黃莉萍，谷 昊，王世華

（1、佛山建裝建筑科技有限公司 廣東佛山528000；2、佛山建投城市建設(shè)有限公司 廣東佛山528200）

0 引言

近年以來住建部要求推進建筑節(jié)能與綠色建筑，倡導綠色施工，大力發(fā)展裝配式建筑，最大限度地節(jié)約資源、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護環(huán)境和減少污染［1］。類似傳統(tǒng)配電房的低層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法適應(yīng)新發(fā)展理念的要求，主要存在如下問題：①外墻貼瓷磚，容易脫落且易臟；②建設(shè)工期長，主體結(jié)構(gòu)建設(shè)工期約3 個月；③施工期間對周邊有噪聲及揚塵等污染，對周邊居民的生活影響較大；④設(shè)計和施工未考慮一體化，室內(nèi)管線采用明裝，不美觀。

鋼結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、鋼材可回收、施工周期短等優(yōu)勢，但造價高、耐久性較差、防水和防火性能較差，后期維護費用高。相比而言，全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)對于類似配電房這種獨棟可批量復制應(yīng)用的低層結(jié)構(gòu)是一個較佳的選擇。本文以東莞某創(chuàng)優(yōu)示范項目二層配電房為例，對低層全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進行了實踐探索。全裝配式意味著構(gòu)件工廠生產(chǎn)，質(zhì)量和品質(zhì)易于控制；可以減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減少揚塵、噪聲等污染；耐久性能和防火性能良好，減少了后期維護費用；大大減少現(xiàn)場的施工人員配置，提高作業(yè)效率，工期縮短；順應(yīng)國家發(fā)展方向，遵循“適用、經(jīng)濟、安全、綠色、美觀”的原則，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益［2］。

1 工程概況

圖1 為東莞某創(chuàng)優(yōu)示范項目配電房，施工圖設(shè)計參照10 kV 配網(wǎng)工程典型配電房圖集。建筑面積為140 m2，地上2 層，1、2 層層高分別為3.7 m 和3.65 m，結(jié)構(gòu)體系為異形柱框架結(jié)構(gòu)，建造采用全預制混凝土結(jié)構(gòu)。預制構(gòu)件包括預制柱、疊合梁、全預制上反下掛梁、外墻板、內(nèi)墻板、疊合樓板、陽臺、樓梯、女兒墻、散水和坡道板等。在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，除各節(jié)點、疊合樓板現(xiàn)澆層、樓梯間平臺現(xiàn)澆外，其它區(qū)域基本采用預制構(gòu)件，盡可能多地把現(xiàn)澆部分轉(zhuǎn)移到工廠，現(xiàn)場以裝配作業(yè)為主，原始現(xiàn)澆作業(yè)大大減少，土建工期從傳統(tǒng)的3 個月降低到不到1 個月。

《裝配式建筑評價標準：GB/T 51129-2017》［3］中條文說明1.0.2 補充說明，對于與民用建筑相似的單層和多層工業(yè)建筑符合評價原則時，可以參照執(zhí)行。根據(jù)裝配率的計算公式4.0.1，各項得分如表1 所示，本項目主體結(jié)構(gòu)、圍護墻和內(nèi)隔墻分別滿足最低評價分值要求，采用全裝修，且考慮缺項折后裝配率為P=94%＞50%，滿足裝配式建筑的要求。同時，裝配率94%符合AAA 級裝配式建筑的要求。

圖1 項目效果圖Fig.1 Architectural Rendering of Project

表1 裝配式建筑評分表Tab.1 Calculation of Prefabrication Ratio

2 設(shè)計、生產(chǎn)、施工一體化

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)采取現(xiàn)場施工，存在費時費力、效率不高、設(shè)計及施工精度差、反復變更、浪費等缺點，裝配式建筑的特點要求建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝飾裝修等各專業(yè)和環(huán)節(jié)的一體化、精細化的設(shè)計前置，同時工程相關(guān)人員在設(shè)計、生產(chǎn)、施工各環(huán)節(jié)相互緊密配合，從而提升工程項目的管理水平和建筑質(zhì)量，是建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個必然要求和趨勢［4-6］。

