2015年以来,国家多次出台政策,制定装配式建筑发展目标、划定重点区域并制定相应鼓励政策,引导我国装配式建筑因地制宜地健康、快速发展。国家和住建部在装配式建筑标准及图集编制方面也积极推进《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T 51231—2016)、《装配式钢结构建筑技术标准》(GB/T 51232—2016)、《装配式木结构建筑技术标准》(GB/T 51233—2016)、《装配式建筑工程消耗量定额》(TY01-01(01)—2016)等国家标准以及地方规范的颁布实施,形成支撑装配式建筑项目实施标准体系。

　　 部分包覆钢-混凝土组合结构(Partially encased composite structures of steel and concrete,简称PEC)是20世纪80年代欧洲提出的一种新型组合结构,可广泛应用于住宅、办公等多高层结构中。PEC结构的基本截面形式是在H型钢的翼缘间填充混凝土,不同于钢骨混凝土和钢管混凝土,其构件形式以“宽扁”形式为主,一般采用窄翼缘H型钢进行设计。PEC梁、柱构件可以全部或部分在工厂或现场预制,预制构件的吊装和连接方式与钢构件类似,现场只需少量补填或完全不填混凝土,因而可以达到较高的预制化、装配化水平。与纯钢结构相比,PEC结构具有刚度更大、承载力更高、防火性能更好等优点 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]}。而且由于柱子的翼缘比较窄,柱子可以隐藏在建筑的墙体中,做到建筑上不露柱,从而提高建筑的美观性,增大建筑的使用面积。基于上述优点,国内也在推广PEC结构的应用。

　　 大跨度预应力混凝土空心板,自1993年引进中国大陆以来,得到社会各界的关爱和支持,国家建设部多年来一直把预应力混凝土空心板列为重点科技推广项目 ^[10]。预应力混凝土空心板能很好地满足房屋的建筑和结构要求,且不受结构形式限制,广泛适用于框架、钢结构、砖混等多种建筑结构形式,可用作工业厂房、学校、商场、办公楼、大开间住宅、库房、医院、文体场馆及现代化公寓等建筑的楼板、屋面板、墙板。大跨度预应力混凝土空心板在扩大使用面积、改善使用功能、缩短施工工期、提高资金利用率等方面有很大优势,其应用是建筑业的一次革命。

　　 本项目为一幢高度集成的装配式建筑集成技术试验楼,主要用于展示装配式结构、可变空间的建筑、一体化幕墙、智能建筑等。装配式建筑集成技术试验楼总用地面积为598.0m²,总建筑面积为335.6m²,建筑高度为8.1m,共2层。1层为模拟技术展示厅,配套小会议室和辅助准备室; 2层为模拟130m²的居住空间,项目三维效果图如图1所示。

　　 试验楼采用PEC结构,主要受力构件为PEC柱和PEC梁,其基本截面形式是在H型钢的翼缘区格间设置连接系杆并填充混凝土,如图2所示。PEC构件与型钢混凝土构件的截面构成类似,承载机理相近,因此欧洲组合结构规范(DD ENV 1994-1-1∶1994)对两者的极限承载力采取了相同的计算假定与方法。但其与型钢混凝土构件截面形式的最大区别在于主钢件的部分材料位于截面外周,对构件的弯曲刚度和受弯承载力的贡献远远高于型钢混凝土中的钢骨。另外,纵筋布置在主钢件的内侧,离中和轴距离较近,对构件弯曲刚度和受剪承载力的贡献较小。这一材料布置形成了不同于型钢混凝土的受力特点,例如外周钢板件的局部稳定性不同于型钢混凝土构件,纵筋的作用减小。自20世纪90年代以来欧美研究者进行的相关试验已充分支持了欧洲规范的合理性和适用性。2000年以来我国研究者也进行了许多试验,研究表明,与钢骨存在于内核的型钢混凝土构件相比,在截面外包尺寸和含钢率相同的条件下,PEC构件的抗弯刚度与承载力都高于型钢混凝土构件; 研究还表明,不设置栓钉或其他抗剪连接件的试件,其钢-混凝土也能共同受力,达到并超过了塑性极限状态对应的理论承载力。实际工程应用这些构件时,在层高和柱跨之间构件的长度有限且两端都有实际存在的限制混凝土纵向变形的约束,加上其他构造措施,钢-混凝土能够共同变形和受力。

