装配式混凝土建筑概述

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装配式混凝土建筑概述装配式建筑具有工业化水平高、便于冬期施工、减少施工现场湿作业量、减少材料消耗、减少工地扬尘和建筑垃圾等优点，它有利于实现提高建筑质量、提高生产效率、降低成本、实现节能减排和保护环境的目的。装配式建筑在许多国家和地区，如欧洲、新加坡，以及美国、日本、新西兰等处于高烈度地震区的国家都得到了广泛的应用。在我国，近年来，由于节能减排要求的提高，以及劳动力价格的大幅度上涨等因素，预制混凝土构件的应用开始摆脱低谷，呈现迅速上升的趋势。与上一代的装配式结构相比，新一代的装配式结构采用了许多先进技术。在此基础上，本规程制定的内容，在技术上也有较大的提升。本规程综合反映了国内外近几年来在装配式结构领域的最新科研成果和工程实践经验；要求装配整体式结构的可靠度、耐久性及整体性等基本上与现浇混凝土结构等同；所提出的各项要求与国家现行相关标准协调一致。装配式混凝土建筑的结构体系主要包括：装配整体式框架结构、装配整体式剪力墙结构、装配整体式框架-现浇剪力墙结构，以及装配整体式部分框支剪力墙结构。1.装配整体式框架结构体系装配整体式框架结构体系的基本特征主体结构框架预制，楼板采用叠合楼板，楼梯、雨篷、阳台等围护结构预制，框架结构连接形式主要采用套筒灌浆形式。装配整体式框架结构体系的典型案例是沈阳万科春河里项目（图1-9）。框架梁、框架柱采用预制方式楼板采用叠合方式；内墙、复合夹芯保温外墙及楼梯均采用预制方式，结构预制部分达到70%以上。施工速度快，构件质量控制好，但存在构件造价高等问题。2.装配整体式剪力墙结构体系预制框架现浇剪力墙体系的基本特征：主体结构剪力墙预制，楼板采用叠合楼板，楼梯、雨篷、阳台等围护结构预制。根据剪力墙预制形式不同可以分为整体预制和叠合预制两种形式。 叠合剪力墙的典型案例为合肥新站平板显示基地公租房项目（图1-7）0该项目由4株地上18层，地下1层楼房组成。主体结构采用预制叠合板剪力墙结构体系，楼板采用预制叠合楼板，部品构件真正实现了工厂化生产；叠合剪力墙结构形式采用等同现浇剪力墙结构的理念，抗震性能与传统一致。整体预制剪力墙典型案例为沈阳万科春河里项目（图1-8）。该项目北京万科自主研发的套简剪力墙体系，主要受力构件剪力墙预制，剪力墙之同连接的连梁采用现浇方式，楼板采用叠合方式，复合夹芯保温外墙及楼梯采用预制方式；万科集团在日本前田建筑株式会社研究成果的基础上，与北京榆构和长春亚泰集团共同开发了剪力墙技术体系。3、装配整体式框架-现浇剪力墙结构体系预制框架一现浇剪力墙体系的基本特征：主体结构框架预制、主体结构剪力墙现浇楼板采用叠合楼板，楼梯、雨篷、阳台等结构预制。典型案例是上海城建集团浦江瑞和新城05—02地块（图1-6）0该项目由4幢18层和1幢14层的高层住宅组成，引进消化吸收"台湾润泰”预制框架剪力墙体系。主体剪力墙结构现浇，框架结构梁柱预制，周边外墙板、阳台和楼梯等围护结构工厂预制，楼板采用叠合楼板。4、预制外墙一现浇剪力墙体系预制外墙现浇剪力墙体系的基本特征：主体结构剪力墙现浇（内浇外挂），外墙采用叠合预制外墙、门窗整体预制，楼梯、雨篷、大改善，如漏水、裂缝、面砖脱落和发霉等。典型案例是上海万科城花新园工程项目是上海万科首个“三星级绿色建筑标识证书阳台等围护结构预制，外墙质量问题大（图1-10）0该项目位于七宝镇”项目；采用了PC技术，外墙、窗户和阳台等周边围护结构以及楼梯采用PC工厂预制的方式生产。 