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砼木混合结构体系(PEC)的构造形式和应用优势

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装配式砼木混合结构(PEC)是集成装配式混凝土结构和装配式木结构材料的优势、协同作用形成的新型建筑体系,其以预制混凝土构件和预制非承重木骨架组合墙体实现建筑的多项功能。介绍上海电气研砼建筑科技集团2个项目的研发背景、砼木混合结构(PEC)的构造形式和在装配率、节能、低碳、经济效益等方面的优势,可对绿色建筑的发展起到借鉴作用。


工程概况


上海电气研砼常州研发基地实验楼建筑面积170㎡,主体采用预制混凝土框架结构,围护结构为木骨架组合墙体。其中,混凝土框架结构的预制构件有梁、柱、叠合楼板、楼梯;建筑围护系统(即外墙)和内隔墙均采用木骨架组合墙体。除梁柱节点和叠合楼板整浇层外,其余构件均在工厂内预制。


按上海市预制装配率计算细则计算,其预制装配率达92.7%(其中单体预制率67.7%,部品装配率23%,其他工业化技术装配率2%)。由于该实验楼工程初步研发成功,上海电气研砼科技集团及加拿大木业协会决定在上海电气研砼泰州基地进行商业性应用和结构体系的二次研发,使其各项性能指标更加完善。


泰兴研发中心设计目标为:


1.在施工过程中免去预制混凝土模板;


2.达到GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》规定的能耗指标;


3.实现工业化生产、装配化施工的建筑模式。


图1 泰兴研发中心(效果图)


上海电气研砼江苏省设计、研发和培训中心(图 1)位于江苏省泰兴市六圩港附近,该地区按GB 50352—2005《民用建筑设计通则》属于夏热冬冷地区。建筑面积2330㎡,建筑高度9.35m,占地面积1185㎡,首层4.2m,2 层4.0m。为国内首个落地的商业性装配整体式混凝土框架结构– 预制非承重木骨架组合外墙混合结构体系项目。


结构形式


主体结构


本工程主体结构采用装配整体式框架结构体系。轴网设计为标准跨度9m,进深8m,无预制次梁,可减少楼板切割;预制预应力空心叠合楼板宽均为1.2m,跨度9m;预制柱均采用600mm×600mm标准方形柱,以减少模具种类。本工程采用预制柱、叠合梁、预制预应力空心叠合楼板、预制楼梯等工业化生产的建筑部件,预制率约为70%,装配率约为85%。


外围护结构


本工程外围护结构采用木骨架组合墙体。木骨架组合墙体是由耐火石膏板+木龙骨(内填保温棉)+外装饰面材料组成的轻质墙体材料(图2),符合现阶段中高端住宅、办公楼等建筑的使用需求。


图2 木骨架墙体拆分示意


(a)构造1;(b)构造2


本工程主体采用装配式混凝土结构,外围护非承重墙采用木骨架组合墙体,图3为预制混凝土构件与木骨架墙体的组合示意。


图3 预制混凝土构件与木骨架墙体的组合示意


混凝土木混合结构的基本构造与连接方式


预制混凝土构件的构造和连接


本工程下层现浇柱与上层预制柱之间通过全灌浆套筒连接,下层现浇柱钢筋绑扎时,将其位置依照深化设计给出的具体尺寸布置(图4)。上层预制柱在工厂加工时,按深化设计的尺寸定位,最后在现场吊装和灌浆。具体做法按G310-1~2《装配式混凝土结构连接节点构造图集》施工。


图4 现浇柱与预制柱连接节点示意


预制梁柱连接分中间层和顶层连接2种方式,其主要区别在于预制柱钢筋的锚固形式,中间层预制柱通过灌浆套筒连接,顶层柱采用锚固端板形式连接(图5)。


图5 预制梁柱连接做法示意


(a)中间层中间节点;(b)顶层节点


预制预应力空心楼板侧边与预制梁的连接构造如图6所示,通过上部现浇混凝土将建筑结构体系形成整体。预制预应力空心楼板端部与预制梁的连接构造如图7所示,预制梁采用花篮梁形式,采用这种处理方式的目的是节省板端的临时支撑设施。