　　 楼板采用适用于大跨度结构的预制预应力混凝土空心板,其中楼面层采用全预制预应力空心板,屋面层为保证防水效果,在预应力空心板顶面铺设钢筋网片并浇筑混凝土叠合层形成整体共同受力。采用大跨度预应力空心楼板,可以取消次梁,施工过程中不用架设楼板支撑,施工工序少,与PEC柱和PEC梁组合应用,采用钢结构的连接技术,大大减少了现场湿作业,施工速度快,施工效率较高。楼梯采用钢楼梯,工厂焊接生产,现场装配施工。

　　 结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防类别为标准设防类。抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅳ类。

　　 PEC梁和PEC柱均考虑混凝土的作用,采用等效刚度进行结构计算。在进行结构整体内力和变形分析时,部分包覆钢-混凝土组合梁、柱构件的截面刚度按混凝土的截面刚度和主钢件截面刚度叠加的方法进行计算。楼板采用的是150mm厚预制预应力混凝土空心楼板,在结构内力与位移计算中,不考虑刚性楼板假定。

　　 构件强度计算是基于极限分析假定的,即要求主钢件和混凝土材料在承载能力极限状态下分别能达到其屈服强度和轴心抗压强度。因为混凝土达到轴心受压强度后其承载能力将下降,如果这一状态发生在主钢件屈服之前,极限分析假定将与实际情况产生一定偏差。

　　 本项目进行构件等效后,采用YJK软件对整体结构进行计算分析,得到的整体指标如表1所示。由表1可以看出,该结构采用PEC构件进行设计后的各项指标均满足规范要求。

　　 按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)计算得到结构梁的最大应力比为0.69,柱的最大应力比为0.7,柱的最大轴压比为0.17。

　　 PEC梁在恒载+活载作用下的变形如图3所示。由图3可以看出,PEC梁最大变形为16.55mm,换算成挠跨比最大值为1/216,满足悬臂构件不大于1/200的要求。

　　 PEC柱的高度为6 600mm(2层),截面有H400×200×8×20,H400×200×10×25,H400×200×8×12三种,三维模型如图4所示。PEC梁截面有H300×200×6×12,H300×250×8×16两种,三维模型如图5所示。节点处型钢芯柱对应于型钢梁上下翼缘处设置竖向加劲板,厚度与梁翼缘相同。

　　 设计部分填充钢-混凝土组合结构时,应从工程实际情况出发,合理选用材料、结构方案和构造措施,满足结构构件在运输、安装和使用过程中的强度、稳定性和刚度要求,并符合防火、防腐蚀要求。宜采用通用化、模数化、标准化的设计方法,提高结构的预制率,减少制作、安装工作量。

　　 结构计算时按照PEC结构建模,梁设计时从模型中提取出PEC梁剪力设计值,PEC梁竖向受剪承载力计算可仅考虑钢组件中平行于剪力方向的板件受力,而不考虑内填混凝土的作用。PEC柱受剪承载力仅考虑主钢件中平行于剪力方向的板件受力,而不考虑内填混凝土作用,且按两个方向分别验算。

　　 预应力混凝土空心板的设计应对生产、施工和使用三个阶段分别进行验算。其中施工阶段验算根据施工过程中可能产生的最大荷载(包括自重以及施工活荷载),对预应力混凝土空心板产生的弯矩和剪力进行验算。

