地鐵場段裝配式小構筑物設計施工關鍵技術研究

王俊龍

（中國鐵路設計集團有限公司,天津 300000）

0 前言

相對于主體結構裝配式構筑物，地鐵場段裝配式小構筑物發展相對緩慢且滯后。其主要原因是國內場段早期數量較少，而場段內裝配式小構筑物種類繁多，且單一種類條件下的數量有限，難以適應裝配式規模化生產的需求。隨著地鐵建設的加速，國內場段的數量日益增加，地鐵場段內部分小構筑物實現裝配式設計施工的必要性越來越強，也符合國家工程建設中高效節約的發展要求。探索地鐵場段裝配式小構筑物設計施工過程中的關鍵技術也變得尤為重要。

1 地鐵場段裝配式小構筑物主要類型及優勢

地鐵場段中可采用裝配式設計施工的小構筑物主要包括排水明溝、綜合管溝、電纜溝、柱式檢查坑、地面排水找坡層、檢修平臺、圍墻系統等。

對于場段內溝槽類的小構筑物，比如排水明溝、綜合管溝、電纜溝等，其采用裝配式可在設計過程中提前處理管線碰撞、優化管溝路徑，避免不同管溝系統間的管線沖突。即使在實際安裝施工過程中，遇到少量管溝空間沖突，也可通過調整預制構件的組合方式來靈活處理施工沖突等問題。

對于場段內柱式檢查坑、檢修平臺等小構筑物。在設計過程中，裝配式預制構件的靈活多樣組合，可以比選出較優的構筑物系統，保證其建筑拆分、結構受力、構件尺寸劃分等的合理性。在安裝施工過程中，也能避免出現大尺寸構件無法安裝或操作安裝難度大等問題。

對于場段內地面排水找坡層、圍墻系統等小構筑物。比如，地面排水找坡層使用裝配式可保證排水坡度的精度，提高施工質量。其通過裝配式安裝也可大大提高施工效率，縮短工期。圍墻系統通過裝配式設計施工，則可根據場段不同環境特點選取多樣化的圍墻形式，使其與周邊環境相協調，提高圍墻系統的美觀度[1]。

2 地鐵場段裝配式小構筑物關鍵技術

2.1 裝配式小構筑物的科學拆分

裝配式小構筑物進行科學地拆分主要是為了實現裝配式建筑單元的標準化，建筑單元的標準化是實現裝配式建筑工業化的基礎。建筑的拆分主要涉及結構的受力特征、安全可靠性、舒適度以及工程投資等方面，建筑的拆分方式的差異化，對結構設計產生直接影響[2]。對地鐵場段小構筑物進行科學拆分，關鍵從以下幾個方面考慮：

2.1.1 建筑拆分時要兼顧合理受力

比如，現澆的地鐵場段檢修平臺整體位于梁柱體系上，整體受力均勻。若采用裝配式結構形式，建筑單元劃分需考慮梁跨尺寸，通常采用1～2 跨為一個建筑劃分單元，若建筑劃分過小或者長度為單跨的非整數倍，就存在結構接縫不在梁上而造成結構受力不均勻、接縫處理困難等問題。

2.1.2 建筑拆分需考慮裝配式構件在制作、運輸及吊裝的相關限制條件等要求

對于地鐵場段大庫內采用裝配式建筑構件，因存在庫內限界、連接道路運輸條件等限制，在進行裝配式建筑拆分時，最大單元構件需提前模擬運輸路徑及方式。比如庫內檢修平臺、柱式檢查坑等。柱式檢查坑由于立柱構件小，標準化強，對于制作、運輸、吊裝的要求均不高，而檢修平臺建筑單元往往適應梁柱跨度大的特點需盡量減少構件長度，在運輸路徑模擬過程中，采用兩跨長度的構件若無法運輸及吊裝，可采用單跨建筑構件，以滿足現場安裝的要求。

2.1.3 建筑拆分需考慮預制構件配筋構造的相關要求

對于部分對受力要求較高的小構筑物，在進行建筑拆分時還需考慮構件單元的配筋等問題。比如，地鐵場段內的綜合管溝以及電纜溝，因其常采用地下敷設，受其上部覆土深度、上部附加荷載等影響，綜合管溝（電纜溝）的配筋往往較大、結構厚度也大。這就要求建筑拆分單元長度不能過長，其過長不利于管溝的結構受力，容易產生結構變形，影響結構安全。

2.1.4 建筑拆分需考慮連接和安裝施工的相關要求

對于地鐵場段內受力要求不高的小構筑物（比如排水明溝），因其是施工操作便利，但對于防水要求高，過多的連接接頭不僅不利于接頭防水處理，接頭處構件的施工質量也難以保證，影響施工進度。對于此類構件，其位于直線地段的部分常采用長度長的建筑拆分形式，從而盡量減少接頭數量；其位于曲線地段的部分可結合現場要求采用長度短的建筑拆分形式，靈活定制化預制。

