装配式结构经济性及施工合理性分析
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2023年06月16日 15:21:47
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-   01   -          前言            

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前言      

     
国家发展装配 式建筑是为了实现经济效益、社会效益和环境效益。 随着装配式结构越来越普及,装配式结构的经济性逐渐受到开发商的重视。 参考已实施的工程,结合最新国家规范及地方性政策,对装配式结构的经济性问题进行初步整理分析,供结构设计人员参考。      
 
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宏观影响因素      

     
不同地区以及不同项目,采用装配式混凝土建造方式与传统现浇混凝土建造方式的增量不同,规模大、标准化程度高的项目增量会低一些,反之则高一些。绝大部分项目成本增量大致在150~600元/㎡之间。随着预制率的提高,成本增量的总体趋势是不断加大的。      


   
基于装配式结构的特殊性,其结构经济性标准目前尚无统一定论。考虑当前部分装配式结构的市场报价,基本是按照平方或立方的单价来考虑,因此传统的含钢量指标肯定是不适用的。本文针对装配式生产造价影响较大的几个因素进行具体阐述分析。      

     
首先应该正确理解装配式政策、合理解读装配式规范。      
上游决定下游,前端控制后端。政策决定标准,标准决定设计,设计决定生产和施工,上游不解决问题,下游解决不了问题。对于设计来说,重点是要落实早期协同,在设计一开始就有装配式思维,并和生产、施工单位进行密切协同。要遵循符合装配式特点的设计流程,开展同步设计,调整原有设计流程,以避免“两阶段设计”的错误做法。要落实建筑师引领装配式设计的责权机制,在建筑方案之初和全过程都植入装配式基因,再全过程进行系统性策划和设计。      


根据2019年1月12日省政府第29次常务会议通过,自2019年3月1日起施行的《山东省绿色建筑促进办法》中第三十三条“对建设、购买、运营绿色建筑的,实行下列扶持政策:采用装配式外墙技术产品的建筑,其预制外墙建筑面积不超过规划总建筑面积3%的部分,不计入建筑容积率”。根据这条政策,如做预制外墙,整个项目可以奖励3%的容积率,那后面在进行装配式结构方案选择时,就应该由甲方提前做成本测算,来指导后续设计工作。


具体到结构专业,根据“等同现浇”的设计理念,结构的经济合理性应首先遵循现浇结构的原则。建筑体型、高度,建设地点的场地和自然条件等对结构的造价影响,这些和常规现浇结构相同。区别之处在于,装配式结构需在前期方案阶段介入,对结构装配方案进行比选分析。


1、 选择适宜的建筑风格和建筑户型

装配式建筑设计是一个集建筑、设备、精装等的一体化设计,建筑方案的选择是最重要的先决因素。选择适合装配式建筑的建筑风格和立面效果,设计优化,成本才能优化。此外我们优先选择建筑平面规整、对称,建筑立面简单、建筑户型数量少、建筑模数重复率高,结构形式简单的单体,这样更容易实现标准化设计的目标,从而提高生产施工效率,提高模具周转次数,减低成本。


2、 选择合适的结构装配方案

根据《装配式建筑评价标准》GB/T51129-2017以及《装配式建筑评价标准》DB37/T5127-2018,结构需满足装配式建筑评分最低20分的要求。如下图:(以省标为例)

   
   


规范要求,装配式建筑的主体结构部分,需满足最低得分20分。因此需要我们首先选择合适的结构构件进行设计来满足规范要求。现阶段来讲,综合成本因素以及开发商的顾虑偏好问题,开发商还是更倾向于仅做水平构件。但是常规的设计方案已经较难实现该目标。当设计需要做预制竖向结构构件时,按照国标及省标规定,山东省内对结构构件的预制率并无强制要求,仅对单体装配率的结构得分做出要求。因此通常情况下,仅做预制内柱或预制内墙即可解决问题,由此可以规避预制外柱尤其是预制外墙的一系列困难。下面具体分析各种结构装配方案的具体优缺点。      
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2.1仅预制水平构件

