謝智彬

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州510500）

1 工程概況

某項(xiàng)目圖書館位于清遠(yuǎn)市燕湖新區(qū)，總建筑面積約53 816 m2，其中地上建筑面積40 770 m2，建筑高度31 m；地下1層，地上4層，局部5層。本項(xiàng)目為混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)，其中地下室采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)，右側(cè)部分及屋面系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)。該圖書館三維模型如圖1所示。

圖1 圖書館結(jié)構(gòu)三維模型Fig.1 3D Model of Library

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

裝配式建筑的設(shè)計(jì)涉及各個專業(yè)，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守計(jì)算及規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、少規(guī)格、多組合的設(shè)計(jì)原則。

根據(jù)平面布置（見圖2），建筑采用8.4 m×8.4 m 標(biāo)準(zhǔn)柱跨，各層標(biāo)準(zhǔn)化較高。本項(xiàng)目采用預(yù)制柱、疊合梁、全預(yù)制板及鋼筋桁架樓層板等預(yù)制構(gòu)件，考慮到防水要求和預(yù)制構(gòu)件的重復(fù)利用率、經(jīng)濟(jì)性，各層的室外區(qū)域，如陽臺、天井及衛(wèi)生間等降板區(qū)域仍采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)；大懸挑區(qū)域、設(shè)備機(jī)房及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)域由于受力形式及荷載較大，考慮到結(jié)構(gòu)的安全性及施工可行性，采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖2 圖書館2層平面布置Fig.2 Plan of First floor

為實(shí)現(xiàn)建筑立面，屋面效果，保溫、防水、節(jié)能要求和滿足裝配率的要求，本項(xiàng)目屋面系統(tǒng)采用金屬屋面系統(tǒng)，建筑立面均采用幕墻系統(tǒng)。

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)制柱

預(yù)制柱在設(shè)計(jì)中不僅需要滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，更需要滿足預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)，運(yùn)輸及吊裝要求。預(yù)制柱的截面、高度種類越少，構(gòu)件重復(fù)利用率就越高，生產(chǎn)及施工費(fèi)用就越少，效率越高。本項(xiàng)目功能為圖書館，但層數(shù)不多，除個別大跨度位置外，各柱柱軸力并不大，柱截面均不大，因此在設(shè)計(jì)前期考慮柱截面為600 mm×600 mm，800 mm×800 mm 的柱均設(shè)計(jì)為預(yù)制柱，其余柱現(xiàn)澆。除此之外，當(dāng)柱身有造型或有梯梁打斷時，會增加預(yù)制模具數(shù)量，一般不考慮預(yù)制該類柱子。

但與施工單位的交流中發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目層高較高（首層6 m，其余層5.4 m），首層的預(yù)制柱重量達(dá)8.3 t（800 mm×800 mm）和4.5 t（600 mm×600 mm），對現(xiàn)場的構(gòu)件堆放及吊裝產(chǎn)生影響。施工方指出若采用800 mm×800 mm和600 mm×600 mm兩種預(yù)制柱截面，需要布置3 臺“70 系列”汽車吊，增加大量造價及占用大量現(xiàn)場施工空間，因此經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足裝配率的前提下，只將600 mm×600 mm 的柱設(shè)計(jì)為預(yù)制柱，減少吊裝重量，優(yōu)化吊機(jī)位置，從而減少施工吊裝費(fèi)用。

在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，除了要滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015版）：GB 50010—2010》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016版）：GB 50011—2010》等結(jié)構(gòu)規(guī)范外，還要滿足各裝配式規(guī)范中的相關(guān)要求，為保證混凝土澆筑密實(shí)，套筒之間的凈距不應(yīng)小于25 mm［1］，同時考慮到套筒連接區(qū)域柱截面剛度和承載力較大，柱的塑性鉸會上移，因此套筒連接區(qū)域以上500 mm 也應(yīng)柱箍筋加密［2］?？紤]到梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)的鋼筋較多，預(yù)制構(gòu)件的鋼筋很難調(diào)節(jié)定位，鋼筋的避讓問題突出，為了提高安裝效率和施工質(zhì)量，同時減少套筒灌漿數(shù)量，一般采用大直徑鋼筋，減少鋼筋根數(shù)的方式。所以本項(xiàng)目600 mm×600 mm 的預(yù)制柱采用每邊4 根直徑φ22 的鋼筋，并將受力縱筋鋼筋放置在角部，當(dāng)不滿足縱筋最大凈距時，可設(shè)置縱向輔助鋼筋。