2.1 基于功能設(shè)計的一體化

2.1.1 機電管線預留預埋（見圖2）

2.1.2 外墻板機電管線留槽

按照業(yè)主要求，本工程墻上所有線管、防雷接地需要暗敷，從而要求墻板在出廠時需要準確預留或預埋所有的洞口和線槽。機電、裝修在設(shè)計前期介入并確定滿足施工要求的室內(nèi)裝飾裝修方案，確保對構(gòu)件開洞和預留預埋精細化設(shè)計。在設(shè)計構(gòu)件圖中說明預留孔洞、溝槽的做法要求，預埋套管位置，管材材質(zhì)及接口方式。如圖2a 所示，實現(xiàn)預制內(nèi)隔墻一體化生產(chǎn)和集成化協(xié)同安裝。

2.2 防雷安裝敷設(shè)

在防直擊雷措施方面，通過屋頂設(shè)置接閃器，利用預制柱與預制墻板之間軟索連接的施工便利性，在兩者現(xiàn)澆縫內(nèi)預埋16 圓鋼作為防雷引下線，從屋頂往下傳導直至基礎(chǔ)。借用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋為接地極，保證接閃器、引下線及接地極之間通長連接。

為避免損傷預制構(gòu)件，影響結(jié)構(gòu)和外觀，在外墻門窗上做防雷預留預埋（見圖2b），包括門窗兩內(nèi)側(cè)預埋86 型底盒、φ20 PVC 管和一定間距的支持卡子。待安裝完成后，在支撐卡子上焊接一圈50×5 接地扁鐵上形成等電位連接。

圖2 外墻板機電管線和洞口防雷預留預埋Fig.2 Preformed and Embedded for MEP System and Lightning Protection

2.3 基于生產(chǎn)和施工的設(shè)計

本工程從設(shè)計端開始充分考慮生產(chǎn)、安裝的合理性和安全性。從設(shè)計初期，PC 構(gòu)件的拆分考慮汽車吊的參數(shù)，協(xié)調(diào)最重預制構(gòu)件和最遠預制構(gòu)件，確定構(gòu)件拆分的大小和方式，保證安裝的可實施性和安裝成本的優(yōu)化。通過對構(gòu)件運輸路線的踏勘和施工場地狹小情況的調(diào)研，確定出道路條件較優(yōu)的路線和運輸車輛進出的方式，使構(gòu)件在運輸途中保持良好的受力狀態(tài)。

對于生產(chǎn)階段，本工程PC 構(gòu)件拆分考慮模具的標準化，盡可能標準化出筋的部位、開洞開槽的尺寸等，保證生產(chǎn)工藝的便利性?？紤]因預留預埋對構(gòu)件脫模、吊運、安裝的臨時支撐、現(xiàn)澆部位拉模等的影響，保證構(gòu)件及其預埋件、連接件等在各個過程中的受力滿足設(shè)計要求。例如構(gòu)件開洞較大時，用槽鋼進行臨時加固，保障了吊裝運輸?shù)陌踩?/p>

由于場地狹小，沒有構(gòu)件堆放場地，構(gòu)件需直接從運輸車上吊裝至安裝位置，構(gòu)件的運輸計劃、裝車順序和吊裝計劃由構(gòu)件廠和安裝施工人員緊密配合，確保吊裝的連續(xù)性。圖3 為施工中第一車的運輸方案模擬。

圖3 運輸方案模擬Fig.3 Simulation of Transport Plan

2.4 裝飾一體化

平面預制構(gòu)件以鋼模臺為底模進行生產(chǎn)，表面平整度高，具備以下優(yōu)勢：①不需要抹灰，減少了稀疏的水泥砂漿抹灰產(chǎn)生的灰塵，適用于配電房這種對環(huán)境要求較高的建筑；②消除了抹灰開裂、空鼓甚至脫落等諸多質(zhì)量通??；③節(jié)省抹灰作業(yè)的材料、人工和機械費用，降低造價；④為達到免抹灰效果，每道工序都至關(guān)重要，迫使生產(chǎn)和施工單位加強過程管控，施工質(zhì)量得到全面提升。

