8度抗震區(qū)高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅一體化建造關(guān)鍵技術(shù)

朱曉偉，苑立彬，金 暉，張寶元

(北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100101)

1 工程概況

項目位于北京市朝陽區(qū)黑莊戶鄉(xiāng)萬通路北，地下1層，地上28層，地上建筑高79.90m。總建筑面積27 904.88m2，每單元一梯4戶，套型建筑面積60～90m2。 項目采用鋼管混凝土柱框架-支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，樓板為裝配可拆式鋼筋桁架樓承板。外圍護(hù)墻為150～200mm厚加氣混凝土外墻板，80mm厚巖棉外保溫層，鋁板幕墻飾面和涂料飾面；室內(nèi)隔墻為100～200mm厚預(yù)制加氣混凝土板墻和輕鋼龍骨石膏板隔墻。樓梯采用鋼樓梯、預(yù)制混凝土踏步板。

2 研究技術(shù)路線

設(shè)計階段重點(diǎn)包括高層鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)體系比選、可拆式鋼筋桁架樓承板設(shè)計優(yōu)化、外圍護(hù)墻系統(tǒng)研究與優(yōu)化、室內(nèi)環(huán)境提升及鋼結(jié)構(gòu)防火防腐體系完善。

施工階段重點(diǎn)研究鋼筋桁架樓承板施工期間管線布置和節(jié)點(diǎn)做法、整體鋼制倒料平臺技術(shù)、鋼管柱內(nèi)高拋混凝土技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)冬期施工技術(shù)、鋼柱內(nèi)混凝土試驗檢驗與質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)及裝配式外圍護(hù)加氣條板施工技術(shù)。

施工組織重點(diǎn)研究高層鋼結(jié)構(gòu)住宅工程現(xiàn)場施工組織管理技術(shù)和安全管理技術(shù)。

信息化技術(shù)應(yīng)用主要研究BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、生產(chǎn)、施工階段的應(yīng)用。

3 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 平面、戶型設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

項目采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的設(shè)計方法，設(shè)計純南一居、南北通透兩居、邊戶型兩居3種戶型標(biāo)準(zhǔn)模塊，組合拼接形成組合體平面(見圖1)；東、西兩端和中間局部使用非標(biāo)準(zhǔn)戶型模塊；核心筒均為標(biāo)準(zhǔn)模塊。

圖1 組合體平面

框架柱間尺寸按200mm的倍數(shù)設(shè)計,南立面開間尺寸為4 600，6 400mm,北立面開間尺寸為1 800， 4 600，6 400mm。加氣混凝土填充墻按加氣外墻板規(guī)格要求(標(biāo)準(zhǔn)板寬600mm)，預(yù)先排板，優(yōu)化墻板布置，減少墻板裁切。采用大開間的鋼框架-鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，柱網(wǎng)連續(xù)，平面形狀規(guī)整，結(jié)構(gòu)受力合理，用鋼量減少。

按框架柱網(wǎng)劃分單元戶型，分戶墻設(shè)在框架梁處，避免框架梁露明；框架單元內(nèi)不設(shè)次梁，空間靈活劃分，滿足建筑全生命周期的空間適應(yīng)性。采用輕鋼龍骨內(nèi)隔墻和貼面墻，內(nèi)置管線，管線與主體結(jié)構(gòu)分離，方便裝修改造。標(biāo)準(zhǔn)層套內(nèi)使用面積系數(shù)為62.61%，經(jīng)調(diào)整優(yōu)化，提高到64.73%，增加2.12%。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系主要有鋼框架體系、鋼框架-支撐體系、鋼框架-延性墻板等,本項目采用鋼管混凝土柱框架-支撐結(jié)構(gòu)。地上部分為鋼結(jié)構(gòu)，框架柱均采用箱形截面柱，框架梁大部分采用熱軋H型鋼，少部分采用焊接H型鋼，次梁采用熱軋H型鋼，支撐采用焊接H型鋼，構(gòu)件具體截面尺寸如表1所示。

表1 鋼構(gòu)件截面尺寸

項目應(yīng)用可拆式鋼筋桁架樓承板(竹膠板底模)技術(shù)，結(jié)合項目特點(diǎn)對該技術(shù)優(yōu)化。走廊、電梯前室等公共服務(wù)區(qū)內(nèi)機(jī)電線管密集，電氣管線走向平行于主桁架鋼筋布置方向。

外圍護(hù)墻體采用加氣混凝土外墻板，南立面主體墻面外保溫采用巖棉薄抹灰系統(tǒng)，其他立面外保溫采用鋁板幕墻+巖棉保溫板系統(tǒng)；外圍護(hù)墻內(nèi)飾面采用輕鋼龍骨石膏板貼面墻，部分外墻采用鋁板幕墻系統(tǒng)。

3.3 安全耐久性與居住舒適度關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1防水措施優(yōu)化

