我国建筑行业的迅猛发展带动了建筑领域多项新技术的创新和发展, 其中包括现浇钢筋混凝土的工业化。文献[1]指出, 现浇钢筋混凝土包括钢筋工程专业化、混凝土工程工业化以及模板工程工业化。2003年原建设部出台禁止城市城区现场搅拌混凝土的通知, 标志着建筑业混凝土实现商品化。近年来施工领域已经基本实现混凝土和大型模板商品化、产业化, 但占工程总成本约30%的钢筋工程仍处于现场制作、手工绑扎的落后阶段, 严重制约了我国建筑施工行业的标准化、机械化和产业化发展。为此, 2005年我国把建筑工程钢筋商品化加工装配列为“十一五”期间重点推广项目^[2], 随着钢筋成型机械的不断成熟^[3]及相关行业规范的制定^[4,5], 钢筋骨架专业化生产及配送得到一定程度的发展。然而, 成型钢筋骨架相关施工技术的滞后严重阻碍了成型钢筋骨架专业化应用及推广。钢筋骨架专业化成为解决当今劳动力成本不断升高的有效途径和必然趋势^[6,7], 而相关配套施工技术成为钢筋骨架专业化发展过程中亟待解决的关键问题。

传统的钢筋专业化生产只是在工厂将设计图纸中受力钢筋与箍筋进行下料, 运输至工地进行现场绑扎。而钢筋骨架专业化则直接生产加工梁、柱、楼板、墙等构件钢筋骨架 (或网片) , 将钢筋骨架运输至工地仅需要进行钢筋连接, 可极大地减少工人现场作业时间, 避免长时间在高温、严寒等极端天气条件下工作。目前, 国内外对楼板、剪力墙钢筋网片生产的相关机械研发已比较成熟^[8], 但梁、柱钢筋骨架相关生产机械仅意大利、日本、中国台湾部分厂商可以生产^[9]。中国建筑第八工程局有限公司一直致力于钢筋骨架专业化生产机械的研发工作, 通过多年技术积累, 联合建科机械 (天津) 股份有限公司、山东建筑大学联合研发了箍筋成型机和钢筋骨架机 (见图1) 。该箍筋成型机可制作螺旋箍筋与一笔箍, 与传统现场绑扎施工相比, 螺旋箍筋与一笔箍配合钢筋骨架机使用落入纵向钢筋网中绑扎或焊接更方便快捷成笼, 并且螺旋箍筋加工中省去了中间部分弯钩, 因而可节约钢筋用量。箍筋成型机与钢筋骨架机的联合使用实现了钢筋骨架专业化生产 (见图2) 。

梁、柱骨架施工工艺是钢筋骨架专业化应用需要解决的主要技术问题, 其中梁、柱节点区施工是关键。

1) 柱钢筋骨架施工

为方便后续梁的吊装安放, 柱钢筋骨架加工时按照设计深化图加工完成后进行编号, 运送至施工场地后准备吊装。柱钢筋骨架按照每层一吊制作钢筋笼。钢筋笼吊装前应将下层柱甩筋部分箍筋进行绑扎并安置好套筒。柱钢筋笼连接区按照规范要求避开加密区 (采用Ⅰ, Ⅱ级连接时, 非加密机械连接接头率分别≤100%, ≤50%) , 为了减少现场绑扎量, 连接区宜设置在加密区外200mm以内。对于绑扎的钢筋笼, 为确保吊装过程中柱钢筋笼不发生过大变形, 可将梁柱节点区下部箍筋焊接在受力钢筋上, 用于钢筋笼固定与吊装, 对于截面尺寸>1m的柱钢筋笼应考虑柱竖向焊接剪刀撑进行固定, 确保柱钢筋骨架稳定、竖直、缓慢吊装至钢筋连接处。柱钢筋骨架吊装时需要至少2名工人辅助吊装。柱钢筋笼连接时应首先连接4个角部钢筋, 截面尺寸≤1m且高度≤5m的柱钢筋笼待4个角部钢筋完成连接后即可撤掉起重机 (见图3) 。采用特殊连接套筒, 起重机等待时间为2~3min。

