黃 澤，劉津成，王 帆，3

（1、華南理工大學建筑設計研究院有限公司 廣州510641；2、廣州市建工設計院有限公司 廣州510030；3、華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室 廣州510640）

0 引言

隨著傳統(tǒng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，裝配式建筑的建造項目落成將會越來越普及。而現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)設計的模式與國家大力倡導的裝配式發(fā)展無論是從設計方法、生產(chǎn)模式、各方合作關系均有較大變化。發(fā)展裝配式建筑的關鍵點則是預制構(gòu)件深化設計與關鍵連接節(jié)點設計，通過對實際的裝配式工程項目設計施工過程進行匯總以及針對同類型項目未曾出現(xiàn)過的重難點進行解析，形成有效的深化設計經(jīng)驗和總結(jié)，從而幫助推動裝配式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［1］。

1 工程概況

華南理工大學國際校區(qū)項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m2。其中S1 地塊四棟學生宿舍均為裝配式建筑。S1 學生宿舍地下室及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)裝配式建筑評價標準的評價要求，可評價為A 級裝配式建筑［2］（見表1）。

圖1 S1 地塊4 棟裝配式學生宿舍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)件深化設計

2.1 預制柱

本工程預制豎向構(gòu)件從3 層開始預制，2 層作為現(xiàn)澆轉(zhuǎn)換層。所有的預制豎向構(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）。

預制柱的截面配筋采用等面積代換的方式，由原設計結(jié)果配筋代換成大直徑鋼筋，同時中部縱筋間距較大處增加不伸入節(jié)點的構(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，相應其他材料項和人工也均有所減少（見表2）。

預制柱截面配筋及截面形式如圖4 所示。

圖3 預制柱Fig.3 Prefabricated Column

表2 套筒對比分析表Tab.2 Sleeve Comparison Analysis Table

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

預制柱深化設計時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，并將相關平面數(shù)據(jù)反饋給施工方進行塔吊的布置與考慮。

⑵本工程預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)機用一根不切斷的箍筋彎折而成的箍筋。經(jīng)學者試驗研究，一筆箍的約束強度與設計受力可滿足使用要求［3］。

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

預制柱的深化設計還需考慮原柱子的形狀及尺寸，這些因素最終影響著預制構(gòu)件的重量。而預制柱通常為單構(gòu)件重量最重的構(gòu)件，對現(xiàn)場塔吊的配合要求極高。重量過大的構(gòu)件需要考慮運輸限載問題，可考慮根據(jù)施工現(xiàn)場情況進行游牧式生產(chǎn)預制。

2.2 預制疊合主梁

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

本工程預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，同時按照規(guī)范設計內(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。預制主梁制造圖及現(xiàn)場支撐如圖5、圖6 所示。

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

2.3 預制疊合次梁

預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置粗糙面（見圖7、圖8）。預制疊合次梁的兩端預埋有鋼企口，用于預制主次梁之間的連接，采用鋼企口連接時，應符合裝配式及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相關規(guī)范［5、6］的規(guī)定。

圖6 預制主梁Fig.6 Prefabricated Main Beam

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

圖8 預制次梁Fig.8 Prefabricated Secondary Beam

2.4 預制單向疊合板

疊合板設計根據(jù)接縫構(gòu)造、支座構(gòu)造和長寬比確定，本工程的疊合樓板采用單向板設計（見圖9、圖10和圖11）。樓板采用鋼筋桁架疊合樓板，考慮管線埋設以及規(guī)范要求的最小預制厚度，最終樓板整體厚度取140 mm，預制部分的厚度取65 mm，疊合部分的厚度為75 mm。預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。

由于預制疊合板屬于水平面伸展的構(gòu)件，深化設計所需考慮的制約因素主要為構(gòu)件的的運輸。文獻［4］規(guī)定：預制疊合板設計長度小于6 m，另外我國的道路車輛運輸?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，預制板拆分時需考慮上述因素。

圖9 預制疊合板形狀圖Fig.9 Prefabricated Laminate Shape Chart

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

圖11 預制疊合板Fig.11 Prefabricated Laminated Board

2.5 預制沉箱

宿舍樓的預制沉箱將相鄰兩個單元的衛(wèi)生間沉箱預制成一個整體，目的為減少預制構(gòu)件數(shù)量和解決沉箱降板的問題。同時創(chuàng)新性的將預制主次梁的鋼企口連接方式應用在預制沉箱與主體結(jié)構(gòu)的連接上。預制沉箱兩側(cè)的沉箱次梁預埋鋼企口，鋼企口的設計生產(chǎn)應符合相關規(guī)范［6］的要求。吊裝時可直接將其擱置在沉箱周邊的預制主梁之上，無需另搭設支撐體系。同時由于連接方式與傳統(tǒng)的工藝不同，預制沉箱所需的預留鋼筋也大大減少，只需在沉箱側(cè)壁預留少量的鋼筋，即可滿足設計要求，該做法有利于預制沉箱的運輸、吊裝以及后續(xù)鋼筋連接等工序。之后可進一步考慮一體化要求，將沉箱后填陶?；炷梁统料鋬?nèi)部管以及衛(wèi)生間面層均可考慮整體預制，但需要進行吊重分析，從各方面充分考慮和論證。預制沉箱制造圖及實物圖分別如圖12、圖13 所示。