图6 预制预应力空心楼板侧边与预制梁的连接构造示意


图7 预制预应力空心楼板端部与预制梁的连接构造示意


木骨架组合墙体构造和连接方式


采用木骨架组合墙体作为建筑外围护系统,其构造(由内至外)为:15mm 厚耐火石膏板→SPF木龙骨(38mm×140mm),内填玻璃棉(A1 级)→9.5mm 厚OSB板→防水透气膜→顺水条→ 10mm厚水泥板。墙体总厚度190mm。


木骨架组合墙体由木骨架承受自身的竖向荷载和各种水平荷载,通过连接件将荷载传递到主体结构,作为混凝土框架结构中的非承重墙体。


木骨架墙体之间通过滑动卡扣(图8)进行连接,此种连接方式在施工现场操作便捷、安装迅速,体现了装配式建筑的基本理念与特征。


图8 木骨架组合墙体连接示意


木骨架墙体与主体混凝土结构的连接


木骨架组合墙体与主体混凝土结构采用上下边连接,通过连接件连接木骨架组合墙体与主体混凝土楼板。该连接件不仅连接木骨架组合墙体和混凝土楼板,还可充当现浇层的模板。在混凝土叠合梁、板就位后即可安装连接件与木挡块并浇筑楼板。因浇筑完成后无需取出木挡块,可减少模板用量与施工工序,提高效率。在连接件外侧附上外保温、层级防水层等,可确保外围护系统的整体性、气密性并避免产生冷桥。


连接件与混凝土采用化学螺栓连接,连接件与木墙体采用木螺钉连接,施工快捷且质量可靠。


装配式混凝土木混合结构体系(PEC)的优势


工业化生产方式


1.将生产、安装、外饰、内装需求前置到设计阶段,根据图纸将墙体拆分成标准件,除极少数非标准件及零件外,所有构件均在工厂整体预制,现场安装,可减少现场切割、装修作业量。


2.有助于对建筑部件的质量控制和提升施工现场的洁净度。


3.预制构件在工厂加工不影响现场工期,可根据不同的天气条件调整车间设备,使室内工作环境舒适(图9)。


图9 木骨架墙体加工环境


装配化安装方式


1.主体与墙体同步安装,利用外围护墙体做现浇楼板的外边模板,可减少模板用量,节省模板支拆时间,降低施工成本。


2.预制构件从工厂运至现场后堆放到现场划设的堆场。堆场存放1.5 层的构件存货量,以方便安装调度。


3.预制构件的安装时间比湿作业(钢筋绑扎等)的时间消耗小,可节省工期。预制构件安装班组设置2~3人即可,可减少现场用工量。常州实验楼项目施工周期分5个阶段,总历时56d,其中主体结构及外围护系统施工仅用12d,预制木骨架组合墙体吊装仅用2h/ 层。5个阶段为:基础施工→主体结构及外围护系统(预制木骨架组合墙体)施工→屋面工程施工→外墙装饰及玻璃幕墙施工→内装施工。


本体系与传统现浇框架结合砌块体系施工周期比较见表1。



采用预制木骨架组合墙体施工周期为2d,而采用传统的砌块墙体施工周期为6d。


本工程施工采用活动脚手架,可减少固定脚手架占用的空间,提高施工灵活度;取消传统的内排架模式采用独立支撑,可减少钢管排架用量。施工过程如图10所示。



图10 装配式混凝土木结构体系施工过程


(a)1 层墙体调平,连接件安装,叠合板现浇段支模;(b)1 层叠合板现浇段浇筑;(c)2 层预制混凝土梁柱及叠合板吊装;(d)2 层预制木骨架外墙吊装;(e)2 层墙体调平,连接件安装;(f)屋面叠合板现浇段浇筑


