萬明禮 戴連雙 曹良卿 司永波 高寶永
中國新興建筑工程有限責任公司 北京 100009
北京航天城學校新建工程項目建筑面積80 893 m2,結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),由小學樓、中學樓、綜合樓、生活服務(wù)樓4個單體組成,小學樓、中學樓、綜合樓為4層,高度為17.7 m,生活服務(wù)樓為5層,高度為21 m。
本工程外墻設(shè)計為裝飾磚飾面墻,層間為豎向排磚,其余部位為橫向排磚,裝飾磚上、下錯位布置,采用標準磚尺寸為240 mmh 115 mmh 53 mm(中間設(shè)置有3個直徑40 mm圓孔,孔內(nèi)灌注細石混凝土);通過在建筑外圍護墻體施工時預(yù)留拉結(jié)筋以及在混凝土構(gòu)件處植入鋼筋,連接外層裝飾磚。該方法外墻自重較大,砌體與結(jié)構(gòu)之間拉結(jié)固定不穩(wěn)固,結(jié)構(gòu)安全存在隱患;并且砌筑施工量大,圓孔內(nèi)灌注混凝土施工不易操作,密實度難以保證,尤其是豎向磚砌筑施工不方便,工效低。
為解決裝飾磚飾面墻施工技術(shù)弊端,降低外墻自重,保證結(jié)構(gòu)安全,提高工效,滿足質(zhì)量、安全、效益方面的需求,為建筑施工提供先進的施工技術(shù),達到磚飾面墻施工質(zhì)量可靠、安全牢固、節(jié)約成本、綠色環(huán)保的目的,對裝飾磚飾面墻施工技術(shù)進行研究。
方案一:通過設(shè)置豎向和橫向龍骨體系與混凝土結(jié)構(gòu)連接,將裝飾磚砌體砌筑于水平龍骨托架上,并且根據(jù)砌筑皮數(shù)設(shè)置拉結(jié)筋與結(jié)構(gòu)連接固定,陶土磚孔內(nèi)灌注混凝土增加磚體穩(wěn)定性。
方案二:借鑒陶土板幕墻施工工藝,可以通過埋件、轉(zhuǎn)接件和豎向龍骨實現(xiàn)陶土磚安裝體系與結(jié)構(gòu)固定;借鑒新型算盤的采用檔、框、梁組合形成固定結(jié)構(gòu),上珠和下珠穿過檔的制作原理,可以通過水平次龍骨與豎向主龍骨進行連接,水平穿孔緊固角鋼、豎向穿孔鋼筋焊接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對磚體進行定位,陶土磚穿過鋼筋依次進行安裝;響應(yīng)裝配式的施工理念,層間豎向磚體可以變豎向為橫向在地上預(yù)制加工,成形模塊在墻上進行單元式拼裝。
經(jīng)現(xiàn)場試驗,從構(gòu)件組成、經(jīng)濟性、安全性、時間性等方面分析,因裝飾磚荷載較大,為保證結(jié)構(gòu)安全,避免整體變形,方案一要減小豎向龍骨和橫向龍骨設(shè)計間距,造成材料浪費,并且砌筑施工工效較低,浪費人工;方案二通過龍骨骨架、穿孔鋼筋實現(xiàn)了陶土磚與結(jié)構(gòu)固定,水平穿孔緊固角鋼、豎向穿孔鋼筋焊接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了磚體緊固;豎向磚采用預(yù)制拼裝技術(shù)施工較為方便,因此選定方案二。
2.2.1 非標準陶土磚設(shè)計
采用230 mm長h 40 mm寬h 50 mm高非標準陶土磚,自重較輕,實現(xiàn)了減輕結(jié)構(gòu)自重目的;在陶土磚中心設(shè)置一個垂直于砌面的定位孔,在飾面磚長度方向的定位孔兩側(cè)分別設(shè)置對稱的長條形穿孔,用于穿過鋼筋。
2.2.2 鋼筋間距選定
陶土磚長度方向尺寸為230 mm,豎向灰縫寬度為10 mm,相鄰上下2排陶土磚豎向灰縫錯縫間距為120 mm,每塊陶土磚穿過2根豎向鋼筋,為保證鋼筋骨架不易變形,鋼筋間距選定為120 mm。
2.2.3 組合固定連接方法
