装配式高层剪力墙住宅分析——深圳裕璟幸福家园

2017-09-01  GXF360

张仲华 蒋杰 / ZHANG Zhonghua, JIANG Jie

图1 项目鸟瞰

摘要:本文以深圳裕璟幸福家园为例,详尽分析了高层装配整体式剪力墙结构的标准化设计、工厂化生产、装配化施工全过程。该项目创新地提出了适合南方夏热冬暖地区的外墙防水节点做法,梳理了装配式建筑领域BIM技术在设计、生产、施工层面的典型应用。

关键词:深圳 装配式 高层剪力墙 住宅建筑 BIM

1 工程概况

1.1 项目简介

裕璟幸福家园项目建设地点位于深圳市龙岗新区坪山街道(图1、2)。项目建设用地面积11 164m2,总建筑面积64 050m2(其中地上50 050m2),包括1号楼、2号楼、3号楼,共3栋塔楼,总层数31~33层,层高2.9m,总建筑高度98m,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g。项目采用装配整体式剪力墙结构体系,标准层预制率达50%,装配率达70%,本文将对该项目采用的建筑工业化技术进行阐述。

1.2 工程承包模式

图2 总平面

裕璟幸福家园项目采用了目前国际上通行的EPC(Engineering Procurement Construction,设计、采购、施工总承包)模式实施建设。工程总承包方中建科技集团有限公司对工程项目的设计、采购、施工等实行全过程的承包,并全面负责工程的质量、安全、工期和造价等。EPC工程总承包模式具有非常明显的优势:责任主体更加清晰,降低业主管理难度和风险;充分发挥总承包管理优势,降低社会资源投入和浪费;有效发挥总承包全局观,提高项目整体形象和品质;有效发挥计划管理优势,实现成本可控和工期可控。

2 标准化设计

2.1 平面、立面的标准化

本项目3栋高层住宅共计944户,由35m2、50m2、65m23种标准化户型模块组成(图3~5)。作为《深圳市保障性住房标准化系列化设计研究》课题的研究成果,该项目实现了平面标准化,为预制构件拆分设计的少规格、多组合提供了可能。住宅外立面设计具有以下特点:体现装配式特色的外墙角部构造;与水平和垂直板缝相对应的外饰面分缝;装配式的外遮阳部品、标准化金属百叶(含标准化室外空调机架);立面两种涂料色系的搭配(图6)。

图3 深圳市保障性住房标准化设计图集(选)

图4 1号楼、2号楼标准层户型及平面

图5 3号楼标准层户型及平面

图6 立面放大效果

图7 标准层预制构件拆分布置(以1号、2号楼为例)

2.2 预制构件拆分的标准化

本项目建筑户型的标准化设计为结构构件的拆分组合设计奠定了很好的基础。结构设计按照《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014)的相关规定执行,核心筒区域、底部加强区及边缘约束构件区域采用现浇。预制楼梯采用一段滑动、一段固定的连接方式。构件拆分尽量满足少规格、多组合原则。1号楼、2号楼标准层的预制构件包括预制外墙9种、33块,预制内墙3种、4块,预制楼梯2种、2块,预制叠合楼板9种、33块(图7)。3号楼标准层的预制构件包括预制外墙7种、53块,预制内墙5种、18块,预制楼梯1种、4块,预制叠合楼板9种、86块。

根据标准化的模块进行标准化的部品设计,形成标准化的楼梯构件、空调板构件和阳台构件,大大减少了结构构件数量,为建筑部品的大规模批量化生产奠定了基础,显著提高了构配件的生产效率,有效减少了材料浪费,实现了节约资源、节能降耗。

根据《深圳市住宅产业化项目单体建筑预制率和装配率计算细则》,1号、2号楼标准层的预制率为49.3%、装配率为71.5%。

2.3 外墙节点设计的标准化

项目施工图和构件的深化设计充分尊重初步设计的立面效果,结合当前技术较为成熟的三明治夹心剪力墙三道防水的节点做法,在PC(Precast Concrete,预制混凝土)外墙的周边加60mm的外皮墙体,实现了格构式立面和防水企口的有效结合,为材料防水、构造防水、结构自防水“三道防水”创造了条件(图8、9)。本项目处于夏热冬暖地区,节能要求不高,通过节能计算,南北外墙不需要保温处理,仅对东西外墙做10mm保温砂浆的内保温处理。

