装配式建筑具有提质增效、绿色环保等优点,具有广阔的应用前景,越来越受到国家建设部门的重视。现阶段住宅建筑尤其是保障性住房以其标准化程度高、可复制单元多等特点,成为装配式建筑应用的主要载体。相对而言,公共建筑一般体量较大、功能多样、外形丰富、结构复杂,在装配式技术应用时较住宅建筑实施难度大,既有项目应用较少 ^[1]。新兴工业园服务中心项目是西部首例装配式高层公共建筑,是“十三五”国家重点研发计划预制装配式混凝土结构建筑产业和关键技术项目示范工程。本文通过对该项目进行平面的标准化设计、结构布置多方案比选和合理的节点设计,使该项目实现了高质、高效的建造。

　　 新兴工业园服务中心项目(图1)位于四川省成都市天府新区新兴工业园区。建筑面积20 261m²,地上18层,屋面结构高度为73.650m,其中1～10层为办公,其中1～3层层高5.4m,4～10层层高4.1m; 11～18层为酒店,层高3.6m。地下2层,主要用途为车库,地下1层层高5.4m,地下2层层高3.9m。结构形式为装配整体式框架-现浇核心筒结构。

　　 该楼设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑抗震设防类别为标准设防类,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第三组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.45s,框架和剪力墙抗震等级均为二级。

　　 该楼标准层结构平面布置见图2和图3。结构平面总体呈矩形,平面尺寸为26.0m×39.6m,核心筒平面尺寸为6.7m×21.0m,轴网尺寸主要为7.5m×8.4m。框架柱和核心筒剪力墙混凝土强度等级从下至上由C60分别渐变为C40和C30,梁、板混凝土强度等级为C30。梁柱纵向钢筋采用HRB500,箍筋采用HRB400,剪力墙钢筋均采用HRB400。装配式技术指标如下:

　　 1)结构系统:除了核心筒及其周边楼板采用现浇外,其余结构构件均采用预制; 预制柱范围从首层到大屋面,叠合梁、桁架钢筋叠合板均从2层楼面到18层楼面。2)外围护系统:主要采用预制外墙挂板,局部采用幕墙系统。3)设备及管线系统:采用整体卫生间,管线分离技术。4)内装系统:全装修。

　　 根据《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017) ^[2],本项目装配率统计见表1。由表1可知,对于该装配整体式框架-现浇核心筒结构,虽然核心筒现浇,但本项目装配率仍达到了75.5%,满足国家AA级标准,其中主体结构评价分值为40,占主体结构总分值(满分50)的80%。该项目2015年开始设计,目前已竣工验收。

　　 采用标准化与模数化设计,尽量减少预制构件的种类,通过少规格、多组合的设计思路以满足公共建筑平面功能的多样性和建筑立面的丰富性。

　　 平面主要采用7.5m×8.4m柱网。外墙挂板主要布置在办公及酒店客房无保温和防水要求的阳台处,这些部位也没有预留预埋管线的需求,有效简化了设计、生产、施工难度,降低了造价。

　　 建筑立面板块根据柱网与功能进行拆分,1～3层每个柱网拆分为4 200mm+4 200mm两个板块。3层以上的标准层根据功能布置,主要拆分为3 400mm+1 600mm+3 400mm三个板块,见图4。在标准化设计的基础上,充分发掘生产和施工工艺特点,满足立面多样性和创新性的要求,通过板块的重复错位,在标准单元内做出排列变化,使整个建筑立面呈现严谨且活跃变化的韵律感。

　　 在项目方案阶段,根据建筑平面、结构特点和构件标准化要求,进行了两个方案的比较分析。方案一为实施方案,平面布置见图2、图3;方案二主要是去掉方案一中的YKZ1,平面布置见图5。从表2可知,两种方案整体指标相差不大,均满足规范要求,详细对比如下:1)方案一标准化程度高,框架梁截面相对统一; 2)方案一次梁少,构件制作和安装相对简单; 3)方案二YKL1和核心筒四周现浇楼板相互交叉,影响施工效率; 4)方案二YKL1在过道截面高度650mm,影响过道净高; 5)方案二结构周边刚度相对较大,结构扭转效应较小。综合使用、制作、安装等因素,最终采用方案一作为实际施工方案。