3 多元化預制構(gòu)件的拆分應(yīng)用

3.1 大尺寸預制構(gòu)件

在生產(chǎn)、運輸和吊裝可行的基礎(chǔ)上，盡可能考慮大尺寸預制構(gòu)件的應(yīng)用，本工程預制構(gòu)件數(shù)量為74 個，大大減少了構(gòu)件的數(shù)量，減少了現(xiàn)場的吊裝次數(shù)。同時減少了因外墻、樓板、女兒墻等分拆過細、接縫數(shù)量繁多，可能出現(xiàn)的裂縫和滲漏的問題出現(xiàn)。如圖4 所示，本工程最大的墻板尺寸為5 400 mm×3 100 mm×200 mm，重量約7.6 t；最大的樓板尺寸為2 900 mm×5 300 mm×70 mm，重量約2.7 t。

3.2 建筑預制構(gòu)件應(yīng)用

美觀多樣的預制構(gòu)件能提供廣泛的風格，滿足功能需求。在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中，混凝土散水常出現(xiàn)裂縫，導致滲水，影響建筑物安全性能和使用壽命。配電房項目四周采用預制鋼筋混凝土散水。大塊預制混凝土散水整體受力且沉降均勻，板與板之間通過柔性膠進行連接，有效控制不均勻沉降所引起的結(jié)構(gòu)裂縫，降低安全風險。預制坡道板（見圖5）利用預制構(gòu)件模具的優(yōu)勢可以實現(xiàn)精美的造型，并滿足建筑防滑、耐久性能要求、品質(zhì)可控、成本低。

圖4 大尺寸預制構(gòu)件Fig.4 Large Size of Precast Components

圖5 坡道板三維模型Fig.5 3D Model of Ramp Panel

3.3 功能集成化構(gòu)件應(yīng)用

如圖6 所示，預制陽臺采用梁板一體預制，不僅考慮排水連接管道預埋，同時從部品部件的角度考慮裝配式裝修的應(yīng)用。陽臺欄桿采用在廠家訂制，插接式工藝安裝，縮短施工時間。采用該施工方法，要求各相關(guān)單位密切配合。

圖6 預制陽臺Fig.6 Precast Balcony

4 預制上反下掛梁

4.1 預制上反下掛梁與疊合板連接節(jié)點

配電房對凈空有一定要求，在保證外立面效果的前提下，為盡可能優(yōu)化凈高，提出了預制上反下掛梁的方案，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減少土建的造價。同時避免了現(xiàn)場外側(cè)支模，保證了結(jié)構(gòu)的受力合理。

如圖7a 所示，預制上反下掛梁與疊合板之間按裝配的基本原則留出施工安裝調(diào)節(jié)縫，寬度取20 mm。疊合板厚70 mm，端部采用臺階式，毗鄰預制上反下掛梁的搭接寬度內(nèi)板厚50 mm。預制上反下掛梁在樓板部位伸出鋼筋，與疊合板底筋和面筋形成搭接，且滿足搭接長度要求。同時預制上反下掛梁內(nèi)的錨固端底筋滿足錨固長度≥5d（d 為鋼筋直徑）且過梁中線，面筋滿足平直段長度≥0.4la（la為鋼筋錨固長度）且彎折長度≥15d。

4.2 預制上反下掛梁與次梁連接節(jié)點

如圖7b 所示，預制上反下掛梁與次梁采用機械套筒連接，次梁預制部分頂面平疊合板底部，在端部形成臺階，底部鋼筋通長不出筋，在次梁端部現(xiàn)澆層內(nèi)放置底筋和面筋的搭接鋼筋，旋轉(zhuǎn)伸入到預制上反下掛梁中預留好的機械套筒內(nèi)。面筋在現(xiàn)場結(jié)合疊合板現(xiàn)澆層鋼筋放置綁扎。保證了主次梁內(nèi)力的有效傳遞，同時減少了現(xiàn)場的支模。

圖7 預制上反下掛梁連接節(jié)點Fig.7 Connection for Precast Up-stand Beam with Down Hang

4.3 質(zhì)量控制重點和難點

⑴疊合板與預制上反下掛梁搭接部位不能設(shè)置桁架筋，以免阻擋梁的搭接鋼筋就位；

⑵嚴格控制梁底、板底的標高，明確疊合板、普通疊合梁和上反下掛梁的位置關(guān)系，疊合板進入到普通疊合梁10 mm，上反下掛梁與疊合板之間保持20 mm 施工安裝縫；

