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院校学生宿舍装配式设计研究

2019/07/19 阅读:

摘要:广东某院校学生宿舍项目采用装配整体式混凝土框架结构。经对比分析研究,项目东西外墙采用外挂墙板+内保温的构造方式以满足建筑保温隔热要求,南北向外墙无需进行保温隔热设计。构件拆分设计综合考虑了生产、运输及吊装等环节的要求;连接节点设计还考虑了构件安装的可行性和易操作性。经对建筑装配率核算,项目各单体均满足装配率50%以上的装配式建筑评价标准。

关键词:装配整体式;外墙保温隔热;外挂墙板+内保温;拆分设计;节点连接;钢筋避让;装配率;装配式建筑

1工程简介

广东某院校学生宿舍项目位于广东省清远市省级职业技术教育示范基地内,为广东省建筑工程集团有限公司首个装配式EPC项目,被评为“广东省第一批装配式示范项目”。该项目共7栋6层高21.55m的单体,总建筑面积58089m2,无地下室,采用装配整体式混凝土框架结构,首层和屋面现浇,2~6标准层采用装配式,学生宿舍楼效果如图1所示。

2外墙保温隔热设计对比与分析

2.1建筑外墙划分

根据《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》[1],本项目需按照夏热冬暖地区北区建筑节能要求设计,设计中应考虑夏季降温,兼顾冬季采暖要求。如图2所示,将建筑外墙分为南北外墙和东西外墙。图2中东侧、南侧、北侧宿舍的外阳台有效遮挡和减少了进入宿舍内部的热量,减轻了围护结构的热能耗。根据标准要求,广东清远地区建筑南北向可不进行保温隔热设计,东西向有保温隔热设计要求。

2.2保温形式的对比分析

适用于装配式混凝土建筑的常用外墙的保温形式一般有4种,分别为自保温(常用形式为加气混凝土外挂墙板)、夹心外挂墙板、外挂墙板+内保温(保温砂浆形式)、外挂墙板+内保温(复合板形式)。其中加气混凝土外挂墙板技术不成熟[2],运输过程存在风险;外挂墙板+保温砂浆内保温系统存在湿作业工序,影响建筑的装配式评价指标和施工工期。参考国内部分地区装配式剪力墙住宅外墙保温模式[3],本项目可采用夹心外挂墙板的形式。根据本项目的特点,还可以采用外挂墙板+内保温(复合板形式)的形式,设计前对该两种构造形式进行了前期研究。利用清华斯维尔节能设计软件对各建筑单体建筑建模,并按表1和表2赋予模型不同的设计参数。夹芯外挂墙板的方案采用满足结构需求的钢筋混凝土最小厚度值进行节能核算,经变换参数验算,表1中数据均符合学生宿舍的保温隔热要求,且满足《建筑设计防火规范》[4]第6.7.3条规定:建筑外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体系时,保温材料两侧的墙体应采用不燃材料且厚度应≥50mm。表2为按外挂墙板+内保温系统进行节能计算时选取的不同厚度参数进行计算。计算结果表明:表2中参数均能满足建筑外墙保温隔热设计要求。同时对夹芯外挂墙板、外挂墙板+内保温系统2种做法进行了经济性对比,如表3所示。经上述比较分析,最终采用相对经济的外挂墙板+内保温(复合板)的保温做法。装配式混凝土建筑推荐采用保温隔热一体化的外围护系统,因此我国较多省区采用夹心保温外墙板的形式,但广东省属于夏热冬暖地区,采用这种保温形式并不能充分发挥其优势,因此很少采用。外挂墙板+内保温(复合板)的做法不足之处在于不能实现预制构件与保温隔热一体预制,内保温层需在预制外挂墙板安装后再施工安装。考虑到装配式建筑的施工特点,上层构件安装的同时,下面已安装好的楼层可以同步进行装修工作,弥补了该做法多道工序对建筑工期造成影响的不足。该做法同时可以减少现场湿作业,达到节能环保的要求。

3预制构件拆分设计

本工程中框架柱全为现浇,标准层外围框架梁和卫生间沉箱及周边部分梁、楼梯休息平台等为现浇外,标准层其他构件均为预制,主要采用的预制构件有钢筋桁架叠合板、叠合梁、预制外挂墙板、预制楼梯、全预制悬挑板、预制空调板等。标准层预制构件平面布置情况如图3所示。

