随着建筑工业化的深入推进, 装配式建筑快速发展, 目前市场上较多的高层住宅普遍采用装配式剪力墙结构。装配式剪力墙建筑的预制构件包括水平构件、竖向构件和围护构件。预制构件的连接是结构设计的重要环节, 作为承受竖向和水平荷载的预制剪力墙之间的连接又是重中之重。同一层预制剪力墙通过现浇区域可以实现水平向的可靠连接。上、下层预制剪力墙竖向钢筋的连接方式有套筒灌浆连接和浆锚搭接连接。套筒灌浆连接由套筒、钢筋和灌浆料三部分组成, 连接接头的性能指标主要由套筒材料、灌浆材料以及施工质量三个要素决定。浆锚搭接连接是一种间接锚固的连接, 关键技术包括孔洞内壁构造、成孔技术、灌浆料质量及约束钢筋。目前市场广泛应用的是套筒灌浆连接。

　　 《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》 (JGJ/T 430—2018) ^[1]为装配式混凝土结构提供了一种新的连接方法, 即环筋扣合锚接法, 图1为采用环筋扣合锚接连接的预制剪力墙结构体系样板间及其连接示意。

　　 环筋扣合锚接是基于装配工艺提出的一种新的钢筋连接方法, 此方法改变了传统的钢筋搭接 (或浆锚) 模式。相关学者通过连接节点钢筋锚固性能试验、剪力墙平面外抗折试验、剪力墙拟静力试验及足尺子结构的拟静力、拟动力试验^[2]等, 验证了预制剪力墙水平连接区域连接的可靠度及结构体系的安全性, 确定了扣合单元钢筋的锚固长度、扣合连接钢筋的承载力设计及计算方法。环筋扣合锚接法通过封闭钢筋交错扣合和穿入纵向钢筋形成暗梁或暗柱, 使得关键区域得到有效加强, 且主体结构施工简易, 质量可靠。本文以某装配式住宅为例, 对采用环筋扣合技术的结构设计、节点构造、BIM运用进行了分析研究。

　　 中建·森林上郡1#地块项目 (图2) 位于郑州市航空港区, 总用地面积15 077.5m², 建筑总面积51 000m², 该项目为郑州市第一个全部采用装配式剪力墙结构体系建造的住宅小区。本文以5#楼为例进行分析, 5#楼位于场地南侧。该建筑长54.4m, 宽13.6m;地上21层, 地下2层;标准层单层面积624.36m², 层高2.9m;总建筑面积14 568.52m², 建筑高度61.2m。标准层结构平面图如图3所示, 剪力墙厚度为200mm, 楼板厚度140mm;剪力墙混凝土强度等级基础顶～3层为C40, 3～4层为C35, 5层～屋面层为C30;楼板混凝土强度等级为C30。钢筋采用HRB400。本工程5层及以上采用装配式环筋扣合锚接技术。

　　 本工程为标准设防类, 设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第二组。抗震等级为三级, 基本风压为0.45kN/m², 基本雪压为0.40kN/m², 结构嵌固端为地下室顶板。

　　 依据《装配式建筑评价标准》 (GB/T 51129—2017) ^[3] (简称评价标准) , 装配式建筑的装配率应不低于50%。经过分析成本、周期、加工等要素, 本工程主体结构采用预制外墙+部分内墙 (大部分现浇) +叠合楼板+预制楼梯+预制空调板+预制阳台+预制飘窗;围护墙采用预制墙, 内隔墙采用ALC条板;装修和设备管线采用全装修模式。

　　 本工程外墙采用保温、结构一体化三明治预制板, 解决了防火和安全两大问题, 符合节能、环保的要求;叠合板、楼梯、空调板等水平构件预制成本低, 施工方便;内墙主要以现浇为主。