2) 梁钢筋骨架施工

柱钢筋骨架吊装到位后, 进行脚手架和模板搭设, 待模板工程结束后方可进行梁钢筋骨架的吊装。梁柱节点区钢筋施工是解决钢筋骨架装配施工的关键。为实现梁柱节点处箍筋顺利安装, 梁钢筋笼顶部角筋需要在柱边断开, 同时为避免吊装过程中梁柱钢筋碰撞, 梁顶部角筋断开处距柱边宜为20~40mm, 其他钢筋按规范要求编笼, 底部钢筋在柱内锚固。需要指出的是, 按照规范要求梁柱节点处钢筋接头率应≤100%, 但成型钢筋骨架实质为钢筋的预制装配式, 参照相关规范, 本文梁柱节点区采用100%机械套筒连接。梁钢筋骨架吊装时, 需要先吊装梁底标高较低的梁钢筋笼, 吊装完梁底标高较低的1跨后绑扎梁高差区箍筋, 之后方能吊装另一侧梁钢筋骨架, 完成后封闭节点区箍筋, 节点箍筋采用焊接箍筋笼直接落入柱骨架中 (见图4, 5) , 能够克服节点区箍筋绑扎困难的难题, 最后采用特制机械连接套筒将两侧上部钢筋进行连接, 并后穿支座负筋。为了方便节点区上部连接钢筋穿入, 可在梁钢筋骨架吊装前临时将梁连接钢筋及支座负筋绑扎在钢筋笼内, 待梁钢筋笼全部吊装完成后将其抽出, 封闭梁上部钢筋。梁钢筋骨架吊装时需要穿入柱钢筋骨架中, 一般需要每端2名共4名工人辅助安装。

基于钢筋专业化生产的楼板及剪力墙钢筋网片加工应考虑运输宽度、施工工艺等进行深化设计, 钢筋焊接网片安装工艺在JGJ114—2014《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》^[5]中已有详尽介绍, 但是对于大跨度板来说 (板跨>3m) 还有优化空间。大跨度板由于其跨度大, 网片会相对较柔, 当在网片中线设置支撑时, 网片两端会有比较大的下挠, 而此点正好有利于后续网片安装, 如图6所示。

经试验验证, 该方案用在板的中间区域完全可行, 用在边部则不可实施。最外侧网片如果整体下料, 则网片安装时需要3面锚入梁中, 经现场试验验证, 安装难度较大, 因此最外侧区域网片不适合整体制作, 宜按照图7所示方式进行网片制作及安装。

对两端须插入梁内锚固的焊接网, 当网片纵向钢筋较细时, 可利用网片的弯曲变形性能, 先将焊接网中部向上弯曲, 使两端能先后插入梁内, 然后铺平网片;当钢筋较粗焊接网不能弯曲时, 可将焊接网的一端少焊1~2根横向钢筋, 先插入该端, 然后再插另一端, 必要时可采用绑扎方法补回所减少的横向钢筋。钢筋焊接网的搭接、构造应符合JGJ114—2014第5.1~5.3节的规定。2张网片搭接时, 在搭接区≤600mm距离应采用钢丝绑扎1道。在附加钢筋与焊接网连接的每个节点处均应采用钢丝绑扎。当双向板底网 (或面网) 采用JGJ114—2014第5.2.10条规定的双层配筋时, 2层网间宜绑扎定位, 每2m²宜≥1个绑扎点。钢筋焊接网安装时, 下部网片应设置与保护层厚度相当的塑料卡或水泥砂浆垫块;板的上部网片应在接近短向钢筋两端, 沿长向钢筋方向每隔600~900mm设1个钢筋支架。

