装配整体式框架-预制核心筒结构装配式设计策划_刘春年.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023装配整体式框架-预制核心筒结构装配式设计策划刘春年*王能林（中建壹品投资发展有限公司，武汉 430070）摘 要 案例中项目是我国首例装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构，项目为AAA级装配式建筑，也是三星级绿色建筑。通过前期策划装配式结构体系选型、装配式方案，结合设计、生产、运输和吊装条件，对装配式围护墙、装配式楼盖、预制核心筒和预制混凝土柱的结构设计和拆分进行策划。阐述各策划逻辑，探索预制核心筒技术的应用，为类似装配式办公建筑项目的策划、结构设计和拆分的实施提供参考，为项目的高效顺利施工创造条件，并为此类项目的标准化设计工作进行铺垫，同时促进我国新型建筑工业化中混凝土装配式技术全面发展。关键词 装配式建筑，装配整体式框架-核心筒，预制核心筒，装配式设计，装配式楼盖Precast Design Planning of Monolithic Precast Frame-Precast Corewall Structure LIU Chunnian*WANG Nenglin（China Construction Yipin Investment and Development Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China）Abstract The project in the case is Chinas first monolithic precast concrete frame-corewall structure.The project is an AAA prefabricated building and a three-star green building.Through a pre-planning of prefabricated structural system selection and prefabricated scheme，combined with design，production，transportation and hoisting conditions，the structural design and splitting of prefabricated enclosure walls，fabricated floors，prefabricated core tubes and prefabricated concrete columns are planned.The logic of each planning is elaborated and the application of precast corewall technology is explored to provide a reference for the planning，structural design and splitting of similar prefabricated office buildings.It lays a foundation for the successful construction and standardized design of such projects，and promotes the development of concrete assembly technologies in the industrialization of new buildings in China.Keywords prefabricated building，monolithic precast frame-corewall structure，precast corewall，precast design，prefabricated floor0 引 言 随着建筑工业化的推进，智能建造与建筑工业化协同发展、新型建筑工业化发展和工业化技术创新越来越受到政府部门的重视1。现阶段我国装配式建筑多应用于住宅建筑，办公、医院和学校等公建类建筑则应用较少，“十四五”期间公建类装配式建筑需求呈爆发式增长。而办公建筑中多以框架-核心筒结构体系为主，目前均采用核心筒现浇技术。我国现行工程建设规范、标准对装配式整体式混凝土框架-预制核心筒结构的相关 收稿日期：2021-04-23 基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0701600）*联系作者：刘春年，硕士，工程师。E-mail：DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.015 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期规定较为模糊。