黃 澤，劉津成，王 帆，3

（1、華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510641；2、廣州市建工設(shè)計(jì)院有限公司 廣州510030；3、華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州510640）

0 引言

隨著傳統(tǒng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，裝配式建筑的建造項(xiàng)目落成將會(huì)越來(lái)越普及。而現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模式與國(guó)家大力倡導(dǎo)的裝配式發(fā)展無(wú)論是從設(shè)計(jì)方法、生產(chǎn)模式、各方合作關(guān)系均有較大變化。發(fā)展裝配式建筑的關(guān)鍵點(diǎn)則是預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過對(duì)實(shí)際的裝配式工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工過程進(jìn)行匯總以及針對(duì)同類型項(xiàng)目未曾出現(xiàn)過的重難點(diǎn)進(jìn)行解析，形成有效的深化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，從而幫助推動(dòng)裝配式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［1］。

1 工程概況

華南理工大學(xué)國(guó)際校區(qū)項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)，總用地面積為地1 105 922 m2，總建筑面積140 萬(wàn)m2。其中S1 地塊四棟學(xué)生宿舍均為裝配式建筑。S1 學(xué)生宿舍地下室及2 層為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，S1-A1、S1-A2、S1-B1、S1-B2 宿舍樓3 層及以上為預(yù)制樓層（見圖1、圖2）。上述4 棟塔樓的裝配率均大于60%，根據(jù)裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)要求，可評(píng)價(jià)為A 級(jí)裝配式建筑［2］（見表1）。

圖1 S1 地塊4 棟裝配式學(xué)生宿舍Fig.1 Four Assembled Student dormitory on the S1 Plot

圖2 結(jié)構(gòu)平面拆分布置圖（以A1 棟為例）Fig.2 Structural Plane Split Layout Diagram（Take A1 as an Example）

表1 裝配率計(jì)算得分表（以A1 棟為例）Tab.1 Assembly Rate Calculation Score Table（Take A1 as an Example）

2 裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)制柱

本工程預(yù)制豎向構(gòu)件從3 層開始預(yù)制，2 層作為現(xiàn)澆轉(zhuǎn)換層。所有的預(yù)制豎向構(gòu)件因考慮連接施工的便捷性以及生產(chǎn)開模成本因素，會(huì)盡量歸并尺寸種類，減少構(gòu)件類型。柱截面取值盡量統(tǒng)一，最典型截面為400 mm×1 000 mm（見圖3）。

預(yù)制柱的截面配筋采用等面積代換的方式，由原設(shè)計(jì)結(jié)果配筋代換成大直徑鋼筋，同時(shí)中部縱筋間距較大處增加不伸入節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造鋼筋，此做法可使得每根柱子的鋼筋根數(shù)和套筒數(shù)量減少50%，每根柱子套筒節(jié)約的成本為157.2 元，相應(yīng)其他材料項(xiàng)和人工也均有所減少（見表2）。

預(yù)制柱截面配筋及截面形式如圖4 所示。

圖3 預(yù)制柱Fig.3 Prefabricated Column

表2 套筒對(duì)比分析表Tab.2 Sleeve Comparison Analysis Table

圖4 預(yù)制柱構(gòu)件形狀與配筋圖Fig.4 Prefabricated Column Member Shape and Reinforcement Diagram

預(yù)制柱深化設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮的情況包括以下方面：

⑴一般情況下豎向構(gòu)件的重量較大，故需要考慮豎向構(gòu)件在內(nèi)的吊重分析，并將相關(guān)平面數(shù)據(jù)反饋給施工方進(jìn)行塔吊的布置與考慮。

⑵本工程預(yù)制柱的箍筋采用新型工業(yè)化程度高的一筆箍代替現(xiàn)有的組合箍筋。一筆箍是使用水平生產(chǎn)機(jī)用一根不切斷的箍筋彎折而成的箍筋。經(jīng)學(xué)者試驗(yàn)研究，一筆箍的約束強(qiáng)度與設(shè)計(jì)受力可滿足使用要求［3］。

⑶預(yù)制柱內(nèi)部的預(yù)埋主要考慮防雷接地的做法和施工所需的塔吊扶墻的預(yù)留預(yù)埋件。

預(yù)制柱的深化設(shè)計(jì)還需考慮原柱子的形狀及尺寸，這些因素最終影響著預(yù)制構(gòu)件的重量。而預(yù)制柱通常為單構(gòu)件重量最重的構(gòu)件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)塔吊的配合要求極高。重量過大的構(gòu)件需要考慮運(yùn)輸限載問題，可考慮根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行游牧式生產(chǎn)預(yù)制。

