿足國內住宅市場對層高和房間開間的要求。 集裝箱建筑可隨時隨地移動到各地,建造速度快。

武漢蔡甸火神山醫院由中建三局牽頭,武漢建工、武漢市政、漢陽市政等 3 家企業參與, 參照 2003 年抗擊非典期間北京小湯山醫院模式建設的一座專門醫院,醫院建筑面積 2.5 萬平方米,可容納 1000 張床位,集中收治新型冠狀病毒肺炎患者?;鹕裆结t院利用輕型 建筑材料,采用集裝箱體系,具有拼裝速度快、保溫隔熱效果好等特點。

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(4)鋼管束、鋼異形柱體系:采用鋼管束、鋼異形柱代替傳統混凝土剪力墻,基本做到 室內不凸柱,平面布置可跟隨建筑功能房間的需求靈活調整。但用鋼量增大,較常規鋼管 混凝土柱,由于此類構件空腔數量較多,截面較小,因此對混凝土作業的質量要求更高, 人工及材料成本有一定的上升。

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裝配式鋼結構住宅可以實現構配件生產產品化、現場組裝機械化、便于實現對全部結構的 信息化管理,可以減少建筑垃圾,減少建筑施工對環境的不良影響,提高建筑質量,材料 回收利用率高,符合建設生態文明社會的需要,將會在未來市場中得到越來越多的使用。 與發達國家相比,中國的鋼結構建筑比例仍然非常低,我國鋼結構用鋼量僅為鋼產量的 20%, 純鋼結構的用鋼量(板材、型鋼等)大約只占建筑用鋼量的 1.5~2%,占到建筑竣工面積 60%~70%的住宅建筑幾乎全部是鋼筋混凝土建筑,采用鋼結構的比例很低。

2.2. 主要預制構件和連接方式

(1)預制樓板、外墻板、樓梯等

裝配式鋼結構建筑提倡采用非砌筑墻體,采用工廠預制墻板。根據圍護體系應用位置,分 為外墻、內墻和分戶墻;根據圍護體系的構成形式和主要構成材料,分為預制混凝土墻板、 輕鋼龍骨類復合墻板、輕質條板和夾心板等。裝配式鋼結構中樓板所用的類型主要有鋼筋 桁架樓承板組合樓板和桁架鋼筋混凝土疊合板等,樓梯可采用預制鋼樓梯或預制混凝土樓 梯。鋼結構采用薄型鋼材料進行構建,并在外部框架中融入不易燃燒的管件材料,使所有 裝配技術均能在“一體化”的要求中進行技術整合。

(2)鋼框架柱、鋼梁等

“工業化住宅”體系主要采用鋼框架結構對建筑主體模型進行配置,需結合“鋼管束組合” 模式進行設計構件(由多個鋼管單元依次連接即構成鋼管束總成,鋼管束總成的總體形狀 包括 C 型、一字型、Z 字型、T 字型、十字型或 L 型,多個鋼管束總成構成鋼管束組成結構 構件)。以“H 型”為基本的鋼筋桁架進行成板配置,促使體系能改善傳統配件承力方面的問題。在實際配置過程中,需要根據房屋的剪力效果進行測試,結合布局和房屋承重計算 出體系所需求的鋼材量。

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(3)連接方式

鋼結構的連接方式有:焊接、鉚接和螺栓連接等,其中螺栓連接又分不高強螺栓連接、普 通螺栓連接。焊縫連接,主要采用電弧焊,即在構件連接處,借電弧產生的高溫,將置于 焊縫部位的焊條或焊絲金屬熔化,而使構件連接在一起。螺栓連接的連接件包括螺栓桿、 螺母和墊圈,高強度螺栓連接用特殊扳手擰緊高強度螺栓,對其施加規定的預拉力。鉚接 的連接形式除輕型鋼結構外,現在基本上已經不再采用。焊接和高強度螺栓連接復合使用 時,當設計無特殊要求,應按先栓后焊的順序施工。鋼結構預制率一般較 PC 框架體系高。

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2.3. 優缺點

鋼結構建筑具有施工周期短、節能環保的獨特優勢,是理想的綠色建筑用材,因此在住宅 建筑上具有很大的優越性。但現階段鋼結構住宅占比卻很低,一是因為 19 年前相關部門 對于建筑用鋼的不重視,也缺乏相應的政策扶持,政策上更多的給與 PC 結構更多的重視; 其二是規模經濟尚未達到等種種原因造成鋼結構住宅的造價要高于混凝土建筑結構;其三 是對于處在鋼結構制造行業產業鏈中間的鋼結構制造行業處于分包的弱勢地位,導致鋼結 構企業至今沒有形成太大的規模。