根据规范要求,仅预制水平构件时,水平构件应用比例需≥80%,才能满足装配式建筑评分的主体结构最低20分要求。为实现该要求,通常需要预制所有结构允许的位置的楼板,包括屋面板、卫生间、楼梯前室及公共走廊区域。若全部位置采用预制楼板后依然无法满足水平预制构件应用比例需≥80%的要求,设计通常有两种解决方案:一是考虑减少不必要次梁改成较大跨度的PK板;二是考虑将异形板等不适宜做普通叠合板的楼板,按照桁架钢筋楼承板设计。

       

PK板的方案的优势是:

  • PK板采用密拼缝,仅少量补空区,减少了模板量;

  • 使用跨度3~9m,应用范围更大;

  • PK板采用预制板,预制层薄,自重轻,运输便利;

  • 采用标准图集,设计效率高,后期变更影响较小。

采用小跨度预制楼板时,综合造价成本和普通叠合板持平,采用大跨度预制楼板时,综合造价成本略高。缺点是目前是专利产品,影响某些开放商的招标。

普通叠合板+楼承板的方案,优点是设计按常规方式进行即可。缺点是增加了一种施工工艺,增加了现场施工难度。因此该方案仅为折中方案,需具体综合进行经济性比选。

2.2预制内墙柱及预制水平构件

对于框架结构,预制内柱的设计相对简单,尽量选取截面尺寸相同、配筋变化较小的柱做预制柱。但框架结构体系有一些需要设计注意的优化内容,列举如下:(对于山东地区预制梁较少涉及,本文暂且不论)

  • 根据项目情况,适当提高混凝土强度等级,并采用高强高筋,可有效减少构件钢筋用量,减少钢筋连接接头数量。

  • 采用大直径钢筋,可减少预制构件钢筋数量,减少钢筋干涉,减少钢筋连接接头数量。

  • 控制梁柱偏心距不超过1/4,不需要采用加腋方案。因梁柱偏心距超过1/4时需要加腋,导致加腋梁预制困难。

  • 梁居中布置,不能居中时,两边与柱边错开50mm以上。因梁柱一边齐平时,梁纵筋与柱纵筋干涉,弯折避让困难。

  • 尽量采用材料构造找坡,避免结构找坡。屋面结构找坡时会造成预制装配实施较困难。

  • 标准跨内板上隔墙,按板上砌墙方案设计。如墙下设梁,会导致增加相关位置梁板等预制构件种类增加。

  • 偏心受拉柱,轴压力较小柱应采用现浇,因此类柱接缝受剪承载力不容易满足要求。

  • 相邻上下层尽可能不改变截面,需要改变时,保持上下对齐变数最多的原则,且单侧变化尺寸不小于100mm。

  • 相邻上下层柱纵筋直径和根数尽量统一,直径变化不应超过一个极差。

预制墙类型大致可分为实心墙体系、叠合墙体系及空心墙体系。目前山东地区应用较为普遍的是采用竖向钢筋套筒灌浆连接的实心墙体系,本文仅针对该种实心墙体系进行分析。目前装配整体式剪力墙结构的设计是基于“基本等同现浇”的概念建立的,因此预制剪力墙结构首先应符合现浇剪力墙结构的相应要求。

规范规定预制竖向构件的最小应用比例为20%即可满足最低分15分,且预制内墙的设计施工难度相对预制外墙简单,因此通常情况建议仅预制内墙即可,设计时需注意拆分的模数化,这点后续论述。

 
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平面布置标准化      
节点标准化      

     
平面布置标准化及节点标准化是装配式建筑评分表的得分内容,但其同时也是影响装配式结构经济性的主要因素之一。
     


建筑方案的模数化是结构平面布置标准化的天然有利因素,因此结构专业需在方案阶段介入,选择合适的结构单体进行装配式设计。其次,结构专业应与建筑、设备、精装等各专业协调,进行建筑、设备、精装等一体化设计。也就是需要综合考虑建筑平面布置、立面形式,设备洞口,精装点位等各专业要求。      


   

上图为我集团《历城区彩石高中项目7号学生公寓》,建筑方案为模数化的宿舍单元以及对应的走廊单元,同时设备及精装走线均由吊顶解决,因此结构的装配式模数化就很容易实现,为后续结构拆分的模数化提供了有利基础。


