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混凝土全预制全装配干式连接建筑工程案例

2019年10月29日

打印专业人士:詹耀裕   来源:混凝土世界杂志

概    述


钢结构具有自重轻、工厂化制造、安装快捷等优势,在厂房建筑中得到广泛应用,但其材料成本高、耐火耐腐蚀性差,以及需要定期维护等导致综合成本较高。传统现浇混凝土结构厂房因为其建设工期相对较长、需要高支模等劣势,在工业厂房中并不多见。

近年来混凝土装配式建筑工法蓬勃发展,本文详细介绍的工程案例为混凝土全预制全装配干式连接大跨预制工厂,包括预制工厂装配设计和预制工厂工艺规划、构件生产及施工关键要素,全预制全装配干式连接建筑工法于设计阶段做精细考量,于施工阶段将辅助措施简约化,实现混凝土结构类钢结构化施工,即构件在工厂预制完成,现场只需拼装及连接作业,不仅具有钢结构建造速度快、现场湿作业极小化、环境效益好等优点,还兼具混凝土结构耐久、防火性能好、成本低的优点,可作为未来预制工厂及现代化大型工业厂房建厂的参考。


混凝土全预制全装配干式连接建筑工程案例

——江苏沛丰绿建常州预制厂项目建设


一、项目概况


项目位于江苏省常州市金坛区,由江苏沛丰绿建工程科技有限公司投资兴建,为预制构件生产厂房,计划年产18万立方米预制混凝土构件。厂房总建筑面积28493m2,长195m,宽144m,高12.35m,长向柱距7.5m,宽度方向跨距24m,共六连跨6个车间。根据工艺及使用要求,工厂布有2个梁柱生产车间、1个钢筋加工车间、2个墙板生产车间、1个自动化流水线车间。每跨车间设置4台起重量为16t的重级工作制吊车,吊车距室内地面高度为9.25m。构件生产区设混凝土输送机、布料机和地面台车。厂房平面布置图如图1所示。


图 1   厂房平面布置图


二、预制装配设计


本项目为建筑产业现代化基地中的预制构件生产厂房,厂房建设具有装配式结构设计和施工优势的条件,是建筑产业化预制装配工法展示项目。


1. 结构方案优选


(1)排架柱。与钢柱相比,混凝土柱更易得到较大的刚度,并能减少定期维护,本项目选用预制混凝土排架柱。


(2)屋面。传统的装配式混凝土结构单层工业厂房大多采用轻钢屋面或双T板屋面。预应力混凝土马鞍形壳板(俗称马鞍板)是一种板架合一的结构自防水大型屋面板,因其结构简单、安装方便、适用大跨建筑屋面、价格低廉,在江苏省广为应用。与轻钢屋面、双T板屋面相比,马鞍板屋面优势明显(见表1)。因此,本项目采用马鞍板屋面。



(3)吊车梁。工业厂房的吊车梁一般采用简支吊车梁,与简支梁相比,相同荷载条件下,连续梁具有更小的设计弯矩和挠度变形,可节约钢材,降低成本。本项目计算了相同吊车荷载作用下简支钢吊车梁、简支混凝土吊车梁和两跨连续混凝土吊车梁的最不利内力,进行截面设计和挠度验算,计算结果见表2(括号内数值为限值)。从表2可以看出,吊车梁的截面均由挠度控制,相比其他方案,两跨连续混凝土吊车梁的梁高较小,造价最低,且由于跨度是简支梁的两倍,数量较其他方案减半,制作和吊装的工期也可减半。考虑减小吊车梁的挠度和裂缝,增加吊车运行的平稳性,本项目最终采用截面500mm×800mm的两跨连续矩形截面混凝土吊车梁。



(4)结构体系。马鞍板屋面工业厂房的屋面板,通过托梁与排架柱连接,间接传递屋面的水平和竖向荷载。兼顾排水需求,中柱两侧的马鞍板分别搁置在两根托梁上,两托梁下部用板连成整体,形成槽型天沟以集聚雨水。图2为马鞍板屋面单层工业厂房边跨的三维示意图,纵向由排架柱、天沟梁与柱间支撑共同组成抗侧力体系。与传统梁柱排架结构体系不同,马鞍板既做梁又做屋面板,屋面马鞍板水平和竖向荷载通过天沟梁传递给排架柱。


图 2   马鞍板屋面单层工业厂房边跨三维示意


(5)预制装配方案。厂房分割以每一根柱为一个预制柱单元,分缝位于柱顶与梁底交接处;天沟梁和山墙顶梁以每柱跨之间为一个预制梁单元;吊车梁由于采用两跨连续的方式,每两柱跨之间为一个预制单元。中柱顶天沟梁、边柱顶天沟梁和山墙顶梁的横断面如图3所示。



2. 连接节点设计


(1)柱底连接节点。传统的预制装配式混凝土厂房大多采用杯口基础,杯口基础安装精度不易控制,且杯口内后灌注浆料易开裂,对于刚接基础柱脚设计假定容易失真,影响结构的稳定性。本项目采用装配式结构预制构件竖向连接常用的套筒灌浆连接技术。柱底预埋套筒,基础预留出筋,安装时待预制柱定位精准后,再灌注高强无收缩灌浆料。柱中受力钢筋和基础钢筋通过套筒和灌浆料实现应力传递,达到高于钢筋母材强度的连接效果,接头安全可靠,整体性好。