2.1.5 建筑拆分需考慮預制構件標準化設計的相關要求

在建筑拆分的過程中，盡量減少建筑拆分單元的規格種類，便于提高現場的預制生產效率。同時，大尺寸構件采用大小規格組合套用的形式，既便于提高預制構件的生產效率，又可避免大尺寸構件運輸、安裝過程中遇到的各種難題。地鐵場段內小構筑物種類繁多，單個小構筑物的數量少，這也是裝配式小構筑物推廣難度大的原因，采用小尺寸構件符合預制構件標準化設計的要求。

2.2 裝配式小構筑物關鍵節點的處理方法

地鐵場段裝配式小構筑物有以下幾個主要的處理關鍵節點，包括構件單元建筑形狀的設計、結構尺寸的確定、接口連接方式、接口防水處理措施。在設計及施工的過程中，處理好這些關鍵節點是地鐵場段裝配式小構筑物實施的重難點。關鍵節點的處理效果以及施工質量直接影響到建筑的合理性及結構的安全性[3]。以下就處理上述關鍵節點的相關技術進行詳細分析。

2.2.1 鋼筋采用套筒連接方式

鋼筋采用套筒的連接技術應用相對較早，主要應用于樁基礎設計施工過程中，由于樁基礎鋼筋籠連接時采用焊接往往施工進度難以保證，且受外界環境變化影響較大，鋼筋籠采用鋼套筒連接施工操作簡單，雨天施工不受影響，大大提高了施工作業效率。

地鐵場段裝配式小構筑物里綜合管溝和電纜溝在構件連接時可采用套筒連接方式。預制管溝單元在制作的過程中，根據鋼筋的位置和間距確定螺紋的規格和尺寸，同時在對應構件單元的鋼筋接頭預留好套筒。并在工廠預制時，隨機選取兩個管溝構件單元進行試連接，保證套筒與螺紋的精確定位、連接吻合。在現場管溝施工的過程中，首先開挖好管溝基坑，再將管溝現場吊裝擺放，現場管溝構件通過套筒機械連接，最后對套筒連接部位進行灌漿澆筑。整個過程中，要求鋼筋套筒的強度足夠大，灌漿材料的選擇滿足早強、高強的要求。施工期間做到套筒、鋼筋和灌漿材料間互相適配，搭配合理。

2.2.2 鋼筋采用漿錨連接方式

鋼筋漿錨連接是一種間接的錨固方式，適用于兩種預制裝配式構件單元中鋼筋直徑大小不同的情況。首先，準備需要搭接的鋼筋構件，將兩種構件按照一定的距離擺放，然后將其錨固在灌漿套筒、凹槽、節點等地方，兩個待搭接鋼筋的拉力通過橫向鋼筋轉化為剪力。此種技術在地鐵場段裝配式小構筑物中主要應用于一些構件單元受力差異化較大，特殊地段的不同構件配筋差異化較大導致鋼筋直徑的差異化。比如，綜合管溝在位于空地或綠化帶區域下方時，由于其上部荷載較小，對應的綜合管溝配筋少，配筋直徑也較小；綜合管溝在位于道路下方時，由于其上部荷載較大，對應的綜合管溝配筋多，配筋直徑也較大。鋼筋漿錨連接的長度主要受三個方面因素控制：第一是在灌漿料中所采用的鋼筋的抗拉拔強度；第二是灌漿料的剪切破壞程度；第三是灌漿料中所采用混凝土的劈裂破壞程度。

2.2.3 接口防水處理技術

地鐵場段裝配式小構筑物由于構件單元數量多，不可避免存在較多的結構接縫，接縫的處理一方面影響小構筑物的整體性、美觀性，另一方面，對于一些有防水要求的小構筑物也影響其防水效果。裝配式小構筑物單元接縫防水處理主要方式為：一是通過接縫結構設計；二是通過防水材料填充。

接縫結構設計可在預制小構筑物單元接口處采用鋸齒形咬合卡槽，使得結構間達到無縫銜接的效果，再對其整體接縫涂抹簡單的防水膠便可達到較好的防水效果。比如，對于地鐵場段小構筑物中的檢修平臺，其預制裝配式結構單元接縫位于梁上，接縫處采用凹凸咬合卡槽無縫連接，安裝操作簡單。安裝后，其整體性強、穩定性強，對接縫簡單涂抹防水膠進行細縫的防水處理，保證整體檢修平臺達到良好的防水效果。對于一些接縫間隙大，而通過結構設計或拼裝的方式均無法實現裝配式小構筑物單元間完整貼合的小構筑物，可采用防水材料填充的方式。比如，對于地鐵場段小構筑物中排水明溝、電纜溝等，由于其接縫均為立體結構，無法實現結構采用鋸齒形卡槽的方式貼合地安裝。常規安裝后，其兩個結構單元間接縫間隙較大，采用灌漿澆筑的方式處理難度大，防水效果差，對其采用較好的防水材料進行填充處理往往能達到良好的防水效果。

