伴随着各地装配式建筑工程实践的不断推进, 预制构件钢筋碰撞、构件裂损、安装定位效率过低等施工问题逐渐凸显, 成为人们对装配式建筑施工效率和质量安全的关注重点。究其原因, 除了现行标准和规范中对设计细则的要求不够完善, 施工单位实践经验不足、预制构件加工精度欠缺等原因外, 设计和深化设计是否合理也会造成非常重要的影响。

新加坡房屋建设局 (Building and Construction Authority) 自2001年起便在建筑施工中提出了“易建性”的概念, 即“建筑设计在何种程度上促进了项目施工的进行, 以及施工技术和工艺的采用在何种程度上影响建筑工程的施工效率”。新加坡多年实践证明, 将“易建性”的概念引入装配式建筑设计中, 以提高施工效率、减少现场人工、避免繁杂工序作为重要的设计目标, 可降低建造成本、促进施工安装顺利实施, 有利于装配式建筑的推进。

本文以装配式建筑的施工易建性为主要目标, 首先通过介绍新加坡易建性设计评价标准, 提出了我国在装配式建筑方案设计阶段应注重和借鉴的量化设计方法;其次, 在总结常见施工问题的基础上, 按照不同预制构件类型, 研究和总结了深化阶段的设计要点。

标准化、模块化设计一直是装配式建筑设计过程中提倡的要点之一, 被认为可以降低建造成本、简化施工难度, 同时提高建造效率。但如何基于施工易建性量化评价标准, 无统一要求。新加坡易建性的评价标准自应用以来, 为改进设计人员设计习惯、推广标准化构件和可复制单元、鼓励预制构件应用起到良好作用。易建性标准的设计要求主要通过“易建性设计评价系统 (buildable design appraisal system) ”落实, 其中的量化控制指标具有良好的借鉴意义。

新加坡装配式建筑易建性设计的基础原则包括标准化、简单化和采用集成化构件, 评分体系由结构体系、墙体体系和其余设计特征3部分组成, 总分为100分。根据拟建项目用途、建筑面积等不同, 所要求的最低分值在73~90分。考虑到标准化程度和可复制性单元的数量, 对商业和工业建筑的要求高于住宅, 对>25 000m²的建筑要求大于较小面积的建筑。

易建性设计评价的计算方法为:

对结构体系部分, A_s为所采用的某种结构体系占整个建筑物面积的比例, S_s为按表格查得的不同结构体系的劳动力节约指数, 部分摘录至表1。预制混凝土体系水平预制构件对现场劳动力的节约更为显著, 可以作为设计中的首选。此外, 当采用推荐的预制节点、机械连接方法连接钢筋、高强混凝土和自密实混凝土时, 可以获得额外加分。

对墙体体系部分, L_w为所使用的某种内外墙墙体系统占整个建筑物墙体系统的比例, S_w为按表格查得的劳动力节约指数, 部分摘录至表2。没有其他现场工序的干式安装隔墙、玻璃隔断等评价更高, 对于需进行现场贴挂饰面材料的墙体评价较低。

其他易建性设计特点从强制性要求、标准化、结构网格布置等方面给出了规定, 部分摘录至表3。通过一定程度上限制楼层层高, 提高通用 (将最常用的3种尺寸纳入统计) 的标准化柱、梁、门窗洞的尺寸规格, 采用定型化预制组件等, 可大大减少因组合后导致的不规则性, 减少构件种类, 提高施工易建性。

目前, 我国现行设计标准和推进政策中, 对装配式建筑的评价多关注于预制率和构件应用比例, 对施工易建性的考虑不足。借鉴新加坡易建性标准, 建议方案设计阶段应从以下几方面进行易建性宏观设计。

1) 优先考虑水平构件的预制叠合梁板、楼梯构件节约了现场底模, 避免了灌浆套筒等复杂连接工序, 安装便捷, 对施工效率有较大幅度提高。

2) 通过提高最常用“可复制构件单元”的比例加强标准化控制以控制单个构件类型中3个最常用尺寸所占的比例来减少构件类型。

3) 加强非结构构件的集成应用通过采用带有饰面的隔墙系统、集成卫生间等产品, 减少现场装修工序。

方案阶段对设计准则的宏观限制, 可为后续的施工易建提供良好基础。

构件深化设计是在多专业施工图基础上对构件本身的设计加工图, 施工易建性应主要从构件外伸钢筋的连接便捷性及构件本身2方面进行考虑。

连接节点是构件外伸钢筋锚固和搭接连接区域, 多方向钢筋密集交错, 施工工序复杂。某装配式剪力墙项目中的L形现浇边缘构件区域如图1所示, 设计人员将预制剪力墙的水平分布筋设计为伸至端部后锚固, 后安装墙体的内侧分布筋将无法正确安装就位, 不得不采取其他措施补救。典型预制框架结构梁柱节点如图2所示, 当中柱截面尺寸较小、梁底部纵筋配置较密时, 往往造成节点区多方向钢筋交错无足够空间放置、混凝土无法浇筑密实现象, 影响施工效率、降低节点区域施工质量。