采用膨脹螺栓將成品埋件與原結(jié)構(gòu)連接固定,轉(zhuǎn)接件與埋件之間焊接固定,豎向主龍骨與每層頂、底埋件點焊固定,最后與墻身混凝土上轉(zhuǎn)接件滿焊固定,保證豎向主龍骨與結(jié)構(gòu)進行可靠連接,水平次龍骨(角鋼托板)與豎向主龍骨連接,豎向鋼筋與水平次龍骨穿孔焊接固定,水平穿孔緊固角鋼與豎向鋼筋焊接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對磚體定位,陶土磚通過兩側(cè)設(shè)置的長條形穿孔依次穿過鋼筋,實現(xiàn)陶土磚與結(jié)構(gòu)連接固定。
2.2.4 層間豎向磚模塊化加工
采用鍍鋅方管、鍍鋅角鋼制作層間豎向磚模塊預(yù)制加工工具,將豎向穿孔鋼筋與穿孔鍍鋅角鋼焊接形成預(yù)制豎向模塊鋼骨架,然后將鋼骨架與加工工具固定,陶土磚通過定位孔兩側(cè)設(shè)置的長條形穿孔穿過鋼筋,橫向水平相互鋪裝以及豎向逐層穿孔安裝,完成豎向磚模塊加工。
2.2.5 層間豎向磚單元式拼裝技術(shù)
豎向模塊預(yù)制完成后,可在外立面進行拼裝,豎向模塊通過角鋼轉(zhuǎn)接件與頂、底水平次龍骨焊接固定,水平次龍骨與豎向主龍骨焊接固定,與結(jié)構(gòu)墻體形成可靠連接。通過封邊角鋼上鋼筋穿孔點將相鄰豎向模塊焊接固定。
2.2.6 橫向磚與層間豎向磚之間嵌縫
橫向磚與層間豎向磚之間采用鋁板裝飾線嵌縫。
2.2.7 防銹控制技術(shù)
陶土磚體形成閉合,陶土磚之間采用耐久耐候防水砂漿勾縫;焊接點涂刷防銹漆;層間豎向預(yù)制模塊之間采用耐久耐候防水、防霉勾縫劑進行勾縫。
豎向主龍骨通過埋件、轉(zhuǎn)接件與結(jié)構(gòu)進行連接,水平次龍骨(角鋼托板)與豎向主龍骨連接,豎向鋼筋與水平次龍骨穿孔焊接固定,水平穿孔緊固角鋼與豎向鋼筋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對磚體進行定位,橫向磚通過磚孔依次穿過豎向鋼筋安裝。層間豎向磚采用模塊化預(yù)制加工,單元式拼裝施工方法,豎向模塊封邊龍骨與水平龍骨焊接固定,相鄰豎向模塊之間通過封邊龍骨焊接固定。橫向磚與層間豎向磚之間采用裝飾線嵌縫,形成整個陶土磚飾面外墻系統(tǒng)。
通過將主要受力點的埋件設(shè)置于結(jié)構(gòu)上,作為龍骨的主要受力基座,再通過主次龍骨將磚砌體荷載傳遞至結(jié)構(gòu)上,龍骨主要起到承托陶土磚體及分散受力的作用,水平穿孔緊固角鋼與豎向鋼筋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)定位固定磚體,使陶土磚體與龍骨骨架、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成一體,將荷載分散傳遞至建筑結(jié)構(gòu),保證結(jié)構(gòu)體系安全穩(wěn)固[1-2]。
該技術(shù)具有以下核心技術(shù)要點:
1)變更標準磚尺寸,創(chuàng)新采用230 mmh 40 mmh 50 mm非標準三孔陶土磚,降低外飾面墻自重,保證結(jié)構(gòu)安全。
2)改變傳統(tǒng)通過拉結(jié)筋連接內(nèi)層墻體與外層裝飾磚的施工方法;創(chuàng)新采用鋼筋穿陶土磚孔安裝,水平穿孔緊固角鋼與豎向鋼筋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)定位加固磚體技術(shù)。
3)借鑒幕墻安裝工藝原理,主次龍骨通過埋件與結(jié)構(gòu)連接,豎向鋼筋與水平次龍骨穿孔焊接固定,陶土磚體與龍骨骨架、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成一體,通過結(jié)構(gòu)挑檐與水平次龍骨實現(xiàn)逐層卸荷,荷載傳遞清晰、合理,體系穩(wěn)固。
