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深度分析住宅产业化相关技术

2018-08-08来源:精益建筑

一、工业化建筑的结构体系

1.装配式大板建筑体系

由预制的大型内外墙板、楼板和屋面板等板材装配而成,又称大板建筑。它是工业化体系建筑中全装配式建筑的主要类型。板材建筑的内墙板多为钢筋混凝土的实心板或空心板;外墙板多为带有保温层的钢筋混凝土复合板,也可用轻骨料混凝土、泡沫混凝土或大孔混凝土等制成带有外饰面的墙板。建筑内的设备常采用集中的室内管道配件或盒式卫生间等,以提高装配化的程度。

1-外综墙板;2-外横墙板;3-楼板;4-内横墙板;5-纵横墙板;6-楼梯

图:装配式大板建筑示意图

大板建筑的关键问题是节点设计,在防水构造上要妥善解决外墙板接缝的防水,以及楼缝、角部的热工处理等问题。在结构上应保证构件连接的整体性,板材之间的连接方法主要有焊接、螺栓连接和后浇混凝土整体连接。

焊接又称为“整体式连接”,是靠构件上预留的铁件,通过连接钢板或钢筋焊接而成。

螺栓连接是一种装配式接头,它是靠制作时预埋的铁件用螺栓连接而成。这种接头对于变形不太适应,常用于围护结构的墙板与承重墙板的连接。同时,对接头要求精度高,位置准确。

混凝土整体连接又叫“装配整体式连接”,是利用构件与附加钢筋互相连接在一起,然后浇注高强度混凝土,它是一种湿接头。



2.装配式框架建筑体系

按照装配程度划分,将预制装配式框架结构体系分为全预制装配式框架结构体系和半预制装配式框架结构体系。

全预制装配式框架结构中几乎所有主体构件都是预制的,预制柱、预制梁、预制保温墙板、预制叠合楼板等通过合理的节点连接处理连接成整体。

预制装配式框架结构只有部分构件是预制的,如柱子采用现浇方式,梁板采用预制叠合梁和叠合板。

装配式框架结构体系的难点是柱与柱,柱与梁节点处理,严格处理连接节点以满足受力要求及抗震需要。其设计原则为“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“节点更强”。其间连接有柱-柱连接、柱-梁连接、梁-梁连接和柱-基连接。柱-基连接技术已经成熟,以下主要讨论其它三种连接。除了常用的干连接如牛腿连接、榫式连接、钢板连接、焊接连接、企口连接、机械套筒连接外,常用的湿连接方式包括:

(1)预制柱与预制梁垂直结合,采用套筒连接,下柱钢筋穿过梁预留孔道(灌浆)再穿入上柱中的预埋钢套筒或波纹管,并通过灌浆连接成整体。

图:预制柱与预制梁垂直结合方式示意图

(2)梁采用预制叠合梁,柱子可以现浇也可以预制,在梁柱节点的核心布置钢筋,预制梁钢筋底部带弯钩锚入柱内通过钢筋连接作用共同工作。

图:梁柱节点构件

(3)万科试验楼采用的一种全预制装配式框架结构,采用预制的三维梁柱节点(如下左图),预制柱、叠合梁。柱与柱通过冷挤压套筒连接(如下右图),现场后浇混凝土。

梁上布置钢筋梁底部配筋带弯钩,浇筑混凝土填充,梁与梁的连接如下图。

图:梁-梁连接

3.钢结构建筑体系

钢结构住宅体系是指以钢材为主要承重构件,以新型轻质墙体材料作为围护及分隔构件的住宅建筑体系。以建筑类型划分可分为低层别墅、多层及高层公寓,低层别墅以冷弯薄壁型钢为承重构件,在西方发达国家应用较广,且有成熟的技术支持,但由于我国具体国情的制约,别墅类建筑不可能成为我国住宅消费的主要对象。钢结构住宅结构体系包含了以钢结构构件为主的各承重构件,构成了钢结构住宅体系建筑的基础。

(1)钢框架体系和钢框架

当框架体系层数较多时,由于侧向作用力的增大,为减小梁柱等构件尺寸,增设支撑,形成框架支撑体系。钢框架核芯筒体系是由外部的钢框架和混凝土剪力墙(核芯筒)构成。钢结构在工厂制作,现场安装,易于工厂规模生产和标准化、系列化。

