裝配式設計和建造方式在學校公寓樓中的應用

王東星

（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000）

“低碳化”和“綠色化”的學校公寓樓與校園，是可持續發展思想在學校建筑上的體現[1]。“綠色校園”概念是由丹麥于1991年提出的，經過數年的發展，“綠色校園”已成為當今世界發展的趨勢。在我國，綠色校園建筑不僅能滿足教育市場發展素質的需要，而且也能符合建筑業可持續發展的要求。在建設“綠色校園”的過程中，要把“節能”和“環保”作為建筑設計、開發、建造的基本要求，以確保建成后的建筑在投產使用后可以發揮預期的經濟效益與社會收益。為滿足此方面需求，將裝配式結構建筑作為校園公寓樓建設的主要方向，本文將以此為切入點，對裝配式結構建筑進行建造與設計。

1 項目實例分析

1.1 工程概況

根據工程項目的建造需求，本次研究的工程為某高校公寓樓建筑，在建設項目中包括5棟建筑，可將其為D1、D2、D3、D4、D5，其中D1、D2、D3、D4建筑為高校內本科學生居住，D5建筑為高校內研究生居住[2]。對應建筑的基本情況見表1。

表1 裝配式建筑項目基本情況

在此基礎上，對D1、D2、D3、D4、D5建筑中的預制構件分布情況進行統計與分析，具體內容見表2。

表2 D1、D2、D3、D4、D5建筑中的預制構件分布情況

在明確建筑中預制件的分布情況后，分析該建筑的設計標準，具體內容見表3。

表3 裝配式結構建筑項目的設計標準

本工程項目在施工中使用的鋼筋混凝土結構均按照剪力墻-異形柱框架結構設計，建筑主體結構中梁結構、柱結構均為現澆結構，裝配式結構主要應用在建筑的預制陽臺中、預制疊合板中、預制樓梯中、預制保溫夾心外墻板中。

在建造前，所有的建筑構件均需要在指定工廠中生產，完成生產后，對預制件強度進行檢驗，例如檢驗后強度達到設計標準，可以對預制件進行出廠應用、施工現場拼裝，如果檢驗后強度未能達到設計標準，就說明制造的成品不符合工程項目施工需要，應結合項目的具體需求與工程建造標準，安排預制件返廠。

1.2 裝配式設計和建造中的受力分析

考慮裝配式結構建筑在建造中涉及腳手架施工，為確保預制混凝土建筑的施工質量符合規范，建立腳手架有限元模型及其在施工中的平面、側面、立面圖，如圖1所示[3]。

在圖1中，需要全面考慮施工人員在腳手架上拼裝或吊裝構件時的均布荷載，以保證施工的穩定性。計算腳手架均布荷載如公式（1）所示。

式中：q為腳手架均布荷載；g為掛架自身重力表；a為外掛架的長寬比值。

在此基礎上，應明確施工中疊合板結構是建筑主體結構中的主要支撐體系，為確保支撐體系的穩定性，對結構的頂部立桿段、非頂部立桿段進行受力計算，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：I1為裝配式建筑中疊合板結構頂部立桿段受力；k為支撐段立桿附加長度系數；μ1、μ2為支撐端穩定參數；h為支撐端長度；b為立桿整體長度；I2為裝配式建筑中疊合板結構頂部非立桿段受力。根據上述內容，明確裝配式建筑中疊合板在建造過程中的立桿最大橫向間距，如公式（4）所示。

式中：N為立桿最大橫向間距；q為混凝土強度等級。

參照上述方式，對裝配式建筑建造與設計過程中的結構相關參數進行計算，為校園公寓樓結構體系的深化設計提供技術支持。

1.3 結構體系深化設計

在上述內容的基礎上，參照相關文件，對建筑框架結構不同地震條件下的彈塑性進行計算，得到工程項目具體結構的設計參數。

以此為依據，對裝配式建筑結構的體系進行深化設計，在設計過程中，輔助使用ALLPLAN軟件，對預制件進行精細的三維造型設計，自動生成預制件的加工圖紙、平面布置圖以及配料表。預制件是裝配式建筑的主要組成部分，預制件的構造和連接是裝配式建筑建造的關鍵，因此，需要根據工程具體需求，設計預制件的節點，設計內容包括內、外墻連接與施工；地板連接與施工；預制構件與施工構件的連接與施工等[4]。在施工中，各類節點結構的設計既要符合熱工、防火、隔熱等需求，又要滿足建筑設計中的外觀方面要求。

2 裝配式設計和建造方式應用

2.1 外墻圍護結構設計

學校公寓樓項目的東、西兩面墻都是預制混凝土夾芯絕緣外墻板，其混凝土的強度等級是C35，夾心保溫外墻面板厚度為200mm（包括50mm的外面層，70mm的保溫層，80mm的內面層）。安裝完畢后，利用預留的內面層兩側及頂部的拉結筋，分別與柱梁和梁端連接，下面層經注漿孔注漿與樓面梁連接，構成一套隔熱的外墻圍護體系。

