华南理工大学广州国际校区一期工程装配式结构设计与思考

华南理工大学广州国际校区一期工程中有8栋多层混凝土框架-抗震墙结构采用了装配式技术，预制构件包括预制柱、预制主梁、预制次梁、预制叠合板、预制卫生间沉箱、预制楼梯、预制阳台、预制非承重围护墙、预制内隔墙、预制梁墙一体构件以及局部预制剪力墙，装配率均达到 A 级装配式评价标准。以此工程为例阐述了装配式混凝土结构设计方法，包括拆分设计、构造设计、BIM 应用、施工中的优化设计等，并介绍了本工程应用的预制混凝土新型干法连接技术以及再生块体混凝土预制构件。

1、工程概况

华南理工大学广州国际校区( 简称国际校区)由教育部、广东省、广州市及华南理工大学四方共建，总用地面积为1105922㎡，拟建总建筑面积 140万㎡，其中地上建筑面积120万㎡，地下建筑面积20万㎡。为缩短工期尽快投入使用，项目采取分期建设的策略。一期工程总建筑面积达50万㎡，其中地上建筑面积40万㎡，采用由设计牵头的 EPC管理模式，设计施工并行。于2018年8月1日开始初步设计并同时进行基础施工图设计，第一批建筑于2019年7月10日交付使用，以满足9月开学的需要。

图1

根据《广东省人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑的实施意见》、《广州市人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑加快推进建筑产业现代化的实施意见》，国际校区一期工程需有至少12万㎡地上建筑面积的建筑采用装配式，且达到不低于A级装配式建筑评价标准。综合考虑建筑形体、建筑功能等条件后，国际校区采用装配式建筑的单体包括 B，C，E，S 共四个块的塔楼，建筑面积共计15. 2万㎡(图1) ，地上建筑面积13.8万㎡。其中 B，C，E 地块4栋塔楼使用功能为教研用房和实验室，B 地块医药医学研究院为13层，建筑高度61. 30m; C地块材料基因中心为15 层，建筑高度64. 40m; E地块岩土工程研究院为10 层，建筑高度 45. 90m，大数据研究院为15层，建筑高度70. 00m。S地块为4栋学生宿舍，S1-A1，S1-A2，S1-B1，S1-B2 分别为18，14，12，12 层，其建筑高度分别为 69. 60，54. 80，47. 40，47. 40m。

图2

采用装配式建筑技术的各栋塔楼的建筑效果图如图2所示，与旁边采用传统现浇方式的建筑相比，装配式建筑塔楼在保证装配率的基础上，也较好地保留了建筑的个性化立面和凹凸造型。

2、装配式结构专项设计

根据建筑方案，并结合装配式结构设计的基本概念，初步确定了结构布置和构件尺寸之后，开始考虑预制范围和与装配式技术相关的专项设计。

竖向构件

除了规范要求不采用预制的情况之外，竖向构件的预制范围在拟定中还遵循了如下几个原则:

1.核心筒和剪力墙采用现浇，除了C 地块塔楼顶部的部分剪力墙采用预制之外，其他所有核心筒、剪力墙均采用现浇;

2.中震组合下出现拉力的竖向构件采用现浇;

3.跃层柱采用现浇;

4.剪力和弯矩较大的角柱采用现浇;

5.因太重而超过塔吊能力的构件采用现浇。

在确定构件预制范围的过程中要经过反复尝试，比如在遇到构件因太重而超出吊装能力时，尝试提高塔吊起重能力、更改塔吊设置位置、提高混凝土强度等级以减小构件截面、缩短预制构件长度等方式。每次更改竖向构件预制范围后，就需要将同层现浇竖向构件在地震作用下的弯矩和剪力进行适当放大。

图3

竖向构件的连接方式主要为全套筒灌浆连接和半套筒灌浆连接。因套筒直径大于钢筋直径，为了保证箍筋的混凝土保护层厚度，与现浇柱相比，预制柱的纵筋保护层厚度较大，分析时也做了相应调整。

预制柱安装阶段的难点主要在于如何使下层柱的纵筋对准上层柱的套筒。对于转换层( 即下层为现浇柱，上层为预制柱) 节点，通常难以保证下层现浇柱纵筋的位置都能准确对准上层套筒，故一般采用在现浇柱纵筋之外增设插筋，同时上方加设两道定位板( 图3) 。

图4

竖向构件的预制工艺对安装是否便利的影响很大，举一例说明，如图4所示。

图4( a) 为套筒外接管道采用波纹管，所有波纹管口都从柱的两相邻边伸出，该方式对于构件厂很方便;

图4( b) 为套筒外接管道采用PVC 管，管口从就近的柱边伸出，在构件生产过程中封闭模板时相对麻烦。但安装时明显采用图4( b) 的方式更好，不仅节省灌浆料，而且不易堵管。

图5

C 地块塔楼顶部的部分剪力墙为预制形式，连接方式采用了华南理工大学韦宏研究员与王帆教授研究团队提出的“基于钢结构连接方式的预制混凝土新型连接技术”。以剪力墙水平拼缝连接为例，其三维构造示意图如图5所示。

预制剪力墙在安装时采用型钢高强螺栓连接，可以满足构件在施工安装时的承载力和稳定性要求。在暗柱和水平缝连接处理时，将水平后加钢筋插入从预制构件伸出的环筋中，再后浇混凝土。