2.2 預(yù)制疊合主梁

預(yù)制疊合主梁的構(gòu)件深化主要根據(jù)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的梁截面尺寸進(jìn)行拆分，拆分位置可設(shè)置在預(yù)制柱邊緣，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)為后澆節(jié)點(diǎn)區(qū)，該做法可保證結(jié)構(gòu)受力且現(xiàn)場(chǎng)施工支模、支撐都可相應(yīng)減少。此做法的關(guān)鍵點(diǎn)是在預(yù)制梁柱相交的十字節(jié)點(diǎn)位置，預(yù)制梁的鋼筋須注意四向相交的鋼筋位置，各項(xiàng)鋼筋以及預(yù)制柱的鋼筋不發(fā)生碰撞［4］。

本工程預(yù)制疊合主梁主要截面為250 mm×600 mm、300 mm×600 mm。疊合主梁現(xiàn)澆部分的高度同相鄰樓板厚度，同時(shí)按照規(guī)范設(shè)計(jì)內(nèi)槽不小于50mm 的要求，邊梁臨空邊采用2 mm 鍍鋅鋼板作為擋漿板，可省臨空邊施工支模。預(yù)制主梁制造圖及現(xiàn)場(chǎng)支撐如圖5、圖6 所示。

圖5 預(yù)制主梁構(gòu)件形狀與配筋圖Fig.5 Prefabricated Main Beam Member Shape and Reinforcement Diagram

2.3 預(yù)制疊合次梁

預(yù)制疊合次梁的尺寸以200 mm×600 mm 為主，由于板厚因素，現(xiàn)澆疊合層為140 mm，并在疊合次梁梁端設(shè)置粗糙面（見圖7、圖8）。預(yù)制疊合次梁的兩端預(yù)埋有鋼企口，用于預(yù)制主次梁之間的連接，采用鋼企口連接時(shí)，應(yīng)符合裝配式及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范［5、6］的規(guī)定。

圖6 預(yù)制主梁Fig.6 Prefabricated Main Beam

圖7 預(yù)制次梁構(gòu)件形狀與配筋圖Fig.7 Prefabricated Secondary Beam Member Shape and Reinforcement Diagram

圖8 預(yù)制次梁Fig.8 Prefabricated Secondary Beam

2.4 預(yù)制單向疊合板

疊合板設(shè)計(jì)根據(jù)接縫構(gòu)造、支座構(gòu)造和長(zhǎng)寬比確定，本工程的疊合樓板采用單向板設(shè)計(jì)（見圖9、圖10和圖11）。樓板采用鋼筋桁架疊合樓板，考慮管線埋設(shè)以及規(guī)范要求的最小預(yù)制厚度，最終樓板整體厚度取140 mm，預(yù)制部分的厚度取65 mm，疊合部分的厚度為75 mm。預(yù)制疊合板的配筋為雙層雙向10@200，局部另附加鋼筋。受力方向的鋼筋桁架間距≤500 mm，邊距≤250 mm。

由于預(yù)制疊合板屬于水平面伸展的構(gòu)件，深化設(shè)計(jì)所需考慮的制約因素主要為構(gòu)件的的運(yùn)輸。文獻(xiàn)［4］規(guī)定：預(yù)制疊合板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度小于6 m，另外我國(guó)的道路車輛運(yùn)輸?shù)南迣捯话銥?.4 m。這些外部因素同樣制約著深化構(gòu)件的尺寸，預(yù)制板拆分時(shí)需考慮上述因素。