1、结构构件拆分的模数化

具体到结构专业本身,平面布置标准化及节点的标准化,核心思路就是结构构件拆分的模数化。拆分的要点就是:少规格、多组合,目的是减少模具种类、多次重复利用,提高经济性。

目前模具的价格约1万/吨,模具数量的减少可以直观显著的降低实际造价。

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1.1 预制楼板拆分

1.1.1首先确定合理的叠合楼盖范围。

以济南市产业化办公室给出的主体结构水平构件得分计算表格为例,如下图:

       

需要注意的是,建筑平面总面积可以扣除电梯井、管井、连廊及竖向承重构件投影面积。

前文中已有讲述,屋面板、卫生间、楼电梯前室区域属于不宜预制的位置,但当项目仅预制水平构件时,为满足装配式建筑得分要求,上述位置均可预制。优选顺序建议:楼电梯前室>屋面板>卫生间。

1.1.2根据板跨选择合理的叠合板类型

通长情况下,跨度3~5.5m时,采用桁架钢筋混凝土叠合板即可,跨度>5.5m时,建议采用钢管桁架预应力混凝土叠合板,板厚过大时,可以选用混凝土空心板(如SP板),以减轻自重。

1.1.3叠合板形式

住宅类建筑对叠合板观感要求较高,通常我们选用带接缝的双向叠合板进行设计。但双向叠合板需要四边出筋,在模具四边均需开设穿筋孔,比单向密拼叠合板复杂,增加了组模和拆模的难度,人工费和模具耗损也会增加,成本增加。单向密拼板由于两边不出筋,无需设置后浇带连接,比双向叠合板施工方便,施工安装效率比双向叠合板高。对单向密拼拼缝的处理,对于公建项目来说,一般情况下会有吊顶,板底拼缝无需处理,而对于住宅项目来说,单向密拼叠合板底拼缝需要采用网格布盖缝铺订及抹灰后做面层处理。从含钢量指标来说,叠合板与现浇的单双向板用钢量经济指标并不相同,并非双向板用钢量就经济些。以4m板跨的板为例,按长宽比1:1、2:1、3:1采用相同的荷载加载到楼板计算配筋(非构造配筋)情况,分别对两种叠合板进行统计分析,如下图。从图中可以看出,楼板长宽比1:1.6左右时,单向板用钢量和双向板用钢量达到平衡,长宽比超过1:1.6时,单向叠合板的用钢量是小于双向叠合板的用钢量的。统计结果表明:叠合板单双向板含钢量的分界点在1:1.5左右,与现浇单双向板经济性规律不同。

       

2020年正式发行的《钢筋桁架叠合板应用技术规程》T/CECS715-2020中对取消板底出筋做出了新的规定:“叠合层厚度不小于75mm且不小于预制板厚度的1.3倍时,板底纵筋可不伸入支座,可采用支座附加钢筋的形式”。这就为我们选用预制楼板的形式提供了新的思路,该问题后续会详细叙述。

1.2预制剪力墙拆分

总的原则依然是遵循“少规格、多组合”的原则,以减少模具种类,多次重复利用,提高经济性。首先需要保证结构受力合理,确定适合的装配方案、选择合理的接缝位置、简化节点构造。其次应进行建筑、设备、精装等一体化设计,需要综合考虑建筑平面布置、立面形式,设备洞口,精装点位等各专业要求。再就是构件尺寸、形状等应满足生产设备和工艺要求,且便于运输,便于吊装和安装就位,保证安装质量,提高施工效率。

根据规范要求,地下室部分及底部加强区的剪力墙部分不建议采用预制;采用部分框支剪力墙结构时,底部框支层及相邻上一层应采用现浇结构;楼梯间、电梯间墙体宜采用现浇混凝土。

关于装配方案,前文中已经介绍,结合山东地区特点,建议采用仅预制水平构件的方案,或者预制内墙柱+水平构件的方案。如有必要,最后考虑预制外墙的方案。但需结合当地奖励容积率的政策等综合分析对比。

1.2.1预制内墙拆分

如下图,预制内墙拆分时根据“少规格、多组合”的原则,优先调整墙长和边缘构件,保证预制内墙的模数化拆分。

       

