装配式混凝土结构是近年来我国工业化发展的热点与焦点,随着各地方政府在保障房建设中积极推进和各项配套政策鼓励与支持,国内装配式混凝土结构住宅发展迅速,据不完全统计,2013—2015年,全国每年装配式住宅的建设面积将近1 000万m²。随着社会发展,城市面临日益严重的交通问题,如何有效利用城市有限的公共区域,建设满足人们日常出行所需的停车位是摆在城市管理者面前的一个突出问题,目前很多城市开始了立体车库建设,但传统的建造方式现场占用场地大、湿作业且施工周期长,造成环境污染和资源浪费,反而给城市发展带来不小压力。装配式混凝土框架结构适用于大跨度、大开间工业建筑、写字楼、住宅、停车库等,随着工业化技术日趋成熟,此类建筑为解决这一难题提供了很好的途径^[1,2,3,4,5] 。

南通政务中心立体车库综合楼项目位于江苏省南通市工农南路与洪江路交叉路口、政务中心北侧与移动公司之间。项目总用地面积3 454.66m²,总建筑面积49 593.01m²(其中地上面积42 071.79m²,地下面积7 521.22m²),建筑总高度60.3m(±0.000至女儿墙最高点)。车库地下2层,地上16层,地上1层为大厅、厨房、餐厅,2~7层为汽车库,8层西侧为会议中心,东侧为汽车库,9~16层为业务用房。

该建筑体系为预制装配整体式框架-剪力墙结构体系,地下室及地上2层为现浇框架剪力墙结构,西侧为8层框架结构,其中2~7层为预制装配整体式框架结构,西侧第8层及以上屋面结构采用传统的现浇结构方式施工;东侧为16层框架-剪力墙结构,其中2~15层为预制装配整体式框架剪力墙结构,16层及以上屋面结构采用传统的现浇结构施工,建筑整体预制率52.6%,符合三星级绿色建筑设计标识。如图1所示。

该项目最初方案选择钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,后决定采用预制装配整体式框架-现浇剪力墙结构,在方案设计阶段前,进行预制专项策划,在施工图设计阶段完成后,再进入构件图设计阶段(深化设计)。

1)依据规划要点中对预制率的要求,对整个场地内的建筑进行规划,尽可能地在满足预制率的前提下,降低施工成本;本项目由于现场场地狭小,临近市区主干道和居民小区,为此给构件堆放带来很大困难,在项目专项策划中予以重点考虑。

2)考虑构件生产及运输能力,保证各方利益平衡点,在总体规划中还应考虑构配件的制作、堆放和起重运输设备吊装能力及起重运输设备服务半径所需的空间,根据本工程特点,主体施工采用预制混凝土柱、梁、板、楼梯段及花池吊装施工。最远的构件为西南角的框架柱:高3.2m,长×宽为0.8m×0.8m,重达4.03t,离塔式起重机中心距离为62m。外加吊钩、吊具质量约1t,安装的塔式起重机必须满足施工要求,结合目前国内平臂塔式起重机机械性能,选用臂长70m塔式起重机,采用STT553平臂塔式起重机,70m臂长(2根钢丝绳)端末能吊5.65t,满足施工要求。

3)依据施工水平、工期要求,同时考虑建造成本,初步确定本项目的预制率及预制构件种类,在满足建筑使用功能的前提下,装配式构件设计应采用标准化、系列化设计方法,满足体系化设计的要求,充分考虑构配件的标准化、模数化、多样化。经分类,将预制构件分为预制叠合梁、预制框架柱、叠合楼板、预制女儿墙、预制楼梯、成品栏杆等,其中垂直构件:预制柱454根,预制花池186只;水平构件:叠合梁1 127根,叠合板2 332块,预制楼梯段86块。施工测量放线的准精度要求偏差严格控制在3mm,初定项目预制率为50%。