圖9 預(yù)制疊合板形狀圖Fig.9 Prefabricated Laminate Shape Chart

圖10 預(yù)制疊合板出筋方向剖面圖Fig.10 Sectional View of the Prefabricated Laminate

圖11 預(yù)制疊合板Fig.11 Prefabricated Laminated Board

2.5 預(yù)制沉箱

宿舍樓的預(yù)制沉箱將相鄰兩個(gè)單元的衛(wèi)生間沉箱預(yù)制成一個(gè)整體，目的為減少預(yù)制構(gòu)件數(shù)量和解決沉箱降板的問題。同時(shí)創(chuàng)新性的將預(yù)制主次梁的鋼企口連接方式應(yīng)用在預(yù)制沉箱與主體結(jié)構(gòu)的連接上。預(yù)制沉箱兩側(cè)的沉箱次梁預(yù)埋鋼企口，鋼企口的設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范［6］的要求。吊裝時(shí)可直接將其擱置在沉箱周邊的預(yù)制主梁之上，無(wú)需另搭設(shè)支撐體系。同時(shí)由于連接方式與傳統(tǒng)的工藝不同，預(yù)制沉箱所需的預(yù)留鋼筋也大大減少，只需在沉箱側(cè)壁預(yù)留少量的鋼筋，即可滿足設(shè)計(jì)要求，該做法有利于預(yù)制沉箱的運(yùn)輸、吊裝以及后續(xù)鋼筋連接等工序。之后可進(jìn)一步考慮一體化要求，將沉箱后填陶粒混凝土和沉箱內(nèi)部管以及衛(wèi)生間面層均可考慮整體預(yù)制，但需要進(jìn)行吊重分析，從各方面充分考慮和論證。預(yù)制沉箱制造圖及實(shí)物圖分別如圖12、圖13 所示。

2.6 預(yù)制外墻

預(yù)制外墻在本工程中采用兩種形式，一種為帶飾面的預(yù)制夾心保溫外墻，另一種為預(yù)制梁墻一體構(gòu)件。

⑴預(yù)制外墻板即非承重圍護(hù)墻，是在結(jié)構(gòu)體周圍起到裝飾及圍護(hù)作用的外墻板。本工程的預(yù)制夾心保溫墻板采用反打工藝。反打工藝為預(yù)先把飾面磚放置在構(gòu)件模具中，澆筑混凝土后一次預(yù)制成型的施工工藝。對(duì)比現(xiàn)有的干掛或者貼磚工藝，反打工藝成品規(guī)整度高，粘貼安全可靠，有效減少二次施工操作帶來(lái)的施工步驟，更符合裝配式建筑一體化裝修的要求。同時(shí)采用預(yù)制夾心保溫墻板時(shí)，需注意節(jié)能和墻體拉結(jié)件的選取和計(jì)算。預(yù)制外墻如圖14 所示。

圖12 預(yù)制沉箱形狀圖Fig.12 Precast Caisson Shape Chart

圖13 預(yù)制沉箱Fig.13 Prefabricated Caisson

圖14 預(yù)制夾心外墻（瓷磚反打工藝）Fig.14 Prefabricated Sandwich Exterior Wall（Tile Anti-playing Process）

⑵預(yù)制梁墻一體是預(yù)制外墻板的與其上部的預(yù)制梁一體制造的預(yù)制構(gòu)件。將預(yù)制梁與預(yù)制外墻做成一體化的構(gòu)件，成功解決預(yù)制構(gòu)件與預(yù)制構(gòu)件之間的連接問題。此改進(jìn)做法將預(yù)制梁和預(yù)制外墻合二為一，有效地減少構(gòu)件的數(shù)量和連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)減少預(yù)制構(gòu)件模具的數(shù)量，也減少預(yù)制構(gòu)件的吊裝數(shù)量，減少吊裝工序。預(yù)制梁墻一體制造圖及實(shí)物圖分別如圖15、圖16 所示。

2.7 預(yù)制樓梯

預(yù)制樓梯為裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件之中造型最典型的構(gòu)件，所以最能體現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比現(xiàn)澆的樓梯，在工廠預(yù)制的樓梯成品質(zhì)量更佳，外形把控更為精準(zhǔn)。另外預(yù)制樓梯不需要按照現(xiàn)澆樓梯搭設(shè)復(fù)雜造型的支撐模板體系，大大節(jié)省了人力物力。本工程采用雙跑預(yù)制樓梯，由于構(gòu)件重量以及道路運(yùn)輸限制等因素，現(xiàn)有的裝配式項(xiàng)目的預(yù)制樓多為預(yù)制雙跑樓梯單段構(gòu)件。預(yù)制樓梯制造圖及實(shí)物圖分別如圖17、圖18 所示。

圖15 預(yù)制梁墻一體形狀及配筋圖Fig.15 Prefabricated Beam Wall Integral Shape and Reinforcement Diagram

圖16 預(yù)制梁墻一體Fig.16 Prefabricated Beam Wall Integrated

圖17 預(yù)制樓梯構(gòu)件立面圖Fig.17 Prefabricated Staircase Member Elevation

圖18 預(yù)制樓梯構(gòu)件Fig.18 Prefabricated Stair Member

3 預(yù)制構(gòu)件連接設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)制柱連接

預(yù)制柱豎向連接采用灌漿套筒工藝。灌漿套筒的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，用于鋼筋連接。兩根鋼筋從套筒兩端插入，套筒內(nèi)注滿高強(qiáng)且具有微膨脹特性的灌漿料，通過灌漿料的傳力作用實(shí)現(xiàn)鋼筋連接。