2.6 預制外墻

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

⑴預制外墻板即非承重圍護墻，是在結(jié)構(gòu)體周圍起到裝飾及圍護作用的外墻板。本工程的預制夾心保溫墻板采用反打工藝。反打工藝為預先把飾面磚放置在構(gòu)件模具中，澆筑混凝土后一次預制成型的施工工藝。對比現(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的施工步驟，更符合裝配式建筑一體化裝修的要求。同時采用預制夾心保溫墻板時，需注意節(jié)能和墻體拉結(jié)件的選取和計算。預制外墻如圖14 所示。

圖12 預制沉箱形狀圖Fig.12 Precast Caisson Shape Chart

圖13 預制沉箱Fig.13 Prefabricated Caisson

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

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

2.7 預制樓梯

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

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

圖16 預制梁墻一體Fig.16 Prefabricated Beam Wall Integrated

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

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

3 預制構(gòu)件連接設計

3.1 預制柱連接

預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)注滿高強且具有微膨脹特性的灌漿料，通過灌漿料的傳力作用實現(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，同時預制柱的套筒連接區(qū)域往上500 mm 的位置需要箍筋加密處理。預制柱鋼筋套筒節(jié)點如圖19 所示。

圖19 預制柱連接及套筒Fig.19 Prefabricated Column Connection and Sleeve

3.2 預制梁柱節(jié)點連接

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制梁可直接擱置在預制柱的頂部，之后節(jié)點區(qū)進行混凝土澆筑，施工吊裝前需在預制柱端安裝角鋼托座作為預制主梁的臨時支撐結(jié)構(gòu)。Khaloo 和Parastesh 的研究［8］了也充分證明預制混凝土梁柱節(jié)點區(qū)后澆連接的節(jié)點在低周反復荷載作用下的受力性能，證明該節(jié)點具有良好的延性和安全性。預制梁柱節(jié)點如圖20 所示。

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

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

⑵預制梁與預制柱連接吊裝時，需嚴格合理分析其施工的先后順序。特別是四向預制主梁相交連接時，需嚴格按配筋設計的鋼筋避讓的順序進行。

⑶預制梁的接縫驗算，需進行專項計算，如不滿足需增加抗直剪鋼筋。

3.3 預制主次梁節(jié)點連接

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

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

3.4 預制疊合板與預制梁連接

預制疊合板在預制梁上的擱置長度需≥15 mm，但不能大于梁保護層厚度。在主受力方向，疊合板底部鋼筋伸入梁中的長度大于5d（d 為鋼筋直徑）且不小于100 mm。疊合板出筋需與預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制梁的箍筋之間的碰撞，如果發(fā)生碰撞時，調(diào)整原則為調(diào)節(jié)板筋出筋為優(yōu)先考慮。預制疊合板與梁連接節(jié)點如圖22 所示。

圖22 預制梁板連接Fig.22 Prefabricated Beam-Slab Connection

3.5 預制樓梯的連接

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)的連接宜采用簡支或一端固定一端滑動的連接方式，預制樓梯不參與主體結(jié)構(gòu)的抗震體系設計。

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

3.6 預制外墻連接

預制外墻與主體結(jié)構(gòu)連接設計的設計要點［9，10］有：

⑴預制外墻相對主體結(jié)構(gòu)可以滑動，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)點部件要有足夠的強度，且安裝位置需預留足夠的空間。

預制外墻的連接實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埋在預制外墻與主體結(jié)構(gòu)的鐵件進行螺栓連接或焊接。本工程的點支承方式采用的連接鐵件如圖24 所示，該節(jié)點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。預制外墻鐵件連接節(jié)點如圖24、圖25 所示。

圖23 預制樓梯的連接Fig.23 Prefabricated Stair Connection

圖24 鐵件模型圖與實物圖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制外墻等構(gòu)件中預留孔道，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)點為施工成本低、操作要求簡單。預制外墻漿錨連接節(jié)點如圖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，墻板水平縫防水設置包括密封膠、氣密條和企口構(gòu)造。豎縫防水設置為密封膠、氣密條和排水槽。外墻板應滿足防水，防火等建筑要求，同時需滿足層間位移、溫度變化引起的變形要求。預制墻板接縫連接節(jié)點如圖28 所示。

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

圖27 現(xiàn)場構(gòu)件漿錨預留鋼筋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

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

⑴預制柱的深化設計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%，套筒總費用減少23%，與此同時，代換后的套筒數(shù)量減少方便施工現(xiàn)場安裝，有效減小施工難度和人工時間成本。因此鋼筋等效代換的做法在預制柱的深化設計中是非常必要的。

⑵本工程預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，充分從設計、生產(chǎn)、安裝等階段證明其設計合理性，結(jié)構(gòu)安全性，但是基于標準化預埋件和連接節(jié)點方式的考慮需進一步優(yōu)化設計。

⑶預制沉箱可通過鋼企口連接的方式進行整體預制，達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)運輸、簡化現(xiàn)場施工安裝流程的目的。

⑷預制梁墻一體通過“一體式”預制的思路方式，規(guī)避預制構(gòu)件之間連接困難的問題，同時減少構(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。