另一个典型案例是长沙远大浑南公租房（图1-11）O该项目采用长沙远大住工装配式技术体系，剪力墙采用现浇方式，剪力墙之间的连梁采用叠合方式，楼板采用叠合方式，内墙板、外墙板、叠合楼板、叠合梁、预制楼梯、预制阳台等采用预制。5,预制外墙现浇框架体系预制外墙-现浇框架体系的基本特征：主体结构框架柱现浇，叠合梁。外墙采用预制夹芯保温外墙、门窗后装；楼板采用叠合楼板，楼梯、雨篷、阳台等结构预制，叠合梁和内隔墙体化设计（等宽）。典型案例为长沙洋湖25号栋工程项目（图1-12）o该项目是21层商务酒店，采用主体受力结构框架柱现浇；框架梁采用叠合梁，楼板采用叠合楼板。外围护墙体采用预制夹芯保温墙体；阳台、楼梯采用工厂预制的方式，采用整体式浴室，整体标高拾高。第2章装配式混凝土建筑设计1.1装配式混凝土建筑设计原则装配式混凝土建筑是指以采用工厂化生产的混凝土预制构件为主，通过现场装配的方式设计建造的混凝土结构类房屋建筑。构件的装配方法一般有现场后浇叠合层混凝土、钢筋锚固后浇混凝土连接等操作，钢筋连接可采用套筒灌浆连接、焊接、机械连接及预留孔洞搭接连接等做法。装配式混凝土建筑设计应符合建筑功能和性能要求，符合可持续发展和绿色环保的设计原则，利用各种可靠的连接方式将预制混凝土构件装配起来，并宜采用主体结构、装修和设备管线的装配化集成技术，综合协调给排水、燃气、供暖、通风和空气调节设施、照明供电等设备系统空间设计，考虑安全运行和维修管理等要求。1.1.1适用范围建筑设计中有标准化程度高的建筑类型，如住宅、学校教学楼、幼儿园、医院、办公楼等，也有标准化程度低的建筑类型，如剧院、体育场馆、博物馆等。装配式混凝土建筑对建筑的标准化程度要求相对较高，这样同种规格的预制构件才能最大化的被利用，带来更好的经济效益。因此，宜选用体型较为规整大空间的平面布局，合理布置承重墙及管井的位置。此外，预制建筑体系的发展应适应我国各地建筑功能和性能要求，遵循标准化设计、模数协调、构件工厂化加工制作。 2.1.2建筑模数协调建筑设计符合现行国家标准《建筑模数协调标准》(GB/T50002-2013)的规定。采用系统性的建筑设计方法，满足构件和部品标准化和通用化要求。建筑结构形式宜简单、规整，设计应合理确定建筑结构体的耐久性要求，满足建筑使用的舒适性和适应性要求。建筑的外墙围护结构以及楼梯、阳台、内隔墙、空调板、管道井等配套构件、室内装修材料宜采用工业化、标准化的部件部品。建筑体型和平面布置应符合国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011)关于安全性及抗震性等相关要求。1.模数化建筑生产现代化一直是我国重要的产业技术政策与发展目标，《建筑工业化发展纲要》(建字第188号文)指出，建筑工业化的基本内容之一就是：制定统一的建筑模数和重要的基础标准，合理解决标准化和多样化的关系。《民用建筑设计通则》(GB50352-2005)、《住宅设计规范》(GB50096-2011)等技术标准也都将“建筑设计标准化、模数化”作为基本原则，以正式条文的方式予以强调。住宅标准化、量化生产首先不是以整个房屋为单位的，而是表现在对各类房屋构成部品的有机组织上，各个工厂生产的产品之间建立起某种尺寸上的秩序，而这种秩序恰好可以通过传统“模数〃概念所具有的“尺寸把控”特征来实现。如果对装配式混凝土构件进行大量生产，就需要按照住房的规格化构成单位一可构成各种形状，可任意组合安装，部品规格统一，在不同建造方式的建筑间具有互换性，不但在规划、设计上可获得很大的自由度，而且还可以实现部品的大量生产。