(2)轻钢轻板结构住宅体系

按照结构形式不同主要有框架结构和框架支撑结构等。采用的钢材主要有热轧或焊接H型钢、冷弯型钢、T型钢、焊接或无焊缝钢管(圆形或方形)及其组合构件等。围护结构大都采用与钢结构体系配套的具有保温、隔热、节能性能的轻质墙体(板材)。设计标准定型,组合灵活多样。构件制作为工厂化生产,加工精度高、质量好。工业化程度高,施工速度快,施工周期约为传统结构的1/3。运输组装简便,对起重设备要求不高。结构构件尺寸相对较小,所有管线可暗埋在墙体及楼板结构中。可采用开间布置,使建筑面积能够合理分隔,灵活使用,由于减少结构面积而增加使用面积约8%。楼盖主要采用的体系:由压型钢板和混凝土构成的组合楼盖,预制、现浇或叠合式混凝土楼盖,轻钢桁架上铺板或上设压型钢板混凝土组合楼面。

(3)轻钢龙骨(冷弯薄壁型钢)体系

由于构件全部采用工厂化规模生产,构件模块化,现场组装用螺钉连接,建造速度快捷,现场干作业清洁施工,无建筑垃圾,环境污染很少;由于采用超级防腐镀锌钢龙骨,耐久性高;所用材料主要是绿色可循环再生或易降解材料,再加上集成环保节能技术,保温隔热性能好,因此,轻钢龙骨体系是一种高效节能型绿色建筑结构体系。这种体系只能适用于3层以下的低层建筑,限制了其发展空间。但需注意的是,近年来轻钢龙骨体系有由低层向多层发展的趋势,如美国有下部几层采用钢筋混凝土框架作为车库,上部几层采用镀锌轻钢龙骨建造住宅的做法。此外需引起注意的是,国内轻钢龙骨生产能力很大,其生产设备和原材料供应都很成熟。

(4)空间错列桁架结构体系

在这种体系中,整层高的桁架横向跨越建筑两外柱之间的空间,在建筑平面上只有横向的外柱而没有内柱,以实现较大的空间,居住单元所要求的灵活性可用安排桁架交替在各楼层的平面上错列的方法达到。楼板体系的作用有如在短向传递侧向荷载到桁架上去的隔板。侧向荷载由桁架斜杆抵抗并转换为柱的直接荷载,用轴向受力来承受重力荷载和侧向受力,结构刚度大,材料利用很充分,错列桁架的用钢量与常用的抗弯连接相比可减少30%-40%,因此比较经济。此外,楼板的跨度仅为一个桁架上弦到相邻桁架下弦的距离,同具有相同内部开间的其它结构相比,楼板跨度减小,从而可以减小楼板的厚度,整体上降低了结构高度。桁架跨度按合理的跨高比确定,可大于20米。这种体系的缺点:对建筑要求规整,桁架跨度不能太小。这种体系适用层数通常为15-20层,低于35-40层。

4.轻型木结构体系

轻型木结构在世界上不少国家地区的住宅以及商业和工业项目中获得了广泛地应用。单在北美,约有85%的多层住宅和95%的低层住宅采用轻型木结构体系。此外,还有约50%的低层商业建筑和公共建筑,如餐馆,学校,教堂,商店和办公楼等,都采用这种结构体系。

轻型木结构体系,是将小截面构件按一定的间距等距离平行排列形成框架,然后在框架外根据受力需要,包上结构面板,形成建筑物的墙体,楼盖和屋盖等基本构件。整个结构体系就是由这些墙体,楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。作为一种高次超静定的结构体系,轻型木结构的结构强度通过主要结构构件(框架)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)的共同作用得到。

图:轻型木结构体系示意图

轻型木结构体系基础施工要点:木材重量轻,约为砖混结构的1/5,可以根据不同的地质条件选用不同类型的基础,一般采用条形基础加底部整板或条形基础加上部整板(如下图)两种形式。

图:基础施工剖面图

轻型木结构体系墙体施工要点:轻型木墙体系统构成(如下图所示)。轻型木构件作为所有覆盖材料的受钉底层,并且同时支撑上面楼层、天花板和屋顶。墙体内腔为保温层和管网提供空间。外墙板与楼板、墙龙骨的牢固连接使房屋形成一个整体,具有良好的抗风、抗震能力。