　　 根据预应力混凝土空心板生产工艺,楼板沿进深方向按1 200mm宽进行布置,部分无法满足宽度要求的板块在对称切割后再进行布置。布置板时必须对板的起拱、挠度及其发展进行综合考虑,特别要考虑不同跨度和不同方向的板引起的起拱差异以及板面后浇混凝土对起拱的影响。另外,楼板管线设置的洞口应尽量在板端附近,沿板孔道切割洞口不伤及预应力钢筋。当洞口宽度较大时,将板切断一个肋,此肋处于板宽的中部或成对称的位置,并进行核算。卫生间楼板若采用留有拼缝的预应力混凝土空心板,考虑到卫生间防水要求较高,并且设备管线较多需要在楼板开洞,故采用整块楼板预制的普通钢筋混凝土全预制楼板。

　　 预应力混凝土空心板应对其从制作、运输安装到使用全过程,进行承载力、变形及抗裂验算。

　　 节点设计应满足承载能力极限状态要求,防止节点因强度破坏、板件局部失稳、焊缝及其周边开裂等而失效。

　　 PEC梁柱连接采用刚接节点,梁翼缘与牛腿翼缘采用焊接方式连接,腹板连接采用高强螺栓连接,如图6所示。

　　 PEC主次梁连接可以采用刚接和铰接,本项目为刚接连接方式,采用栓焊组合的连接方式(图7),即主钢件采用翼缘焊接连接,腹板采用螺栓连接,主钢件连接后现场补浇混凝土。铰接采用腹板螺栓连接,如图8所示。PEC主次梁连接位置避开受弯较大截面,连接承载力设计值不小于连接处梁的内力设计值,且不小于相连梁承载力设计值的0.5倍。

　　 预应力混凝土空心板采用预埋件与PEC梁上翼缘连接,如图9所示。预应力混凝土空心板在制作时预埋埋件,安装时与钢梁翼缘焊接。预应力混凝土空心板板边悬挑详图如图10所示。屋面板采用预应力混凝土空心板叠合板,其与PEC梁的连接节点如图11所示。屋面层采用混凝土后浇层,板顶应处理成粗糙面,粗糙面凹凸深度不小于4mm。后浇混凝土时,应保证板顶面处于清洁和湿润状态,混凝土应振捣密实。

　　 为保证预应力混凝土空心板之间的可靠连接,在预应力混凝土空心板板边预先切割,形成上部4cm、下部2cm宽的板间接缝,并在板缝中布置钢筋网片,通过在预应力混凝土空心板板顶后浇60mm厚混凝土叠合层将楼板连接为整体,见图12。该构造方便板缝间混凝土的灌注,保证相邻预应力混凝土空心板间能传递剪力和协调垂直变形。

　　 卫生间采用同层排水技术,因此楼板设计为降板。采用一整块全预制混凝土楼板,楼板与PEC梁连接构造如图13所示。

　　 会议室顶板采用全预制混凝土楼板,在楼板中预埋辐射换热管,在跨中分割成两块板,楼板拼缝处连接构造如图14所示。

　　 依据《装配式钢结构建筑技术标准》(GB/T 51232—2016),预制构件的设计应满足标准化的要求。宜采用建筑信息化模型(BIM)技术进行一体化集成设计,确保建筑、结构、给水排水、暖通空调、电气、智能化等相协调。

　　 本项目采用Revit软件进行BIM装配式一体化三维模型设计(图15)。BIM模型的可视化能力强,能清晰查看各构件位置关系,做到了建筑结构施工图碰撞检查; 可采用3D实时漫游和软件中自带的碰撞校核管理器这两种方式检查整个模型,精确处理管线碰撞问题,快速准确地把可能发生的问题找出并及时修正。