1.2.2预制外墙拆分

预制外墙的拆分,主要是在满足建筑功能的前提下,结合建筑立面形式,实现标准化设计。拆分的重点在于协调各专业,实现“少规格、多组合”的目标。

不同拆分位置的方式举例如下:

1)建筑门窗洞口的布置,应依据结构需求,兼顾构件标准化。如下图,尽可能提高墙板的标准化程度,少规格、多组合。

       

2)洞口两侧的预制墙肢长度不宜小于400mm,如受洞口尺寸或者位置的限制无法满足,可减小到300mm。不应小于200mm 。如下图:

       

3)平面凹凸部位的处理可以考虑适当与现浇结合,采用L型、T型、U型等二维预制墙板,如下图:

       
       

4)关于模数的要求:预制外墙的内叶墙板长度(墙肢+洞口)、预制内墙长度应满足100的模数,可以通过调整后浇段的尺寸实现。

       
       

通过不同的拆分方式,最终实现结构外墙的单元式拼接,完成立面的模块化、标准化。

       
2、结构布置的合理性
其次,应保证结构受力合理,确定适合的装配方案、选择合理的接缝位置、简化节点构造。应选择受力较小部位作为接缝(如山墙中部、分户墙中部等,以及边缘构件的位置),且连接节点形式简单、受力可靠。
 
预制墙板连接方案:建议程度★>☆;○为不建议  
选择合适的连接节点,建议如下:
竖向连接——套筒灌浆、浆锚搭接等
套筒连接的套筒类型一般有全套筒灌浆或半套筒灌浆两种形式,全套筒灌浆因为接头尺寸较大,不利于安装,易出现灌浆不满、不实等质量问题,不建议使用。建议采用半套筒灌浆,其接头尺寸较小,便于安装;灌浆质量容易保证,但需加强预制端直螺纹的套丝加工质量。

浆锚搭接相对套筒连接成本降低,但浆锚搭接适用范围有限:
  • 浆锚搭接一般用于抗剪连接,连接钢筋仅作为抗剪用,根据水平接缝抗剪承载力验算确定。

  • 浆锚搭接不能用于直接承受动力荷载。

  • 钢筋直径>20mm时,不宜采用浆锚搭接。

  • 房屋高度>12m或超过3层时,不宜采用。


竖向连接的结构构造以实现套筒排布的标准化要求为目标,建议采用大直径梅花形错开布置,方便施工。
水平连接——满足箍筋的搭接长度要求
因预留U型筋的搭接长度最短,使得后浇段范围最小,工程上最为常用,建议采用。
 
 
 
 
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装配式施工的合理性问题      

     
1、取消预制板底出筋问题    
预制板底出筋,通俗称为胡子筋,以下均按胡子筋。带胡子筋的预制楼板的安装问题已经是制约预制建筑施工工期的主要因素之一。关于取消胡子筋的问题,《装配式混凝土建筑技术标准》GBT51231-2016规定,当叠合层厚度不小于100mm且不小于预制板厚的1.5倍时,支承端纵向钢筋可采用搭接方式锚入支承梁或墙中。也就是说,《装配式混凝土建筑技术标准》规定,如果不出胡子筋,需要现浇层做到100mm,且不小于1.5倍预制层厚度。按山东地区的常规的60mm厚桁架钢筋混凝土叠合板来说,需要现浇层做到100mm,这样整体板厚度就达到了160mm,自重及钢筋用量大,对层高影响较大,综合考虑代价偏大,因此我们在设计时,依然会保留胡子筋。
 
而实际上,《装配式混凝土连接节点构造》标准设计图集15G310-1 中,有明确的取消胡子筋的做法要求(详下图)。但因为图集不能作为设计的直接依据,因此设计时对于该图集的使用依然存在较大顾虑。
 
由华润牵头并委托清华大学及中国建研院参与研究的《支座不出筋的叠合楼板-剪力墙体系抗震性能研究》,对支座附加钢筋进行了系统的实验研究。最终在六月份正式发行的《钢筋桁架叠合板应用技术规程》T/CECS 715-2020给出了具体规定,“叠合层厚度不小于75mm且不小于预制板厚度的1.3倍时,板底纵筋可不伸入支座,可采用支座附加钢筋的形式”。具体节点要求如下:
 