　　 评价标准第4.0.1条要求, 对本工程进行预制率的计算, 计算结果详见表1。本工程主体结构得分为37.02 (包括竖向构件和水平构件) , 大于评价标准表4.0.1规定的最低分值20分;围护墙和内隔墙得分10分, 等于规定的最低分值;装修和设备管线得分6分, 等于规定的最低分值;装配率53%>50%, 可以认定本工程为装配式建筑。

　　 《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》 (JGJ/T 430—2018) 第4.3.1条规定:装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构可采用与现浇混凝土剪力墙结构相同的方法进行结构分析。本工程采用YJK软件进行分析。图4为标准层墙体拆分图。主要指标计算结果见表2。

　　 预制剪力墙之间通过现浇区域连接成整体结构。水平缝要承受水平剪力和竖向压力或拉力, 需要进行承载力验算。

　　 依据《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》 (JGJ/T 430—2018) 第4.4.1条, 对环筋扣合锚接的预制墙水平缝受剪承载力进行验算, 计算公式如下:

　　 $V{}_{\text{u}\text{E}}\le 0.6f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}\text{d}}+0.8{\rm N}(1)$

　　 式中:V_uE为地震设计状况下接缝最大剪力;f_y为穿过结合面的环形钢筋抗拉强度设计值, 本文f_y=360N/mm²;A_sd为穿过结合面的竖向环形钢筋面积, 按上层或下层预制环形钢筋混凝土内、外墙预留的钢筋面积确定, 取较小值;N为与受剪承载力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值, 压力时取正, 拉力时取负。

　　 环筋扣合锚接的预制墙水平缝受剪承载力的验算方法与《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第7.2.12条中施工缝的验算方法相似, 但要求更为严格, 即使用环筋扣合锚接时, 预制墙所有的水平缝均需进行受剪承载力验算。

　　 以图4中预制剪力墙WQ63为例进行验算。根据结构整体计算结果, WQ63最小的轴力N=1 645.84kN, 竖向配筋面积A_sd=1 810.8mm², 该墙地震作用下的最大剪力为V_uE=559.04kN。则WQ63与下层预制墙连接的水平缝受剪承载力设计值V=0.6×360×1 810.8×10^-3+0.8×1 645 840×10^-3=1 707.8kN, V_uE<V, 满足规范要求。

　　 依据《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》 (JGJ/T 430—2018) 第4.4.3条, 对环筋扣合锚接的钢筋受拉承载力进行验算, 计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}{\rm N}{}_{\text{s}}<R(2)\\ {\rm N}{}_{\text{s}}=f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}(3)\\ R=0.15f{}_{\text{t}}A{}_{\text{s}\text{c}}+0.55f{}_{\text{y}\text{v}}A{}_{\text{s}\text{d}1}(4)\end{array}$

　　 式中:N_s为竖向环形闭合钢筋受拉承载力设计值;R为水平扣合连接筋的受拉承载力设计值;A_s为竖向环形闭合钢筋的面积, 按两根钢筋面积计算;f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值, 按后浇混凝土强度取值, 本文f_t=1.43kN;A_sc为环形闭合钢筋扣合单元中混凝土剪切面的面积;f_yv为水平扣合连接筋的抗拉强度设计值, 本文f_yv=360N/mm²;A_sd1为水平扣合连接筋的面积, 按封闭环内角部四根插筋面积计算。

　　 竖向环形闭合钢筋直径为8mm, A_s=2×50.3=100.6mm²。扣合单元宽度为200mm (环形钢筋间距) , 高度为140mm, A_sc=200×140=28 000mm²。水平扣合钢筋为4根直径12mm的HRB400级钢筋, A_sd1=4×113.1=452.4mm²。由式 (3) 可得, N_s=360×100.6×10^-3=36.22kN;由式 (4) 可得, R=0.15×1.43×28 000×10^-3+0.55×360×452.4×10^-3=95.58kN;可见N_s<R, 满足要求。