图:墙体骨架示意图

搁栅及楼板施工要点:轻型木楼板系统是由基木、横梁、梁、搁栅及OSB板组成。其优势在于:独立于墙体而组装的楼板系统提供了一个平台或工作表面,人们可在其上组装及建造墙壁和隔墙。由于墙骨柱只有一层楼高,所以墙体可以很容易地在其它地方预制,或在楼面底板上装配。作为墙体框架组成部分的底板和顶板,在楼板及天花板处起到挡火条的作用,并且为墙覆面板和内部装修提供受钉支撑。

屋面施工要点:屋面系统由屋面板、屋檐保护层、屋顶覆盖层组成。屋面板置于屋顶桁架或椽木之上,通常由胶合板、定向刨花板、结构木基板材或锯材组成。屋面板为屋顶覆盖层(沥青屋面板)提供了一个受钉底层,并且侧向支撑屋顶框架,有良好的抗风、抗震性能。屋顶覆盖层应提供一个长久的防水装修面,使建筑物及其物件免受雨雪之害。屋盖覆板构成如下图所示。

图:屋盖覆板示意图

5.盒子建筑

盒子结构体系是指在工厂中将房间的墙体与楼板连在一起制成箱型预制整体,同时完成其内部部分或全部设备门窗、卫浴、厨房、电器、暖通的安装及墙面装修等工作,运至现场施工后,直接组装在一起,或与其他预制构件及现浇结构相结合,建成的房屋的体系。


图:盒子建筑示意图

盒子建筑的结构体系分为两种:无骨架体系和骨架体系。

无骨架体系(如左下图):一般由钢筋混凝土制作,目前最常用采用整体浇成型的方法,可以使其刚度特别大。适合低层、多层和小于等于18层的高层建筑。

骨架体系(如右下图):通常用钢、铝、木材、钢筋混凝土作为骨架,用轻型板材围合形成盒子。

6.集装箱房屋

集装箱房又称集装箱活动房,是指主要以集装箱为基础材料,经过改造而成为有门有窗的简易居所。此类集装箱房常见建筑工地为工人的宿舍使用,也有人当做出租房使用。

图:集装箱房屋示意图

集装箱房屋按其结构组成可分为三类,第一类是传统货柜箱改造的集装箱房;第二类是全新焊接箱式活动房;第三类是可拆装箱式活动房。

第一类用传统货柜箱改造成的集装箱房,是对废弃货柜集装箱的再次利用,特点是非常坚固,可以承受较大的压力。

图:货柜箱式

第二类全新焊接式活动房就是近几年流行的住人集装箱,由于它的技术接近第一类货柜集装箱,因此也称之为集装箱活动房,这种集装箱房技术标准低于货柜集装箱,特点是运输、安装、移动方便,而且成本较低,寿命在十几年以上,投资回报率较高,使用的范围比较广。

图:焊接箱式

第二类全新焊接式活动房就是近几年流行的住人集装箱,由于它的技术接近第一类货柜集装箱,因此也称之为集装箱活动房,这种集装箱房技术标准低于货柜集装箱,特点是运输、安装、移动方便,而且成本较低,寿命在十几年以上,投资回报率较高,使用的范围比较广。

图:拆装箱式

二、住宅产业化建筑设计技术

1.模拟化设计

为了保证设计和生产的标准化,建筑设计必须符合一定的模数规则。目前最实用的模数规则为:

开间和进深尺寸按照3m模数,模数进级为3m,偶尔使用1m和1.5m的非标模数;层高采用1M模数,模数进级为1M;墙体厚度采用0.3M,进级为0.3M;非承重内隔墙厚度较薄时允许采用75mm、90mm、100mm,个别宽度小于1000mm的局部次要隔墙可以采用60mm厚度,空心墙体厚度不小于90mm。

为了使构件生产标准化,应采用一定的模数规则,提高模具的通用性,以降低生产成本。构件尺寸一般按照以下模数规则:

柱截面尺寸推荐采用3M、1.5M相配合,有时也采用1M等非标准模数,柱子高度按照层高尺寸,预制梁截面宽度一般采用5M模数及模数进级,预制梁高度一般采用1M模数,对于叠合梁的高度应该与预制厂进行协调,保证梁、墙、楼板尺寸吻合,预制梁的长度一般采用3M模数,以提高专用模板的利用率,方便现场施工。预制墙体长度采用3M模数,允许采用1.5M模数进行调整;预制墙体高度采用“层高-楼板厚度”或者“层高-梁高”为标志尺寸,后安装内隔墙的尺寸应与生产厂配合,确定凸凹槽尺寸和形式;楼梯根据层高按照国家标准设计尺寸;全预制楼板厚度一般采用0.1M模数,厚度以“短跨/30”左右为宜,相邻房间板厚应尽量一致,通过调节配筋大小分别满足承载力要求,当相邻板块厚度不同或地面标高不相等时,应对该节点进行专门的设计,预制叠合楼板厚度一般为设计板厚的50%,长度采用“梁墙净距+30”,这样楼板在预制梁墙上的安装搭接为15mm,板宽度一般采用1000mm、1200mm、1500mm、1800mm、2400mm,一个房间只允许采用一块非标宽度的楼板。

2.BIM信息技术

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的简称,是由美国乔治亚理工学院建筑与计算机专业的Chuck Eastman博士于30年前提出的。要实现对基于BIM的工业化建筑全寿命信息化管理,首先需要进行信息分类存储。

在建筑信息模型中,构件不仅具有几何属性,还具有一些非几何属性,如材料的耐火等级,材料的传热系数,构件的造价,采购信息、重量、受力状况等等。构件的参数有3D描述参数、空间位置参数、物理量参数、标识参数、材质参数、受力分析模型等,以数据库的形式储存的,可以贯穿于整个项目周期。建筑的空间关系、构件的几何信息、构件的材料信息、构件的荷载信息、甚至包括构件的材料供应商信息等,不同的参与方能够方便的从中提取自己所需的信息,这种设计理念和传统的二维设计有了本质的不同。

图:BIM 全程可视化设计

BIM在住宅产业化中的应用可以贯穿预制装配式住宅的设计、深化设计、构件生产、构件物流运输、现场施工以及物业管理等建筑的全生命周期。

在设计阶段,可以利用BIM建立了三维设计模型,各专业设计之间可以共享三维设计模型数据,进行专业协同、碰撞检查,避免数据重复录入。直接进行建筑、结构、设备等各专业设计,部分专业的二维设计图纸可以从三维设计模型自动生成。可以将三维设计模型的数据导入到各种分析软件,例如能耗分析、日照分析、风环境分析等软件中,快速地进行各种分析和模拟,还可以快速计算工程量并进一步进行工程成本的预测。

图:用BIM软件建立的具有钢筋级精确程度的构件模型

在施工中,BIM可以用于施工投标(科技支撑发展、服务经营,提升中标率),施工准备(施工组织方案模拟与优化、碰撞检查、可视化交底等),施工过程(4D、5D、质量、安全等,间接效益良好),施工管理(BIM与ERP融合,高级应用)。

图:用BIM软件建立机电施工

3.深化设计

深化设计是工业化项目实施的关键环节,深化设计时要综合考虑各专业需求,将其转换为实际操作图纸。深化设计应该满足功能需求、生产需求及施工需求,并应向结构、建筑、设备、电气多功能集于一体方向发展。

目前的深化设计是设计院做出PC构件设计方案后交由构件厂深化设计人员,再由项目各参与方将需求传递给深化设计人员,深化设计人员再结合构件自身的生产工艺需求完成深化设计任务。

深化设计过程中涉及多专业交叉、协同的问题,所以深化设计应由各专业施工经验丰富的施工总承包单位来完成。在设计前施工总承包单位集合各专业需求,这样容易发现是否存在共性和冲突,深化设计集合度高。施工总承包单位对各专业需求集成处理及简化后,直接将各需求转换成一系列简单的符号再将综合需求传递给构件厂,最后构件厂根据构件自身生产工艺需求结合其它需求再集中反映于深化图纸中,并过程中要与施工总承包方相互协调,尽可能集合各专业需求的共性,实现一埋多用。在深化设计图完成后,由总承包商召集构件生产各参与方进行图纸会审。

图:深化设计流程

PC墙板功能设计为了实现PC外墙建筑装修-保温-结构一体化,采用外墙内保温方案,其构造从外至内:保护层+保温层+结构层。这三层构造是通过具有良好阻热性能的纤维连接件连成一个整体,保温层与结构具有相同的寿命,不会出现热桥,保温隔热效果良好。传统的施工外墙保温施工方法相对复杂得多,延长了施工周期,而且保温材料的寿命短。PC外墙的保温只需在浇筑混凝土时将保温板放置在内,具有施工简便、防火性好和保温材料寿命长的优点。

