文/東南大學(xué)建筑學(xué)院 張軍軍 張 宏

東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 羅 申 伍雁華

昆山生態(tài)屋建筑技術(shù)有限公司 劉 春

南京興華建筑設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 劉子潔

0 引言

黨的“十九大”報(bào)告指出：“我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力的攻關(guān)期”。建筑產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，但傳統(tǒng)建筑業(yè)存在諸多問題，如科技含量低、勞動(dòng)力成本高、資源消耗大等。因此，建筑工業(yè)化是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)?！笆濉币詠?，我國(guó)裝配式建筑已取得長(zhǎng)足發(fā)展。

混凝土建筑工程主要包含4個(gè)方面：混凝土工程、鋼筋工程、模板工程和腳手架工程。長(zhǎng)期以來鋼筋工程技術(shù)落后，存在易出錯(cuò)、生產(chǎn)效率低、材料損耗大、過程難管控等問題。研究表明，建筑工業(yè)化不應(yīng)局限于預(yù)制裝配式混凝土構(gòu)件，裝配式鋼筋骨架同樣可采用工廠機(jī)械化生產(chǎn)和工位工業(yè)化施工，并可節(jié)省混凝土重復(fù)周轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)母哳~費(fèi)用，其相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新型建筑工業(yè)化的重要組成部分。

1 裝配式鋼筋骨架設(shè)計(jì)原理

我國(guó)的建筑鋼筋加工設(shè)備最早以建筑工地上的簡(jiǎn)單機(jī)器為主，基本是粗放型的生產(chǎn)方式，技術(shù)含量較低。2000年以來，我國(guó)鋼筋加工商品化逐漸得到發(fā)展。目前市場(chǎng)上常見的工程用商品鋼筋主要有鋼筋成型、箍筋成型、鋼筋網(wǎng)成型、鋼筋籠成型、鋼筋桁架焊接成型、鋼筋機(jī)械連接等。

混凝土建筑結(jié)構(gòu)中，豎向結(jié)構(gòu)主要指柱和剪力墻。框架結(jié)構(gòu)在多層與低層辦公建筑中應(yīng)用較多，剪力墻結(jié)構(gòu)大規(guī)模應(yīng)用于高層住宅。裝配式住宅是目前建筑工業(yè)化的主要著力點(diǎn)，以江蘇某高層保障性住宅為例，說明基于裝配式鋼筋骨架的工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)原理。

常用的剪力墻有“T”形、“L”形、“十”字形、“Z”字形、折線形和“一”字形等，其截面尺寸較大，內(nèi)部鋼筋較多，如果采用現(xiàn)場(chǎng)手工綁扎的方式，綁扎點(diǎn)較多，鋼筋間距得不到有效控制，鋼筋籠易出現(xiàn)尺寸偏差，而且高空作業(yè)多，不利于安全作業(yè)，成品質(zhì)量控制水平不高。因此，剪力墻的配筋應(yīng)結(jié)合鋼筋工業(yè)化生產(chǎn)，選用機(jī)械化建造的商品化鋼筋構(gòu)件組合裝配建造，以獲得高品質(zhì)、高效率。剪力墻可視為由剪力墻暗柱、剪力墻墻身、剪力墻梁三部分構(gòu)成。

1）剪力墻暗柱即邊緣約束構(gòu)件，表現(xiàn)為矩形鋼筋籠形式，可利用螺旋箍筋方形鋼筋籠機(jī)械設(shè)備一次生產(chǎn)成型，如圖1所示。

2）剪力墻墻身鋼筋較規(guī)整，一般呈網(wǎng)格狀布置，可利用鋼筋網(wǎng)連接機(jī)直接成型。一個(gè)普通的“L”形剪力墻的邊緣約束構(gòu)件主要包含兩端的矩形暗柱和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的“L”形暗柱，在模臺(tái)上將3個(gè)暗柱與4片鋼筋網(wǎng)片通過點(diǎn)焊連接，相對(duì)的鋼筋網(wǎng)片通過構(gòu)造箍筋連接，即可形成“L”形剪力墻鋼筋骨架，如圖2所示。

3）剪力墻梁是線性構(gòu)件，鋼筋骨架生產(chǎn)方式類似于柱。梁箍筋可采用鋼筋折彎?rùn)C(jī)一次成型，也可采用螺旋箍筋。梁的下部鋼筋應(yīng)通長(zhǎng)，直接與箍筋點(diǎn)焊成整體，形成鋼筋骨架；考慮到裝配時(shí)不影響樓板鋼筋的吊裝，梁的上部鋼筋可吊裝至工位后再手工穿插。工廠成型的梁鋼筋骨架箍筋間距精準(zhǔn)，形成整體后剛度較大適合吊裝，且吊裝時(shí)只有鋼筋，重量輕，吊裝較便捷。矩形梁鋼筋骨架如圖3所示。