2.4. 代表作品

武漢蔡甸火神山醫院、雷神山醫院;合肥綠洲鳳棲苑長豐縣財政性投資保障房,由鴻路鋼 構承建,該項目是“裝配式鋼結構”示范項目,采用鴻路自主研發的高層裝配式鋼結構技 術體系建設。本項目總建筑面積 304422 平方米,其中地上建筑面積 230090 平方米,地下 建筑面積 74332 平方米。項目建成后將成為安徽省最大的抗震、節能、低碳、環保的綠色 住宅樣板工程。

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3. 木結構體系

裝配式木結構建筑是指主要的木結構承重構件、木組件和部品在工廠預制生產, 并通過現 場安裝而成的木結構建筑。裝配式木結構建筑在建筑全壽命周期中應符合可持續性原則, 且應滿足裝配式建筑標準化設計、工廠化制作、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和 智能化應用的“六化”要求。裝配式木結構建筑按承重構件選用的材料可分為輕型木結構、 膠合木結構、方木原木結構以及木混合結構。近年來,建筑層高、建筑層數的規定限制了 我國木結構建筑的發展。

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3.1. 主要預制構件

(1)預制梁柱式構件與木桁架

裝配式木結構建筑中最靈活的組件,需要在現場進行二次加工。木桁架是指由木構件組成 的桁架,是木屋蓋、木塔架的主要承重結構。目前,我國的預制構件以方木、原木和膠合 木梁柱為主,一般應用于方木原木結構和膠合木結構中。

(2)預制板式組件(墻體,樓蓋、屋蓋)

板式預制是通過結構分解,將整棟建筑的墻體、樓面和屋面分解成不同功能的平面板塊, 也就是分解成預制板式組件,并在工廠預制完成后運輸到現場吊裝組合而成。常用的預制 二維板式組件的結構形式有:釘接膠合木(NLT),正交膠合木(CLT),輕型木結構墻體,輕型 木擱柵樓(屋)蓋。

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(3)預制空間模塊式組件

空間模塊式組件一般都是三維單元,其中包括墻、樓蓋和屋蓋,是預制程度**的組件, 包括防水保溫、外飾內裝和水電穿管。

3.2. 連接方式

木結構連接主要有如下幾種類型:板銷連接用板片狀硬木銷阻止被拼合構件的相對移動, 板銷主要在順紋受彎條件下傳力,具有較高的承載能力,故應注意使其木紋垂直于拼合縫, 為保證連接的高度緊密性和生產的高效率,宜用專門的機具按統一尺寸挖銷槽和制板銷, 并按構造要求用系緊螺栓連接方木或圓木。裂環連接應用最早,連接點對木材受力面積削 弱較小,具有較高的承載能力,但連接主要靠木材受剪傳力,韌性較差。剪盤連接用成對 的鋼盤(剪盤和齒盤)分別嵌入連接縫兩側構件的環槽中,通過系緊螺栓受剪傳力,木構 件主要受剪和承壓。齒環連接和齒板連接中的齒環和齒板是對裂環和剪盤的改進。

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3.3. 優缺點

由于國內木材缺乏且生長周期長,從設計深化、工業拆分到施工建設技術要求都相對較高, 木結構單位造價遠高于混凝土。而且沒有大梁承重,木結構適合做一些低層建筑,因而國 內木結構的住宅較少。

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3.4. 代表作品

貴州省黔東南州游泳館;美國獨角獸公司 Katerra 的 Walden House 項目將容納 13 間套房, 配備床、淋浴室和浴缸?;颊呖梢韵硎芄脧N房、餐廳、起居室、洗衣房和健身區。這一 項目完全由 CLT 方式建造。

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4. 裝配式剪力墻高層住宅體系

裝配式剪力墻結構是將豎向結構主要受力構件剪刀墻、梁、板等由預制混凝土構件(預制 墻板、疊合梁、疊合板)組成的裝配式混凝土結構。裝配式剪力墻結構是目前技術最成熟、 應用最廣泛的一種裝配式混凝土結構體系,是高層住宅建筑的**結構體系。目前應用最 多的是裝配整體式剪力墻結構,其特點是全部或部分剪力墻采用預制,樓板采用疊合板, 邊緣構件采用現澆。裝配率可達 40%-50%,單體預制率約為 40%。