(2)吊车梁与柱牛腿连接节点。吊车梁与柱牛腿的连接参考了图集15G323《钢筋混凝土吊车梁》的做法,采用预埋钢板焊接连接,如图4所示。


图 4   吊车梁与柱牛腿连接节点


(3)天沟梁与柱连接节点。天沟梁与排架柱的连接是本项目的主要难点。屋面马鞍板通过天沟梁将屋面荷载传向排架柱,屋面板单块跨24m,宽3m,自重约19t。目前使用马鞍板屋面的工业厂房基本采用现浇工艺,天沟梁与排架柱柱顶一起现浇,形成刚接传力节点。


天沟截面配合排水需求进行设计。屋面排水以屋面,天沟,外立管形式排水,即屋面雨水经由马鞍板汇聚到天沟,沿天沟流至厂房外立管排出。天沟长195m,根据排水计算,中柱顶天沟宽1100mm,高900mm,底板厚200mm,故两侧梁高1100mm(h=L/6.8)。


天沟梁与柱考虑了3种连接方案(见表3)。表3中的方案三以干作业为主,只在预留孔内做少量灌浆作业,施工方便,绿色环保,施工质量较方案二的焊接方式更有保证,避免混凝土因铁件高温焊接开裂问题,节约成本,节省工期。因此,本项目选用方案三。



(4)天沟梁接缝防水。预制天沟接缝为本项目重点。为防止天沟梁接缝处渗水,设计时在天沟梁两端设置防水胶条(如图5所示),安装就位时,将预制梁间接缝内胶条压紧,沿预制梁间U形接缝,填塞泡棉条和密封硅胶,最后铺设砂浆找坡层。形成二道止水带发挥作用,目前建成试水,无渗漏,防水效果良好。


(5)马鞍板与天沟梁连接节点。马鞍板与天沟梁的连接参考图集苏G/T 14—2011《预应力混凝土马鞍形壳板》采用预埋钢板焊接连接,如图6所示。



图 5   天沟梁防水接头(左一)   图 6   马鞍板与天沟梁连接节点(左二、三)


(6)厂房整体三维模型。屋面马鞍板排布,考虑采光需求,且与梁的连接按规律的分布,以减少预制梁种类,提高生产、安装效率。经分析,马鞍板的纵向布置如图7所示,每三跨重复一次。厂房的整体三维模型如图8所示。



本项目排架柱、抗风柱、天沟梁、山墙顶梁、吊车梁和马鞍板全部为预制混凝土构件,与同等条件下的钢结构厂房相比,总造价可节省30%左右。


三、预制构件厂的工艺规划


预制构件的生产流程大致分为下列步骤:钢筋加工、钢筋笼绑扎、钢筋笼入模组模、混凝土浇置、构件养护和储存运输。为了使产线运作达到最佳效率,预制工厂的作业区规划应配合生产流程依序划分出适当面积和位置的:原物料区、钢筋加工区、钢筋笼组立区、生产区、构件修补区、构件储存区和车行动线,最后再布置水电设备和管线以及各式生产、起重机具等。由混凝土轨道子弹车至搅拌站接料开始到预制构件品检完成入库之生产流程模拟展示如图9所示。


图 9   生产流程动线模拟


因项目本身为预制构件生产车间,厂房的设计,展示了预制技术的优点,对于服务于预制构件生产空间,其也有与一般工厂不同工艺的特点,项目设计时,根据市场上多数预制构件的尺寸形式,车间内布料机的高程设计为可升降形式,距地高度可自1.5~2.5m间调整,扣除底模并加装配件后,浇置高程范围介于0.5~2.2m,满足90%以上构件的需求,车间剖面如图10所示,由左至右分别为宽度5.5m构件修补区、4m宽车道、14.5m宽生产区,此种左右型生产区配置根据Arena软件模拟以及台湾润弘杨梅预制厂的实际运作经验,有着较佳的生产效率,空间规划也更具弹性,且同空间下吊装可独立同步作业。


图 10   厂房固定模台车间剖面图


四、预制构件厂生产与安装


大跨工厂结构本身有许多超规的构件,主厂房即包含高11m的柱子、长15m的吊车梁和长24m的马鞍板等大型构件,为了解决大型预制构件运输不易的难点,我们利用基地内未来规划为永久堆场的区域建立一座临时预制工厂,就地生产供应主厂房所需的预制构件,这种可随着不同工地,建立临时性预制构件生产线的方法称之为“游牧式预制”。