目前我國(guó)裝配式建筑中，樓板通常采用疊合板。但疊合板的跨度通常在3m以內(nèi)，因而需設(shè)置次梁，給裝配建造帶來不便。樓板跨度越大，裝配效率越高?！熬袷健泵芾邩巧w是較經(jīng)濟(jì)的一種大板形式，因此提出一種基于裝配式鋼筋骨架的密肋樓蓋設(shè)計(jì)（見圖4）。密肋樓蓋跨度較大，為減少密肋厚度，可考慮利用機(jī)械直接成型的二維平面桁架作為密肋樓蓋的配筋。密肋樓蓋雙向受力時(shí)較為經(jīng)濟(jì)，因此需考慮2個(gè)方向鋼筋交接時(shí)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可通過標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。密肋樓蓋肋與肋之間無配筋，為減輕自重通?？紤]留空，但肋與肋之間留空，相應(yīng)密肋樓蓋的底表面積會(huì)增大，導(dǎo)致混凝土澆筑時(shí)的支模工作量大且繁瑣。因此，考慮在井格中填充倒梯形泡沫混凝土內(nèi)芯（見圖5）。泡沫混凝土既充當(dāng)肋梁側(cè)面和井格底面的混凝土澆筑模板，又可改善密肋樓蓋的保溫、隔熱、隔聲等方面性能。將上述剪力墻、梁和樓板的剛性骨架整合后形成的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元模型如圖6所示，圖7是基于圖6進(jìn)行的1∶1足尺真實(shí)建造。

圖1 螺旋箍筋方形鋼筋籠機(jī)械 設(shè)備

圖2 暗柱和鋼筋網(wǎng)組成剪力墻鋼筋骨架

圖3 矩形梁鋼筋骨架

圖4 基于裝配式鋼筋骨架的密 肋樓蓋

圖5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與填充內(nèi)芯

圖6 獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元模型

圖7 1∶1足尺真實(shí)建造

基于減少構(gòu)件種類的原則，采用上述裝配式鋼筋骨架完成某公寓標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)。根據(jù)套型尺寸和樓板跨度綜合考慮，方案將軸線定為8.4m矩形規(guī)則軸網(wǎng)，僅在核心筒處稍作變化。根據(jù)剪力墻裝配式鋼筋骨架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，盡量采取規(guī)格較簡(jiǎn)單的“L”形、“T”形和“H”形剪力墻，在截面尺寸基本符合結(jié)構(gòu)計(jì)算要求后，進(jìn)行剪力墻種類的歸并，經(jīng)過優(yōu)化，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層僅含有3種“L”形剪力墻、2種“T”形剪力墻和1種“H”形剪力墻，即每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層僅有6種剪力墻規(guī)格（見圖8）?？紤]到該建筑共31層，其結(jié)構(gòu)體上小下大，故將16層及以上剪力墻厚度設(shè)置為200mm，15層及以下剪力墻厚度設(shè)置為250mm，其中1～5層為加強(qiáng)層。因此該31層保障性住房的豎向結(jié)構(gòu)剪力墻構(gòu)件僅有18種，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的剪力墻共6種，每個(gè)剪力墻均由邊緣約束構(gòu)件和鋼筋網(wǎng)片構(gòu)成。通常情況下，每個(gè)剪力墻均包含2～3個(gè)不同的邊緣約束構(gòu)件。在本方案中，為實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架的預(yù)制，對(duì)邊緣約束構(gòu)件進(jìn)行了歸并與優(yōu)化，如圖9所示，某標(biāo)準(zhǔn)層平面的剪力墻邊緣約束構(gòu)件僅有9種。其余2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層平面也可進(jìn)行類推。將1～5層的剪力墻構(gòu)件分別編號(hào)為JG-1-1，JG-2-1，JG-3-1，JG-4-1，JG-5-1，JG-6-1，將6～15層的剪力墻構(gòu)件分別編號(hào)為JG-1-2，JG-2-2，JG-3-2，JG-4-2，JG-5-2，JG-6-2，將16～31層的剪力墻構(gòu)件分別編號(hào)為JG-1-3，JG-2-3，JG-3-3，JG-4-3，JG-5-3，JG-6-3，并對(duì)其相應(yīng)的邊緣約束構(gòu)件進(jìn)行歸并和編號(hào)整理，如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，盡管整個(gè)建筑共有18種剪力墻構(gòu)件，但構(gòu)成它們的邊緣約束構(gòu)件只有19種，即工廠生產(chǎn)的邊緣約束構(gòu)件的鋼筋骨架型號(hào)只有19種，工業(yè)化生產(chǎn)效率較高。在本案中，梁和樓板同樣也在建筑設(shè)計(jì)和裝配建造之間取得協(xié)調(diào)，梁構(gòu)件截面配筋形式僅有12種，樓板種類也較少。