在现代模数理论中，“模数”一词包含两层含义：一个是“尺寸单位”，是比例尺的比例，其他尺寸数值都是它的倍数，如M=100mm另一个是指形成一组数值群的规则。研究者们曾想用各种数列来表达建筑模数的生成规则，如自然数列、等差数列、等比数列等，多数建筑模数生成规则的提案都是多个数列的复合体。为尺寸单位的模数取值应该足够小，以便确保各种用途的小型部品选用中具有必要的灵活性，又应该足够大，可以进一步简化各种大型部品的数目。目前，国际ISO模数标准采用的是基本模数(M)、扩大模数(6M,12M)等差数列的形式。同时，为了不同规模部品选择的方便，不同种类部品的模数尺寸选择有上下限的推荐。我国实现建筑产业现代化实际上是标准化、工业化和集约化的过程，没有标准化，就没有真正意义上的工业化，而没有系统的模数化的尺寸协调，就不可能实现标准化。 装配式建筑设计应按照建筑模数化要求，采用基本模数或扩大模数的设计方法，建筑设计的模数协调应满足建筑结构体、构件以及部品的整体协调，应优化构件及部品的尺寸与种类，并确定各构件和部品的尺寸位置和边界条件，满足设计、生产与安装等要求。模数化适用于一般民用与工业建筑，适用于建筑设计中的建筑、结构、设备、电气等工种技术文件及它们之间的尺寸协调原则，以协调各工种之间的尺寸配合，保证模数化部件和设备的应用。同时，也适用于确定建筑中所采用的建筑部件或分部件（如设备、固定家具、装饰制品等）需要协调的尺寸，以提供制定建筑中各种部件、设备的尺寸协调的原则方法，指导编制建筑各功能部位的分项标准，如厨房、卫生间、隔墙、门窗、楼梯等专项模数协调标准，以制定各种分部件的尺寸、协调关系。这样可以把各个预制的部件规格化、通用化，使部件可适用于常规的建筑，并能满足各种需求。该部件就可以进行大量定型的规模化生产，稳定质量，降低成本。通用部件使部件具有互换能力，互换时不受其材料、外形或生产方式的影响，可促进市场的竞争和部件生产水平的提高，适合工业化大生产，简化现场作业。部件的互换性有各种各样的内容，包括年限互换、材料互换、式样互换、安装互换等，实现部件互换的主要条件是确定部件的尺寸和边界条件，使安装部位和被安装部位达到尺寸间的配合。涉及年限互换主要指因为功能和使用要求发生改变，要对空间进行改造利用时，或者某些部件已经达到使用年限，需要用新的部件进行更换。建筑的模数协调工作涉及各行各业，涉及的部件种类很多，因此，需要各方面共同遵守各项协调原则，制定各种部件或分部件的协调尺寸和约束条件。部件的尺寸对部件的安装有着重要的意义。在指定领域中，部件基准面之间的距离，可采用标志尺寸、制作尺寸和实际尺寸来表示，对应着部件的基准面、制作面和实际面，部件预先假设的制作完毕后的面，称为制作面，部件实际制作完成的面称为实际面。1.功能模块模块化是工业体系的设计方法，是标准化形式的一种。模块是构成系统的单元，也是一种能够独立存在的由一组零件组装而成的部件级单元。它可以组合成一个系统，也可以作为一个单元从系统中拆卸、取出和更替。装配式建筑平面与空间设计宜采用模块化方法，可在模数协调的基础上以建筑单元或套型等为单位进行设计。设计宜结合功能需求，优先选用大空间布置方式；应满足工业化生产的要求，平面宜简单规整；宜将设备空间集中布置，应结合功能和管线要求合理确定管道井的位置。设备管线 的布置应集中紧凑、合理使用空间。竖向管线等宜集中设置，集中管井宜设置在共用空间部位。模块化设计原理的基础就是建筑的功能分区，在功能分区的基础上进行模块设计。