4.1. 主要預制構件

(1)剪力墻

剪力墻命名來自于受力角度,可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻、內藏鋼板支撐剪力 墻。剪力是指作用于同一物體上的兩個距離很近(但不為零),大小相等,方向相反的平 行力,如下圖所示。例如用剪刀去剪同一物體時,物體所受兩剪刀口的作用力就是剪力。 剪力墻具有更好的抗震性。地震來時,地面在水平方向上蛇形扭動。因為剪力墻比框架能 承受更多的水平力,所以當地面蛇形扭動時,剪力墻比框架更不容易折斷。剪力墻一般為承 重墻(承重墻是支撐上部樓層的墻體)。

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預制內外墻板均采用一字型。預制外墻類型采用三明治夾心保溫層。尺寸采用模數化拆分, 減少預制外墻種類,并且需考慮后期運輸與安裝,構件高度與重量要滿足限制要求。(尺 寸由模臺決定,目前國內流轉臺模寬度為 3-4 米,長度 9-10 米,固定臺模 3.5-4 米,長度 10-12 米,所以相應構件的尺寸都會小于等于這個尺寸。重量取決于構件厚度,一般會小 于 25 毫米。 )對于開有門窗洞口的墻肢,在洞口上方設置連梁,連梁與墻體一起預制。相 鄰兩塊預制內墻之間設置后澆段,按照模數將墻拆分,且遵循少規格的原則。

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(2)疊合板

樓板指的是一座建筑物的承重結構,可根據使用材料的不同分為:木樓板、磚拱樓板、鋼 筋混凝土樓板、鋼襯板樓板。

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(3)疊合梁

長度較短的梁采用現澆,其余梁采用預制。門窗上方的連梁與剪力墻一起預制。預制梁與 后澆混凝土疊合層之間的結合面應設置粗糙面,且梁的端面設置鍵槽以增加抗震強度。

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4.2. 連接方式

裝配式剪力墻結構連接方式有干式鏈接和濕式連接兩種。干式連接就是在施工現場無需澆 筑混凝土,全部預制構件、預埋件、連接件都在工廠預制,通過螺栓或焊接等方式實現連 接。濕式連接就是將兩個承重構件之間鋼筋互相連接后通過澆筑節點實現結構的整體連接, 以達到節點等同現澆。

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裝配式剪力墻縱橫交接處的邊緣構件采用后澆混凝土。轉角墻,有翼墻均采用后澆形式, 后澆段的長度需滿足《裝配式混凝土結構技術規程》的構造要求,且要滿足結構計算要求。 干連接多以預埋連接件的方式實現,設計難度大,施工流程復雜,預制精度要求較高。目 前這種干式連接法在我國運用并不成熟,尤其這種技術在剪力墻的施工工程結構的拼裝連 接中存在較多問題,如技術交底不完善、工人安裝存在誤差等,嚴重則會造成螺栓連接松 弛,并造成**損壞。目前,國內使用較多的方式是濕式連接。

濕式連接主要包括現澆帶連接(為防止混凝土結構產生有害裂縫,在板、墻、梁相應位置 留設臨時施工縫,將結構暫時劃分為若干部分,經過構件內部收縮,在若干時間后再澆搗 該施工縫混凝土,將結構連成整體)、灌漿套筒連接(套筒灌漿連接就是將預留鋼筋插入 帶有凹凸槽的高強度套筒內進行連接,然后在鋼筋與套筒內腔之間注入無收縮、高強度灌 漿料,形成鋼筋套筒灌漿連接)、漿錨連接。

4.3. 優缺點

混凝土剪力墻結構是目前高層住宅的主要結構形式,盡管裝配式混凝土剪力墻結構的鋼筋 模板安裝工作量大,預制構件的成本相對較高,但由于其在高層住宅的應用和飽滿的建設 求量,近幾年來,成為集房地產、工程設計、預制構件生產和施工體化綜合企業的研究與 開發焦點。

4.4. 代表作品

北京萬恒家園二期,由萬科企業股份有限公司承建。該工程為裝配式剪力墻體系,結構形 式為剪力墻結構:內墻為現澆結構,外墻為預制結構,內外墻連接節點與預制構件連接后 澆注。

觀湖國際一期 14#樓裝配式住宅:由中建七局承建,是中原地區第一個預制裝配式項目, 地上結構體系為裝配式剪力墻結構。該項目總建筑面積 9276 ㎡,地上 24 層,地下 2 層, 建筑高度 69.90m。該裝配式樓預制率達 75%,裝配率達 100%,采用的預制內外墻板、 疊合板、樓梯、隔墻、空調板、造型板等預制構件及鋼筋。

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來源:今日頭條

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