PEC 結構體系在裝配式建筑工程中的應用分析

唐 宏

（浙江天和建筑設計有限公司，浙江 湖州 313000）

引言

2016 年國家提出大力推廣裝配式建筑，推動建筑產業結構調整升級，在國家政策的大力支持下，近年來，裝配式建筑得到快速發展[1]。鋼- 混凝土組合結構在裝配式建筑中的應用與發展得到廣泛關注和認可，兼具鋼結構和混凝土結構體系的優點。目前市場上比較常用的鋼- 混凝土組合結構包括鋼管束組合結構體系、部分包覆鋼- 混凝土組合結構體系、捷約預制裝配框架系統、型鋼混凝土結構體系等[2]，其中，部分包覆鋼- 混凝土組合結構體系具有剛度更大、承載力更高、防火性能更好等諸多優點，而且柱子翼緣比較窄，增大了建筑的使用面積，在近些年來得到更廣泛的關注和應用[3]。以湖州市第二中學的食堂重建工程為例，對部分包覆鋼- 混凝土組合結構體系在裝配式建筑工程中的應用進行了深入分析，以期能為部分包覆鋼- 混凝土組合結構的推廣應用提供借鑒。

1 PEC 結構體系

1.1 PEC 結構體系介紹

部分包覆鋼- 混凝土組合結構（Partially Encased Composite structures of steel and concrete，簡稱PEC）最早誕生于20 世紀80 年代的歐洲地區，其主要思想是在H 型鋼腔體內焊接鋼筋或扁鋼，然后再在H 型鋼開口截面輪廓中（工字鋼腹腔內）預制澆筑對應強度等級的混凝土，從而形成一種新型的鋼- 混混凝土組合構件體系[4-5]。

1.2 PEC 結構技術優勢

與常規裝配式結構相比，PEC 結構具有如下技術優勢：（1） 解決了裝配式結構可靠性問題，具體表現在：栓焊連接，節點可靠；鋼混組合，抗震優越；工藝成熟，質控簡單。（2） 解決了鋼結構的耐火問題，具體表現在：混凝土包覆，鋼混組合；免刷防火涂料，抗火3h 以上；永久抗火，避免二次裝修涂刷。（3） 解決了鋼結構的防腐問題，具體表現在：混凝土包覆，永久防腐；免刷防腐涂料，避免二次涂刷；結構防腐同主體結構（＞70 年）。（4） 解決了鋼結構建筑的隔音降噪問題，具體表現在：鋼混組合結構，隔音優越；解決純鋼梁隔音填充的“音橋”問題；隔墻隔音性能提升10 dB，相比純鋼梁隔音效果提升約30%。（5） 解決了鋼結構樓面震顫問題，具體表現在：相比純鋼結構，剛度提升50%以上；樓面剛度與傳統混凝土結構保持一致；解決鋼梁樓面的剛度偏弱的震顫感。（6） 縮短了施工工期，全面提升了裝配式建筑的施工效率，減少了噪音污染和建筑垃圾的產生，同時還有效降低了工程造價。

2 工程應用案例

2.1 工程概況

湖州市第二中學的食堂重建工程共四層，分別為地上三層，地下一層，建筑占地面積為2 391.16 m2，實際總建筑面積8 196.64 m2，地上建筑面積6 153.76 m2，地下室建筑面積2 042.88 m2，結構高度整體為17.3 m。工程采用部分包覆鋼- 混凝土組合框架結構體系，其中樓面采用疊合樓板、鋼筋桁架疊合板，衛生間采用鋼筋桁架樓承板，屋面采用鋼筋桁架疊合板，設計使用年限為50 年，抗震設防類別為重點（乙類），工程抗震設防烈度為6 度，主體結構抗震等級為三級。

2.2 裝配結構設計

2.2.1 材料選擇

基礎墊層混凝土為C15，砌體隔墻中的構造柱、過梁、圈梁或腰梁和設備基礎混凝土為C25，承臺、地梁、底板混凝土為C30；鋼筋采用HPB300 和HRB400，框架柱、框架梁、次梁及以上構件相應節點處加勁板及連接板等采用Q355B，錨栓、樓梯花紋鋼板、角鋼、槽鋼采用Q235；地下部分填充墻采用混凝土多孔磚，地上部分外墻采用200 厚(B07 級,A5.0)陶粒加氣混凝土砌塊,內墻采用200(100)厚(B06 級,A3.5)ALC 輕質隔墻板。

2.2.2 主體結構設計

（1） 建筑二層主要包括預制樓梯、疊合樓板、鋼筋桁架樓承板、預制鋼梁、現澆梁、后澆帶、現澆板、雨棚等多種結構，水平投影面積分別為187.83 m2、1 381.35 m2、56.4 m2、252.48 m2、26.91 m2、35.13 m2、58.32 m2和66.25 m2；（2） 建筑三層主要包括預制樓梯、鋼筋桁架疊合板、鋼筋桁架樓承板、現澆板、預制鋼梁、現澆梁等結構，水平投影面積分別為100.7 m2、1 517.42 m2、28.78 m2、60.53 m2、266.11 m2、24.6 m2、40.71 m2；（3） 13.500 標高層主要結構包括預制樓梯、鋼筋桁架疊合樓板、預制鋼梁、現澆梁、現澆板和后澆帶，水平投影面積分別為33.94 m2、577.47 m2、135.33 m2、24.6 m2、64.35 m2、7.62 m2；（4） 屋面層主要包括、鋼筋桁架疊合樓板、預制鋼梁、現澆梁、現澆板、后澆帶等結構，水平投影面積分別為1 066.63 m2、280.79 m2、28.6 m2、38.08 m2、66.01 m2。