在PC专项策划阶段,经建筑、结构、给排水、电气、暖通各专业充分配合,利用BIM(建筑信息模型)技术,结合建筑功能与造型,规划好本建筑各部位采用的工业化、标准化预制混凝土构配件,并因地制宜地积极采用新材料、新产品和新技术。本项目采用多项新材料、绿色建筑技术,如太阳能光伏系统、墙面垂直绿化系统、植被屋面、雨水回收系统等。

经优化设计,车库开间柱网尺寸为7 800,8 300mm 2种,进深柱网尺寸为7 800,10 300,11 400mm 3种,与原设计方案相比,大量减少预制构件种类;同时,在满足疏散的前提下,3个疏散楼梯开间尺寸均统一设计为2 650mm,无障碍楼梯开间尺寸为2 900mm,通过标准化设计,可以减少楼梯模具种类,从而减少了模具开模费用,降低成本(见图2)。

根据本工程结构特点,车库2F~8F依据结构伸缩缝将同一楼层划分为低区((1)~(5)轴线)和高区((6)~(12)轴线)2个施工段。标准层施工工序可分为:首先外挂架提升,然后进行楼层结构测量放线,采用经纬仪在标准楼层上开设内控主轴线。然后进行PC构件吊装(按柱、梁、板顺序进行),由吊装班组完成;套筒注浆,由注浆班组完成;钢筋绑扎,由钢筋班组完成;模板支设、支撑搭设,由木工班组完成;水电管线预埋,由水电班组完成;混凝土浇筑、养护,由泥工班组完成。

该项目楼梯只有楼梯斜段预制吊装,楼梯休息平台、楼梯梁采用现浇处理。预制楼梯斜段上、下各有200mm宽的水平段搁置在楼梯梁上。待楼梯休息平台、楼梯梁先同结构施工浇筑完成,施工上一层结构前先吊装下一层楼梯段,每一层施工层与预制楼梯差1层。结构施工时,楼梯间设置钢爬梯上下,或在外架上设置钢爬梯。楼梯吊装前必须在相关楼梯构件上将各截面的控制线提前放好,可节省吊装、调整时间并利于质量控制。楼梯构件吊装前下部支撑体系必须完成,吊装前必须测量并修正柱顶标高,确保与梁底标高一致,便于楼梯就位。

楼梯吊装流程:(1)第1步先测量定位,在已安装好的楼层结构构件上测量放线,楼梯构件的竖向与水平安装线应与楼层安装线相一致,楼梯构件的安装线由控制线引出,在每段楼梯构件纵横2个方向各设置至少2条安装位置线,在现浇梯梁上安装楼梯构件前,应根据高程控制点复测梯梁面标高和控制线,楼梯段与墙面应预留30mm宽空隙,满足后续墙面抹灰施工要求,梯井之间根据楼梯栏杆安装要求预留40mm宽空隙。(2)第2步垫铁垫块至标高、铺坐浆料(20mm厚C25细石混凝土)。滑移板上部楼梯梁挑口有2根固定钢筋,用2个铁垫块垫到安装标高,再用坐浆料铺平,下部楼梯梁挑口同样用仪器抄平,铺坐浆料,刮平标高比设计标高低5mm,在刮平的坐浆料上铺1块5mm厚聚四氟乙烯板,作为地震时的滑移支座;在已经分割好的聚四氟乙烯板(尺寸为250mm×1 200mm)上用直径8mm的钻头均匀钻孔,把钻好孔的聚四氟乙烯板安放在楼梯中部的梯梁和挑耳表面上,然后将孔的位置标记在楼梯梁面和挑耳面上,用直径8mm电锤钻孔,孔深100mm。用鼓风机清理钻孔,然后用植筋胶填满孔内空隙,将聚四氟乙烯板重新安放在梁面,将直径4mm、长度7mm的不锈钢平头螺栓钉入孔内,螺栓帽上口与聚四氟乙烯板平齐,用5kg重物将聚四氟乙烯板和平头螺栓压住,静置24h,待植筋胶凝固硬化后将重物移开。(3)第3步楼梯段在构件堆场四点起吊。上部用2根3m长吊链,下部用2根吊链。用长5m的手拉葫芦进行高低调。(4)第4步起吊,引导到安装部位上。(5)第5步调整楼梯位置使其上部预留圆孔让预埋钢筋穿过。(6)第6步根据楼梯安装控制线调整上下左右位置。预制楼梯安装好后进行平台板后浇带施工,先铺设后浇带处底模,再进行楼梯段预留钢筋和现浇板预留钢筋的绑扎,钢筋按10d的搭接长度进行钢筋焊接,同时布置好分布钢筋。采用比预制混凝土构件混凝土强度高一个等级的微膨胀混凝土,用塔式起重机和推车相结合的方式运输混凝土,采用插入式振捣棒进行振捣,人工二次收光抹面,自然养护,用麻袋覆盖并浇水保持湿润,达到强度要求后即可拆模,最后进行临边防护和成品保护。