3.2 疊合梁

本項(xiàng)目使用功能為圖書館，荷載較大，采用單向布置雙次梁的形式。采用該平面布置方式，會使一個方向的框架梁受力較大，另一個方向較小，設(shè)計(jì)時利用該特點(diǎn)，使2 個方向的梁高不一樣（600 mm∕800 mm），雖然會增加梁柱節(jié)點(diǎn)模板數(shù)量，但能使2 個方向的疊合梁底筋相錯開，有利于梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)的鋼筋排布，避免鋼筋位置沖突，便于施工安裝。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］要求，框架疊合梁的現(xiàn)澆混凝土疊合層厚度不宜小于150 mm，次梁的現(xiàn)澆混凝土疊合層厚度不宜小于120 mm；當(dāng)板的總厚度小于梁的現(xiàn)澆層厚度要求時，為增加梁的現(xiàn)澆層厚度，可采用凹口形截面預(yù)制梁，本項(xiàng)目抗震等級二級，框架梁應(yīng)采用凹口梁形式。當(dāng)采用凹口截面預(yù)制梁時，凹口深度不宜小于50 mm，凹口邊厚度不宜小于60 mm［1］。

裝配整體式的疊合梁構(gòu)造要求與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一樣。梁的鋼筋配置需滿足各規(guī)范的要求?？紤]梁柱節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，梁受力鋼筋盡量采用較粗直徑、寬間距的鋼筋布置方式。同時根據(jù)地震作用的特點(diǎn)，框架梁底筋在滿足抗震受力的前提下，不需全部伸入支座，減少梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)中的鋼筋數(shù)量，有利于鋼筋避讓［2］。

《裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-07-2016》強(qiáng)制條文規(guī)定預(yù)制框架梁在梁端結(jié)合面應(yīng)設(shè)置抗剪鍵槽。預(yù)制梁的抗剪鍵槽是指通過凹凸形狀的混凝土傳遞剪力的抗剪機(jī)構(gòu)，是保證接縫處抗剪承載力的關(guān)鍵技術(shù)措施。有試驗(yàn)表明，預(yù)制梁端采用鍵槽的方式時，其受剪承載力一般大于粗糙面，且易于控制加工質(zhì)量及檢驗(yàn)［3］。為加強(qiáng)預(yù)制梁與現(xiàn)澆混凝土疊合層之間結(jié)合面的混凝土粘結(jié)力，結(jié)合面處應(yīng)設(shè)置粗糙面，粗糙面凹凸深度不應(yīng)小于6 mm［3］。

3.3 全預(yù)制板

由于疊合板存在吊裝易損壞，現(xiàn)場澆筑量大，生產(chǎn)質(zhì)量難控制等原因［4］，本項(xiàng)目采用的是全預(yù)制板。根據(jù)國標(biāo)圖集《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：G310-1～2》中的梁支座板端連接構(gòu)造要求，當(dāng)現(xiàn)澆層厚度不小于80 mm時，預(yù)制底板可不出底筋［5］，根據(jù)這一點(diǎn)，本項(xiàng)目在梁支座板端連接處及板后澆帶接縫處，預(yù)制底板厚40 mm，板端伸出面筋，底筋不伸出，采用附加底筋的連接形式，預(yù)制板中部板厚120 mm（見圖3），從而降低預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸尺寸，吊裝時的難度，減少鋼筋碰撞，提高安裝效率。同時，傳統(tǒng)出筋疊合板在安裝時，需先將一側(cè)板的伸出鋼筋向上或下彎折70°～90°，然后安裝另一側(cè)疊合板，然后待梁鋼筋綁扎完成后再將鋼筋調(diào)直［6］。該種做法不僅施工麻煩，工序復(fù)雜，而且彎折鋼筋容易導(dǎo)致?lián)p傷，影響受力，故此本項(xiàng)目中采取面筋搭接連接，底筋附加鋼筋連接的形式有效的減少現(xiàn)場施工的麻煩，還更好地保證施工質(zhì)量。全預(yù)制板相對于傳統(tǒng)的疊合板形式，減少了現(xiàn)場的混凝土澆筑量，提高施工速率。

圖3 預(yù)制梁板節(jié)點(diǎn)大樣圖Fig.3 Connection of Prefabricated Beam and Slab

預(yù)制板的拆分對現(xiàn)場能否順利施工及造價控制至關(guān)重要，根據(jù)交通部《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》［7］，運(yùn)載貨車寬度不應(yīng)超過2.55 m，故此本項(xiàng)目的預(yù)制板寬度控制在1.8～2.2 m之間，同時本項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件廠家使用的模臺規(guī)格是3.2 m×12 m［8］，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)綜合考慮板塊的重量、尺寸及受力形式，控制每塊預(yù)制板的重量，減少對吊裝的影響。本項(xiàng)目的全預(yù)制板尺寸一般為4.18 m×2.1 m，重量約為1.85 t。