另一类常见问题是预制构件本身的设计缺陷, 如构件拆分尺寸和形状不合理、管线及预埋件的位置不当、辅助保护装置缺失等。由于吊点设计未充分考虑到墙板开洞后的削弱而导致的构件开裂如图3所示。预制构件与构件贴边放置时, 设计未充分考虑制作偏差、施工安装偏差、标高调整方式等造成的硬性碰撞损坏如图4所示, 为后续增加了修补工作。

考虑构件施工的实际情况并提出避免和解决措施, 达到“易建性”要求, 应是针对单个构件的深化设计阶段追求的目标。下文针对不同构件类型提出常用的设计要点。

常规项目中, 每个板块宜划分为2~4块预制板, 单个质量宜≤4t。当板块划分尺寸过小, 板、板间的分缝较多, 构造配筋增加明显;板块划分尺寸过大, 单个构件过重, 给运输和吊装带来困难。考虑到叠合板在运输时将平置于车上, 而运输车辆的宽度一般限制<3.6m, 因此板块宽度包括两端出筋宜≤3.4m。当标准化轴网或房间长度在6.3~9.9m, 1块楼板宜划分为2块或3块。

由于叠合板现浇层厚度预留不足, 现场常出现预埋管线交叠处过高或不便穿越桁架筋现象。当需要在现浇层内预埋管线或布置双排纵向钢筋时, 建议现浇层在标准所要求的基础上适当增厚, >70mm为宜。

传统结构设计中倾向于采用窄梁, 梁高度满足建筑净高要求, 而装配式建筑为便于钢筋排布和节点区钢筋避让, 在总质量可控的前提下框架结构梁宽宜增加到400~500mm, 同时优选22, 25mm等大直径钢筋, 减少钢筋数量、拉大相邻钢筋间距, 使每排钢筋数量保持相对固定, 便于节点区操作和施工。

当不同方向的框架梁钢筋在梁柱节点交汇, 同时考虑柱纵筋排布, 往往造成图2所示钢筋过密现象, 设计中建议根据板块受力特点, 将不同方向的梁底标高错开100~150mm, 便于节点区钢筋避让;为减少节点区施工难度, 梁钢筋宜优选锚固板收头。设计时, 梁不宜与柱边贴边对齐, 否则将造成梁连接套筒与柱纵筋碰撞。

当梁底筋布置为2排时, 需对弯矩包络图确认, 不宜将上排钢筋锚入柱内;同时, 非抗扭腰筋不锚入柱内, 需进行锚固的扭筋可通过在交接面预埋直螺纹套筒处理, 并在说明中提出封堵和防锈要求, 确保现场安装连接到位。

高层装配式框架和框剪结构中的预制柱质量较大, 设计时应确认现场起重机械的性能需求, 避免出现预制构件二次转运现象。综合考虑使用需求和经济效益, 高层装配式建筑一般选择平臂式塔式起重机, 最大起重力矩为1 500~2 000k N·m, 在满足远端吊装需求的前提下, 同时考虑到梁纵筋的锚固需求, 柱截面一般宜≥700mm。

由于变截面预制柱上、下层收进导致的钢筋弯折和定位复杂, 不宜频繁缩进柱截面, 且柱截面变化时宜单面收进, 保证部分柱纵筋上下贯通。可参考某项目应用的定型化定位钢板, 根据主筋位置提前定制略大于柱纵筋直径的圆孔钢板, 确保施工时的钢筋方便插入。

对于预制剪力墙构件, 15G365-1《预制混凝土剪力墙外墙板》、15G365-2《预制混凝土剪力墙内墙板》和G310-1~2《装配式混凝土结构连接节点构造》已经提供了较为成熟的做法, 通过规范化附加连接钢筋的做法, 避免了图1中节点连接问题的出现。

对于开洞预制墙板, 洞口宜居中放置, 并保证洞口至板边距离。吊点设置应充分考虑吊装过程中的不利作用, 必要时采用有限元进行分析, 并设置保护措施加强构件稳定性。宜通过采用工具式吊装系统, 加强吊装过程中的受力均衡。

1) 装配式建筑施工易建性应在方案设计和深化阶段加强考虑, 并作为重要评价指标之一, 改变目前仅关注预制率和预制构件应用比例的单一评价现状。

2) 方案设计阶段, 国内尚未出台统一的易建性评价指标, 新加坡易建性设计评价方法具有一定的参考意义, 设计宜从构件选择、可复制构件的应用比例、集成构件的选用等方面提高。

3) 深化设计阶段的施工易建性设计应主要从构件外伸钢筋的连接便捷性、构件本身2方面进行考虑。本文就常用预制构件分别提出了相应的设计要点, 以期对具体装配式建筑构件的易建性设计提供参考。