4)層間豎向磚采用模塊化預(yù)制加工,單元式拼裝方法,施工方便,綠色環(huán)保。
建立組合式鋼筋穿陶土磚飾面墻系統(tǒng)有限元模型,模型主要分為5個部分,即:混凝土梁結(jié)構(gòu);混凝土梁內(nèi)部主筋及箍筋體系;與結(jié)構(gòu)連接主龍骨及次龍骨體系;結(jié)構(gòu)墻體;外掛陶土磚體系。具體如圖1所示。
圖1 組合式鋼筋穿陶土磚飾面墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
外墻整體荷載為12 kN/m,計算模型每跨9 m,共計算3跨,因此梁上部總荷載為324 000 N,模型還受到重力作用,重力加速度設(shè)置為9.8 N·m/s2。
從3跨結(jié)構(gòu)的整體Mises應(yīng)力云圖(圖2)中可以看出,Mises應(yīng)力最大值為22.5 MPa,出現(xiàn)在左起第5根鋼筋底部處,遠小于鋼筋360 MPa的屈服強度,結(jié)構(gòu)安全。
圖2 結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖
從結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變云圖(圖3)中可以看出,等效塑性應(yīng)變云圖數(shù)值都為0,表明鋼筋沒有發(fā)生屈服,混凝土沒有達到極限強度,結(jié)構(gòu)安全。
圖3 結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變云圖
從結(jié)構(gòu)的位移云圖(圖4)中可以看出,位移主要集中于混凝土梁的每跨中部,最大位移為0.42 mm,在允許撓度范圍內(nèi)。
圖4 結(jié)構(gòu)位移云圖
根據(jù)外墻立面尺寸、構(gòu)造、磚塊模數(shù),以陽角基線為準向兩側(cè)排磚,進行整體排版設(shè)計,大墻面為橫向排磚,層間為豎向排磚,陶土磚上、下之間錯位布置。在細部排版過程中考慮洞口大小的制約,層間豎向部位磚體排版應(yīng)對不同尺寸單元模塊進行編號;非整磚部位在滿足最小灰縫寬度的前提下,可以將其中一個方向的灰縫適當進行調(diào)整,達到整齊效果。
結(jié)構(gòu)驗收完成后,將外墻基層上殘留的砂漿、灰塵、污垢、油漬等用砂輪機、鋼刷打磨清除干凈,在外墻挑檐及墻身混凝土上放出埋件安裝控制線。
4.3.1 埋件及轉(zhuǎn)接件安裝
埋件為成品鍍鋅鋼板(200 mmh 300 mmh 8 mm),間距為1 100 mm,轉(zhuǎn)接件為鍍鋅直角形鋼板(75 mmh 60 mmh 8 mm);在內(nèi)層圍護結(jié)構(gòu)砌筑施工階段,通過策劃,提前布置構(gòu)造柱和水平系梁;采用膨脹螺栓(M12 mmh 120 mm)與結(jié)構(gòu)連接固定;轉(zhuǎn)接件與埋件之間焊接固定,焊接點涂刷防銹漆。
4.3.2 豎向主龍骨安裝
豎向主龍骨為鍍鋅方管(120 mmh 60 mmh 8 mm)。先將豎向主龍骨與每層頂、底埋件點焊固定,待吊線校核垂直后滿焊固定,最后與墻身混凝土上轉(zhuǎn)接件滿焊固定,焊接點涂刷防銹漆。豎向主龍骨間距為1 100 mm(圖5)。
圖5 豎向主龍骨安裝
4.3.3 外墻保溫施工
豎向主龍骨安裝完成后采用黏結(jié)砂漿黏結(jié)保溫板,保溫板用錨栓與結(jié)構(gòu)固定。
4.3.4 底層水平次龍骨安裝
底層水平次龍骨為鍍鋅角鋼(75 mmh 60 mmh 8 mm),起橫向托板作用。彈出底層水平安裝水平控制線,根據(jù)所彈控制線將底層水平次龍骨與豎向主龍骨焊接固定,焊接點涂刷防銹漆。