內外墻用鋼筋桁架相連，每隔350mm設一根。夾芯隔熱面板的中部為XPS隔熱面板，周圍用55mm厚的泡沫玻璃隔熱面板（A級耐火材料）密封[5]。預制夾芯隔熱外墻只須承擔風力及自重。在內頁墻體的底面留有兩個45mm直徑的小孔，用來連接梁頂預埋的插筋。埋設鋼筋的形狀為“L”形，錨固在梁體中的總長度為18mm，露出長度為180mm。外貼裝配式墻體節點具體構造細節如圖2所示。

圖2 外貼裝配式墻體節點具體構造細節

在預制外墻板的周圍節點處，涂第一層防水的有機硅密封膠。在預制構件的內側，是由彈性材料制成的環形襯里，起到了第二層的防水作用[6]。在上下兩層防水層間，設置結構式防水層，使其成為封閉的降壓式空艙。在外墻面板下端與梁頂部預留15mm的空隙進行注漿處理，在吊運前使用特制的橡膠墊塊進行找平和鋪設。在外墻面板的內面層的底部，設置兩列共計4個孔徑為45mm的注漿孔，橫向間距為1600mm，上下間距為350mm。在外墻上各注漿孔注漿完成后，對外墻兩側進行封層處理[7]。外墻側封倉構造如圖3所示。

圖3 外墻側封倉構造圖

在墻板吊裝到位后，每塊壁板都需要暫時用兩根對角線支撐固定。角支護的上半部分必須用事先準備好的連接裝置固定好。上端的支撐位置是距離盤面的三分之二，對角線支座的底端與地埋在一起。兩根對角柱間的距離為1.2～1.5m，與地面成40°～50°。

2.2 預制板建造與連接

本工程除4樓采用C35外，其余樓面均采用C30，后澆層厚度為70mm～90mm。在疊合板材的預制構件中，應設置網格筋，網格筋的位置應與疊合板材在吊裝過程中的主要應力方向相一致，網格筋間的距離應為600mm。疊層鋼板采用單面鋼板，采用分體式接頭，保證吊裝的精度。當大平板分成兩個或多個平板時，在平板間設有調節縫，調節縫的寬度應為5mm，平板與梁和墻體的搭接長度應為8mm。在基礎安裝就緒前，在跨中和距離基礎500mm的位置上，用立桿和橫梁組成臨時支承，通常要保證兩層以上的連續使用。各層的支撐應該在相同的垂直線上排列。在節點的設置方面，采用較為成熟和可靠的規范的節點方式，以便于施工和安裝，不僅降低了成本，還保證了項目的質量[8]。具體連接構造如圖4所示。

圖4 疊合板與梁中支座連接構造示意圖

本項目采用45mm的預制樓面板，65mm的后澆層。四樓的學生宿舍使用的是C35，其他樓層的混凝土是C30，均為單方向疊合。每塊鋼板上都設置了兩根縱筋，縱筋間相隔550mm。在預制平臺和后澆混凝土疊合層的結合部形成4mm或更大的人造表面且該表面的面積不能小于結合部表面的80%。疊合陽臺和樓板的結合部預留錨固鋼筋，待樓板吊裝就位后，將錨固鋼筋錨固于樓板，和樓板上現澆混凝土一起澆筑于樓板上。

2.3 預制樓梯連接施工

本項目計劃應用一種層厚140mm，C30級，采用鉸鏈結構的樓梯板，對學校公寓樓預制樓梯進行施工。上部為固定鉸，下部為滑動鉸，把安裝位置標在階梯上，為墻體繪制海拔控制線。將厚2cm的M10膠黏劑鋪在階梯上部及下部的梁板上，并采用干燥后的M10膠黏劑。為預制樓梯的施工制定控制線，檢查控制線和標高，以控制施工高度。樓梯邊與建筑物墻壁間留有約2.5cm的空間，用來做保溫砂漿。在吊裝及就位過程中，一定要保證臺階由上至下，并在工作樓層上方30cm處稍作停頓，使臺階邊緣與臺階橫梁上的安裝點線對齊，然后緩慢地停止。基礎就位后，用鐵鍬將階梯移至適當的位置并放置。在階梯部分修正完畢后，將階梯上部的墊片用連接角鋼筋與平臺部分的墊片進行焊接。后續進行內墻裝修時，須用密封材料填塞扶梯間連接部位。

3 結語

隨著建筑工程項目的建設管理與施工技術的不斷提高，預制構件的制造質量與精度也不斷提高，裝配式建筑在市場內廣泛應用且發展迅速。將裝配式建造技術應用于學校公寓樓的建造中，不僅可以解決當前教學住宿資源緊缺的問題，還可以打造一個綠色、低碳、環保的校園，符合國家目前發展裝配式建筑的政策，可以更快地推動建筑產業化的發展。因此，本文進行了此次研究，希望通過研究，能夠為我國教育市場的持續化發展提供技術支持與幫助。