2.4 外窗节点设计的标准化

本项目的招标文件中明确要求采用预装窗框法施工,这与深圳雨水充裕、临海有压强水有较大关系。借鉴香港预装窗框节点的成熟做法,本项目预装窗框节点采用内高外低的企口做法,上部设置滴水槽,下部设置斜坡泄水平台,在工厂预先装设窗框,并打密封胶处理。成品完成后,在做好保护措施的前提下运输至工地,然后统一安装窗扇和玻璃(图10)。该处理方法能够有效地避免现场安装,实现密封作业,防止渗漏,保证质量。

2.5 连接节点设计的标准化

本项目采用成熟的装配式剪力墙结构体系设计,PC墙与PC墙的水平连接、PC墙与现浇节点的竖向连接、PC墙与叠合板的连接、预制叠合梁与现浇墙节点的连接、预制叠合梁与叠合板的连接、预制楼梯节点连接等,均参考《桁架钢筋混凝土叠合板(60mm厚底板)》(15G366-1)、《预制钢筋混凝土板式楼梯》(15G367-1)、《装配式混凝土结构连接节点构造》(15G310-1、15G310-2)等图集。由于本项目采用内保温方式,外墙的节点做法与国标图集的三明治夹心剪力墙的节点做法稍有区别(图11~13)。

2.6 机电设计的标准化

除主体结构外,水暖电专业的协同与集成也是装配式建筑的重要部分。装配式建筑的水暖电设计应做到设备布置、设备安装、管线敷设和连接的标准化、模数化和系统化。在施工图设计阶段,水暖电专业应对敷设管道做精确定位,且必须协同预制构件设计。在深化设计阶段,水暖电专业应配合预制构件深化设计人员编制预制构件的加工图纸,准确定位和反映构件中的水暖电设备,满足预制构件工厂化生产及机械化安装的需要。

图8 PC外墙水平缝防水节点

图9 PC外墙竖向缝防水节点

图10 预装窗节点

图11 PC外墙水平节点

图12 PC外墙角部现浇节点

图13 PC外墙T形现浇节点

装配式住宅建筑采用集成式卫生间或集成式厨房时,应根据不同水暖电设备的要求,确定管道、电源、电话、网络、通风、防排烟等需求,并结合机电设备的位置和高度,做好机电管线和接口的预留。

装配式建筑应进行管线综合设计,避免管线冲突,减少平面交叉;采用BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技术开展三维管线综合设计,对结构预制构件内的机电设备、管线和预留洞槽等精确定位,以减少现场返工。

2.7 装修设计的标准化

与传统建筑项目不同,装配式建筑项目在建筑设计的初期就要考虑室内的空间布置、家具摆放、装修做法,根据装修效果定位各机电末端点位,精确反推机电管线路径、建筑结构孔洞预留及管线预埋,确保建筑、机电、装修一次完成,实现土建、机电、装修一体化(图14)。

图14 一体化设计

图15 板式构件

图16 异形构件

3 工厂化生产、装配化施工

3.1 工厂化生产

构件生产主要分为两类,一类是板式构件,包括叠合楼板、墙板、叠合阳台等(图15);一类是异形构件,包括叠合梁、预制楼梯等(图16)。板式构件一般采用PC自动化流水线生产,生产效率高,质量有保障。以叠合墙板为例,主要流水作业环节为:(1)清扫机自动清理模台;(2)划线机自动放线,安装模具;(3)喷涂脱模剂;(4)绑扎钢筋笼;(5)固定预埋件,如线盒、套管等;(6)混凝土布料机自动浇注布料,振动台振捣;(7)养护室养护(图17)。