 
因此,设计时不出胡子筋也就有了具体的规范依据。根据规定,对常规的60mm厚桁架钢筋混凝土叠合板来说,现浇层厚度为max(75mm;1.3x60=78mm),整体板厚可按140mm取值。相比原来的60+70的板厚仅仅只增加了10mm。成本上仅增加了10mm的现浇混凝土及额外的附加钢筋,楼层净高相应压低了10mm。但对现场工期来说,取消胡子筋厚,每层工期大约节省2天左右,综合成本应该是显著降低的。

2、生产运输安装问题    
适宜构件厂生产和运输构件尺寸、形状等满足生产设备和工艺要求,且便于运输。通常生产运输遇到的困难不多,现场起吊问题是直接影响施工工期及成本的更直接的问题。

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以现场最常用的STT-133塔吊为例,根据吊臂长度和起吊半径,吊装起重量在1.35t到6t之间,而常见的住宅项目,长度不超过50m。宽度一般在15m左右,吊车的最大起吊半径在30m左右,此时吊车的起重量为3t左右。

工程中,当采用叠合板时,由于运输及生产条件的限制,叠合板的尺寸一般不会超过2.5*6m,此时起重量为0.06*2.5*6*26=2.34t,在一般尺寸及场地条件下,叠合板的现场吊装是没有问题的。部分住宅项目采用宽厅设计及公建项目的大跨板设计,此时宜采用或部分采用PK预应力混凝土钢管叠合板,此种叠合板的长度可达9m,宽度有1m/1.5m/2.1m三种,可根据各项目具体选用,厚度根据跨度有35/40mm两种厚度,最大重量为0.04*2.1*9*26=1.96t,甚至比普通的叠合板还轻,完全能满足吊装要求。

现场中受吊装限制较多的是预制楼梯,以普通住宅楼梯为例,当层高3m的双跑楼梯,楼梯间宽度为2.5m时,可选用板厚为120mm,水平投影长度为2.88m的预制楼梯,此时预制楼梯的梯段重量约为1.9t,完全能满足吊装要求,但当采用剪刀楼梯时,同样的尺寸条件下,梯段的重量能重达5t,超过现场常用塔吊起重能力。必须对其进行进一步的拆分处理或增加塔吊的起重能力,若选用STT-200塔吊为例,吊车的起吊半径在30m左右,此时塔吊的起重量为4.76~6t范围,吊装能力显著提升的同时,塔吊租金也显著增加。对于普通的项目特别是住宅项目而言是非常不经济的。所以对于一些剪刀楼梯需要在交叉处增加横梁,将每一跑的剪刀梯段一份为二,这样不但能减少一半水平投影长度和高度,厚度也能减小到120mm,此时重量约为1.5t左右,能满足起吊要求,但是增加横梁会减小楼梯净高,需认真复核及同建筑进行沟通,当条件不允许时,可采用梁式预制楼梯,此时能有效减小预制楼梯厚度,以满足吊装要求。对于一些公建项目,虽然未采用双跑楼梯,但由于层高较大,预制楼梯的重量有时也会超过吊装限值,此时可通过沿梯段板竖向进行拆分,中间留有竖缝,通过防火岩棉后塞处理,这样预制梯段的重量可减为原方案的1/2或1/3以满足吊装要求。

当采用预制墙时,若依旧选用STT-133塔吊,预制剪力墙的宽度不宜超过2m,此时预制剪力墙段的重量约为0.2*2.9*2*26=3.02t,尽量采用标准小宽度进行组合,通过竖向接缝及调整边缘构件长度进行实现。当公建项目采用预制柱时,由于层高较大,当柱截面为600*600预制柱高度(层高减去梁高)超过3.2m或选用600*700及更大截面时就需要考虑更大起重量的塔吊了。


 
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最后

综上所述,结构专业应正确理解利用政策规范,在方案前期有效介入,同各专业协
        同,设计时尽可能的提高平面布置标准化及节点标准化程度,并且综合考虑生产施工等因素,如此才能有效提高整个装配式建筑的经济性。


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