3 裝配式小構筑物相關新技術的應用

3.1 BIM 技術的應用

BIM 技術在工程領域的應用越來越廣泛，特別是在處理工程管線排布、復雜結構處理等方面發揮著突出作用。在地鐵場段裝配式小構筑物施工之前，使用BIM 技術將預制構件模型化，按照設計安裝的要求，通過不同單元模型的組合來還原裝配式小構筑物整體立體形式。在搭建立體模型的過程中可檢驗該裝配式小構筑物與其他建筑物是否存在空間沖突，并通過可視化BIM 模型進行施工組織、工程籌劃等，提前預判施工過程中存在的重難點、風險點等。比如地鐵場段裝配式小構筑物中，排水明溝、綜合管溝、電纜溝均采用預制裝配式方式設計施工時，若各自獨立進行裝配式設計，在交叉區域往往存在豎向標高沖突等問題，在進行施工安裝過程中也會出現裝配實施難、施工組織難度大等問題。通過BIM模型系統設計，提前進行BIM 模型碰撞，避免施工中出現因設計問題而引起工程反復施工、重復施工等現象[4]。

地鐵場段裝配式小構筑物在施工過程中采用BIM 技術，可有效提高施工效率、減少成本、提高施工質量水平。BIM 技術在地鐵場段裝配式小構筑物的應用主要包括系統化場地管理、動態化施工成本管理以及可視化施工管理方面。

3.1.1 系統化場地管理

在地鐵場段裝配式小構筑物施工組織的過程中，借助BIM 技術實現提前對場地布置及施工過程進行模擬，避免在實際施工過程中出現裝配式構件的重復搬運和搬運路線沖突等。

3.1.2 動態化施工成本管理

在地鐵場段裝配式小構筑物施工組織的過程中，將BIM 技術與時間、成本等因素有效結合、綜合考慮。通過虛擬現場施工場景來加快施工進度和減少施工工期、進行合理化的資源配置，對施工成本進行動態化高效管理。

3.1.3 可視化施工管理

在地鐵場段裝配式小構筑物施工之前，借助BIM 技術將各項施工工藝、復雜施工交叉點、預制裝配式構件進行系統化展示，使得現場管理實現可視化，管理更加客觀實際，避免一些主觀因素造成施工管理上的誤判，與此同時，也可通過可視化施工管理將不同關聯部門串聯起來，極大提升溝通效率[5]。

3.2 三維掃描技術

三維掃描技術是一種新型的多維建模技術，其應用在裝配式小構筑物中還處于探索階段。三維掃描技術的基本應用思路是：首先，通過對不同尺寸的預制構件建立實物模型；其次，通過三維掃描儀器對預制構件進行不同方位、不同角度的立體掃描，快速捕捉預制構件的空間坐標點；然后，將收集到的坐標點轉換成預制構件虛擬模型，并通過軟件將其組合成不同裝配式小構筑物系統；最后，通過模型的受力計算、虛擬環境試驗檢驗等方式確定最終合理的裝配式小構筑物系統，并將其應用于地鐵場段部分小構筑物中[6]。

地鐵場段裝配式小構筑物中，檢修平臺和圍墻系統應用三維掃描技術具有明顯的優勢。檢修平臺可以選取不同長寬尺寸、不同厚度的預制構件單元，并等比例分別制作一份實物模型，再通過三維掃描技術將其轉換為數字模型，在軟件中對模型進行多項重組，并進行整體模型的受力分析，最終選取既經濟又合理的裝配式檢修平臺系統。圍墻系統由于形式多樣，難以完成逐個單一模型的制作。可采用市場調研的方式，選取部分典型的圍墻樣式，通過三維掃描的方式，快速生成圍墻預制構件的模型，最后通過軟件中裝配式構件組合、多維場景模擬的方式，確定具體環境下的最佳裝配式圍墻系統，并將其應用于地鐵場段圍墻系統的建設安裝中[7]。

4 展望

地鐵場段小構筑物采用裝配式建造的方式目前正處于探索和推廣階段。隨著未來地鐵場段內裝配式構筑物的應用越來越廣泛，在鞏固預制構件模型研究、安裝方案等方面的基礎上，將更多探索裝配式小構筑物的新材料研發，使得裝配式技術與低碳節能緊密結合，進一步節省裝配式小構筑物成本，提高安裝效率，保證施工質量。