　　 本工程采用环筋扣合锚接进行预制墙竖向钢筋的连接。该连接方法改变了预制剪力墙在楼板顶面进行竖向连接的传统方法, 通过扣合区域实现有效连接。从而使关键连接部位实现了从面到单元的转变, 大幅度提高了结构的整体性和结合部位的抗剪承载力。

　　 图5为预制剪力墙环筋扣合竖向连接节点示意图。预制剪力墙竖向通过构件上、下端留置的竖向环形钢筋扣合连接, 形成暗梁区域;预制剪力墙水平向通过构件两端留置的水平环形钢筋扣合连接, 形成暗柱区域;在暗梁或暗柱中穿入水平或竖向钢筋后, 暗梁和暗柱区域与预制梁、板的叠合层整体浇筑, 形成装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构体系。图6为预制外墙大样图。

　　 图5 预制剪力墙环筋扣合竖向连接节点示意

　　 图6 预制外墙大样图

　　 为了优化设计和指导安装, 体现装配式结构的特点, 本工程运用了BIM技术。BIM的可视化、协同性、模拟性、优化性和可出图等特点符合建筑工业化的要求。图7为Revit建立的预制剪力墙三维图。

　　 建筑模型由预制构件和现浇部分组成, 对预制墙体、预制叠合板、现浇混凝土部分分别建模后进行组装, 图8为各部分子模型。结构模型与机电专业组装后, 形成全专业模型, 详见图9。

　　 通过Revit将构件各部分拼装成三维模型, 导入Navisworks中进行预制构件模型之间的碰撞检查。包括预制构件模型之间、预制构件模型与现浇部分插筋之间、两块预制构件中外露钢筋之间的碰撞检查。对发现的问题及时修改, 避免构件在安装中出现问题, 减少损耗, 节约成本。图10为预制构件局部拼装图, 通过检查发现, 梁主筋锚固长度过长, 影响了墙体的安装, 需要进行调整, 可采用机械锚固和其他方法减小梁主筋的锚固长度。

　　 图10 预制构件局部拼装图

　　 装配式节点连接不同于现浇, 构造复杂, 连接区域的质量直接影响结构安全。利用Revit可以直观地展现各个构件在节点区域的连接情况, 并可根据模型检查设计的合理性, 绘制节点钢筋排布, 在施工前进行交底, 优化节点连接方式, 保证施工的准确性。图11为转角部位节点展示图。

　　 图11 转角部位节点展示图

　　 装配率的计算涉及预制构件及现浇混凝土的体积、面积等指标。由于高层建筑层数多, 功能复杂, 人为统计计算会产生一定的误差。利用装配式BIM模型, 可准确统计各预制构件和现浇部分的体积、重量, 计算装配率。

　　 本项目采用环筋扣合连接的预制剪力墙结构体系, 可以实现提高施工质量和施工效率、减少人工、节能减排的目标。该体系的预制构件在观感、质量、强度等方面均优于现浇构件。减少了抹灰和砌筑的工艺, 可以有效节省工期。本项目根据进度计划相对现浇结构可以节省2个月的工期。预制构件的成本由于原材料及用工费不断上涨而居高不下, 按该项目53%装配率测算的成本要高于传统混凝土结构成本约350元/m²以上。

　　 (1) 环筋扣合锚接是一种自主创新的连接方式, 适用于各类预制剪力墙结构, 此连接具有技术先进、施工简易、质量可靠的特点。

　　 (2) 环筋扣合锚接连接的预制剪力墙的结构设计等同于现浇剪力墙的结构设计, 其计算方法可按现浇结构计算。需要对预制墙体和现浇墙体进行合理划分, 对预制构件进行详细设计, 以满足加工和安装要求。

　　 (3) BIM对装配式建筑的实现有着重要的支撑作用, 在预制构件的布置、管线综合布置、专业协同方面能起到指导作用。

　　 本项目目前正处于安装阶段, 进展顺利。实践证明环筋扣合锚接体系安全可靠, 施工方便, 具有很好的推广价值。