3.1预制楼板拆分

预制底板的厚度,除要满足构件本身的受力要求外,还需根据构件生产、运输、吊装以及现场施工过程的荷载通过计算确定。本项目中装配式标准层的叠合楼板总厚度为130mm,预制层厚度取60mm。考虑建远构件厂内生产构件固定模台宽度为3.5m[5],可生产板类构件最大宽度为3.2m;考虑道路和运输车辆宽度限制,运输构件短边方向出筋宽度不得超过3.2m。因此根据本项目叠合楼板受力特点和在结构中所处位置,按单向叠合板和双向叠合板进行拆分。走廊部位楼板基本为单向板传力模式,因此按单向叠合板拆分(见图4a),拆分时,楼板沿非受力方向划分,预制底板采用分离式接缝,可在任意位置拼接;房间内板块尺寸过大,且楼板为双向板传力模式,因此按双向叠合板拆分(见图4b)。考虑拼接后楼板底部拼接缝的观感效应,房间内预制板之间采用整体式接缝,接缝位置设置在叠合板的次要受力方向上受力较小部位,预制板间预留300mm宽现浇带,两侧预制板外伸钢筋在现浇带中搭接连接。

3.2外挂墙板拆分

外挂墙板是装配式混凝土框架结构上的非承重外维护挂板,其拆分通常限于一个层高和一个开间,拆分设计时要考虑到构件生产、运输和吊装条件等因素的影响。外挂墙板拆分的同时还应根据建筑立面的特点,合理设置拼缝的位置,减少对建筑立面效果的影响。因此外挂墙板的拆分既要满足墙板的尺寸控制要求,又要符合建筑外观设计要求。本项目外挂墙板拆分时充分利用了建筑外立面凹凸线条的特点,有阳台的立面外墙巧妙地将拼缝隐藏于U型装饰假柱和空调板百叶窗内(见图5a)。由于层高为3.55m,西侧无阳台外墙若按开间拆分,墙板尺寸超出构件生产和运输尺寸的要求,且构件过重,与吊装设备不匹配,因此将一个开间的墙板拆分成3块(见图5b)。考虑到生产和运输问题,项目中的预制空调板与外挂墙板采用分开制作生产,现场组合拼装的方式,简化了生产和运输。

4预制构件连接节点设计

构件连接节点设计是装配式混凝土结构设计的重点内容,连接节点设计不但要考虑结构受力特性的要求,还要考虑构件安装时的可操作性,是保证建筑安全和质量以及工程进度的重要因素。

4.1梁柱连接节点设计

为减少梁柱节点区域内梁外伸钢筋数量,在本项目的施工图设计阶段已对梁配筋进行合并,并在满足梁端受力和《建筑抗震设计规范》[6]等相关规范要求的前提下,将梁第二排底筋在距两端一定距离处截断,减少外伸钢筋的数量,同时采用锚固板的设计,方便节点区钢筋避让和构件安装(见图6)。该节点连接形式基本等同于传统现浇结构连接节点,与采用套筒连接钢筋的延性连接节点[7]相比,节点区钢筋避让设计是深化设计的难点,设计时同时考虑了构件的吊装顺序和施工工艺等因素,才使得构件安装顺利进行。

4.2主次梁连接节点设计

本项目主、次梁存在50mm的高差,采用主梁预留后浇槽口的方式因槽口太薄容易开裂,因此采用图7所示的主次梁连接方式。这种连接方式缺点是次梁端部需预留现浇段,且考虑钢筋搭接长度要求预留现浇段长度较长,对于跨度不大的次梁减去现浇段长度后预制段长度可能所剩无几了。该节点连接属于梁柱强连接[7],梁端现浇段为大震作用下梁端生成塑性铰提供了变形空间,能够保证该结构的抗震性能。

4.3叠合楼板连接大样

本项目中钢筋桁架叠合板的支座连接节点参照国标图集《装配式混凝土结构连接节点构造》[8]的连接构造,如图8所示。对应于3.1中预制楼板的2种拆分形式,叠合板间拼缝采取图9中的分离式和整体式2种形式。

