实现住宅现代化、工业化、产业化, 已成为当今世界建筑业的发展大趋势, 装配式建筑以其独有的优势与特点受到行业内的广泛关注与政府的高度重视。2016年2月21日, 中共中央国务院印发《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》。文件中提出加大政策支持力度, 力争用10年左右时间, 使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。此文件的发布进一步推动了装配式建筑在全国各地的全面发展。作为我国最早推进装配式建筑的城市之一, 上海市积极响应全国建筑产业现代化发展要求, 围绕体制机制建设、市场培育和产业链发展等方面加强政策引导, 先后发布多份关于装配式建筑发展的政策文件。其中, 《关于开展2015年装配式建筑年度落实情况自查及编制2016年度实施计划方案的通知》 (沪建建材联[2016]24号) 提出:从2016年起, 符合条件的新建民用、工业建筑应全部采用装配式建筑, 建筑单体预制率不应低于40%。由于上海地区地方标准的独特性及相关政策要求, 上海市装配式住宅最常采用装配式剪力墙结构体系。基于以上背景, 本文针对装配整体式剪力墙的3类子体系进行介绍及案例分析, 以供企业在体系选取中参考。

装配式建筑结构体系与传统现浇结构基本相同, 主要分为框架、剪力墙、框架-剪力墙等体系, 考虑政策及实际项目实施情况, 结合不同预制率要求, 目前国内预制装配式住宅体系大致分为两大类。第一大类为结构竖向受力构件现浇, 这是目前上海装配式住宅设计市场一个过程产品, 既是响应政府不断提高建筑单体预制装配率号召, 又是对未来装配式技术发展前景的尝试与探索。此种条件下单楼栋的预制率较低, 如果不考虑做叠合楼板, 一般预制率不高于20%, 主要包括叠合剪力墙体系 (PCF) 及现浇外挂体系。第二大类为结构竖向受力构件部分或全部预制, 主要包括装配整体式框架结构体系、装配整体式框架-剪力墙 (核心筒) 结构体系和装配整体式剪力墙结构体系。在预制率要求逐步提高的情况下, 这种方式逐渐成为主流装配建筑方式, 也是今后重点发展的装配方式。

根据目前上海市政府对于装配式住宅的推进进度 (40%预制率要求) , 装配整体式剪力墙结构体系正逐步成为目前市场上装配式住宅采用的主要体系, 主要原因是剪力墙结构具有良好的抗震性能, 且套型设计较为灵活, 产品也更符合国人的居住习惯和审美标准。该体系目前常用的有3种子体系:装配整体式剪力墙通用体系、PCTF体系、双面叠合剪力墙体系。

该通用体系为剪力墙结构中全部或部分剪力墙采用预制构件现场装配的体系。该体系适用于住宅、酒店、办公建筑等, 平面布置灵活, 技术成熟, 施工效率较高, 单体预制率可达20%～80%。预制剪力墙竖向主要采用灌浆套筒方式连接。该体系主要技术特色为: (1) 构件平面规则, 构件简单, 加工方便, 节省模具成本, 质量好控制, 运输、安装过程中不易损坏, 现场操作方便; (2) 构件重量适宜, 节省塔式起重机成本; (3) 该方式通用性高, 装配式深化设计、加工可选择性大; (4) 套筒需关注灌浆封堵问题, 灌浆密实度目前缺乏有效检测方式。

预制保温叠合外墙板 (PCTF) 技术加强了预制外墙模 (PCF) 技术外墙保温功能, 在预制外墙模基础上集成了外墙门窗、外墙夹心保温, 同时并未改变外墙模与建筑外墙之间的构造关系, 是一种预制叠合的夹心保温墙体技术。其适用范围为建筑高度60m及18层以下的建筑。该体系由于外叶板预制, 提高了其预制率, 其预制率可达40%以上。预制外围墙板、部分叠合楼板即可达到40%的预制率, 增加预制内墙板可达50%以上。PCTF体系的优点为: (1) 结构整体性好, 可缩短工期。 (2) 可实现外墙面无湿作业;无需二次装修。 (3) 采用螺栓连接技术, 具有连接质量可靠、操作便捷、成本低等优点。 (4) 螺栓连接对操作者的技术要求相对较低, 且便于施工过程管控和质量复验。

同时该体系存在以下不足: (1) 预制夹心保温外墙厚度大, 得房率降低, 且夹心保温构造的耐久性问题仍存争议。 (2) 目前夹心保温相关技术还不够成熟, 成本偏高。 (3) 构件连接部位保温节点处理复杂。 (4) 夹心保温在封边处不闭合, 易出现热桥;外叶板与保温材料膨胀系数不同, 受热变形不一致, 有开裂风险。 (5) 预制外墙模构件自身厚度较小、长度较长、刚度较差, 制作、运输、吊装过程中成品保护较困难。 (6) 螺栓连接方式在剪力墙边缘构件处不适用, 需采用预制较为方便的内剪力墙和叠合楼板提高预制率且需做暗梁, 增加钢筋用量。 (7) 因其螺栓连接方式为专利技术, 采购、生产、安装均需授权。