由于敦煌藏經(jīng)洞開啟時的特殊歷史背景，造成了敦煌文獻(xiàn)的大量流散。國內(nèi)以京津滬和甘肅地區(qū)藏品較為豐富，流失海外的藏品則在歐美多國均有發(fā)現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，流散在國內(nèi)外的敦煌文獻(xiàn)總數(shù)在七千號左右，其中流入日本的兩千多號，流入歐美的不足兩百號，中國境內(nèi)尚存五千號上下。

在屋面防水常規(guī)卷材做法的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)屋面板采用防水混凝土，以徹底解決屋面防水卷材滲漏引起的屋面板下方鋼梁等鋼構(gòu)件銹蝕問題，同時也可避免施工期間(屋面板完成，尚未做屋面防水卷材)，雨水流淌造成屋面板下方鋼梁、鋼柱銹蝕。此項技術(shù)優(yōu)化不增加施工工序，成本增量少，應(yīng)用效果明顯。

3.3.2隔聲隔振措施優(yōu)化

為解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅隔聲性能較差問題，本項目外墻及分戶墻在鋼梁、鋼支撐腹板兩側(cè)填塞隔聲巖棉，室外側(cè)為巖棉保溫層+鋁板幕墻，室內(nèi)側(cè)用輕鋼龍骨固定雙層石膏板，形成雙空腔的巖棉復(fù)合鋼板墻體。鋼管柱均為實心鋼管混凝土柱，最小尺寸為400mm×400mm。樓板采用120～160mm厚鋼筋桁架樓承板，為實心混凝土樓板；樓面增加5mm厚發(fā)泡橡膠或電子交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯減振墊層，充分滿足住宅隔聲、隔振要求。

通過設(shè)計優(yōu)化將電梯井道設(shè)計在核心筒中心，用公共走廊和管井分隔，通過加長電梯振動噪聲的傳導(dǎo)距離，使其在傳導(dǎo)過程中快速衰減，避免干擾住戶生活。

3.3.3鋼結(jié)構(gòu)防火體系優(yōu)化

項目鋼構(gòu)件采用防火涂料包覆。當(dāng)輕質(zhì)砌塊墻、輕質(zhì)墻板與鋼構(gòu)件相鄰時，先做鋼構(gòu)件防火涂料，對鋼構(gòu)件形成完整防火保護(hù)后，再做輕質(zhì)砌塊墻或墻板，確保鋼構(gòu)件的耐火性能滿足設(shè)計要求。

鋼構(gòu)件維修更換防火涂料難度較大，主體結(jié)構(gòu)采用非膨脹型防火涂料，可更好地保證鋼構(gòu)件防火性能。鋼樓梯采用膨脹型防火涂料(見圖2)，其在高溫時膨脹，形成碳質(zhì)層，耐火隔熱，對鋼構(gòu)件形成保護(hù)，涂層較薄，裝飾性好。

圖2 鋼樓梯

4 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 箱形鋼管柱關(guān)鍵技術(shù)

本工程鋼管混凝土柱內(nèi)采用自密實混凝土，混凝土強(qiáng)度等級為地上1～9層C60，10～18層C50，19～24 層C45，25～28層C40，采用高拋免振搗澆筑法。

4.1.1施工工序

現(xiàn)場鋼管混凝土柱施工工序為：安裝第K～K+2 層的空鋼管體系→鋪設(shè)第K層樓承板→綁扎第K層樓板鋼筋→澆筑第K層樓板混凝土→鋪設(shè)第K+1層樓承板→綁扎第K+1層樓板鋼筋→澆筑第K+1層樓板混凝土→鋪設(shè)第K+2層樓承板→綁扎第K+2層樓板鋼筋→澆筑第K+2層樓板混凝土→布設(shè)泵管布料桿→澆筑第K～K+2層的鋼管混凝土→安裝第K+3～K+5層的空鋼管體系；如此循環(huán)，直至施工完成。

4.1.2澆筑難點(diǎn)及改進(jìn)措施

高拋?zhàn)悦軐嵒炷恋臐仓|(zhì)量控制難點(diǎn)為：①箱形鋼管柱內(nèi)每隔一定間距設(shè)隔板加強(qiáng)帶，最小間距0.15m，隔板中間最小孔徑為0.18m，影響混凝土澆筑密實性；②高拋混凝土靠從高處下拋產(chǎn)生的動能流滿鋼管柱，但澆筑至柱頂時，下落動能不足，影響混凝土澆筑密實性。

由于管鋼柱(400mm×400mm)頂部預(yù)開孔洞直徑為250mm或300mm，柱中間隔板數(shù)量較多，標(biāo)準(zhǔn)層每次管鋼柱澆筑高度為8.4m，將自密實混凝土順利灌注至底板并緩慢上升是控制澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵。經(jīng)研究，在柱頂加設(shè)漏斗輔助澆筑，控制下料垂直度，避免混凝土下落過程中沖入中間隔板，漏斗如圖3所示。澆筑時保證漏斗水平放置且居中正對鋼管柱孔，以滿足自密實混凝土沿孔中心線垂直下落至柱底。

