房屋建筑装配式混凝土结构技术应用与研究

吴正清

(甘肃铜城工程建设有限公司 甘肃 白银 730900)

近些年来,随着工业水平的提升,预制构件的质量越来越好,制造速度越来越快,而建筑的工业化建造,房屋的产业化经济,现浇体系的建筑结构已经逐渐无法满足发展需要,装配式建筑业再一次进入了发展黄金期。2016年,我国发布《中共中央国务院关于进一步加强市规划建设管理工作的若干意见》,其中明确指出,要大力推广装配式建筑,制定装配式建筑设计、施工和验收规范,鼓励建筑企业装配式施工。在经济发展需求、政策支持和市场选择的情况下,预制装配式的混凝土结构将在我国房屋建筑领域起到决定性的作用。

1 装配式混凝土结构概述

1.1 预制装配式混凝土技术

预制装配式混凝土结构,简称为PC结构,其是指在专业的构件加工厂生产浇筑,并在控制条件下养护最终定型的混凝土结构构件,再通过交通工具运输到施工现场进行装配施工的混凝土结构的房屋建造方法。根据装配方法使用与建筑中比例的不同,装配式建筑结构分为全装配式、部分装配式两种,由于要考虑整体性、抗震性等方面的设计,全装配式的建筑目前知识应用于低层建筑,或少量应用于多层建筑。而部分装配式的建筑,按照其是结构方面的还是维护方面,分为装配整体式的建筑结构和内浇外挂的混凝土建筑结构。预制装配式的混凝土结构,在设计时就要开始考虑其标准化和模数化的构件设计,尽量减少特殊结构,避免过多的开模制作成本;与此同时,也要考虑到设计的效果,不能做成千篇一律,对设计人员的要求较高。预制装配式的混凝土结构构件是在构件工厂制作完成的,在施工现场进行拼装、固接等工作,其施工的工艺和过程与现浇结构有较大不同,其施工的周期较短,结构建设很快,因为混凝土结构是已经养护完成的,所以对于施工时的环境、气温等要求较为宽松;现场施工基本上是干作业,较少的产生污染和噪音等,实现了环境友好;并且结构构件的制作过程是在工厂内完成,损耗较小,质量标准较高。装配式结构的施工过程,因其快节奏的施工进度,对管理人员的专业能力和实践经验有着较高的要求,需要科学合理地做好工作安排。

图1 预制装配式混凝土结构

1.2 装配式结构在我国的应用

在七十年代到九十年代,我国人口数量出现了指数级的增长,但此时工业发展因受到影响而较为迟缓,为此我国大量学习了外国的先进建筑方法,并结合我国实际情况进行发展,分别于1984年～1991年之间制定了一系列相关的设计规范,帮助我国建筑行业逐步进入规范化。

表1 我国建筑早期规范

而我国对于建筑工业化和标准化的发展也一直在进行,其中,主要代表研发预制装配式的混凝土结构的企业主要是万科集团,因为装配式的结构形势在建筑的经济适用性方面领先于其他结构,因此也成了我国国家和其他企业持续研究与发展的对象。

表2 我国各企业对于装配式结构的研究

1.3 装配式结构的表现形式

公共使用目的的建筑,其结构的形势较为多变,装配式混凝土结构是其常用的一种,首先对于建筑的整体和各部件进行设计,将梁、板、柱等的构件进行标准化制作,与传统的结构形式来讲,其只是施工和制造工艺上的区别,而装配式结构因其大幅降低了现场施工,尤其是模板支撑这一项工作的难度,所以可以使用较为复杂的结构,丰富了建筑的形式,也增加了城市的色彩。不同尺寸的构件会彰显不同的效果,小巧精致的结构构件可以组成复杂精密的空间,而尺寸庞大的结构构件则可以展现工业的震撼感,粗矿大气的构件可以展示狂野的气息,而柔和的构件则可彰显细腻美感,具有非常多的可塑性,并且构件的灵活多边性也为其替换、修补等提供了可能。

2 装配式建筑在设计中的要点

2.1 结构体系的设计

对于结构体系的分析和设计是整个建筑全过程设计中最重要的部分,科学合理的设计结构部分,是保证建筑主体使用、抗震等多方面的主要保障,并且也是实现空间效果的主要步骤,在装配式结构中,通过工厂预制的结构组件拼装而成的结构体系,其根据组件构造的不同,一般分为“通用结构体系”的和“特殊结构体系”的两种。