双面叠合剪力墙体系是将混凝土墙体拆分为2层预制薄板, 2层薄板之间现浇混凝土组合而成的结构体系 (见图1) 。该体系的预制率可达20%～60%, 从而可明显降低生产与施工成本。该体系的优点为: (1) 设计周期短。 (2) 生产精度高。 (3) 构件重量轻, 易于运输, 节省成本。 (4) 周转材料用量少。 (5) 缩短二次结构施工及精装修周期。 (6) 无需灌浆套筒或灌浆孔, 成本低, 安装快捷。 (7) 漏浆风险低。 (8) 防水性好, 叠合墙板结构系统区别于其他体系, 板与板之间无拼缝, 无需做拼缝打胶处理。

同时该体系存在以下不足: (1) 其自动化生产方式只针对简单的平面套型, 复杂构件需人工生产, 加工耗时与常规做法基本持平。 (2) 对现浇混凝土要求高。 (3) 构件加工工序多, 构件轻薄, 起吊点设置要求高, 成品保护要求高。 (4) 构件水平缝需50mm, 无外脚手架时需采取专门施工工艺。 (5) 属于专属体系, 设计、加工厂选择受限。

本研究选取城投置地佘山北30A-03A地块3, 4号楼 (G+F套型, 14层) , 在40%预制率要求下, 利用3种常用装配式结构体系进行装配式拆分设计。同时对其原结构布置进行装配式设计优化和装配式拆分设计。

该体系预制范围为3～14层, 预制部件为外围剪力墙、外围护墙体、内部剪力墙、部分叠合楼板、阳台、楼梯等。拆分方案如图2所示。

同时, 针对通用体系, 本研究也进行结构平面布置的优化改进, 修改为大板结构, 板厚180mm, 减少房间内剪力墙和梁数量, 具有以下特点: (1) 平面规整、大空间、易改造; (2) 剪力墙减少, 套筒减少, 节省成本; (3) 楼板做厚, 预制率更容易满足。对优化后的建筑结构进行了装配式拆分设计, 如图3所示。

该体系预制范围为3～14层的外围剪力墙、外围护墙体、内部剪力墙、部分叠合楼板、阳台、楼梯。拆分方案如图4所示。

该体系预制范围为3～14层, 预制部件为叠合墙板、叠合楼板、阳台、叠合梁、空调板、楼梯等。拆分方案如图5所示。

同时, 针对双面叠合剪力墙体系特点, 对原结构进行优化设计, 包括取消部分室内剪力墙和梁, 优化为大空间;左单元南面墙板拉平, 简化阳台构造;由于大空间楼板跨度较大, 增加梁高和楼板厚度, 同时可满足上海市对于叠合楼板总厚度的要求。针对优化后结构方案进行双面叠合剪力墙体系拆分, 预制部件为叠合墙板、叠合楼板、预制阳台、叠合梁、预制空调板、预制楼梯, 如图6所示。

通过研究发现, 常用3种装配式体系各有优劣, 各项指标对比如表1所示 (●表示有利项;○表示不利项) 。开发企业在进行装配式体系比选时需根据企业及项目特点进行。针对城投置地集团特点, 提出以下建议。

1) PCTF体系及双面叠合剪力墙体系分别为上海建工集团和宝业集团专有体系, 目前在设计和构件加工方面可选择性有限, 在招标过程中会有难度;通用体系在设计和构件加工方面选择面广, 但因质量良莠不齐, 建议开发企业选择具有良好信誉的设计和加工单位并长期合作。

2) 对于内保温系统 (如保障房) , 建议采用装配整体式通用结构体系或双面叠合剪力墙体系;若开发企业尝试争取夹心保温3%的面积奖励 (如商品房) , 则采用PCTF体系和通用体系均可实现夹心保温一体化预制。

3) 结构安全性方面, 3种体系在结构设计方面均满足要求。但在加工和施工过程质量控制方面, PCTF体系因外叶墙板与主体结构连接质量较难把控, 需重点关注;双面叠合剪力墙体系施工质量较好控制;通用体系在确保套筒灌浆密实度的前提下, 质量也较易把控。

4) 施工工艺方面, 双面叠合剪力墙体系因竖向和水平向钢筋通过叠合面内现浇段连接, 构件又相对较轻, 其吊装和施工难度较小;通用体系因其竖向灌浆套筒连接密实度无法有效检测, 构件重量较大, 对施工要求较高;PCTF体系竖向螺栓连接简单方便, 但其夹心保温方式在成品构件保护方面要求较高。

5) 加工成本方面, 3种体系引起的成本增量相当, PCTF体系略高, 通用体系略低。

因此, 建议城投置业在保障房项目中采用具有较高标准化程度的装配整体式剪力墙通用体系;在商品房项目中, 若采用夹心保温体系 (申请面积奖励) , 可考虑通用体系和PCTF体系, 若采用内保温, 可采用通用体系或双面叠合剪力墙体系。

国家和上海市相继出台了各种促进政策, 大力推进装配式住宅发展进程, 装配式建筑的实施范围和预制装配率要求逐步提高。可以看出, 装配式住宅的发展具有良好的外在环境和驱动力。至少在未来10年内, 装配式将成为建筑行业主流的建造方式。通过分析在上海市住宅常用的装配整体式结构体系3类子体系的特点, 便于企业对3类子体系有更清晰的认知, 企业可结合实际状况挑选更为适合的体系, 从而进一步推动装配式建筑的发展。