圖3 漏斗

4.2 施工組織管理

鋼結(jié)構(gòu)安裝施工是整個施工過程的關(guān)鍵，應(yīng)用BIM技術(shù)，對安裝過程進(jìn)行施工模擬。通過施工模擬制定施工順序，將豎向鋼結(jié)構(gòu)施工劃分為3個流水段，鋼管柱高度為3層，每節(jié)鋼管柱安裝需進(jìn)行3層頂板施工。進(jìn)行生產(chǎn)組織優(yōu)化后，冬期施工條件下實現(xiàn)了平均11d完成1個完整施工段的進(jìn)度目標(biāo)，平均1層施工時間<4d。

通過BIM模擬，可發(fā)現(xiàn)1臺塔式起重機(jī)每天吊次約40吊的情況下每層施工工期為5d，滿足現(xiàn)場施工要求。

實際進(jìn)行樓板澆筑施工時，發(fā)現(xiàn)1臺塔式起重機(jī)的情況下，土建加鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層每層施工工期為7d，無法滿足施工工期要求，決定在建筑西側(cè)增加1臺塔式起重機(jī)，通過BIM技術(shù)結(jié)合土建施工，進(jìn)行施工模擬，調(diào)整流水段劃分，水平向劃分為3個流水段，在水平流水段基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，豎向?qū)⑺较噜徚魉蝿澐譃榻徊娴?個流水段，將標(biāo)準(zhǔn)層施工工期縮減為3.5d。

5 外檐圍護(hù)、保溫、飾面關(guān)鍵技術(shù)

5.1 加氣外墻板安裝優(yōu)化

加氣外墻板墻體施工，鋼管錨法和鉤頭螺栓法均不能將加氣外墻板直接固定在鋼梁上，項目采用鋼梁底焊接加固角鋼，并優(yōu)化角鋼規(guī)格。鋼梁底采用∟90×56×6；混凝土基礎(chǔ)采用∟63×63×6；窗洞口加固，1～7層采用∟75×75×6，8～21層采用∟90×90×6，22層至頂層采用∟100×100×6；門洞口加固采用∟100×100×6。

5.2 外墻板防水體系施工技術(shù)措施

板材內(nèi)應(yīng)密閉無連通氣泡，條板本身自防水。加氣外墻板板邊采用企口形式，安裝時板縫擠滿專用黏結(jié)砂漿，形成板縫內(nèi)防水；墻板安裝固定后，外板縫施打?qū)Ｓ妹芊饽z，形成板縫外防水。加氣墻板安裝后，與主體結(jié)構(gòu)間縫隙宜沿縫長涂刷防水涂料，加強(qiáng)薄弱部位板縫防水；在整個外墻面上涂刷專用界面劑，密閉加氣外墻板表面氣孔，形成墻面整體防水。空調(diào)挑板等突出建筑立面水平構(gòu)件防水體系在施工過程中也是外檐防水質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一。

5.3 基于幕墻外圍護(hù)體系的加氣外墻板安裝

幕墻范圍的加氣外墻板采用綜合性能最佳的鋼管錨固件固定，固定件設(shè)在加氣外墻板室外側(cè)，施工人員在室內(nèi)側(cè)操作，安全性好，效率高，施工速率顯著提高。

幕墻巖棉板保溫層設(shè)在幕墻空腔內(nèi)，表面無抹灰，對平整度要求較低，以錨固為主，鋼管錨固件凸出在外墻面，不影響保溫層安裝；幕墻防水性能優(yōu)異，加氣外墻板縫防水要求相對較低，鋼管錨固件設(shè)在墻外側(cè)，不影響外墻整體防水性能；設(shè)計在幕墻空腔內(nèi)時采取多種防結(jié)露措施，如加氣外墻板板縫增加防水層，加強(qiáng)加氣外墻板的隔汽性能；采取打孔等措施，提高鋁板幕墻透氣性能等，有效避免鋼管錨固件銹蝕。

5.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)技術(shù)BIM可視化交底

采用鋼管錨固法安裝固定墻板，這是一種新工藝，工人對施工工藝不了解，易出現(xiàn)錯誤。通過BIM建模，在三維視角下對工人進(jìn)行技術(shù)交底，工人能夠很好地掌握這種新技術(shù)。

6 結(jié)語

在廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，針對高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅一體化建造，對戶型設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系、樓板系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備管線系統(tǒng)、施工組織與技術(shù)管理、安全管理等方面進(jìn)行分析研究，確定各系統(tǒng)各部位的最優(yōu)技術(shù)做法和施工工藝。經(jīng)施工驗證，優(yōu)化提升，形成一套相對完善的高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅綜合技術(shù)體系。