　　 确定竖向构件后,根据建筑功能,考虑结构受力特性、预制构件制作和安装的便利性,针对酒店部分标准柱跨,对比了以下三种梁、板体系布置(方案A～C),见图6～9,图中YB为桁架钢筋叠合板。

　　 方案A不设置次梁,采用空心叠合板,该叠合板连接节点见图10、图11(l_a为板连接钢筋锚固长度)。该方案楼板不仅实现了双向传力,有效协调了竖向构件变形,满足刚性楼板假定,而且底板刚度大,四周不留“胡子筋”,施工时可取消支撑,构件制作和安装简单。但鉴于工期和当时施工经验不足,该方案最终未被采用。

　　 方案B和方案C均采用主次梁体系,桁架钢筋叠合板方案。方案B布置一道竖向次梁,楼板拆分为5块; 方案C布置一道横向次梁,竖向利用楼板高差,形成暗梁,楼板拆分为6块。从制作和安装的角度来看,两者并没有明显差别,考虑到方案B竖向次梁截面高度较大,影响建筑入户净高,最终采用梁、板体系布置方案C。

　　 核心筒四周没有设置混凝土梁,采用250mm厚现浇板。现浇厚板不仅解决了公共区域建筑净高的要求,同时可以有效地协调框架和核心筒之间的变形,确保水平荷载按照刚度在两者之间分配。

　　 本项目梁柱节点区均采用现浇,在满足受力前提下,充分考虑框架柱等截面和变截面情况梁柱节点区钢筋布置方式(图12、图13),方便预制构件制作和安装。具体措施如下:1)同方向梁高相同,不同方向梁高相差50mm,即不同方向叠合梁下部钢筋采用竖向避让措施; 2)在满足受力和规范构造要求的前提下,叠合梁下部钢筋间隔锚入支座,直锚段不满足锚固长度时,增设锚固板,即同方向叠合梁下部钢筋采用水平避让措施; 3)柱纵向钢筋集中于四角对称配置,并在中部设置不锚入节点区的纵向辅助钢筋,梁柱节点区柱纵向钢筋间距为330mm; 4)纵向辅助钢筋在柱身位置采用拉筋拉结,梁柱节点区框架柱外围箍筋加强,使节点区箍筋体积配箍率不低于柱端加密区箍筋体积配箍率; 5)对于承担扭矩的框架梁,增设连接钢筋,与预埋于框架梁内的机械套筒相连。

　　 抗震等级为二级的框架柱,《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3](简称《抗规》)规定其纵向钢筋间距不宜大于200mm,加密区箍筋肢距不宜大于250mm。为避让梁下部钢筋,方便预制构件安装,本项目节点区范围内柱纵向钢筋间距为350mm,纵向钢筋间距不能严格满足《抗规》要求,课题组对框架柱纵向钢筋间距进行了充分研究,其主要研究成果见文献[4,5]。

　　 文献[4]设计了4个全灌浆套筒连接试件和4个半灌浆套筒连接试件,均采用大直径高强钢筋,节点区纵筋间距达到464mm。试验结果表明,各试件极限位移角都达到了《抗规》规定的钢筋混凝土框架在大震作用下的弹塑性层间位移角限值1/50,弹塑性变形能力满足《抗规》要求。

　　 文献[5]设计了6个钢筋套筒灌浆连接预制柱,节点区纵筋间距达到430mm。试验主要考察轴压比、纵筋直径和配箍形式等参数。试验结果表明,采用架立筋并配置复合箍的方式可以保证大直径钢筋预制柱的抗震性能,并建议装配式框架结构设计优选该配筋方式。

　　 本项目框架柱配筋方式和文献[5]一致,该节点避免了节点区梁、柱钢筋碰撞,给构件安装提供了便利。此框架柱配筋方式已被《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016) ^[6](简称《装配式标准》)采纳。该《装配式标准》5.6.3条规定:柱的纵向受力钢筋可集中于四角配置且宜对称布置,纵向受力钢筋的间距不宜大于200mm且不应大于400mm,柱中可设置纵向辅助钢筋且直径不宜小于12mm和箍筋直径。

　　 《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014) ^[7](简称《装配式规程》)中提出了两种装配式顶层端节点构造(图14)。