1. 游牧式预制生产


游牧式预制工厂麻雀虽小,五脏俱全,还拥有建厂速度快、机动性高和变化灵活等优点,适合构件不易于运输或是预制工厂远离项目基地时使用。本项目临时游牧式预制厂平面布置如图11所示,生产使用如图12所示。与普通标准预制工厂一样,都具备原物料堆置区、钢筋加工区、钢筋笼组立区、生产区、构件修补区及构件储存区等必要元素,所规划临时游牧式预制场地为原项目永久堆场,堆场内规划龙门吊设备,解决了临时游牧式预制场的起重需求。若为一般游牧式预制工厂项目,使用期不长,则建议采用轮式汽车吊,能够更经济,场地配置更灵活,也可避免户外龙门吊容易故障的缺陷。


图 11   临时预制工厂平面图


图 12   临时预制工厂生产使用


2. 施工安装计划


本项目按全预制全装配干式连接设计,仅柱底与基础、屋面天沟梁与柱顶连接节点处少量灌浆料续接作业。钢筋续接施工性难易的关键因素在于接合部位,现浇出筋定位的精准控制和续接套筒钢筋插入端的容许误差。本项目预制柱钢筋续接采用的“RTK全灌浆套筒”,其钢筋插入端允许误差≥±10mm,容易安装,且使用润泰装配式建筑基础柱筋精准定位工具及定位方法[1],整个预制柱安装、灌浆过程非常顺利。


(1)基础柱筋精准定位。基础柱出筋精度的质量管理方法是利用治具(定位底座、隔网箍、定位板、定位防污套筒,如图13、图14所示)控制单根柱钢筋彼此间的相对间距,顶部利用4个角落的钢筋将可调式定位套筒调整至适当位置以确定灌浆面高度,再置入定位板配合测量放样,接着将整组柱钢筋调整至正确位置上并做固定,最后放入固定式防污套筒防止浇筑时钢筋受污染。


图 13   定位底座和下隔网箍


图 14   定位板及定位防污套筒


(2)安装计划。完善的吊装计划除了可以节省大量的工期和成本外,也能让工程有效率且顺利地推进,因此计划的制定应包含下列项目:工期计划、工序分析、构件堆置及运输路线规划、构件装车规划、构件临时堆置规划、起重机能率分析、吊装功率分析、吊装顺序模拟等,在考虑所有控制条件和前置作业后,先建立一个标准单元的吊装施工流程,再来只需重复雷同的作业至结束即可。


制定工期计划时,最重要是控制预制竖向结构吊装,严格掌握柱底套筒灌浆料的强度,灌浆料强度发展、施工期间环境气温。观察如图15所示的苏博特灌浆料强度增长曲线可发现,相比于20℃,在10℃以下,灌浆料的初期强度发展有着极大的落差,若要避免低温造成灌浆料强度增长太慢的问题,应对灌浆部位采取保温措施提高局部温度。


图 15   苏博特灌浆料强度增长曲线


厂房内部的生产设备,以机电的需求为主,本项目为了争取最短时间内启动产线运作,配合钢筋加工生产线的管线布置和设备进场安装调试,吊装的顺序依厂房平面布置图车间编号2、4、3、6、5、1进行,本文将以一个标准车间单元的吊装循环模拟(图16、图17)为例说明。


图 16   预制结构体吊装顺序模拟


图 17   预制结构体吊装顺序Bar Chart


起吊前一日,将预制柱构件运抵现场依序排列放置,车间中保留通道让履带吊和托板车行走。吊装一定数量柱子后,依序进行垂直度调整、柱底封模、续接套筒灌浆。续接套筒灌浆料试块强度约48h后达到50MPa,此时拆卸预制柱斜撑和拉索,进行后续施工作业中。基本是5d进行下一循环,待整个车间预制结构体吊装结束后,马鞍板吊装队伍再进场作业,错开结构体和马鞍板吊装时间是为了减少两者间的冲突。马鞍板的吊装调整较为简单,一条车间仅需3~4d即可完成。


3. 预制构件厂的安装过程展示


预制柱以格网箍作为辅助治具进行定位安装,误差控制有效(图18-a),厂房纵轴线26根预制柱,平直无误安装;厂房边沟与女儿墙分段预制,整体组装,轮廓线顺直(图18-b);室内马鞍板天面,采光带设置满足自然采光需求,马鞍板流线形状,在满足屋面排水设计同时,保持简约空间(图18-c、图18-d);两跨连续梁设计的吊车梁,竖向刚度大,天车试运行平稳(图18-e、图18-f)。构件厂安装过程,无外架作业,现场建筑垃圾极少化,少扬尘,施工管理高效,是真正意义上的绿色施工。


图 18   沛丰绿建预制厂实况


结   语


工业厂房大多采用标准的柱距和跨度,且平面简单及构件类型少,便于推行设计标准化、定型化、施工机械化、装配构件制作工厂化。本项目马鞍板屋面安装既简单、快速。游牧式预制生产极其有效解决大型预制构件运输问题。全预制全装配建筑,充分发挥高品质、高预制率、短施工周期、低造价等优势,对于资源、能源的运用更为有效率,使装配式混凝土结构具备成为未来厂房新建的优良选项之一。本项目全装配全预制干式连接工法目前国内案例不多。本文从设计、工艺规划、生产、施工关键要合做详细解说,为业内真正快速、高效、质量稳定的装配建筑提供参考。


(编辑:奚雅青)



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[责任编辑:Susan]

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