如框架建筑的功能属性不同势必产生不同形式的功能分区，进而产生不同的模块形态和整体建筑形态。建筑工业化中的标准模块主要包括楼梯、卫生间、楼板、墙板、管弄井、使用空间等。模块化设计能够将预制产品进行成系列的设计，形成鲜明的套系感和空间特征，使之具有系列化、标准化、模数化和多样化的特点利于设计作品的后期衍生品系到化开发；标准化的组件，使得产品可以进行高效率的流水生产，节省开发和生产成本；各模块间存在着特定的模数化的数字关系，可以组合成需要的多样化的形态模式。各个模块之间具有通用关系，模块单体在不同的情况下可能充当不同的角色。形成不同套系的部品、部件以及标准房型等。系列化的建筑部品是同一系列的产品，具有相同功能、相同原理方案、基本相向的加工工艺的特点。不同尺寸的二组部品系列产品之日相应尺寸参数、性能指标应具有一似似性，重复越多对工业化的批量生产越有利，同时也越能大幅降低成本。2.1.3集成化设计集成化设计就是装配式建筑应按照建筑、结构、设备和内装一体化设计原则，并应以集成化的建筑体系和构件部品为基础进行综合设计。建筑内装设计与建筑结构、机电设备系统形成有机配合，是形成高性能品质建筑的关键，而在装配式建筑中迩应充分考虑装配式结构体的特点，利用信息化技术手段实现各专业间的协同配合设计。装配式建筑应通过集成化设计实现集成技术应用，如建筑结构与部品部件装配集成技术，建筑结构体与机电设备一体化设计，采用管线与结构分离等系统集成技术、机电设备管线系统采用集中布置，管线及点位预留、预埋到位的集成化技术等。装配式建筑集成化设计有利于技术系统的整合优化，有利于施工建造工法的相互衔接，有利于提高生产效率和建筑质量和性能。当前，传统建筑内装方式不仅对建筑结构体造成破坏，并成为装配式建筑的发展瓶颈。采用建筑内装体、管线设备与建筑结构体分离的方式已成为提高建筑寿命、保障建筑的品质和产品灵活适应性的有效途径。装配式建筑应从建筑工业化生产方式出发，结合工业化建造的产业链特征，做好建筑设计、构件生产、装配施工、运营维护等综合性集成化设计。建筑信息模型技术是装配式建筑建造过程的重要手段，通过信息数据平台管理系统将设计、生产、施工、物流和运营管理等各环节连接为一体化管理，共享信息数据、资源协同、组织决策管理系统，对提高工程建设各阶段、各专业之间协同配合、效率和质量，以及一体化管理水平具有重要作用。 目前，在装配式建筑的前期策划中，可使用BIM软件进行建模，以确保构件及部品信息的正确性和完整性，有利于装配式建筑全过程的精确设计。通过使用BIM技术，既可以为方案设计提供各种建筑性能分析，如日照分析、风环境分析、采光分析、噪音分析、温度分析、景观可视度分析等，也有利于装配集成技术选择与确定。结合BIM应用，对建筑中主体构件与部品的拆分，提高构件和部品的标准性、通用性，并合理控制建设成本等。在扩初设计和施工图设计中，BIM数据模型可保证数据的收集和计算，从而得出准确的预制率，最终通过模型生成的图纸能确保其图纸的正确性。在构件加工阶段，BIM信息传递的准确性和实效性使得构件达到精确生产。在现场安装中，BIM可以模拟施工过程，起到指导施工、控制施工进度的作用。在后期运营维护中，信息数BIM据支持可降低运维成本。2.2装配式混凝土建筑设计要点装配式建筑主体结构布置宜简单、规整，平面凸凹变化不宜过多过深，宜选用大空间的平面布局。工业化建筑要实现工厂化大规模生产，首先应确保产品尺寸规格的标准化、模数化，这样易于产品在流水线上生产。在前期规划与方案设计阶段，宜结合构件的生产运输条件、堆放及起重设备所需空间，并考虑现场安装。