装配式钢结构建造技术在实验室建筑中的应用

王子佳

(深圳市建筑工务署工程设计管理中心,广东 深圳 518027)

1 设计概况

国家感染性疾病临床医学研究中心项目位于深圳市龙岗区布澜路29号,在深圳市第三人民医院与水官高速路之间,南临李朗圣山公园,西临应急院区项目,主要用于感染性疾病的临床医学研究,为钢结构装配式建筑。

本工程在疫情防控时期建设,为确保该项目能快速建成,并用于研发治疗性抗体、疫苗、药品等工作,将其认定为应急抢险建设工程。本项目设计为1栋钢结构装配式建筑,地上5层,无地下室,建筑总高度为37.8m,占地面积为2 800m2,总面积为 12 000m2, 主要包括网络数据中心、实验室、生物样本库、病毒检验区、消毒中心及动物实验中心等。项目效果如图1所示。

图1 项目效果Fig.1 Project effect

本项目属一类高层,地上建筑耐火等级一级,屋面防水等级一级,结构形式为钢框架结构,抗震设防类别为甲类,抗震设防烈度为7度(0.10g),抗震措施8度,设计使用年限为50年,为绿色建筑二星级建筑。建筑平面功能分布及楼面标高如表1所示。

表1 建筑平面功能分布及楼面标高Table 1 Building plane function distribution and floor elevation

1.1 设计目标

本项目设计通过合理化功能布局、精细化设备设施设计及装配式技术应用,以建设设施完备、安全高效、施工快速、绿色节能的实验室建筑为设计目标,确保该项目能快速建成,并用于研发治疗性抗体、疫苗、药品等工作。

1.2 设计原则

1)统一性原则 本工程作为整个院区的有机组成部分,设计充分考虑了与医院现有建筑形态、功能的统一,打造符合现代医疗科研实验室建筑特征和空间感受的工作环境。

2)标准化、模块化原则 充分发挥装配式建筑优势,通过结构体系合理化、实验空间模块化设计、标准化构件应用,达到缩短工期、节能减材的目的。

3)分区布局原则 结合本项目使用功能,强化分区布局概念,打造实验核心区、动力中心区、研发展示区三大功能区块。

本工程采用动力中心模式进行站房设置。动力中心位于建筑东侧,包括变配电所、柴油发电机房、生活水泵房、消防水泵房、空调机房,这些站房性质相似,便于管理。同时,通过动静分区设计集中布置动力房(见图2),利于噪声、振动处置,减少对实验区域的干扰。

图2 动力中心功能分析Fig.2 Function analysis of power center

建筑平面南侧设置客梯厅,方便工作人员使用。北侧分设洁梯、污梯,满足试验物品的转运。工作人员区域设有休息交流区。建筑竖向布置注重实验室气流组织,将实验室放置在建筑上部,便于布置和废气排放;业务用房设置在较低楼层,方便使用,同时减少对上层实验室的穿行,便于管理;机电用房置于底层,方便室外管线衔接。试验核心区功能分区如图3所示。

图3 试验核心区功能分区Fig.3 Functional zoning of test core area

4)人性化原则 体现“以人为本”的设计理念,通过建筑与室内空间的设计和人性化设施的布置,创造舒适、温馨、人性化的研发工作体验。

5)可持续性 改造建筑通过高效利用空间,体现集约使用的原则,充分考虑了科学实验空间使用的适应性、灵活性,考虑与远期建筑的有效衔接。

2 项目管理工作机制

2.1 项目管理模式

为保证装配式项目从设计到施工的顺利实施,由建设单位牵头组织行业内装配式经验丰富的设计、施工、生产等单位。

建设单位根据装配式建筑工程的特点,总体协调全面工作。在工程建设的全过程中,建设单位承担装配式建筑设计、预制构件生产、施工等各方间的综合管理协调责任,建立各单位协同合作工作机制,促进各方之间的紧密协作。

为保证项目的顺利实施,组建项目管理团队,通过建立周例会制度、组建微信工作群等工作机制,成立协同平台来统筹协调参建各方的协同工作。

2.2 工程总承包(EPC) 模式情况

本工程主体建筑标段由设计与施工联合体单位承接,本次承包内容包括项目前期配合工作,勘察、设计、采购、施工、交付使用方及其他与项目建设相关的所有服务及配合工作。

1)工程设计 包括但不限于方案设计、初步设计、施工图设计、BIM模型建立及应用、施工配合、竣工图编制及按国家有关规定和相关规范要求应由总承包单位完成的工作。

2)工程采购 完成本工程所需的所有材料和设备的采购及管理工作。

3)工程施工 土石方工程(含场地平整)、地基与基础、主体结构、装饰工程、电梯工程、电气及智能化、通风空调工程、给排水工程、消防工程、室外景观照明、导向标识系统、室外道路及管网、边坡支护工程、停车场及交通工程、医疗专用设施设备等。