采用較大直徑的鋼筋及較大的柱截面，可以在滿足配筋率和計(jì)算結(jié)果的情況下減少鋼筋根數(shù)以及套筒數(shù)量，且更容易滿足套筒與套筒的間距最小值，同時(shí)預(yù)制柱的套筒連接區(qū)域往上500 mm 的位置需要箍筋加密處理。預(yù)制柱鋼筋套筒節(jié)點(diǎn)如圖19 所示。

圖19 預(yù)制柱連接及套筒Fig.19 Prefabricated Column Connection and Sleeve

3.2 預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)連接

吳剛等人［7］歸納匯出梁柱連接的多種連接方式，而本工程采用的是預(yù)制梁可直接擱置在預(yù)制柱的頂部，之后節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行混凝土澆筑，施工吊裝前需在預(yù)制柱端安裝角鋼托座作為預(yù)制主梁的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。Khaloo 和Parastesh 的研究［8］了也充分證明預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)后澆連接的節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能，證明該節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和安全性。預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)如圖20 所示。

圖20 梁柱節(jié)點(diǎn)連接Fig.20 Beam-column Node Connection

預(yù)制梁與預(yù)制柱連接處的鋼筋連接等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的鋼筋連接處理，但也有區(qū)別之處：

⑴若預(yù)制柱的四個(gè)方向均需連接預(yù)制梁，則各個(gè)方向上的預(yù)制梁的梁底筋需交錯(cuò)分布，確保預(yù)制構(gòu)件吊裝完成后，預(yù)制梁與預(yù)制柱連接部位之間的鋼筋不發(fā)生碰撞。

⑵預(yù)制梁與預(yù)制柱連接吊裝時(shí)，需嚴(yán)格合理分析其施工的先后順序。特別是四向預(yù)制主梁相交連接時(shí)，需嚴(yán)格按配筋設(shè)計(jì)的鋼筋避讓的順序進(jìn)行。

⑶預(yù)制梁的接縫驗(yàn)算，需進(jìn)行專項(xiàng)計(jì)算，如不滿足需增加抗直剪鋼筋。

3.3 預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)連接

本工程鉸接的連接方式一般為鋼企口搭接，在預(yù)制次梁的兩個(gè)端部預(yù)埋相應(yīng)尺寸的鋼企口，同時(shí)在預(yù)制主梁的連接部位設(shè)置連接槽口。吊裝時(shí)先將預(yù)制主梁吊裝至指定位置并固定好，再將預(yù)制次梁直接吊裝至預(yù)制主梁之間，直接擱置在預(yù)制主梁的連接槽口之中，調(diào)整至合適的位置，使用無(wú)收縮砂漿填充預(yù)制主次梁之間的連接部位，即完成預(yù)制主次梁之間的連接。預(yù)制主次梁鋼企口連接節(jié)點(diǎn)如圖21 所示。

圖21 預(yù)制主次梁連接節(jié)點(diǎn)Fig.21 Prefabricated Primary and Secondary Beam Connection Nodes

3.4 預(yù)制疊合板與預(yù)制梁連接

預(yù)制疊合板在預(yù)制梁上的擱置長(zhǎng)度需≥15 mm，但不能大于梁保護(hù)層厚度。在主受力方向，疊合板底部鋼筋伸入梁中的長(zhǎng)度大于5d（d 為鋼筋直徑）且不小于100 mm。疊合板出筋需與預(yù)制主梁或次梁的箍筋間距匹配，目的是避免疊合板的出筋與預(yù)制梁的箍筋之間的碰撞，如果發(fā)生碰撞時(shí)，調(diào)整原則為調(diào)節(jié)板筋出筋為優(yōu)先考慮。預(yù)制疊合板與梁連接節(jié)點(diǎn)如圖22 所示。

圖22 預(yù)制梁板連接Fig.22 Prefabricated Beam-Slab Connection

3.5 預(yù)制樓梯的連接

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)樓梯多采用兩端固定支座的方式，計(jì)算中樓梯也參與到抗震體系中，而裝配式結(jié)構(gòu)建筑樓梯與主體結(jié)構(gòu)的連接宜采用簡(jiǎn)支或一端固定一端滑動(dòng)的連接方式，預(yù)制樓梯不參與主體結(jié)構(gòu)的抗震體系設(shè)計(jì)。

