装配式建筑施工技术与质量管控方法探究

李 卡 （建发合诚工程咨询有限公司，福建 厦门 361000）

自装配式建筑施工技术问世以来，全国各地在推广使用装配式建筑时，逐步经历了装配式轻质非承重结构构件（轻质隔墙、轻质板等）、装配式小体积承重构件（小型梁、小型柱等）、装配式大体积承重构件（大型梁、大型柱等）的历程。然而，在此过程中装配式轻质非承重构件一般只需要按部位装配衔接即可，但是装配式小体积承重结构构件则需要在衔接至安装部位后进行一定的稳定支撑，才能达到设计所需的承载能力。目前，一些大尺寸、大体积、大负荷的装配式结构承重构件，由于存在自重大、荷载大等“不利”特点，以至于该类装配式构件对其下部支撑体系提出了更高的工艺技术标准和要求。故而针对上述现状，从大尺寸、大体积、大负荷装配式结构构件支撑体系稳定性的角度探究装配式建筑的施工技术与质量管控方法，具有一定的理论价值和实践价值。

1 装配式建筑大型结构构件支撑体系施工技术理论

对我国福建省厦门市区域内多数装配式建筑施工现场的调研情况来看，厦门市区域范围内的大尺寸、大体积、大负荷装配式结构构件，基本上均是采用两端铰接中端弹性支承压杆的原理进行支承体系施工技术应用的。因此，首先掌握两端铰接中端弹性支承压杆的原理，而后基于大尺寸、大体积、大负荷装配式结构构件的受力特点，对支撑体系进行改良，便是保障大尺寸、大体积、大负荷装配式结构构件施工技术成果与施工质量的关键。

1.1 两端铰接中端弹性支承压杆的原理

通过广泛的文献搜集和整理发现，现阶段较为常用、适用于装配式建筑构件支撑体系的两端铰接中端弹性支承压杆模式，其原理图如图1所示。

图1 两端铰接中端弹性支承压杆模式原理图

由图1可以看出，在对装配式建筑的非承重结构构件或承重结构构件进行支承的过程中，其施工技术关键以及保障构件支撑质量的关键在于确保支撑结构体系的稳定性，并对弹性支承的点位进行控制。假设大多数装配式建筑构件均呈现出一定的线弹性，那么当装配式建筑构件在支撑体系的支撑作用下，处于临界平衡状态时，图1 中装配式构件AB 段的截面弯矩计算式如式（1）所示、BC 段的截面弯矩计算式如式（2）所示[1]。

式中Ny-支撑点位某一侧AB段处于临界平衡状态时的横向力矩，N·m；

δ-支撑点位处于临界平衡状态时的起拱力，N；

K-支撑点位处于临界平衡状态时的失稳系数，可通过试验室试验测得；

x-临界平衡状态时的轴向压缩量，m；

L-任一装配式建筑构件的长度，m；

L1-支撑点位某一侧AB段的长度，m；

L2-支撑点位某一侧BC段的长度，m。

1.2 有限单元法对传统支撑体系的验算改良

根据前文所述，传统的两端铰接中端弹性支承压杆模式，主要是从装配式构件受支承状态下的力矩、形变等力学因素进行技术控制和质量控制的，尚未能够将装配式构件的截面尺寸、体积、自重、荷载等纳入考量范围。因此，针对当下出现频率越来越高的大尺寸、大体积、大负载装配式构件，宜采用有限元法对传统支承体系模式进行验算改良。

使用有限单元法对装配式建筑大尺寸、大体积、大负荷构件进行支承分析时，可将该类构件视为一种均匀同质的弹性体，而后基于单元分割的方式将此均匀同质弹性体划分为无数个规格一致、大小一致且尺寸体积尽可能小的均匀矩形体单元。如图2所示，某一装配式建筑大尺寸、大体积、大负载构件被分割为无数个尽可能小的矩形体单元（单元长度2A，宽度2B，厚度T），以该矩形单元的中心点O作为原点建立平面xy 坐标系，则矩形单元内任一无量纲坐标（ζ，η）=（x/a，y/b）。

图2 有限单元法示意图

若将图2 所示的矩形单元体的四个角点看作节点i，那么节点i的“尺寸无量纲”坐标（ζi，ηi）分别为（1，1）、（1，-1）、（-1，-1）、（-1，1），由此可以借助“尺寸无量纲”坐标推算出矩形单元体内任一节点的“形变向量位移”[2]，如式（3）所示。

式中u1、u2、u3、u4-矩形单元体在某一支撑体系顶点位置处受到的横向约束；

v1、v2、v3、v4-矩形单元体在某一支撑体系顶点位置处受到的纵向约束；

T-矩形单元体的负载周期；

G-矩形单元体的自重负载。

当通过一定施工技术和措施控制支撑体系使得装配式建筑大尺寸、大体积、大负荷构件的“形变位移向量”ac数值介于安全范围之内时，即表明在充分考量装配式建筑构件大尺寸、大体积、大负载的情况下，其支撑体系能够保障装配式构件在衔接部位的衔接质量与安全，且能够保障装配式构件获得设计所需的承载能力[3]。