　　 PEC构件中的H型钢可采用轧制H型钢,也可以采用焊接H型钢。PEC构件中连接主钢件翼缘的连杆宜采用弯钩钢筋,连杆的位置应尽量避开主钢件腹板上浇筑孔的位置,连杆应采取双面角焊缝,焊缝应饱满。PEC构件的混凝土浇筑一般采取双面分次浇筑,采用振动模台与振动棒相结合的方式,保证浇筑的混凝土达到密实要求。构件脱模、起吊、翻转时的混凝土强度不应小于15N/mm²,且应达到设计标准值的50%; 构件出厂时的混凝土强度不应低于其设计强度标准值的75%。浇筑预制混凝土部分前,对不与混凝土接触的主钢件表面以及预留后浇带的节点或牛腿区域的钢表面采取防污的措施。主钢件腹板上开设的混凝土浇筑设置为圆形,孔径取180mm。PEC构件加工制作如图16所示。

　　 PEC构件的混凝土在浇筑前应进行构件的隐蔽工程验收。验收的项目主要包括:内置连接板、钢筋和连杆钢材的牌号、规格、数量、位置、间距等,钢筋的连接方式、接头位置、接头质量、接头面积百分率、搭接长度等,连杆的焊接质量,钢筋和连杆的混凝土保护层厚度。构件制作完毕后,检查部门应按施工详图的要求,对成品进行检查验收,检查合格后方可出厂。

　　 PEC柱吊点设置在PEC柱的上部,利用临时连接耳板作为吊点。吊装前,下节PEC柱顶面和本节PEC柱底面的渣土和浮锈要清除干净,保证上下节PEC柱对接面之间留有一定焊接余量。PEC柱起吊回转严禁以弱轴为旋转中心,应以翼缘面为旋转中心,过程中应注意避免与其他已吊好构件相碰撞,吊索应具有一定的有效高度。PEC柱吊装见图17。

　　 PEC梁的安装总体随PEC柱的安装顺序进行,相邻PEC柱安装完毕后,及时安装PEC梁,使安装的构件及时形成稳定的结构,PEC梁吊装如图18所示。并且每天安装完的PEC柱必须用PEC梁连接起来,不能及时连接的应拉设缆风绳及撑杆进行临时稳固。PEC梁吊装就位时要注意PEC梁的上下方向以及水平方向,确保安装正确。PEC梁安装就位后,及时夹好连接板,对孔洞有偏差的接头应用冲钉配合调整跨间距,然后再用普通螺栓临时连接。普通安装螺栓数量不得少于该节点螺栓总数的三分之一,且不得少于两个。对一节柱中有多层PEC梁的施工段,为保证结构稳定、便于校正和精确安装,应首先固定顶层梁,再固定下层梁,最后固定中间梁。当一个框架内的PEC柱和PEC梁安装完毕后,及时进行测量校正。

　　 PEC结构拼接节点施工技术由PEC钢骨施工技术、PEC构件后浇节点施工技术组成。PEC竖向构件在吊装后用安装耳板和缆风绳进行临时定位,并对腹板拼接板上的高强螺栓进行临时固定,待钢梁安装完成后对柱、梁进行最终调正。调正后对节点进行施拧和施焊,施焊遵循“减少焊接残余应力,控制结构变形,保证焊接质量”的原则,其目的在于“保证钢骨拼接的强度、刚度的同时,保证竖向构件的垂直度和水平构件的平整度”。待节点区钢骨、附加纵筋、节点区箍筋施焊完毕,同时隐蔽工程验收合格后,对节点后浇区混凝土进行浇筑。采用专用浇筑模具和设备进行有压浇筑,并设置溢浆孔,其目的在于保证节点后浇区混凝土的密实度,防止后浇混凝土与预制混凝土之间出现裂纹,保证竖向材料之间的连续性。

　　 PEC主钢件除端部节点区域外,非混凝土填充的部位必须进行底漆涂装,非混凝土填充的部位通常指主钢件翼缘正面及侧面。底漆涂装宜在连杆焊接完成之后进行。防腐涂装部位的除锈等级、防腐涂料品种和厚度,应符合设计文件要求和国家标准《钢结构工程施工规范》(GB 50755—2012)的规定。