图5( a) 为上下预制剪力墙分离示意，未安装后加钢筋，图5( b) 为已安装水平及竖向后加钢筋。基于钢结构连接方式的预制混凝土新型连接技术的优点在于钢结构连接质量可检测，且施工阶段无需斜撑，方便后续装修施工。

水平构件

除了规范要求不采用预制的情况之外，水平构件的预制范围在拟定中还遵循了如下原则:

1.悬挑构件尽可能采用现浇;

2.核心筒内部及周边板采用现浇;

图6

3.本项目除S地块学生宿舍的卫生间地板采用预制沉箱外( 图6) ，其他教研用房及实验室的卫生间地板均为现浇;

4.现浇剪力墙侧面相邻的楼梯采用现浇;

5.要求有较厚楼板的特殊功能实验室采用现浇;

6.尺寸规格不多的构件采用现浇。

图7

设计过程发现如下情况对预制构件安装的影响较大。

1.预制构件的钢筋碰撞问题

根据结构设计图，创建节点钢筋模型，可以检查预制构件的钢筋碰撞问题( 图7) 。预制柱顶标高由截面最高的主梁控制，其他截面稍小的主梁不一定能搭在柱侧，在这一步与施工方和深化设计师共同探讨柱顶工具式支架如何设置。目前的技术瓶颈在于建立钢筋三维模型耗时较多，如果这方面更加智能化，则能显著提高钢筋构造设计的效率。

2.后浇混凝土区域的钢筋安装问题

装配式混凝土建筑工地现场安装工种除了预制构件安装工外，一般还有钢筋工、木工、搭内架工和混凝土工，其中钢筋工的安装量虽然比传统现浇工程少，但由于后浇区域空间狭小，故实际上钢筋工现场插筋、穿筋安装困难较多。设计期间和施工安装期间，设计团队与施工方、构件厂配合，不断优化构件设计及安装工法。

图8

图8举例说明在后浇混凝土区域安装钢筋时可能遇到的问题。左图中箍筋弯钩设在后浇区会影响设置面筋，右图中面筋穿筋困难，因此应提前装在梁面以避免后续穿筋困难。

图9

图10

3.主次梁相交节点

大部分次梁为铰接，采用钢企口连接方式。图9( a) 为已生产的构件端部节点，图9( b) 为钢企口标准大样。边梁或者相邻洞口的次梁扭矩较大，楼板结构中还有部分连续次梁的扭矩也较大，采用如图10所示的端节点连接方式。

图11

4.装配式楼板

目前装配式混凝土工程大量采用叠合板，应用时需注意桁架上弦筋与混凝土面之间的净空应保证方便穿过线管，因构件厂对混凝土流动性要求不高，所以在模台上振捣时多余的混凝土不易泄出，造成混凝土板厚超过设计值( 图 11) 。

因叠合板混凝土养护时间短，应注意运输期间的颠簸或者现场堆叠层数过高造成的开裂问题。对叠合板拼缝的处理尚需进一步研究。板厚较大造成结构自重较大，使叠合板的应用受到质疑，如现浇板厚 110-120mm时，叠合板厚为预制65mm+现浇75mm，叠合板厚超过现浇板厚的16%-27%，造成梁、柱、基础也进一步增大，建造成本增加。

新材料应用

本项目 C 地块的部分叠合板和预制主、次梁采用了再生块体混凝土，旧混凝土来源于构件厂废弃的产品，破碎成设计直径的块体后，按设计比例与新混凝土拌和使用。本项目叠合板所用旧混凝土块体直径为70-100mm，预制梁用旧混凝土块体直径为 100-150mm。

将再生块体混凝土应用于现浇混凝土结构时，替代率( 再生块体体积占构件总体积之百分比) 为30%-40%，本项目预制构件的再生块体替代率为 20%。

图12

图 12( a) 为在构件厂模台上生产的再生块体混凝土叠合板底板，图 12( b) 为构件厂下料振捣中的再生块体混凝土梁。

图13

图13为7d龄期混凝土叠合板底板承载力对比试验。试验结果显示:7d 龄期混凝土叠合板底板试件的承载力和刚度明显优于同龄期的全新混凝土试件。

分析原因主要有如下三点:

1.7d龄期时，再生块体混凝土强度大于全新混凝土;

2.由于突出板面块体的阻挡，模台上振捣时，多余的混凝土不易从板边泄出，造成再生块体底板中部的实际厚度大于全新混凝土，这是产业化生产的客观现象;

3.突出板面再生块体的存在增大了混凝土受压区面积，相当于进一步增加了板厚。

拆分图及装配率

装配式建筑中，最终的拆分设计图中囊括了前期设计师考虑的内容，如结构布置的合理性、构件规格的统一性问题，构件接缝位置的选择，如何兼顾建筑造型以及预制构件生产、运输和吊装问题等。图14为本项目实验楼结构平面拆分布置图。

图14

在 BIM 模型的协助下计算装配率，根据《装配式建筑评价标准》(GB/T51129—2017)，本项目采用装配式技术的8栋塔楼的装配率均达到A级评价标准( 表1，2)。

3、安装进度

采用由设计牵头的EPC管理模式，设计施工并行，这在本项目推进速度方面体现出明显的效果，8栋装配式建筑工期也没有滞后。图15为航拍宿舍地块施工场景，4栋采用装配式技术的塔楼标准层建筑面积约800-1200㎡。从2018年12月底地下室顶板完成后，装配速度越来越快，最后达到4.5d/层，于 2019年4月16日结构封顶。