预制核心筒项目的实施有助于完善国家规范、标准中预制核心筒结构设计理论，探索预制核心筒技术，推动我国装配式建筑更全面地发展。1 工程概况及前期策划 1.1工程概况项目用地规划条件中规定：该宗地地上建筑须采用装配式建筑方式建造，装配率不低于55%。项目定位为打造国内装配式建筑行业标杆，达到国标AAA级装配式建筑，且以 绿色建筑评价标准 为标准打造三星级绿色建筑。项目位于湖北省武汉市经济技术开发区（汉南区）智慧生态城。总建筑面积为40 031.8 m2，地上建筑面积为37 430.9 m2。建筑标准平面轮廓尺寸为36.0 m43.2 m。建筑高度99.7 m，地下1层，层高6.2 m；地上22层，局部层高5.4 m。三层及以上为办公楼，层高4.2 m。外圈幕墙以单元式玻璃幕墙为主，墙顶标高108 m。项目立面效果图如图1所示。结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，多遇地震下结构地震影响系数最大值取 0.041 7。抗震设防分类为标准设防类。基本风压按50年重现期取0.35 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。1.2装配式结构体系选型在项目策划阶段初期，可选择的结构体系类型包括装配整体式混凝土框架-现浇核心筒结构、装配式钢框架-现浇核心筒结构和装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构。装配整体式混凝土框架-现浇核心筒结构相较装配式钢框架-现浇核心筒结构成本低约20%，预制混凝土构件较钢构件重，塔吊要求较高，且钢结构后期对钢构件的防腐和防火要求较高不利于运营维修2。综合考虑后选择装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构。根据 装配式混凝土建筑技术标准（GB/T 512312016）中5.1.5条：当采用本标准未规定的结构类型时，可采用试验方法对结构整体或者局部构件的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行复核，并应进行专项论证3。根据 装配式混凝土结构技术规程（JGJ 12014）中6.1.1条文说明：框剪体系中建议剪力墙现浇，以保证结构的整体抗震性能。对于框架、剪力墙均采用预制的装配整体式框架-剪力墙结构，则需要充分的研究与论证4。我国目前尚无装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构的应用案例，且该体系的理论试验研究较少。装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构多用于办公建筑中，层高多为3.64.5 m，而大多预制构件厂的流水模台宽度为3.5 m，不利于工业化生产及实施，因此国家及行业规范、标准中未对该体系做出明确规定。为更快更好地推动我国建筑工业化发展，完善国家规范、标准中装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构设计理论并实践，组织多次专家论证会，最终选用装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构，并按现浇混凝土结构相同的计算模型进行结构内力分析。根据多次专家论证意见，最终本项目在概念上采用中震不屈服和小震弹性的结果进行包络设计；核心筒四角边缘构件全高按现浇约束边缘构件设计，并加强与其相连的四根短框架梁的箍筋配置；柱、墙轴压比限值按抗震等级提高一级控制，保证墙体具有足够的延性；预制核心筒剪力墙抗震措施提高一级设计；针对底层出现小偏拉墙肢抗震等级按一级构造加强。项目采用YJK软件进行结构设计时，模型中结构体系按现浇钢筋混凝土框架-核心筒输入，在结构设计参数方面，现浇墙地震内力放大系数设为1.1，现浇柱地震内力放大系数设为1.1，预制竖向构件地震内力放大系数设为1；梁扭矩折减系数设为0.6；中梁刚度放大图1项目立面效果图Fig.1Elevation drawing of the project177Structural Engineers Vol.39，No.1 Study of Design Method系数设为1；内隔墙采用轻质空心复合夹心条板，周期折减系数设为0.85。在施工图绘制过程中补强核心筒预制剪力墙现浇段及现浇边缘构件配筋，补强核心筒外圈剪力墙周边楼板配筋，保证整体结构地震作用下的楼板内力有效传递。1.3装配式方案策划为实现国家AAA级装配式建筑，进行装配式设计策划，策划逻辑为在保证结构安全可靠、适用耐久和无渗漏风险的前提下，项目成本低、施工便捷。主体结构部分、底部加强部位、屋面和卫生间处楼板装配存在较高渗漏风险，二层及机房层共模率低，采取现浇。