4.4外挂墙板支座节点设计

本项目中大部分外挂墙板底部有悬挑板支撑,上部与框架梁的支座连接主要起固定防倾覆作用(见图10),其下端直接坐落在悬挑板上。没有悬挑板支撑的外挂墙板上部设有线性支承式支座[9],支座钢筋锚入现浇框架梁内,承受墙体所有平面外荷载,下部设置限位件对墙板起竖向支撑和限制墙板平面外位移的作用(见图11)。

4.5外墙拼缝防水设计

防水设计是装配式混凝土建筑外墙设计的重要内容,也是实现建筑正常使用功能的重要保证。西侧外墙按建筑开间拆分构件尺寸较大,不符合构件生产和运输条件要求,且构件重量过大与塔吊性能不匹配。因此中间设置一条竖缝(见图5),为了防止墙体拼缝处渗水影响建筑正常使用,设计了一种新的外墙板中间拼缝大样如图12所示,拼缝外侧打防水胶,内侧预留现浇混凝土缺口,利用混凝土的自身防水特性进行二道防水保护。其他部位外墙接缝采用结构防水构造与材料防水相结合的形式:图13a中水平拼缝采用企口接缝,接缝两侧均设密封材料和密封胶双层防水材料[10];图13b中竖向拼缝采用外侧排水空腔及打胶,内侧依赖现浇部分混凝土自防水的内浇外挂的预制外墙防水构造[11]。

5建筑装配率计算

根据《装配式建筑评价标准》[12]的要求,装配式混凝土建筑应同时满足下列要求:①主体结构部分的评价分值不低于20分;②围护墙和内隔墙部分的评价分值不低于10分;③采用全装修;④装配率不低于50%。对照文献[12]中表4.0.1的评分项,以B01栋单体为例,各项指标计算结果如表4所示。根据文献[12]中公式(4.0.1)计算得到B01栋装配率为:从上述计算可得本项目中B01栋符合装配式建筑的评价要求。经同样方法复核,本项目其它单体同样满足装配式建筑的评价要求。6结语⑴对位于广东省的装配式混凝土建筑,南北向一般无需进行保温隔热设计,东西向须进行保温隔热设计。本项目经对比分析,采用外墙板+内保温的构造形式比采用夹心保温板方案经济合理。⑵预制构件的拆分设计要考虑构件生产、运输和吊装等各环节因素的要求,有助于节约成本和保证项目工期。⑶构件节点连接设计是装配式结构设计的关键,也是保证建筑质量的重要因素之一。节点设计时同样要考虑生产、运输和吊装等各环节的要求,特别是钢筋避让对构件安装难易起决定性作用,也是影响施工进度的因素之一。⑷装配率是评价装配式建筑的评价指标,经计算,本项目符合文献[12]中关于装配式建筑的评价要求。

参考文献

[1]夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准:JGJ75-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2]肖伟.加气混凝土围护墙体抗震性能试验研究[D].北京:北京建筑大学,2016.

[3]王迎.装配式剪力墙住宅外墙保温模式选择及适用性分析[J].住宅产业,2018(10):58-60.

[4]建筑设计防火规范(2018年版):GB50016-2014[S].北京:中国计划出版社,2018.

[5]杨思忠,任成传,刘兴华,等.装配式建筑预制构件厂设计与管理技术探讨[J].混凝土世界,2017(9),46-53.

[6]建筑抗震设计规范(2016年版):GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[7]周金,徐其功,李争鹏.装配整体式混凝土结构梁柱连接的探讨[J].四川建筑科学研究,2016,42(5):20-22.

[8]中国建筑标准设计研究院.装配式混凝土结构连接节点构造(2015年合订本):G310-1~2[Z].北京:中国计划出版社,2015.

[9]陈涛,李国强,田春雨,等.线支承式预制外挂墙板抗震性能试验研究[J].建筑科学,2014,30(3):53-58.

[10]陆长松,黄金.装配式建筑防水节点设计及施工要点[J].住宅与房地产,2018(23):36-43.

[11]张喆.预制装配式建筑外墙防水构造及施工要点[J].中华建筑,2015(4):120-121.

[12]装配式建筑评价标准:GB/T51129-2017[S].北京:中国

作者:毛娜 徐其功 单位:广东省建科建筑设计院有限公司

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