3.4 鋼筋桁架樓承板

在本項(xiàng)目中存在較多的懸挑、室外區(qū)域，若均采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土樓板，必定導(dǎo)致水平構(gòu)件的裝配率不滿足裝配率的要求，因此根據(jù)文獻(xiàn)［9］的4.0.5 條的規(guī)定，“預(yù)制裝配式樓板包括金屬樓承板和屋面板、木樓蓋和屋蓋及其他在施工現(xiàn)場免支模的樓蓋和屋蓋的水平投影面積”，采用鋼筋桁架樓承板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木模，從而節(jié)省模板及支頂數(shù)量，提高施工效率和滿足裝配率的要求。本項(xiàng)目天花均有吊頂，所以鋼筋桁架組合樓板底模為永久性鋼板并不影響使用效果。鋼筋桁架樓承板的設(shè)計(jì)分為2 個階段：使用階段及施工階段。使用階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)算與現(xiàn)澆樓板相同，進(jìn)行承載力等驗(yàn)算。施工階段中，由于鋼筋桁架樓承板為免模，免支撐，在混凝土凝結(jié)之前，所有的荷載，包括樓板自重，施工荷載都由鋼筋桁架承受，故此需要做施工階段的驗(yàn)算。本項(xiàng)目由于層高均大于5 m，需采用高支模，故此直接采用滿堂腳手架的形式，鋼筋桁架樓承板無需進(jìn)行施工階段驗(yàn)算。

3.5 裝配式連接節(jié)點(diǎn)

裝配整體式結(jié)構(gòu)中，應(yīng)重視構(gòu)件間的連接計(jì)算，因?yàn)樵诠S生產(chǎn)的預(yù)制件質(zhì)量比現(xiàn)澆構(gòu)件更容易保證，問題就在于構(gòu)件間的連接是否有效與可靠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 版）：GB 50010—2010》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）：GB 50011—2010》驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震性能，按文獻(xiàn)［3］驗(yàn)算構(gòu)件兩端豎向接縫受彎承載力，受剪承載力等以確保連接區(qū)的受力性能。

本項(xiàng)目中有以下幾種預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)：①梁板節(jié)點(diǎn)；②梁柱節(jié)點(diǎn)；③主次梁節(jié)點(diǎn)；④鋼筋桁架樓層板與梁節(jié)點(diǎn)；⑤全預(yù)制板拼縫。

梁板節(jié)點(diǎn)做法采用底筋不出筋，附加底筋的形式，如圖3 所示，這樣可以無需在吊裝時彎起其中一側(cè)板鋼筋，簡化施工吊裝；梁柱節(jié)點(diǎn)正如上文所說到的采用現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)形式，該形式相對于采用套筒連接鋼筋的延性連接方式［10］來說，鋼筋的避讓是重點(diǎn)。在進(jìn)行BIM碰撞測試時，即使通過柱鋼筋放置角部，兩方向框架梁不等高，減少梁底筋進(jìn)入支座的方式，還是出現(xiàn)鋼筋無法避讓的情況。因此，采取在構(gòu)件預(yù)制時，將伸入節(jié)點(diǎn)的底筋進(jìn)行水平偏折并采用彎錨的形式進(jìn)行避讓［11］，該方式在現(xiàn)場的施工中被證明是能有效避免鋼筋碰撞及簡化預(yù)制構(gòu)件的安裝，如圖4所示。

圖4 梁柱節(jié)點(diǎn)BIM碰撞Fig.4 BIM of Connection of Prefaricated Beam and Column

主次梁連接節(jié)點(diǎn)采用次梁梁端現(xiàn)澆，主梁梁側(cè)套筒連接的形式如圖5 所示。通過在主梁梁側(cè)預(yù)留套筒，次梁梁端用連接鋼筋連接的方式來簡化施工，同時該方式將底筋連接位置設(shè)在受力較少的位置也符合結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)；鋼筋桁架樓層板與梁的連接節(jié)點(diǎn)同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，不在此處展開說明；全預(yù)制板的拼接采用整體式拼縫，由于平面布置采用單向雙次梁形式，本項(xiàng)目的所有板拼縫均留在板的非受力方向，有利于保證樓板的受力性能。

圖5 主次梁連接節(jié)點(diǎn)Fig.5 Connection of Primary Beam and Secondary Beam

4 結(jié)論

對于公共建筑，建筑平面的相同率比住宅要低，因此在方案及設(shè)計(jì)初期更應(yīng)協(xié)調(diào)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備各方之間的關(guān)系，并應(yīng)加強(qiáng)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等各專業(yè)之間的配合，盡可能做到土建及內(nèi)裝一體化設(shè)計(jì)，從裝配式的角度出發(fā)，提出預(yù)制構(gòu)件設(shè)置部位及多套預(yù)制裝配率組合方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。

預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)與拆分，特別是連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與鋼筋避讓，要充分考慮到構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝等環(huán)節(jié)的影響，有利于項(xiàng)目的成本控制及提高施工效率。據(jù)施工現(xiàn)場反饋，本文所采用的優(yōu)化形式能有效降低現(xiàn)場施工難度及保證施工質(zhì)量。

本項(xiàng)目經(jīng)裝配式設(shè)計(jì)后，裝配率根據(jù)文獻(xiàn)［9］計(jì)算，達(dá)到62%。