内隔墙与管线、装修一体化的成本较高，约1 300元/m2，且多存在空鼓感、隔声性能有待提高和不能随意安装吊挂件或吊挂件安装不牢固等问题，因此建议不采用内隔墙与管线、装修一体化做法。最终按 装配式建筑评价标准（GB/T 511292017）进 行 的 装 配 式 策 划 方 案如下：（1）主体结构水平构件：预制梁、装配式楼板、预制楼梯和预制挑耳，预制范围为422层，屋面采用现浇，应用比例为78.0%，得18.0分。（2）主体结构竖向构件：预制柱和预制剪力墙，预制范围为除底部加强范围以外的部分，应用比例为78.7%，得29.71分。（3）围护墙和内隔墙：外围护墙采用以单元式玻璃幕墙为主的幕墙系统，非承重围护墙非砌筑应用比例为 100%，得 5 分；围护墙与保温、隔热、装饰一体化应用比例为100%，得5分；内隔墙采用轻质空心复合夹心条板，应用比例为83%，得5分。（4）装修和设备管线：项目采用全装修，得6分；办公区域及过道采用高精地坪并铺设地毯来实现干式工法楼面、地面，应用比例为86%，得6分；项目无厨房，卫生间墙地砖采用高精地坪并配合瓷砖胶贴瓷砖实现瓷砖薄贴工艺，卫生间顶棚采用金属龙骨+铝合金方形板，实现集成卫生间，应用比例为83%，得5分；水电管线走天花，墙面走空心复合夹心条板孔洞，实现管线分离，应用比例为73%，得6分。项目采用工程总承包模式、项目在设计及施工阶段均采用信息化管理（含BIM技术）、施工现场采用铝合金新型模板系统且应用比例为100%。根据 武汉市装配式建筑装配率计算细则（2019年版），工程总承包得2分，设计阶段应用BIM得2分，施工阶段应用BIM得1分，应用新型模板系统得2分。故按装配式建筑评价标准（GB/T 511292017）装配率为91.2%，按 武汉市装配式建筑装配率计算细则（2019年版）装配率为98.2%，为国标AAA级装配式建筑。2 结构设计策划 2.1设计、生产、运输和吊装条件装配式建筑宜采用标准化模数单元设计，便于装配式建筑的实施，本项目平面采用3 600 mm的标准化模数单元。建筑平面尺寸为 36.0 m43.2 m，轴网边轴线开间距离为10 800 mm，轴网中轴线开间距离为7 200 mm，均以3 600 mm为模数。标准层层高均为4 200 mm。装配式建筑相较传统现浇混凝土建筑成本增加，在一定程度上主要由于预制构件模具、存放、运输、吊装和施工等存在成本增量。模具费用约占预制构件售价的1/10，常规钢模具可重复使用200次，周转次数少于50次则增加的预制构件成本较大。合理运距能有效降低装配式建筑成本增量，且有利于预制构件的及时供应。本项目选择距离建设地点约20.3 km的中建科技湖北有限公司作为构件供应商。该厂家生产预制构件的固定模台尺寸为4 m10 m，移动模台尺寸为4 m9 m，车间行吊最大吊重为16 t，蒸养窑净高0.45 m，预养护窑净高1.5 m。通过预运输，实测高速路段限高4.5 m，市政道路限高5 m，运输车底板到路面高度常规为1.21.5 m，专用运输预制构件的运输车为0.25 m。运输车常规宽度为2.55 m，但也可申请超限运输，因此宽度问题适当考虑即可。项目选用两台TC7527-25塔吊，塔吊臂长55 m，55 m臂处吊重为7.7 t。2.2预制核心筒策划线性预制构件、板式预制构件向立体预制构件发展是建筑工业化的必经之路5，我国目前推广立体预制构件的难处在于大多预制构件厂生产线难以兼容大型、巨型构件的批量化生产，且运输与吊装方面的成本增量使企业难以接受。装配式178 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期建筑中与预制构件连接的现浇段由于施工难度大，导致钢筋摆放与设计不符的情况时有发生。因此，在保证结构安全可靠的前提下，尽可能减少现场现浇，有效提高现场工业化程度，减少现场吊次，降低现场施工难度，有效提高施工质量。本项目在策划时，考虑的核心筒剪力墙拆分方案A与方案B见图2和图3。试验表明，带边缘构件的预制剪力墙抗震性能与带有边缘构件的现浇剪力墙的受力过程、破坏模式基本相同6。立体构件方案A相较板式构件方案B可在电梯管井内免除临时支撑架，减少现场施工难度。最终项目采用核心筒剪力墙拆分方案A，标准层共有预制剪力墙12片，共计有3个预制剪力墙编号，标准层单套剪力墙模具重复使用4次。该方案对处于两个洞口之间的非承重墙也采用预制混凝土墙，受力模式为梁下挂板。为加强预制框架与预制核心筒之间的整体抗震性能，预制核心筒四角边缘构件按现浇约束边缘构件设计，作为预制梁支座的预制剪力墙，预留梁窝，并在梁窝各接触面增加键槽。2.3装配式外围护墙及幕墙挑耳策划装配整体式框架结构的外围护多采用预制外挂板或幕墙，作为办公建筑，大楼立面效果应端庄典雅，各立面元素布局规整、协调，且宜采用标准化设计、工厂化生产和装配化施工。外围护作为立面的主要构成，带窗套造型的装配式幕墙与贯通立面上下的跨层玻璃幕墙，创造出从下至上的空中花园式办公与社交空间，体现出建筑富有时代性的绿色科技和开拓创新精神。常见的装配化幕墙系统有独窗式、连窗式、柱通式和梁柱复合式。