　　 节点一带柱头,柱纵筋在柱头内锚固,预制梁、柱预留的纵筋均采用锚固板直锚,该节点预制梁、柱吊装就位后,节点区箍筋绑扎方便,但这种柱头抬高了屋顶的可踏面,往往不能满足建筑要求。

　　 节点二梁柱外侧纵筋弯折搭接,其连接方式和现浇结构基本一致。但这种构造现场叠合梁、叠合板就位、安装以及节点区箍筋绑扎非常困难,可操作性差。

　　 针对以上情况,参考《钢筋锚固板应用技术规程》(JGJ 256—2011) ^[8],本项目将梁柱外侧纵筋采用锚固板直锚在节点区,同时配置倒U形插筋,见图15。由此保证了节点区受力性能,同时方便了现场施工。

　　 针对这种顶层端节点,文献[9]试验结果表明,配置倒U形插筋能有效保证节点区斜截面抗弯承载力,加强节点区整体性能,并能有效控制节点外角处裂缝; 试件发生梁端结合面破坏,试件在结合面脱开后刚度退化严重,同时获得了较大的变形能力,极限位移角均大于1/50,体现出良好的延性和耗能性能。

　　 《装配式规程》给出的主次梁节点是节点区现浇,次梁下部钢筋锚入现浇连接区。这种节点主梁需要被打断或开个缺口,运输时易损坏。本项目主次梁节点连接方式见图16。

　　 牛担板节点中,主次梁间铰接连接,次梁端不承受弯矩或扭矩,该节点制作、安装方便,施工效率高,是本项目主要采用的主次梁节点。附加钢筋搭接节点中,通过附加钢筋和预埋于主梁内的螺母机械连接,传递次梁端部的弯矩、剪力、扭矩,通用性强。

　　 框架-核心筒结构中楼板除了直接承担竖向荷载外,还需要协调核心筒和框架柱在水平荷载作用下的变形,楼板之间采用双向板拼接连接。楼板降标高及暗梁处节点大样见图17。

　　 在降板区边界处,次梁侧叠合板钢筋伸入次梁内(图17(a)),另一侧设置暗梁(图17(b)),避免增加次梁,简化了构件制作,方便了施工,提高了效率。

　　 外墙挂板与主体结构连接需考虑以下3个方面因素:1)节点应具有足够的承载力和适应主体结构变形的能力; 2)外墙挂板安装可操作和定位可调节; 3)避免和预埋件直接焊接,以免烧伤混凝土。

　　 方案阶段比选了两种外墙挂板节点方案,方案一:参考国标图集《预制混凝土外墙挂板(一)》(16G333) ^[10]做法,外墙挂板下部两个竖向支座承担全部竖向荷载,下部两个水平支座和上部支座承担水平荷载,见图18; 方案二:外墙挂板下部支座承担水平和全部竖向荷载,上部支座仅承担水平荷载,节点见图19。

　　 上述两种外墙挂板节点方案均能满足和主体结构连接的承载力、适应变形、安装可调节的要求。方案二的力学模型为下部简化为不动铰支座,上部简化为可动铰支座。下部支座处螺母和角钢连接件焊接,通过拧螺帽实现外墙挂板上下调节,整个外墙挂板的竖向荷载全部由螺杆承担。支座连接件构造见图20。水平连接钢板预留长圆孔不仅可以方便外墙挂板定位调节,而且能使螺杆和水平连接钢板分别承担竖向和水平荷载,当外墙挂板定位准确后,焊接方垫片,完成外墙挂板安装。

　　 外墙挂板节点方案二相对方案一不仅减少了两个预埋件而且改混凝土支墩为钢支墩,制作和施工更加简单。本工程外墙挂板节点采用方案二。

　　 (1)根据少规格多组合的设计思路,不仅满足了建筑平面功能和外立面丰富性的需求,还实现了构件层面的“千篇一律”。

　　 (2)从设计、制作、安装一体化角度出发,反复比选竖向构件和楼盖布置结构方案,使整个产业链最优。

　　 (3)充分利用课题创新成果简化梁柱节点、楼盖节点和外墙挂板节点,对该项目提质增效起着关键作用。

　　 项目的施工过程高质、高效,标准层的主体结构施工每7d完成1层,相对于现浇方案总工期节约90d。该项目的设计可以为同类项目提供参考和借鉴。