⑶按照預制柱→普通疊合梁→疊合板→預制上反下掛梁的順序進行安裝，確保施工吊裝的可行性。

5 異形柱框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

5.1 柱墻節(jié)點

根據(jù)文獻［7-9］要求，外圍護墻體及其連接應(yīng)具有足夠的強度、防水、防火、熱工等性能。本工程墻體采用減重隔熱一體化的預制混凝土內(nèi)嵌式墻體，墻體的連接采用了鋼絲繩連接環(huán)。分別在預制柱和預制外墻連接部位緊貼模板內(nèi)側(cè)，預埋帶鋼絲繩連接環(huán)的盒子，待拆模后即可拔出鋼絲繩連接環(huán)。如圖8a 所示，預制外墻兩側(cè)自帶槽口，構(gòu)造上其可能的滲水路徑優(yōu)于直線型路徑。豎向采用兩道防水，拼縫外側(cè)材料防水選用PE 棒＋建筑耐候膠，內(nèi)側(cè)采用自密實無收縮混凝土澆筑。水平向除采用企口構(gòu)造外，從外至內(nèi)采用建筑耐候膠+PE 棒、止水條和無收縮砂漿3 道防水措施（見圖8b）。

圖8 外墻板連接節(jié)點Fig.8 Waterproofing Details for Precast External Wall

該防水節(jié)點有以下特點：

⑴提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。預制柱或預制外墻體水平方向不出筋，降低了構(gòu)件生產(chǎn)過程中模具制作的復雜度、脫模的難度和漏漿的可能性，大大提高構(gòu)件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，符合工業(yè)化生產(chǎn)的方向。

⑵提高防水性能。豎向和水平方向均采用構(gòu)造防水和多重材料防水，相比于過分依賴材料防水的形式更優(yōu)，由于材料老化和施工精細程度不同可能引起的滲漏。

⑶降低施工難度。柔性的鋼絲繩連接環(huán)能起到防裂作用，在安裝過程中不存在鋼筋碰撞的問題，方便墻板構(gòu)件的安裝施工。

5.2 梁柱節(jié)點

如圖9 所示，預制柱的縱向鋼筋采用全灌漿套筒連接，梁柱節(jié)點區(qū)域采用現(xiàn)澆連接，有效保證節(jié)點的受力性能。

圖9 梁柱節(jié)點Fig.9 Precast Beam to Precast Column Connections

6 信息化應(yīng)用

6.1 精細化BIM模型指導設(shè)計、生產(chǎn)和施工

6.1.1 設(shè)計驗證、優(yōu)化及預拼裝

二維平面圖紙很難顯示各個專業(yè)之間的碰撞沖突，不易糾正設(shè)計錯誤和漏洞。本工程利用BIM 技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，優(yōu)化方案，提高設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計錯誤。通過三維可視化交底，使深化設(shè)計人員理解深化拆分的細節(jié)，在構(gòu)件生產(chǎn)方面指導工藝和生產(chǎn)人員。如圖10 所示，預拼裝對施工安裝流程的模擬，規(guī)劃安裝流程、協(xié)同作業(yè)，使安裝工人理解吊裝施工工藝流程，減少施工過程中的返工或停滯。

圖10 BIM 預拼裝模擬Fig.10 Simulation of Construction Sequence Using BIM Techniques

6.1.2 機電預埋和預留設(shè)計

裝配式建筑是一項集成性、系統(tǒng)性工程，本工程專業(yè)性更強，每個預留預埋均需經(jīng)過設(shè)計單位各專業(yè)協(xié)同配合，避免與結(jié)構(gòu)鋼筋、水電埋管等產(chǎn)生碰撞，再由施工單位、構(gòu)件生產(chǎn)單位對其進行復核，有問題時再反饋設(shè)計修改，不斷循環(huán)，直到確保滿足設(shè)計和生產(chǎn)施工要求。同時將機電專業(yè)施工圖細化并落實其各系統(tǒng)路由定位，將路由過程中與土建碰撞部分進行定位預留，將機電隱蔽工程進行預埋（見圖11），實現(xiàn)現(xiàn)場減少開鑿、構(gòu)件精細化和施工裝配化的目標。

圖11 利用BIM 進行機電管線預留預埋Fig.11 Preformed and Embedded for MEP System using BIM Techniques

6.1.3 提高項目成本核算的精確度

本工程基于詳圖節(jié)點深度的三維模型，輸出PC構(gòu)件實體工程量清單，可供企業(yè)內(nèi)部進行成本核算工作。模型精度愈高，該項核算愈接近實際工程量，可大大節(jié)省工程量統(tǒng)計時間，提高造價清單的精度準度和工作效率。