钢筋连接方式一般有搭接、灌浆连接、焊接和机械连接, 对于柱钢筋骨架的施工, 搭接和灌浆连接需要设置临时支撑, 而焊接需要明火作业并且耗时较长, 起重机等待时间长, 因而成型钢筋连接方式最宜选用机械连接。成型后的钢筋骨架由于箍筋约束作用纵向钢筋不能自由移动, 尤其是柱钢筋多根钢筋同一平面连接时, 钢筋成笼施工中难免会造成两端连接钢筋轴向产生间隙与偏位, 传统的套筒并不同时进行多根钢筋的连接。成型钢筋骨架的连接施工需要采用新型连接套筒, 该套筒钢筋连接工艺如图8所示, 主要特点是具有5~8mm纠偏功能, 并且能够调整钢筋骨架纵筋端部20mm的公差, 旋拧速度快且质量容易保证, 熟练工人每个接头施工用时约30s, 可极大地减少起重机等待时间。使用该型套筒需要在钢筋连接前旋拧好待连接钢筋侧锚固螺套, 对中调节螺套或对中固定螺套、外螺套, 其中对中固定螺套应拧紧, 竖向钢筋连接时外螺套一侧一般安置上部以防止滑落。钢筋连接施工时首先旋拧对中调节螺套至对中固定螺套处, 完成钢筋对中。之后方可移动外螺套至对中调节螺套处并拧紧, 最后拧紧锚固螺套至对中调节螺套, 完成钢筋连接。采用该型钢筋连接套筒钢筋接头能够达到Ⅰ级接头标准。

为验证钢筋骨架施工技术可行性, 首先在齐鲁制药生物医药产业园中试验区 (一期) 项目建设试验工程 (见图9) , 工程面积21.6m×10.8m, 共1层, 层高3.6m, 局部高4.5m。通过本项试验工程验证了本文梁、柱钢筋骨架施工技术的可行性, 并对比分析了梁、柱钢筋骨架搭接、机械连接、灌浆连接, 最终决定选用特制套筒连接。为进一步验证工效, 在济南城建学院再次进行同尺寸试验工程建设, 其工效情况如表1所示。

该套施工工艺成功应用在上海浦东惠南镇民乐大型居住社区二期房建工程12号楼中 (见图10) , 该结构为5层框架结构, 层高约3.5m, 每层结构构件布置基本一致, 总建筑面积约2 000m², 在项目建造中, 梁、柱采用了预制的钢筋骨架, 楼板采用了成品钢筋网片。为了钢筋骨架配送以及吊装方便, 在该建筑周边预留了骨架生产场地, 骨架的成型采用具有自主知识产权的骨架机, 配送及吊装由塔式起重机完成。为了对成型钢筋骨架技术的工效进行测评, 项目实施过程中对2, 4层采用了钢筋骨架预制装配的施工工艺, 3, 5层钢筋工程仍采用传统施工工艺, 工效对比如表2所示。

由以上数据可知, 与传统施工工艺相比, 基于钢筋骨架专业化生产的施工工艺可以节约钢筋工程用工约60%, 并可减少80%~90%现场作业钢筋工人。此外, 成型钢筋骨架施工工艺将大部分的钢筋工程作业转移到专业化钢筋骨架生产车间, 大大减少了模板工程作业进度对钢筋工程施工进度的影响, 因此该工艺具有明显的经济效益。另外, 该套新工艺有效改善了工人的作业环境, 具有良好的社会效益。

分别对基于专业化生产的梁、柱钢筋骨架施工技术展开研究, 并通过2项试验工程及1项实际工程验证了基于钢筋骨架专业化生产的施工技术可行性, 得出以下结论。

1) 基于钢筋骨架专业化生产的柱钢筋骨架施工, 为避免增加临时支撑、起重机等待时间过长, 应优先选用具有纠偏功能的套筒进行钢筋连接。

2) 为保证梁钢筋骨架在梁、柱节点处顺利施工, 梁钢筋骨架上部钢筋需在节点处断开, 通过合理安排梁骨架吊装顺序、节点采用螺旋箍筋笼进行节点封闭, 最后完成梁钢筋骨架节点区上部钢筋连接及负筋施工。

3) 与传统施工相比, 基于钢筋专业化生产的施工技术可减少80%~90%的现场作业钢筋工人, 减少钢筋工程用工约60%, 且具有施工速度快、经济效益好等特点。

2016年9月国务院印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》^[10], 其中明确提出力争用10年时间使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。在国家大力倡导装配式建筑的大背景下并不意味着其他施工技术停滞不前, 装配式除外的剩余70%工程仍需要进行技术创新与升级。基于钢筋专业化生产的施工技术既是对传统现浇施工技术的改革升级, 也是对装配式建筑的重要补充。装配式建筑完全可以采用专业化生产的钢筋来提高生产效率, 并且按照本文梁、柱钢筋骨架加工方式施工装配式建筑, 技术上完全可行。