节能性能


1.材料传热系数低


木结构的传热系数比混凝土和钢结构低。混凝土的传热系数是木材的12倍,钢材的传热系数是木材的410倍,蒸压轻质加气混凝土的传热系数是木材的1.5倍,砌砖体的传热系数是木材的4.2 倍。


2.木骨架组合墙体气密性高


木骨架组合墙体中的防水透气膜又称呼吸纸,是具有防水透气性能的油纸或薄膜,可防止雨水从外侧渗透到木骨架墙体中。该防水层材料具有蒸气透过性,可使施工或使用阶段受潮的内部木材水分向外散发,保持木材干燥,延长使用寿命。


呼吸纸包裹整个建筑外墙,是保证建筑气密性的重要环节,使用呼吸纸可使建筑的换气次数指标N50达到1.5,满足我国GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的要求。


3.墙体构件保温性能


通过组合构造,组合石膏板、墙骨柱、保温棉、墙面板、防水透气膜、顺水条、饰面板、饰面材料等材料组合,综合考虑门窗处的热桥和冷桥,使用计算软件PTemp 得出预制木骨架组合墙体的平均传热系数为0.41W/(m2·K),比砌砖体的传热系数小。采用我国节能计算软件PKPM 计算,组合墙体传热系数为0.32W/(m2·K),达到GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》的标准。这种墙体因具有较低的传热系数、良好的热工性能和木材自身的热惰性能,可降低冷桥效应,提高供暖和供冷设备的使用效率且降低能耗。


根据哈尔滨工业大学建筑节能技术研究所提供的2007—2008 年采暖期检测报告,木结构单位采暖热能量比砖混结构建筑物节省45.4%。


利于环境保护


作为大自然中唯一可再生的建筑材料,木材生长过程中固化的碳比在生产和使用过程中释放的碳更多。北京工业大学材料学院环境材料与技术研究所的报告显示,建筑物用木材在生长、加工和运输过程的CO2排放分别为:–55 862.4 kg, 12 253.3 kg,29 895.6kg,建筑物总CO2 排放量为–13 713.5 kg,其中负值表示固定(吸收)大气环境中的CO2,正值则为向环境排放的CO2。


研究还表明,在整个生命周期内,轻型钢结构建筑物总能耗最大,其次为混凝土结构,木结构建筑物的生命周期能耗最小。因此,主体结构采用预制混凝土,外围护结构采用非承重木骨架组合墙体,能在最大程度上体现绿色建筑“节能、节地、节水、节材和环境保护”的优势。


大面积预制混凝土构件和预制木结构的使用,可减少现场混凝土与水使用量,减少固体垃圾与污水的产生量,有效控制噪声污染,减少现场扬尘。预制木骨架组合墙体,具有绿色环保和可持续发展的优良特性,也适合建筑工业化的发展方向。


结束语


由于砼木混合结构体系(PEC)的预制构件在工厂制作,构件及材料的质量和尺度可精确控制,运至施工现场精准安装,能减少传统施工因质量问题导致工期延长现象。混合结构可发挥两种不同属性材料的各自优势,利用混凝土抗压强度高的优势和木材的低碳,可回收,自重轻,保温等特性,做到优势互补。


与其他源于矿产资源的材料相比,木材的突出优势在于其可再生性。现今世界上可利用的木材资源已发生重要变化,人工林资源正在替代天然林资源。从生物多样性和原材料资源角度考虑,人工林木材的优势更大。木材来源于大自然,只要利用有度就不会给自然造成破坏,相反还会使人类学会有序利用自然资源,使木材成为可持续利用的建筑材料,减少建筑对环境的破坏。在我国采用木质建材既符合国家建设生态住宅的产业政策,又顺应健康使用的环保理念。


由于砼木混合结构建筑(PEC),有利于保护环境和社会的可持续发展,必将越来越受到人们的关注和青睐,在建筑市场中将具有很强的竞争力。


(编辑:奚雅青)


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