3.2 装配化施工

本节主要介绍剪力墙、叠合梁、楼板、预制楼梯和叠合阳台的装配化施工安装程序(图18)。

3.2.1 剪力墙施工安装

剪力墙的施工工序为:测量放线→检查调整下方结构伸出的连接钢筋位置和长度→清理灌浆缝基础面→测量放置水平标高控制垫块→分仓与接缝封堵→墙板吊装就位→安装固定墙板调节支撑→校准墙板位置和垂直度后支撑固定→灌浆→检查验收(图19)。

图17 叠合墙板流水作业环节

剪力墙的具体施工工序操作流程及规则包括:

(1)检查调整下方结构伸出的连接钢筋位置和长度:检查下方结构伸出的连接钢筋位置是否符合标准,钢筋位置偏移量不得大于±3mm,可用钢筋位置检验模板检测,钢筋不正可用钢管套住掰正;钢筋长度偏差在0~15mm之间;钢筋表面干净,无严重锈蚀,无粘贴物。

(2)清理灌浆缝基础面:墙板水平接缝(灌浆缝)基础面干净、无油污等杂物。高温干燥季节应对墙板与灌浆料接触的表面做润湿处理,但不得形成积水。

(3)测量放置水平标高控制垫块:墙板下口预留20mm左右的空隙,采用专用垫块调整墙板的标高及找平。在每一块墙板两端底部放置专用垫块,并用水准仪校准,使其在同一个水平标高上。

(4)分仓与接缝封堵:根据图纸要求分仓,分仓室两侧需内衬模板(通常使用便于抽出的PVC管),采用搅拌好的封堵料填塞充满模板,保证与上下墙板表面结合密实;然后抽出内衬。填抹完毕确认干硬强度达到要求(常温24h,约30MPa)后再灌浆。

(5)墙板吊装就位:吊装墙板时,采用两点起吊,就位应垂直平稳,吊具绳与水平面夹角不宜小于60°,吊钩应采用弹簧防开钩;起吊时,应采用缓冲块(橡胶垫)来保护墙板下边缘角部不受损伤。

图18 装配化施工现场

图19 剪力墙安装与固定临时支撑

(6)安装固定墙板调节支撑:每块墙板通常需要用两个斜支撑及两个脚步调节支撑来固定,斜支撑上部通过专用螺栓与墙板上部2/3高度处预埋的连接件连接,斜支撑底部与地面(或楼板)用膨胀螺栓进行锚固;支撑与水平楼面的夹角在40°~50°之间。脚步调节支撑可通过调节螺栓对墙体进行水平及竖向位置的微调。

(7)灌浆:套筒灌浆连接施工包括注浆孔和排浆孔(观察孔)的清理、墙板底部缝隙封堵、无收缩水泥砂浆制备、流动度检测、水泥灌浆、灌浆孔封堵及清洁等工序。

3.2.2 叠合梁、楼板施工安装

叠合梁、楼板的施工工序为:叠合楼板支撑体系安装→叠合主梁吊装→叠合主梁支撑体系安装→叠合次梁吊装→叠合次梁支撑体系安装→叠合楼板吊装→叠合楼板、叠合梁吊装铺设完毕后的检查→附加钢筋及楼板下层横向钢筋安装→水电管线敷设、连接→楼板上层钢筋安装→墙板上下层连接钢筋安装→预制洞口支模→预制楼板底部拼缝处理→检查验收(图20)。

3.2.3 预制楼梯施工安装

预制楼梯的施工工序为:起吊→预制楼梯安装→节点连接→检查验收(图21)。

3.2.4 叠合阳台施工安装

叠合阳台的施工工序为:安装支撑系统→叠合阳台吊运→叠合阳台安装及拼缝处理→水电管线铺设及钢筋绑扎→检查验收(图22)。

图20 叠合梁安装与叠合楼板就位

图21 预制楼梯安装与节点连接

图22 叠合阳台吊运与安装

4 BIM信息化管理应用

建筑工业化具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理5大特点。装配式建筑必须要围绕这5个方面实现创新发展和升级换代,具体表现在:标准化设计理念和方法的创新;工厂化生产技术和材料的创新;装配式施工工艺和工法的创新;一体化装修产品和集成的创新;信息化管理架构和手段的创新。装配式建筑创新的核心是“集成创新”,BIM信息化创新是“集成创新”的主线。这条主线串联起设计、生产、施工、装修和管理的全过程,服务于设计、建设、运维、拆除的全生命周期,可以数字化虚拟、信息化描述各种系统要素,实现信息化协同设计、可视化装配、工程信息的交互以及节点连接模拟及检验等全新运用,整合建筑全产业链,实现全过程、全方位的信息化集成。