6.2 Tekla 輔助構(gòu)件深化設(shè)計

6.2.1 Tekla 協(xié)同建模（見圖12）

Tekla 作為BIM 技術(shù)的一種工具，能實現(xiàn)多人同時參與的協(xié)同深化設(shè)計，通過可視化的信息可輕松進行有效溝通和協(xié)調(diào)。

圖12 Tekla 整體結(jié)構(gòu)模型Fig.12 Tekla Model

6.2.2 梁柱節(jié)點碰撞及優(yōu)化設(shè)計

預制構(gòu)件深化時，鋼筋間距的調(diào)整需考慮構(gòu)件生產(chǎn)以及現(xiàn)場施工的允許誤差。通過Tekla 對梁柱節(jié)點處的鋼筋進行排布，將復雜的節(jié)點精細化，解決了裝配式建筑施工中梁柱節(jié)點處的鋼筋碰撞問題，使得梁柱節(jié)點的施工質(zhì)量得到保障。如圖13 中三向梁的底筋匯集于200 mm×500 mm 柱截面，通過預先模擬的手段進行鋼筋的碰撞優(yōu)化設(shè)計，同時考慮減小骨料粒徑，選用小號的振動棒進行振搗，保證主體結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。

圖13 Tekla 節(jié)點碰撞檢查Fig.13 Clash Detection with Tekla

可靠的梁柱節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載和水平作用的關(guān)鍵。但節(jié)點區(qū)往往鋼筋密集，施工困難。通過充分的結(jié)構(gòu)計算分析和與設(shè)計單位的溝通，對于簡支次梁，減少了深入節(jié)點的底筋根數(shù)；對于無法直接減少鋼筋數(shù)量的構(gòu)件，采取了增大鋼筋直徑的方式以減少鋼筋根數(shù)。通過這些措施，優(yōu)化了節(jié)點區(qū)的鋼筋排布，減小了施工難度。

6.2.3 構(gòu)件圖紙、清單、材料表輸出

如圖14 所示，通過Tekla 生成精細化的構(gòu)件圖紙，輸出的鋼筋、混凝土和預埋件等輔助件的數(shù)量、定位和規(guī)格精確完整，便于工廠的生產(chǎn)。預制構(gòu)件生產(chǎn)時，要嚴格按照構(gòu)件深化圖紙控制梁、柱主筋、箍筋等的形狀和間距。

圖14 Tekla 圖紙、清單與材料表輸出Fig.14 BOM（Bill of Material）Output with Tekla

6.3 數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)助力工廠信息化

在項目生產(chǎn)階段，工廠采用基于云端的PCMES數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)（見圖15），通過一物一碼、生產(chǎn)溯源、移動協(xié)同、堆場管控、自動報表，用輕量高效的方式實現(xiàn)項目的無紙化信息化管理。

7 結(jié)論

⑴高裝配率的混凝土結(jié)構(gòu)在小型低層建筑的應(yīng)用具有可行性。本工程土建工期大大縮減，現(xiàn)場污染相對更少，后期維護費用低，在預制棟數(shù)滿足一定數(shù)量的前提下，成本造價可控，具備推廣性。

⑵設(shè)計、生產(chǎn)、施工一體化的實踐，各環(huán)節(jié)相互緊密配合，減少了反復變更、浪費的情形，顯著提升工程品質(zhì)。

⑶水、強電、弱電、防雷等的線管、線槽在預制墻板上實現(xiàn)了精確預留預埋，效果良好?；谏a(chǎn)和施工的力學方面的考慮，保證了構(gòu)件完好狀態(tài)。

⑷多元化預制構(gòu)件的應(yīng)用使得現(xiàn)場模板工程大大減少，構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量可控，施工效率明顯提高。

⑸預制上反下掛梁的合理運用，既解決了建筑外觀和凈高的要求，節(jié)約了土建成本，又保證了結(jié)構(gòu)安全。

⑹BIM 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點［10］，大大減少了設(shè)計錯誤，解決了施工安裝順序、梁柱節(jié)點施工等問題，提高了工程品質(zhì)和施工效率，創(chuàng)造了經(jīng)濟及社會效益。

⑺生產(chǎn)階段的信息化管理對于預制構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量保證具有重要意義。