装配式建筑的设计宜包括主体构件和内装部品的施工图、拆分及深化几部分，图纸应全面准确反映主体构件和内装部品的规格、类型、加工尺寸、连接形式和设备管线种类与定位尺寸。主体构件加工图设计应考虑构件公差及施工误差，满足构件生产要求。《上海市装配式混凝土建筑工程施工图审查指南》中对装配式建筑的设计深度进行了如下规定：装配式建筑的设计深度除执行国家和地方有关的文件编制深度规定的有关要求以外，应着重注意以下几个方面：(1)预制部分的计算书：应审核有关预制部分的建筑专业完整计算书，计算书的内容应重点审查预制外墙不计人建筑面积的计算结果和预制外墙展开面积占比的结果是否与相关要求相符。2)建筑节能计算书：除一般的节能计算书审查(3)设计说明：召项目概况是否明确本工程中装配式建筑的范围、规模、主要的技术体系和预制构件的部位等；当项目享受建筑面积豁免时，按规定不计人建筑面积的预制部分面积是否明确表达；应在建筑面积后明确加上“不包含按规定不计入建筑面积的预制外墙或叠合外墙的预制 部分面积XXX平方米”字样；节能设计说明部分是否对装配式建筑采用的保温体系、保温材料的种类和厚度、构造做法等进行重点说明。（4）图纸深度：主要审查图纸深度是否符合国家和上海市有关建筑施工图设计深度的有关要求，特别是上海市有关预制建筑工程施工图设计深度的有关规定。2.2.1总平面设计在装配式建筑的规划设计中，由于不同于以往的施工方式，需要较大场地堆放预制的各种结构构件及部品部件。在施工场地布置前，还应进行起重机械选型定位，根据起重机械布局，合理规划场内运输道路，并根据起重机械以及运输道路的相对关系最终确定各堆场位置。在设计时应考虑可能布置的堆场范围对地下室结构的影响，应和工程完工工况相结合，考虑如何当绿化覆土荷载、消防车道荷载等重载区相结合布置，充分考虑其结构经济性。在规划阶段总图中应考虑临时堆放场地的预留，根据构件属性不同分承重构件、非承重构件、隔墙等构部件，预留场地可与今后场地铺装和绿化相结合。在该场地内，构件堆放层所需全部构件）构件存放空间充足，按序吊装，吊装二次起落到位（不重复起降）等要求（图2-1）o构件存放场地应具有一定承载力，保证构件在堆放期间受力均匀。构件存放场地的硬质铺装应便于拆除和重复利用，有利于施工完成后将此处改为绿地、广场或其他用地。构件存放场地的位置和具体尺寸的确定根据基地条件而定，当前确定构件堆放场地的工作多由施工单位来做详细布置，随着BIM技术在装配式建筑设计阶段的应用，建筑设计专业也逐渐做到了施工模拟的全周期演示。止匕外，还应考虑构件生产及运输的条件，选址距预制构件厂运输距离应较便捷，而且要有适宜构件运输的交通条件。图2-1预制构件总图堆场布局示意图2.2.2平面设计装配式建筑的发展应适应建筑功能和性能的要求，建筑设计须满足功能需求，且宜选用结构规整大空间的平面布局，并遵循标准化设计、模数协调、构件工厂化加工制作、专业化施工安装的指导原则。标准化程度较高的建筑平面与空间设计宜采用标准化与模块化方法，可在模数协调的基础上以建筑单元或套型等为单位进行设计，合理布置承重墙、柱等承重构件及管井的位置。设备管线的布置应集中紧凑、合理使用空间。竖向管线等宜集中设置，集中管井宜设置在共用空间部位，对建筑的标准化程度要求比较高。在满足建筑使用空间的灵活性、舒适性的前提下，主体结构布置宜简单、规整，考虑承重墙体上下对应贯通，突出部分不宜过大，平面凸凹变化不宜过多过深，应控制建筑的体形系数，建筑平面尽量规整。确保产品尺寸规格的标准化、模数化，这样易于产品在流水线上生产，最终实现预制构件工厂化大规模生产。