　　 PEC梁、柱的安装允许偏差应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205—2020)的相关规定。当采用焊接连接时,钢材焊接的焊缝尺寸应满足设计要求。

　　 预应力混凝土空心板生产时,预应力筋按预应力设计值进行预先张拉,继而浇筑混凝土,自然养护至既定强度后方可进行预应力筋放张、构件脱模、切割与吊装。应注意预应力筋放张时混凝土立方体抗压强度应不低于设计混凝土强度标准值的75%,并同时在两端左右对称放张,以保证横截面预应力与变形分布均匀。放置板面预埋件时,需先用小铲在放置预埋件的芯孔处挖出一个孔洞,其尺寸稍大于预埋件钢板面积,再用混凝土回填并捣实,然后插入预埋件,使预埋件钢板与板面保持同一平面。

　　 预应力混凝土空心板在安装前应对楼板作全面检查验收,包括外形尺寸、外观质量及可代表本批板的结构性能检验报告,发现问题及时与厂家联系。预应力混凝土空心板使用兜绳直接进行吊装(图19),板面无须另设吊钩。吊点位置一般设在距板端300～600mm处。为防止兜绳在吊装过程中向内部移动,现场加工了配套的扁担梁,使兜绳与板面夹角不小于60°。预应力混凝土空心板安装如图20所示。预应力混凝土空心板吊装好后先将板一端的两块埋件与钢构件焊牢,待每区段板安装完毕后,再焊另一端的两块埋件。焊接时应按埋件宽度满焊,焊缝高度不小于6mm。预应力混凝土空心板刚度较大,在安装时无需搭设满堂支架。本项目楼板跨度较小,全部免撑。板缝灌注前将缝中杂物清理干净,并用清水充分湿润,再放置板缝钢筋网片,屋面层板缝混凝土与板面叠合层同时浇筑,浇筑后采用覆盖浇水养护。

　　 预应力混凝土空心板质量检验标准应符合《SP预应力空心板》(05SG408)中相关要求。预应力混凝土空心板板端预应力钢绞线的回缩值(缩入板端混凝土切割面的数值)应满足:每块板各端的所有钢绞线回缩值的平均值不得大于2mm,并且单根钢绞线的回缩值不得大于3mm。

　　 本文以装配式建筑集成技术试验楼的设计、分析、应用为例,对新型装配式结构体系(PEC结构)、预应力空心楼板系统以及BIM技术的综合应用进行了探索,主要得到以下结论:

　　 (1)PEC结构的刚度大,承载力高,充分利用了钢和混凝土的优点,为装配式结构提供了一种可行的设计应用方案。PEC结构由于利用了钢-混凝土的组合作用,经济性良好。PEC结构体系可以用于新建结构,也可用于既有钢结构的改建,尤其适用于对建筑功能要求较高的建筑结构形式,有利于提高建筑的使用功能。

　　 (2)PEC构件既可形成单一的PEC框架结构,也可与其他类型的结构构件共同使用。本项目中与预应力混凝土空心板组合应用,构件制作和节点连接能够大幅提高组合结构预制化和装配化水平。直接采用钢结构的施工连接方式,大大减少了现场湿作业,施工速度快,效率高,提高了工业化程度。

　　 (3)预应力混凝土空心板技术的应用可以为建筑提供更多的空间,便于设备管线的布置和安装,结构布置规律统一,简洁美观; 在施工安装过程中,除了存在楼板板缝灌缝以及屋面板叠合层现浇湿作业,其他均为干法施工。整个结构体系均免模免支撑,安装效率得以大大提高,取得了良好的经济性。

　　 (4)试验楼在设计过程中采用BIM设计技术,实现了构件标准化设计,减小了误差,优化了工程量统计和造价管理,保证了项目的成功实施,提高了工程建设质量和项目综合管理水平。

　　 本文对装配式部分包覆钢-混凝土组合结构的设计技术、构件生产和施工安装技术进行了深入地探索和研究,为推动高效的装配式结构体系在我国应用及发展积累了经验。