3 装配式建筑设计

3.1 装配式建筑标准化设计

本项目建筑形体规整,外部幕墙体系采用铝单板幕墙与玻璃幕墙。

内部功能布局合理规划,各层均有可重复利用模块,如楼电梯间、卫生间、办公区、标准化实验间等。其中,3,4,5层为实验室等主要的专业功能集中区域,设计时专业实验室采用了基本模块化的平面设计,同类实验室平面统一标准化,为装配式深化打下基础。实验室模块化组件安装如图4所示。

图4 实验室模块化组件安装Fig.4 Laboratory modular component installation

为实现装配式实施,在与施工、设备供货方充分沟通后,利用设计施工总承包的承建优势,确定了“建筑设计→工程设计→标准化设计→BIM设计→构建单元模块分段设计→加工生产→预拼装→运输→组装”的装配式路径。大量的生产工作在加工工厂完成,现场工作在主体结构施工的同时,标准化、模块化生产加工已经在同步开始,从而达到缩短工期、保证施工质量的目的。

3.2 主体结构采用装配式钢结构

本项目主体结构采用钢框架体系,所有钢构件均为标准化构件,主、次梁全螺栓连接,梁柱栓焊连接,采用钢结构楼梯。钢梁高强螺栓如图5所示,钢楼梯构造如图6所示。

图5 钢梁高强螺栓示意Fig.5 High strength bolts of steel beam

图6 钢楼梯构造示意Fig.6 Steel stair structure

3.3 围护墙和内隔墙

1)电梯井位置采用加气块。

2)局部卫生间隔墙采用100mm厚蒸压轻质加气混凝土内隔墙条板(ALC板),以水泥、石灰、石英砂、发气材料等为主原料,经磨细、配料、浇筑、切割、高压。预制ALC墙板施工前经过整层排版,所有预制墙板运至现场后不允许大面积切割,将墙体施工阶段的材料浪费几乎降为零,有利于节约社会资源,保护环境。本项目内墙、外墙条板尺寸为200mm×600mm(厚×宽),少量内墙为100mm(厚)。轻质墙板采用机械锚固方式分别与结构墙、梁、柱相连接,内配有钢筋,保证墙体具有良好的整体性,同时具有良好的抗震、抗冲击、抗弯等性能。

3)工艺试验区采用专用洁净内墙板(见图7)。洁净板又称净化板,是一种由彩涂板、不锈钢等材质作为面材的复合板。洁净板具有独特的防尘、防静电、抗菌等效果。被广泛应用于电子、制药、食品、生物、航天航空、精密仪器制造及科研等对室内环境要求苛刻的洁净工程领域。洁净板采用专用彩涂钢板、铝合金板等材料作为面板,以岩棉、玻镁板、铝蜂窝等为芯材复合而成,产品性能优异,适用于各类室内环境要求苛刻的洁净室工程,是理想的洁净室围护材料。

图7 洁净板构造示意Fig.7 Structure of clean plate

4)其余内隔墙与外围墙均采用200mm厚蒸压轻质加气混凝土内隔墙条板。

4 装配式建筑全装修

根据《深圳市装配式建筑评分规则》,全装修是指建筑功能空间的固定面装修和设备设施安装全部完成,公共建筑全装修范围包括公共区域和已确定使用功能的室内区域。

5 施工组织方案

根据深圳市建设工程施工现场生活区设置和管理的要求,为满足现场实际情况,有效利用场地的使用空间,满足安全生产、文明施工、方便生活和环境保护的要求,同时减小对周边道路交通产生的影响,减少材料的二次搬运量,所有材料堆放区按照“就近堆放、及时周转”的原则,确定施工总平面布置。项目场地分为办公生活区、材料堆场区与施工现场区3个管理区。其中堆场区内详细规划为样板展示区、钢筋加工区、钢结构堆放区、预制墙板堆放区等。

按照不同施工阶段进行现场施工平面布置,包含施工大门设置、场内临时道路组织、施工区划分、大型机械布置、堆场布置及其他设施布置。车辆出入口分别设置于南北两侧,通过网格化的划分形成了场地内外环场道路,保证项目所有材料与构件的有序运输。主楼西侧设置一台STC7528型平臂塔式起重机,满足工程材料进出堆场的同时,保证了项目的快速建造。辅楼一侧通过汽车式起重机合理站位,与主楼进行同步施工建设。