预制角柱和边柱柱头外侧设置PC外模;柱的纵向钢筋采用半套筒连接(一端直螺纹连接+一端套筒灌浆连接),钢筋锚入套筒的长度为8d,连接强度达到A级。预制柱吊装施工流程:(1)预制柱翻身、起吊。预制柱的制作、养护、运输都是水平放置。安装需要垂直起吊。构件入场,检查使用楼层编号、构件的规格、外观质量。依据制作图检查构件的几何尺寸、预留钢筋的规格、位置及外露长度,预埋件的规格、数量及位置。检查合格后,利用塔式起重机或汽车式起重机进行卸车。(2)根据柱边线确定柱的位置,在柱初步就位后,安装可调斜支撑,配合红外线投线仪,通过可调斜支撑调整预制柱垂直度,然后进行固定。(3)利用镜子反光,观察预留钢筋插入灌浆套筒内。先吊装外周与花池相邻的预制柱,注浆工及时用坐浆料封堵柱脚缝隙,待坐浆料封堵24h达到一定强度后进行柱脚套筒灌浆。

预制柱钢筋采用半灌浆套筒连接,即上端钢筋采用直螺纹,下端钢筋通过灌浆料与灌浆套筒进行连接,灌浆料选型:采用在构件厂检验套筒强度时与之配套的接头专用灌浆材料,且必须经过接头型式检验。灌浆料采用专业厂家生产的超高强无收缩钢筋连接用灌浆料,初始流动度≥300mm,30min流动度≥260mm,1d抗压强度≥30MPa,3d抗压强度≥60MPa,28d抗压强度≥85MPa,24h竖向膨胀率≥0.02%。灌浆料准备:选用无受潮结块的灌浆料;施工工具:测温仪、电子秤和刻度杯、不锈钢制浆桶和水桶、手提式变速搅拌机、灌浆泵或灌浆枪;流动度检测工具:载锥试模、玻璃板(500mm×500mm)、钢板尺等,使用电动灌浆泵对准套筒灌浆,套筒的排浆孔溢出浆料应立即封堵注浆孔和排浆孔;灌浆压力应达到1MPa,并由套筒下方注浆口注入。多个接头连通灌浆时,为防止灌浆过程中窝气现象造成连通腔不能充满,应从最边缘下部的一个接头的灌浆口进行灌浆,禁止2个灌浆口同时灌浆,并及时将溢出浆料的排浆孔用专用堵塞塞住,待所有套筒排浆孔均有浆料溢出时,停止灌浆;灌浆完毕,及时用水清洗搅拌机、灌浆泵和灌浆泵管等器具。浆料应在自加水后20~30min灌完,灌浆料凝固后,取下封堵胶塞,检查孔内凝固的灌浆料上表面应高于排浆孔下缘5mm以上。灌浆后灌浆料同条件养护试块强度达到35MPa后方可进入下道工序施工。