4.3.5 豎向穿孔鋼筋安裝
在底層水平次龍骨上測量定位豎向穿孔鋼筋(φ8 mm)的安裝位置,鋼筋間距為陶土磚孔的中心間距,將豎向穿孔鋼筋與底層水平次龍骨焊接固定,焊接點涂刷防銹漆(圖6)。
圖6 豎向穿孔鋼筋安裝
4.3.6 陶土磚安裝
豎向鋼筋焊接完成后,陶土磚通過定位孔兩側(cè)設(shè)置的長條形孔穿過鋼筋,橫向水平錯縫砌筑安裝、豎向逐層穿孔安裝,豎向鋼筋采用焊接方式接長。
陶土磚安裝時鋪漿長度不得大于3塊磚長度,隨安裝隨拉線控制水平灰縫厚度,安裝時以陶土磚長條形穿孔中砂漿飽滿溢出為止,保證砂漿擠壓密實。豎向灰縫寬度通過陶土磚中間圓形定位孔間距進行控制。磚體之間確保砂漿飽滿,采用耐候耐久防水砂漿勾縫處理。
橫向陶土磚安裝施工時,每安裝600 mm高磚體,安裝一道水平穿孔緊固角鋼(30 mmh 30 mmh 4 mm鍍鋅角鋼),與豎向鋼筋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)定位加固磚體,并且每800 mm高安裝一道水平次龍骨(鍍鋅通長角鋼托板)與豎向主龍骨焊接固定。水平次龍骨和水平緊固角鋼孔距為豎向鋼筋間距。待陶土磚安裝至橫向磚與層間豎向磚間裝飾線部位時,焊接固定頂層水平次龍骨,切除頂層水平次龍骨上部鋼筋,將鋼筋與次龍骨焊接固定,橫向磚安裝完成(圖7)。
圖7 橫向磚安裝
4.4.1 預(yù)制加工工具制作
采用鍍鋅方管、鍍鋅角鋼制作層間豎向磚模塊預(yù)制加工工具,在豎向方管立柱上刻制出每一層陶土磚灰縫刻度線,以此來保證豎向模塊加工尺寸以及灰縫厚度。2個立柱之間的距離為模塊長度L,頂層刻度線與底座之間的距離為模塊高度H。
4.4.2 預(yù)制豎向模塊鋼骨架與加工工具固定
將豎向穿孔鋼筋與穿孔鍍鋅角鋼焊接形成預(yù)制豎向模塊鋼骨架,然后將鋼骨架與加工工具固定(圖8)。
圖8 豎向模塊鋼骨架
4.4.3 陶土磚安裝,形成預(yù)制模塊
豎向變橫向在地上預(yù)制加工,陶土磚通過定位孔穿過鋼筋砌筑安裝,安裝方式同橫向磚安裝方式。
陶土磚安裝至層間高度時,安裝上部封邊穿孔角鋼,將豎向磚預(yù)制模塊與加工工具分離,待砂漿達到一定強度后,切除外露豎向鋼筋,將豎向鋼筋與穿孔角鋼焊接固定(圖9)。
圖9 預(yù)制豎向模塊
4.4.4 單元式拼裝
豎向模塊預(yù)制完成后,在外立面進行拼裝。豎向模塊通過角鋼轉(zhuǎn)接件與頂、底水平次龍骨焊接固定。先點焊模塊底部角鋼(30 mmh 30 mmh 4 mm),對相鄰豎向模塊順直度、垂直度、平整度進行調(diào)整,確保其在同一個水平面上,調(diào)整完畢后將頂部及底部滿焊固定。相鄰豎向模塊間焊接固定,焊接點為封邊角鋼上鋼筋穿孔點(圖10)。
圖10 豎向模塊拼裝
裝飾線橫向設(shè)置于橫向磚與層間豎向磚之間,將鋁板裝飾線與豎向模塊封邊龍骨、水平次龍骨連接固定。
橫向磚與豎向磚裝飾線處采用耐久耐候密封膠密封,豎向模塊之間以及磚體之間選用耐久耐候防水、防霉勾縫劑進行勾縫,整體墻面施工完成后,進行面層清洗。
砌塊作為外墻的裝飾材料被廣泛采用,逐漸從承重作用已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轱椕孀饔谩Mㄟ^采用鋼筋穿陶土磚孔砌筑,豎向磚模塊化預(yù)制、單元式拼裝施工方法,解決了傳統(tǒng)裝飾磚飾面墻自重大、施工工效低的問題,達到與結(jié)構(gòu)連接牢固的效果,既滿足了業(yè)主對工期和質(zhì)量的需求,也滿足行業(yè)對新技術(shù)的需求,該技術(shù)質(zhì)量可靠、安全環(huán)保、工效高、綜合效益顯著,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。