6 信息化管理

6.1 BIM应用情况

1)设计阶段 应用BIM进行施工图设计,包括各专业协同、管线综合、BIM模型制作、施工图和预制构件图信息表达、预制构件连接节点设计、钢筋碰撞、施工工序模拟等,提升设计质量。

2)生产阶段 应用BIM传递设计阶段的信息,进行预制构件、装配式模板深化设计和生产管理,提升预制构件和装配式模板生产质量和效率。

3)施工阶段 应用BIM传递设计、生产阶段的信息,进行施工全过程管控,实现对施工进度、人力、材料、设备、成本、安全、质量和场地布置的多维动态集成管理,提升施工质量和效率。施工现场BIM模型如图8所示。

图8 施工现场BIM模型Fig.8 Construction site BIM model

6.2 信息化管理情况

在施工生产阶段严格使用各项管理平台。

1)协同云平台 项目的请示、出差、请假、电脑补贴申请等流程,都需从此平台申请。该平台还集成了业财、报销、邮件、管理驾驶舱等多个系统,提供一键登录功能。

2)企业邮箱 企业邮箱具有企业隐私管理,对来往于公司的邮件进行高效存储,具有网页版。

3)业财系统 系统包括商务、库存资产子系统等系统。项目在商务、物资操作时需用到此平台。

4)管理驾驶舱 通过此平台查看项目重要数据,包括项目效果图、进度图、项目基本信息、商务数据、财务收款数据、 物资生产数据等。

5)斑马计划管理平台 通过编制双代号网络图对项目进行进度优化与控制,可设置前锋线,对项目进度一目了然。

6)职业健康安全管理信息系统 系统涵盖了各层级安全管理各项功能,项目人员组织参与安全生产工作需用到此平台。

7)质量云建造系统 平台集成了施工质量管理系统和系统管理功能。包含后台云库的五大基础清单、前段操作的三大核心流程、交互效果的三大功能输出,致力于以信息化手段推进大数据分析,促进科学质量管理。

8)广联云平台 项目内部的OA 系统主要包括文档协同、任务流程、应用流程、成员管理及BIM协作,是一个简单高效的工程项目多方协作云平台。

9)BIM平台 钢结构全生命周期主要指从钢结构设计开始,通过原材料采购、工厂加工制作、产品运输、现场安装到验收完毕交付使用的全生命历程。通过对设计、采购、 制作、安装的集成管理,达到降本增效的目的。

10)劳务管理系统 云筑系统为承包企业提供人员统计项目库、统计分析等功能,便于承包企业随时随地把控项目信息。通过云服务为现场班组长提供实名认证、班组人员信息、考勤、记账的功能。为现场工人提供实名认证、个人信息、考勤、工资发放、招聘等信息的查询。

7 建设工期及全寿命周期成本

采用预制装配式钢结构体系,材料费约为传统现浇混凝土结构的1.8倍,机械费约为传统现浇混凝土结构的3倍,人工费较传统的现浇混凝土结构体系节省约40%。人工、材料、机械综合单价较传统现浇方式增加约300元/m2。

根据项目统计,预制装配式钢结构体系与现浇混凝土框架结构体系运用全寿命周期成本评价体系计算初始成本、建设成本、维护成本等,具有以下优势。

1)预制装配式钢结构与现浇混凝土框架结构相比建设工期缩短约50%,大大提高了施工效率,节约人工成本。工期的缩短,可节约贷款利息,节省现场大型机械的租赁费及现场管理费。

2)全寿命周期中,预制装配式钢结构体系建筑全寿命周期成本比现浇混凝土框架建筑成本降低约30%,装配式钢结构建筑在全寿命周期中具有更好的经济性。

因此,装配式钢框架结构体系的全寿命周期成本低于现浇混凝土结构体系,装配式钢结构建筑具有更好的经济性与推广应用价值。

8 结语

通过采取上述管理和技术措施,本项目技术项、技术总评分均满足《深圳市装配式建筑评分规则》的相关要求,可认定为装配式建筑。

国家感染性疾病临床医学研究中心项目作为实验室功能性建筑,通过标准化设计、全过程BIM技术,把实验室、办公室、卫生间等划分为标准模块,进行工厂化生产,减少现场湿作业,对工厂生产组件编码,现场组装装配,一次成型,实现装修一体化,是实验室建筑装配式建设的一个成功案例。