本工程宿舍樓預(yù)制樓梯上端設(shè)置固定端，與支承結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土部分連接。下端設(shè)置滑動(dòng)支座，放置在支承體系上。預(yù)制樓梯連接節(jié)點(diǎn)如圖23 所示。

3.6 預(yù)制外墻連接

預(yù)制外墻與主體結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)［9，10］有：

⑴預(yù)制外墻相對(duì)主體結(jié)構(gòu)可以滑動(dòng)，用于抵消主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層間位移引起的內(nèi)力。

⑵連接節(jié)點(diǎn)部件要有足夠的強(qiáng)度，且安裝位置需預(yù)留足夠的空間。

預(yù)制外墻的連接實(shí)施操作方式有鐵件連接與漿錨連接。

鐵件連接是采用連接鐵件將預(yù)埋在預(yù)制外墻與主體結(jié)構(gòu)的鐵件進(jìn)行螺栓連接或焊接。本工程的點(diǎn)支承方式采用的連接鐵件如圖24 所示，該節(jié)點(diǎn)使用垂直螺栓作為承托工具，使得鐵件既可作為連接工具，也可以作為調(diào)節(jié)工具。預(yù)制外墻鐵件連接節(jié)點(diǎn)如圖24、圖25 所示。

圖23 預(yù)制樓梯的連接Fig.23 Prefabricated Stair Connection

圖24 鐵件模型圖與實(shí)物圖Fig.24 The Iron Model Map and Physical Map

圖25 鐵件大樣圖Fig.25 The Iron Sample

漿錨搭接連接是在預(yù)制外墻等構(gòu)件中預(yù)留孔道，將需要搭接的鋼筋插入孔道，并在孔道內(nèi)灌注具有微膨脹特性的灌漿料的連接方式。該連接的優(yōu)點(diǎn)為施工成本低、操作要求簡(jiǎn)單。預(yù)制外墻漿錨連接節(jié)點(diǎn)如圖26、圖27 所示。

外墻板與外墻板之間的連接為接縫防水構(gòu)造，墻板水平縫防水設(shè)置包括密封膠、氣密條和企口構(gòu)造。豎縫防水設(shè)置為密封膠、氣密條和排水槽。外墻板應(yīng)滿足防水，防火等建筑要求，同時(shí)需滿足層間位移、溫度變化引起的變形要求。預(yù)制墻板接縫連接節(jié)點(diǎn)如圖28 所示。

圖26 鋼筋漿錨連接Fig.26 Steel Bar Anchor Connection

圖27 現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件漿錨預(yù)留鋼筋Fig.27 Field Member Slurry Anchor Reserved Steel

圖28 外墻板豎向接縫構(gòu)造Fig.28 Vertical Wall Joint Construction

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑對(duì)比于現(xiàn)澆施工建筑，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工階段的各專業(yè)配合要求更高，同時(shí)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)與越來(lái)越趨向協(xié)同化、產(chǎn)業(yè)化、高效化。本文通過詳細(xì)歸納裝配式建筑深化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，詳細(xì)闡述預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)流程以及工程中解決的難題，得出以下結(jié)論：

⑴預(yù)制柱的深化設(shè)計(jì)采用鋼筋等效代換原則，使得代換鋼筋后的套筒數(shù)量減少了50%，套筒總費(fèi)用減少23%，與此同時(shí)，代換后的套筒數(shù)量減少方便施工現(xiàn)場(chǎng)安裝，有效減小施工難度和人工時(shí)間成本。因此鋼筋等效代換的做法在預(yù)制柱的深化設(shè)計(jì)中是非常必要的。

⑵本工程預(yù)制外墻的連接做法里面采用三種方式：漿錨連接、承重鐵件連接、調(diào)整鐵件連接，充分從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝等階段證明其設(shè)計(jì)合理性，結(jié)構(gòu)安全性，但是基于標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)埋件和連接節(jié)點(diǎn)方式的考慮需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

⑶預(yù)制沉箱可通過鋼企口連接的方式進(jìn)行整體預(yù)制，達(dá)到減少沉箱邊緣出筋、節(jié)省吊裝支撐體系、方便構(gòu)件生產(chǎn)運(yùn)輸、簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工安裝流程的目的。

⑷預(yù)制梁墻一體通過“一體式”預(yù)制的思路方式，規(guī)避預(yù)制構(gòu)件之間連接困難的問題，同時(shí)減少構(gòu)件生產(chǎn)模具數(shù)量以及構(gòu)件吊裝數(shù)量，但需考慮吊重。