由于采用PC外墙板,没有了砖墙,杜绝了由于砖墙与混凝土的热膨胀系数不同而导致相接处开裂渗水的现象。但是较多的墙板相接又容易出现墙板处接缝渗水的问题,所以为了保证PC外墙建筑的工程质量,节点防水的构造处理非常重要。PC外墙板之间的接缝可分为水平缝和垂直缝。

(1)水平缝防水效果比较好的方案

采用高低缝构造防水方案

通过上下两块墙板相互咬口形成高低缝,在下块墙板外侧顶部设有泄水坡,内侧设有一定高度的“挡水边坎”。墙板接缝形成的水平空腔能切断接缝的毛细管通路避免雨水侵入水平缝内,即便由于风压力使雨水渗入,也不能突破边坎渗入空腔内。在下块墙板外侧顶部设置滴水线和水平缝外部采用防水水泥砂浆勾缝能增强防水效果。这种防水方案的优点是经济、耐久、防水效果很好,便于施工。缺点是墙板外形复杂,在施工时墙边和墙角突出部分容易损坏。

图:高低缝构造防水方案

采用企口缝构造防水方案

采用企口缝构造防水是上下墙板预留企口相接形成企口缝,企口中间设置空腔,外墙板前端水平缝处用防水水泥砂浆勾抹,并留排水孔。在外墙板内侧水平缝处嵌入了保温效果良好的聚苯乙烯泡沫塑料板能避免结露。这种防水方案具有良好的防水和保温效果,但是承压面比较小,设计上存在一定困难。

图:企口缝构造防水方案

(2)垂直缝防水效果比较好的方案

单槽立缝空腔防水方案

在空腔前端立槽间嵌入塑料挡水板,其本身的弹性所产生的横向推力能使其牢固地嵌在凹槽内。在垂直缝最外侧勾抹水泥砂浆,既能能防水又能防止塑料挡水板老化降低排水功能。在挡水板后面设置凹槽能将阻止雨水进入空腔,具有第二道防水的作用。在凹槽内侧设置聚苯乙烯泡沫塑料板能避免结露,达到良好的保温功能。采用这种方案空腔壁进深尺寸要大,这样导致现浇结构面积较小,结构的整体强度受到影响容易导致变形使得防水构造失效,而且施工比较困难。

图:单槽立缝空腔防水方案

双槽立缝空腔防水方案

为了更加保险,可以在单槽立缝空腔防水方案的基础上设置两道凹槽,并在第二道凹槽内设置特殊的挡水板,能有效提高防水效果。

图:双槽立缝空腔防水方案

(3)新型的空腔构造防水方案

水平缝处防水方案:在PC外墙拼缝外侧采用防水砂浆嵌缝及弹塑性和耐老化性良好的高分子密封胶嵌缝,能防止风压力作用导致雨水沿接缝渗透入室内;PC外墙板上下端采用Z型企口,形成内高外低的反槛构造(高低差40mm,万一墙体变形和密封胶老化开裂,反槛构造能够有效防止雨水进入,也起到防止外部湿气和冷空气进入的作用;在墙板内侧拼缝处放置密封胶和密封条能防止湿气和冷空气进入室内。PC外墙板内墙面处设计有水槽,万一密封胶裂了以后,水滴会进入PC外墙的空腔,先进入横向水槽,然后沿着竖向水槽流下,顶层女儿墙设透气管与大气连通能使空腔内外压力平衡,沿着每三层设计一个小排水管引出空腔内积水。

图:排水管设计方案

PC外墙的垂直缝均在现浇柱处,现浇混凝土本身具有良好的防水效果。垂直缝防水构造方案:在PC外墙板两侧预留企口,形成竖向空腔构造排水,在竖向拼缝外侧勾抹防水水泥砂浆和用密封胶封口,再设置橡胶衬条能有效防止雨水进入。在PC外墙内侧面设置干式水泥砂浆嵌缝,既可起到防水作用,又能防止现场浇筑时混凝土进入空腔内堵塞空腔影响防水效果。实践证明,PC外墙结构在合理布置节点时采用这种防水构造方法可以达到很好的防水效果。

图:垂直缝防水方案