該方案較好地體現(xiàn)了基于裝配式鋼筋骨架的工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，基于鋼筋骨架的生產(chǎn)裝配原則，對(duì)剪力墻進(jìn)行梳理和歸并，利用較少的鋼筋骨架，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)制裝配。經(jīng)計(jì)算，其預(yù)制裝配率可達(dá)43.44%。

圖8 某公寓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 剪力墻邊緣約束構(gòu)件歸并與優(yōu)化

表1 邊緣構(gòu)件統(tǒng)計(jì)

2 裝配式鋼筋骨架裝配技術(shù)

裝配式鋼筋骨架需要有三級(jí)裝配：第1步在工廠預(yù)制鋼筋構(gòu)件；第2步在現(xiàn)場(chǎng)拼裝成為剛性鋼筋骨架；第3步將裝配式鋼筋骨架吊裝至工位進(jìn)行連接，再現(xiàn)澆混凝土。

1）一級(jí)裝配 發(fā)生于預(yù)制構(gòu)件廠，即鋼筋工業(yè)化制造廠。該層級(jí)的目的是在運(yùn)輸高效的前提下預(yù)制鋼筋骨架構(gòu)件。如柱或梁的剛性鋼筋骨架，本身是線性體量，預(yù)制完成后運(yùn)輸依然高效，因此應(yīng)盡量在工廠預(yù)制，提高效率；剪力墻和樓板構(gòu)件較復(fù)雜，桁架密肋樓蓋平面尺寸過大，不適合運(yùn)輸，因此宜考慮將構(gòu)成剛性鋼筋骨架的構(gòu)件高效地運(yùn)輸至工地后，再進(jìn)行二級(jí)裝配。

2）二級(jí)裝配 發(fā)生于工地工廠，即在工位附近臨時(shí)搭建的有頂操作空間。該層級(jí)的目的是接收和管理預(yù)制構(gòu)件廠運(yùn)輸來的構(gòu)件，對(duì)已裝配完成的構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)，對(duì)未裝配完成的構(gòu)件設(shè)專用工具和空間完成裝配建造，形成可吊裝的成品件；并對(duì)預(yù)制構(gòu)件堆場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)給，以保證其長(zhǎng)期保持充足的構(gòu)件周轉(zhuǎn)量。

3）三級(jí)裝配 發(fā)生于工位上。主要目的是實(shí)現(xiàn)裝配式鋼筋骨架的連接，通過局部后加鋼筋的形式，在滿足國(guó)家建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的前提下，實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架整體連接。

因此，裝配式鋼筋骨架的一級(jí)工廠裝配是為生產(chǎn)運(yùn)輸件，主要包括柱、梁、剪力墻邊緣約束構(gòu)件、鋼筋網(wǎng)片、網(wǎng)模、密肋大板底模等構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)。裝配式鋼筋骨架的二級(jí)工地工廠裝配是為實(shí)現(xiàn)吊裝件，主要包括剪力墻和大板。裝配式鋼筋骨架的三級(jí)工位裝配是將剛性鋼筋骨架連接為整體，即將剪力墻、梁、樓板等鋼筋骨架連接成整體結(jié)構(gòu)，通過工業(yè)化商品混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑整體成型。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分級(jí)裝配大構(gòu)件，提高了運(yùn)輸、起吊及工業(yè)裝配等環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性和效率。

3 結(jié)語

鋼筋工程工業(yè)化對(duì)推進(jìn)建筑工業(yè)化意義重大，我國(guó)商品混凝土系統(tǒng)發(fā)展完備且現(xiàn)澆混凝土工業(yè)化技術(shù)成熟，裝配式鋼筋骨架技術(shù)集預(yù)制和現(xiàn)澆2種工法優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)機(jī)械化大生產(chǎn)趨勢(shì)。作為與PC相輔相成的技術(shù)體系，其具有3個(gè)不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

1）構(gòu)件質(zhì)量輕，避免了混凝土的多次周轉(zhuǎn)，可降低運(yùn)輸費(fèi)用。

2）相較PC對(duì)構(gòu)件外觀尺寸的歸并與優(yōu)化，裝配式鋼筋骨架技術(shù)對(duì)構(gòu)件的歸并優(yōu)化更徹底，從鋼筋骨架本身進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，更符合工業(yè)化生產(chǎn)要求。

3）與現(xiàn)行規(guī)范銜接更好，可避免因施工不當(dāng)而引起的PC連接問題。