2.2.3 連接節點設計

裝配式建筑預制節點設計應保證被連接鋼筋的連續性，結構構造易于傳遞拉力、壓力、剪力、彎矩和扭矩，傳力路線簡捷、清晰；裝配整體式混凝土結構中，節點及接縫處的縱向鋼筋連接宜根據接頭受力、施工工藝等要求選用盲孔灌漿連接、機械連接、焊接連接、綁扎連接等連接方式，預制構件堅向受力鋼筋的連接，宜優先選用套筒灌漿連接接頭；異形構件深化設計時應考慮臨時加固措施及生產、吊裝、運輸等要求，構件內凹角處增加附加鋼筋以增強構件抗裂性能。裝配式建筑的構件節點較多，但主要分為以下四類：鋼筋桁架樓承板節點、疊合板節點、梁柱節點和預制樓梯節點。各種節點的部分設計示意見圖1。

圖1 部分連接節點設計示意

2.3 裝配建筑評價

根據《湖州市綠色建筑和綠色建材政府采購基本要求（試行）》2021-02 規定：醫院、學校、辦公樓、綜合體、保障性公租房及人才房應采用混凝土結構或鋼結構裝配率不低于50%。另外根據浙江省住建廳批準《裝配式建筑評價標準（DB33/T1165-2019）中相關規定：公共建筑的裝配率不低于60%，居住建筑的裝配率不低于50%。因此，對裝配置建筑評價，首先要計算建筑的整體裝配率，裝配率的計算公式為

式中：P 表示建筑的整體裝配率；Q1表示主體結構指標實際評價分值，Q2表示圍護墻和內隔墻指標實際評價分值；Q3表示裝修和設備管線指標實際評價分值；Q4表示評價項目中缺少的評價項分值總和。

根據主體結構設計指標，可分別計算得到梁、板、樓梯、陽臺、空調板等構件中預制部件的應用比例（q1b）、內隔墻中非砌筑墻體的應用比例（q2c）、集成衛生間干式工法應用比例（q3c）、圍護墻采用墻體與保溫隔熱一體化的應用比例（q2bc），對應的比值分別為95.02%、50.4%、83.01%和69.18%，根據裝配置建筑評分規則，對應的得分分別為20、5、4.9 和2.4。另外，本項目內墻均采用管線、裝修一體化設計，應用比例達到100%，故得分為5。本項目為裝配式鋼結構建筑，采用部分包覆鋼——混凝土組合框架結構體系，采用全裝修模式，水平向布置管線與樓板和濕作業樓面墊層分離，故項目并無缺少項，即Q4=0。

通過上述分析，對本項目裝配式建筑的裝配率進行計算，結果顯示：本項目主體結構（Q1）得分為50，圍護墻和內隔墻指標（Q2）得分為12.4，裝修和設備管線（Q3）得分為13.9，故根據式（1）計算得到的本項目裝配率為76.3%，經評定，本項目滿足《湖州市綠色建筑和綠色建材政府采購基本要求（試行）》與《裝配式建筑評價標準》。綜上：該項目評價為AA 級裝配式建筑。

3 BIM 技術應用

本項目在設計過程中，充分運用了BIM技術，發揮BIM 技術的三維可視性、優化性、模擬性、協調性等優勢。項目基于Autodesk Revit 軟件中的Dynamo可視化編程平臺，通過Dynamo 的設置固定代碼，自動計算出預制率，提高工作效率，同時能夠直觀、高效、全面地展示管線綜合與洞口預留預埋情況。通過BIM還能實現PC 構件深化，過程更新與實時查看構件安裝情況，實時溝通協調與線上填寫質量驗收報告。BIM結構三維模型示意見圖2。

圖2 結構三維模型示意

4 結論

本文對PEC 結構體系在裝配式建筑工程中的應用進行了探索和分析，得出如下結論：

（1） PEC 結構相較于傳統鋼結構，結構可靠性、耐火性、耐腐蝕性、隔音降噪性更好，剛度更大，震顫感更弱，同時明顯縮短了施工工期，提高了施工效率，降低了工程造價。

（2） 以湖州市第二中學的食堂重建工程為例，對部分包覆鋼- 混凝土組合框架結構體系的材料選擇、主體結構設計、連接節點設計等進行詳細分析。

（3） 工程案例的總體裝配率為76.3%，滿足相關標準要求，評價結果為AA 級裝配式建筑。

（4） 本工程在設計過程中采用了BIM 技術，實現了構件的標準化設計、減小了設計誤差，優化了工程量，提高了項目的建設質量和綜合管理水平。