2 装配式建筑大型结构构件支撑体系施工技术分析与质量管控

位于我国福建省厦门市的某装配式建筑项目，其突出特点在于存在多跨连续的大尺寸、大体积、大负载预制混凝土箱梁，该项目的预制混凝土箱梁设计构造如下：

第一跨：梁底标高25.1m、梁顶标高26.1m、梁截面宽度1.0m、梁截面高度1.0m、梁长度5.1m、梁体积17.85m3；第二跨：梁底标高24.8m、梁顶标高26.2m、梁截面宽度3.5m、梁截面高度1.4m、梁长度6.4m、梁体积31.36m3；第三跨：梁底标高25.2m、梁顶标高26.7m、梁截面宽度3.5m、梁截面高度1.5m、梁长度4.3m、梁体积22.575m3。上述三跨梁的钢筋布设方式均为四角主筋432mm、横向截面中部筋428mm、竖向截面中部筋428mm、箍筋10mm@150mm。

从预制混凝土箱梁的设计构造可以看出，该项目的预制混凝土箱梁共有3 跨，每一跨的梁底标高、梁顶标高各不相同，这也就要求支撑体系的支撑高度各不相同。各跨箱梁中，体积最小为17.85m3、最大为31.36m3，属于典型的大尺寸、大体积、大负载装配式预制梁。通过查阅混凝土设计文件发现，该项目箱梁混凝土的配合比如下：42.5普通硅酸盐水泥含量为400kg/m3、粉煤灰含量为90kg/m3、矿粉含量为80kg/m3、硅灰含量为30kg/m3、水含量为140kg/m3、细骨料含量为800kg/m3、粗骨料含量为900kg/m3、SPI 型减水剂含量为13.2kg/m3，借助上述配合比制作标准试块，经实验室测定试验试块的失稳系数K为0.38。

2.1 案例项目装配式预制混凝土梁的施工技术方案设置

由于案例项目预制混凝土多跨连续箱梁在进行装配式衔接安装与支撑的过程中，支撑体系一方面要承受来自箱梁构件的荷载，一方面要根据安装现场的原始地基承载力作为支撑体系的底部支撑。故而借助地质勘探弄清了支撑体系下部原始地基承载力平均值为50MPa后，经过充分考量设置了如下所示的3种支撑体系技术方案：

技术方案1：钢管立柱钢抱箍支撑，钢管立柱规格尺寸为Φ600mm×50mm，钢管立柱之间采用剪刀撑连接、剪刀撑连接型材为10#槽钢，抱箍扣件螺栓为6 级M18 普通螺栓，抱箍扣件钢板型材为HRB400 型钢、钢板尺寸为20mm×5mm×1mm；

技术方案2：钢管立柱钢抱箍支撑，钢管立柱规格尺寸为Φ630mm×70mm，钢管立柱之间采用剪刀撑连接、剪刀撑连接型材为12#槽钢，抱箍扣件螺栓为6 级M18 普通螺栓，抱箍扣件钢板型材为HRB400 型钢、钢板尺寸为25mm×8mm×1mm；

技术方案3：钢管立柱钢抱箍支撑，钢管立柱规格尺寸为Φ650mm×80mm，钢管立柱之间采用剪刀撑连接、剪刀撑连接型材为12#槽钢，抱箍扣件螺栓为6 级M18 普通螺栓，抱箍扣件钢板型材为HRB400 型钢、钢板尺寸为30mm×10mm×1.5mm。

2.2 案例项目装配式预制混凝土梁的施工质量控制措施

在完成对案例项目大尺寸、大体积、大负载多跨连续箱梁支撑体系技术方案的编制后，需要进一步确定前文所述3种方案在技术质量层面、安全运维方面是否可靠。因此，借助有限单元建模软件，按照案例项目安装区域原始地基承载力为50MPa，并根据3种支撑体系方案逐个进行检验计算，检查支撑体系技术方案是否能够满足式（1）～式（3）所示的临界平衡状态关系，如表1所示。

表1 厦门市某装配式建筑多跨连续箱梁支撑体系方案验算模拟结果

技术方案1 不满足式（1）～式（3）所示临界平衡条件；技术方案2 满足式（1）和式（2）所示临界平衡条件、但不满足式（3）所示临界平衡条件；技术方案3 满足式（1）～式（3）所示临界平衡条件。

通过上述建模计算分析结果可以看出，技术方案1无法保障案例项目的施工质量与安全，技术方案2虽然满足传统算法的支撑体系条件，但不能满足考虑大尺寸、大体积、大负载境况下的支撑需求，只有技术方案3可行。在实际施工过程中，采用技术方案3 对大尺寸、大体积、大负载多跨连续箱梁进行安装支撑，取得了非常好的质量效果，并保障了整个过程的施工安全。

3 结语

鉴于装配式建筑逐渐呈现出大尺寸、大体积、大负载的施工特点，基于装配式预制构件尺寸、体积、负载等因素考量，从支撑体系保障预制构件安装支撑质量和安全的角度，梳理总结装配式建筑大型结构构件支撑体系的施工技术理论，而后借助有限单元法和建模运算，为相关支撑体系的技术、安全保障提供参考。