2.1.1 通用结构

装配式构建中的通用结构体系部分,主要是应用于住宅类,或者使用功能要求简单,空间形式不复杂的建筑。因此,装配式建筑目前主要是在房屋建筑中的民用居住类方面大面积推广使用。当前的住宅建筑中装配式的结构形势有三大类,分别是“装配整体式框架结构”、“装配整体式剪力墙结构”、“装配整体式框架—剪力墙结构”(框剪结构),这三类受力形式不同,优劣各异,应根据其最终的设计目的选用。装配整体式的框架结构中,预制构件主要为柱、板、梁,装配式结构构件相互连接固定,组成受力主体框架,框架结构因其主要受力构件都是预制的,所以施工效率很高,最终特点和现浇框架结构一致,其内部由分割砌体墙划分使用空间,自由度较高。装配整体式剪力墙结构,其预制构件主要是预制的剪力墙,通过组装作为主要承重的部分,而节点一般为现浇混凝土,保证结构具有整体性,对比于预制框架,预制剪力墙的节点数量多,施工难度较大,并且剪力墙会导致平面形式布置受限,但其整体性较高,抗震性能较好。而装配整体式的框—剪结构,则使用部分预制柱、部分预制剪力墙的组成结构,其整体组装,节点现浇,整体守里较好,工业化程度较高,具有上述两种结构各自的优缺点。

表3 各类装配式结构的适用高度

2.1.2 特殊结构

装配式结构因其本身材料还是混凝土,所以有着较强的可塑性,不同于现浇结构现场施工大量受限的情况,装配式结构的特殊构件可以在工厂制作,虽然一定程度上其定制模板成本会提高,但是可以实现较多复杂的形状且质量得以保证,大幅降低施工现场的难度,是房屋建筑中的一个巨大潜力点。

2.2 设计的标准化

对于装配式建筑来说,其最重要的一点就是标准化,因为其构件都是工业技术进行制作的,所以标准化的设计和生产,可以对其生产、运输、组装、使用等的全过程实现完美契合,严格地节约和控制成本。房屋建筑设计的标准化,其是利用构件模数来控制其自身的标准化和之后房屋设计、运输和建造的全过程,实现相互有效地配合。因为房屋建筑的使用功能一般比较确定,因此容易确定模具的尺寸,包括户型的蓝图化设计这种大型模块和房间、单个结构构件这种小尺寸模块。在民用居住建筑中,其可以按榀或块等进行重复,对于预制构件设计和模具的重复使用更加适合,对于其内外墙、楼梯间等结构部件以及阳台、卫生间等小空间部分均可以进行标准化的设计,非常地适用。

2.3 设计的多样化

虽然装配式结构是利用模具进行较多重复设计和施工的结构形式,但是对其多样化的设计也不可或缺,除混凝土具有较强的可塑性,能制作个形状构件外,其材料的颜色、装饰部分的表面感、肌理等方面,混凝土均可以实现。对于装饰性构件,因其在设计之初便做好了安装的条件,所以可以根据设计的风格,来进行不同的装饰选用,保证建筑表现不单一,设计可以实现多样化。

3 装配式结构的常见问题及解决

3.1 构件质量

装配式建筑结构和构件的工厂化设计是其最大的优点,因此在这一步骤严格要求不能出现问题,否则其绝大部分的优点都会直接变为缺陷。对于工厂生产预制构件的过程,需要严格落实对于装配式构件指定的质量标准,制作方需要严格执行质量检查和留样要求,负责人员要严格记录其数据。投资方可以通过第三方进行质量监督,而建设单位在进行施工和拼装过程中,也要避免质量监察方面的疏漏。

3.2 合理地进行构件连接

装配式结构因其不具备现浇结构那样坚实的整体性,所以其相互间的连接就显得更加重要,最终保证其建成后的正常使用和抗震能力。但是当前阶段,部分施工单位对于其连接部分的施工处理并不重视,这会导致最终建成后的质量出现严重问题,或产生大量的修补、返工成本。房屋建筑的连接部分需要实现对建筑的各部分不同的构件进行组装,首先需要确保的就是施工操作顺序,未遵循合理顺序的连接会导致其强度的大幅度削减。

3.3 BIM 技术的应用

BIM 技术是“建筑信息模型”的简称,其可以建立建筑中,包括结构、施工过程、建筑设备等多方面的数据,实现仿真预拼装,可以直观地展示建设过程,并且对于构件信息的录入和预拼装,可以发现设计或制作施工中的缺陷,节约成本,实现施工精细化。当前,我国对于BIM 技术在建筑设计、施工中的应用处于起步后发展的阶段,因其对于工程人员水平要求较高,并不能很快的大范围使用。在未来装配式结构的发展中,我们要持续深入研究,最大限度优化其设计施工过程。

4 结语

建筑工业化生产的根本目的是为了减少施工中失误对建筑最终质量的影响,并且可以批量化的制作构件,降低建筑成本,装配式建筑是工业化在建筑领域最直接和最有效的实践,是推动我国建设单位和企业提升经济效益和社会效益的有效方法。装配式建筑以其科学性、合理性和逻辑性,将预制构件应用于民用建筑,使其具有工业感且不单调,为建筑的发展开拓了一个方向,也为绿色、协调、可持续的发展奠定了基础。