叠合梁吊装时应严格按照次序吊装,对于高度不同的PC梁截面,在两梁相交的节点处,由于梁的上部在同一平面,因此相连接的梁底部钢筋通常不在同一高度,截面高的梁底部钢筋比截面低的梁要低,为此需考虑PC梁吊装的先后次序。首先根据梁板支撑图纸确定支架的位置,然后组装工具式速接架,再按照图纸尺寸调整支架。支架组装完毕后,通过旋转上部的U形托丝扣,调整支架上部木方顶面标高到规定高度。先吊装东西向的主框梁,主框架梁主筋与次梁连接部位钢筋相互连通,此处混凝土段应预留600mm长,待300mm宽次梁钢筋穿入,绑扎钢筋,现场支设梁柱节点模板,浇筑节点处混凝土。为防止由预留钢筋连接起来的两段预制叠合梁在起吊安装时使连接钢筋受弯变形,采用角钢、对拉螺栓将两段预制叠合梁夹紧固定。梁底钢筋插入柱筋后,应先安装斜支撑,用激光垂直仪检查叠合梁的位置并进行调整,用红外线水准仪检查梁底标高并进行调整(见图3)。预制框架梁的下部纵筋尽量集中在梁两侧布置,方便预制柱纵筋穿过;现浇梁柱节点混凝土强度等级低区采用C50、高区采用C55;为减小梁纵筋的锚固长度,尽量采用直锚,直锚不够时采用加端头螺母直锚。

根据图纸确定支架位置后进行支架组装。水平支撑龙骨采用100mm×100mm木方,放置方向同PC叠合楼板桁架筋垂直排布。由于叠合楼板数量较多,为缩短吊装施工时间,可采用叠合板串吊方式施工。预制钢筋混凝土叠合板底部拼缝用填充材料填平,填充材料用掺纤维丝的混合砂浆,纤维丝的掺量为5%,混合砂浆强度为M5。下表面贴1层20cm宽纤维网格布柔性材料(网眼尺寸5mm×5mm,质量120g/m)。填充前,应将拼缝内杂物清理干净。叠合板吊装完毕后进行柱斜支撑预埋,绑扎叠合梁上部钢筋,预埋水电管线,绑扎平台钢筋,柱预留钢筋定位模具安装、校正,混凝土浇筑、养护,待混凝土强度达到1.2MPa后方可进入下一结构层施工(见图4)。

考虑到施工工期、质量和安全及文明施工要求,故在选择脚手架及临边防护时,充分考虑以下几点:(1)架体的结构设计,力求做到结构要安全可靠,造价经济合理。(2)在规定的条件下和规定的使用期限内,能够充分满足预期的安全性和耐久性。(3)选用材料时,力求做到常见通用、可周转利用,便于保养、维修。(4)架体结构选型时,力求做到受力明确,构造措施到位,升降搭拆方便,便于检查验收。本工程1F~2F全现浇结构施工采用落地式脚手架,3F~16F采用外挂脚手架,楼层四周做可靠的临边防护(工具式外挂防护架)。

1)南通政务中心立体车库项目在原有现浇框架-剪力墙结构方案的基础上,采用预制装配整体式框架-剪力墙结构体系,优化柱网尺寸、楼梯规格等,采用标准化设计,遵循“少规格、多组合”的原则,预制率达到52.6%,较传统方法节省约1/3的人工费。

1)该项目全过程利用BIM技术和建筑工业化技术,从设计、构件工厂生产、现场吊装、后期运营等方面进行优化,将工业化技术与信息技术进行融合和创新,对所有预制构件进行编号,施工质量全过程可追溯,合理组织流水施工,充分发挥机械和人员的效率,节省了施工成本,保证了施工安全。

3)预制构件吊装克服了现场场地狭小、工期紧、单个构件重等难题,实现了无外脚手架、无外模板施工,并将构件吊装精度控制在3mm范围以内;采用绿色建筑施工技术,达到三星级绿色建筑评价标识,降低了后期运营成本。