EPC总承包管理模式与建筑工业化的结合具有天然的优势。EPC总承包的管理模式专业化程度高,可实现各方有效协同,提高工程效率及效益。本项目采用EPC模式与信息化技术结合的方式,旨在使EPC全产业链、全过程中各个环节、各个参与部门的信息交换集成在一个平台上,通过信息的集成实现“信息化红利”。该平台主要的设计、生产、施工、管理信息的建立和交换在固定端实现,实时移动协同信息通过云平台实现,最主要的载体为轻量化信息模型及自动关联性的信息数据表单,各功能可根据项目的需求不断进行修正深化(图23、24)。

4.1 设计阶段

在装配式建筑设计前期,需要考虑预制构件的加工生产和现场施工装配的问题,做好预制构件的拆分设计。传统方式下大多数情况都是在施工图完成以后再由构件厂进行“构件拆分”,本项目在前期策划阶段就专业介入,确定好装配式建筑的技术路线和产业化目标,在方案设计阶段,根据既定目标和构件拆分原则进行方案设计及创作,从而避免由于方案性的不合理造成后期技术经济性的不合理,以及因前后脱节导致的设计失误。

图23 基础平台建设

图24 信息化平台架构平台建设

图25 1号楼标准层BIM模型

图26 预制构件模型

BIM平台有助于建立上述工作机制,经过单个外墙构件几何属性的可视化分析,可以优化预制外墙板的类型、数量,从而减少预制构件的类型和数量。设计阶段建立了各专业的设计BIM模型(图25),可真实反映建筑构件及参数信息等属性,预先确定工业化的技术体系和构件拆分方式,从而确定设计创作方案,避免后期的反复修改,提高效率。同时,在设计过程中可以及时发现问题,便于甲方及时决策,避免再次修改。

本项目建立了模块化的预制构件库,并从中提取各类构件,将不同类型的构件进行组装,从而完成整体建筑模型的建立(图26)。项目级构件库的构件种类会在不同项目的设计过程中不断扩充和完善。

图27 专业间协同设计

BIM模型以三维信息模型为集成平台,各专业可以基于同一模型进行工作,在技术层面上适合各专业的协同工作(图27)。BIM模型还包含了建筑的材料信息、工艺设备信息、成本信息等,通过对这些信息进行数据分析,可以使各专业的协同达到更高层次,大大提高设计精度和效率。

在装配式建筑项目中,装修设计工作应与建筑设计同期展开。将居室空间分解为若干功能区域,每个区域视为一个相对独立的功能模块,如厨房模块、卫生间模块,由装修方设计数套模块化的布局方案,建筑设计时可直接套用。在模块化设计时,装修方需综合考虑部品的尺寸关系,采用标准模数对空间及部品进行设计,以便于部品的工厂化生产。在装配方案设计时,装修方需按照工厂下单图纸的精度标准进行设计,避免现场加工的尺寸误差,提高现场装配效率及部品的精确程度(图28)。

4.2 生产阶段

构件加工图可在BIM信息平台上直接完成并生成模型,通过BIM模型对建筑构件进行信息化表达,不仅能清楚地表达出传统图纸所能展示的二维关系,对于复杂空间的剖面关系也可以清楚地表达出来,同时还能将离散的二维图纸信息集中到一个模型中(图29),从而更加紧密地实现与预制工厂的协同和对接。

BIM建模是对建筑的真实反映,在生产加工过程中,BIM信息化技术可以直观地表达出配筋的空间关系和各种参数情况,自动生成构件下料单、派工单、模具规格参数等生产表单,形成BIM生产模拟动画、流程图、说明图等辅助培训的材料,并且通过可视化的直观表达可帮助工人很好地理解设计意图,有助于提高工人生产的准确性和质量效率(图30)。

构件生产厂家可以直接提取BIM信息平台中各个构件的相关参数,据此确定构件的尺寸、材质、数量等信息,以及生产流程和做法。同时,生产厂家也可以对设计单位发来的构件信息进行复核,并且可根据实际生产情况,向设计单位进行信息反馈,实现设计和生产环节信息的双向流动,提高构件生产的信息化程度(图31)。

4.3 施工阶段

在制定施工组织方案时,将本项目计划的施工进度、人员安排等信息输入BIM信息平台中,软件可以根据录入的信息进行施工模拟,还可实现不同施工组织方案的仿真模拟,施工方可以依据模拟结果选取最有效的施工组织方案(图32、33)。

图28 精装BIM模型

图29 预制构件BIM信息

图30 预制构件信息数据交换

图31 预制构件全过程管理信息

图32 施工场地布置

图33 爬架模拟

利用BIM提供的各类专业管线与主体结构部件、不同专业管线之间的设计检查(图34),可以对管线和主体结构的碰撞以及不同专业管线之间是否存在碰撞进行检查,同时根据现场实际情况,对设计成果进行检查,避免后期返工。预制构件通过BIM模型模拟吊装(图35),根据构件尺寸选择吊具,确定构件的吊装方式,同时根据施工组织计划综合确定构件吊装方案,并将计划吊装方案与现场实际吊装方案进行对比,适时调整施工计划。通过自主开发的定位工具精确匹配构件安装定位(图36),可提高安装的精确度,最重要的是安装工人不用再俯身查看钢筋与套筒的对位关系,提高了安全生产水平。

将整体的施工进度计划输入BIM平台,空间信息与时间信息整合在一个可视的4D模型中,从而直观、精确地反映整个建筑的施工过程(图37),可预知项目主要的施工控制方法是否合理、施工安排是否均衡、总体计划是否合理、场地布置是否合理、工序是否正确,并可随时进行优化。通过建造过程模拟,安装和施工管理人员都可以非常清晰地理解装配式建筑的组装构成,避免二维图纸造成的理解偏差,保证项目如期进行。

4.4 管理使用阶段

本项目建立了全程追溯体系管理系统,项目验收投入使用后,也可以随时查看建筑中所有建筑构件及建筑部品的相关信息。该系统可视为项目的“电子说明书”,便于用户和物业管理者清晰直观地获取建筑的信息,对建筑进行维护管理。

图34 机电管线综合

图35 预制构件吊装模拟

图36 预制构件定位监控

图37 施工过程模拟

5 结语

深圳裕璟幸福家园项目采用装配整体式剪力墙结构体系,预制率和装配率较高,标准层户型单一,标准化程度高,外墙节点做法充分结合深圳夏热冬暖的气候特点,具有一定的创新性。工程采用EPC总承包管理模式和工业化建造方式,从建筑、结构、水暖电及室内装修各个阶段,实行标准化、模数化和系统化管理与实施,并将BIM等信息化技术贯穿整个项目建设始终,进一步保障了工程质量和进度。

2017-02-17

AN ANALYSIS OF PREFABRICATED HIGHRISE RESIDENTIAL BUILDING WITH SHEAR WALL STRUCTURE: YUJING XINGFU HOME DISTRICT, SHENZHEN

Abstract:Taking the Yujing Xingfu Home District as an example, this paper analyses the standardized design, factory production, assembly construction in details. The author explores the typical application of BIM technology at design, production and construction levels in assembly building fields. Furthermore, the details of wall waterproofing suitable for the hot summer and warm winter areas in the south has been proposed innovatively.

Key Words:Shenzhen, Prefabricated, High-Rise Building with Shear Wall, Residential Building, BIM

基金项目:

作者简介:

收稿日期:

“十三五”国家重点研发计划课题“研究装配式混凝土结构体系设计技术”(2016YFC0701502)。

张仲华,高级工程师,中建科技有限公司副总经理

蒋杰,工程师,中建建筑工业化设计研究院深圳分院副院长

    来自: GXF360 > 《建筑》

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