最终选用梁柱复合式装配幕墙，外立面采用标准模数的分格单元模块，通过组合形成丰富的外立面效果，见图4、图5。玻璃幕墙通过金属龙骨固定于楼层挑耳（图6），挑耳可单独预制（图7）也可与预制外框梁整体预制（图8）。采用挑耳与梁整体预制可减少现场支撑数量，减少预制构件吊装次数，提高结构整体受力性能，提高现场的施工效率，减小现场施工难度。考虑转角处柱跨10.8 m，若挑耳与梁整体预制构件重为11.18 t，构件重量偏大且吊装易开裂，因此转角处挑耳单独预制。2.4装配式楼盖策划根据 装配式建筑评价标准（GB/T 511292017）第4.0.5条及条文说明，钢筋桁架混凝土叠图2核心筒剪力墙拆分方案A（单位：mm）Fig.2Splitting scheme A of core tube shear wall（Unit：mm）图3核心筒剪力墙拆分方案B（单位：mm）Fig.3Splitting scheme B of core tube shear wall（Unit：mm）图4装配式幕墙立面拆分（单位：mm）Fig.4Facade splitting of prefabricated curtain wall（Unit：mm）179Structural Engineers Vol.39，No.1 Study of Design Method合板、预应力混凝土叠合板和钢筋桁架楼承板均为装配式楼板7。经验算不配抗剪钢筋的预应力叠合板满足 预制预应力混凝土装配整体式框架结构技术规程（JGJ 2242010）第 4.2.3 条规定8。项目耐火等级为一级，需满足楼板最低耐火极限为1.5 h，根据 预应力混凝土结构设计规范（JGJ 3692016）第11.1.1条及 无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ 922016）第3.2.1条预应力叠合板的约束条件为简支和连续的情况下的预应力筋混凝土保护层最小厚度分别为30 mm和20 mm9-10，从安全的角度出发取30 mm。钢筋桁架楼承板多用于钢结构中，用于装配式混凝土结构中需增加施工措施，连接节点见图9。根据湖北省装配式建筑工程消耗量定额及全费用基价表（2018版）11，三种楼盖结构楼板综合单价、工日对比见表1、表2。经计算，整栋楼楼板成本差距在 30 万元以内，而钢筋桁架楼承板需桁架内穿钢筋技工数量是叠合板形式的两倍，施工较为麻烦，最终选择普通叠合板，最大叠合板尺寸为3 470 mm5 310 mm。根据设计、生产、运输和吊装条件，可将单块图5装配式幕墙连接节点（单位：mm）Fig.5Prefabricated curtain wall connection joint（Unit：mm）图6装配式幕墙平面示意（单位：mm）Fig.6Schematic diagram of fabricated curtain wall（Unit：mm）图7挑耳与梁整体预制大样（单位：mm）Fig.7Overall prefabrication of ears and beams（Unit：mm）图8挑耳单独预制大样（单位：mm）Fig.8Prefabricated large samples of pick ears（Unit：mm）图9钢筋桁架楼承板与预制梁连接节点Fig.9Reinforced truss floor bearing plate and prefabricated beam connection joint180 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期3 300 mm10 500 mm 楼板拆分为两块以减少吊次，为提高模台使用效率，可在生产一块预制底板的同时，搭配生产其他住宅项目的空调板或小型叠合板，最终标准层叠合板拆分如图10所示，图中YDB4a与YDB4p表示两底结构轮廓相同，机电预埋不同。2.5预制混凝土柱策划项目原建筑方案在转角处存在多根跃层柱，柱高约8.4 m，净高约7.5 m。研究表明，在相同截面配筋条件下，柱的变形能力（柱屈服位移角、极限位移角）随柱长度的增大而增大，跃层柱的抗震性能通常好于普通柱13。但考虑跃层柱重约14.8 t，考虑1.5脱模系数后，最大吊重为16 t的车间行吊脱模存在风险，且不利于现场的吊装，最终增设楼层梁，将跃层柱调整为普通楼层柱，调整后普通楼层柱最大吊重为6.69 t。考虑预制柱底存在键槽，键槽内需灌浆，且柱截面较大，灌浆量较大，采用集中灌浆的方式能有效提高灌浆效率。采用集中灌浆前，需先封仓，并将灌浆套筒的灌浆孔用木塞堵住，在集中注浆孔注浆，待灌浆套筒的出浆孔出浆后，将灌浆套筒的出浆孔用木塞堵住，表1 三种楼盖结构楼板综合单价对比Table 1Comparison of comprehensive unit price of three kinds of floor slabs楼板形式方案A方案B方案C楼板厚度mm60+6060+70130现浇混凝土（元 m-2）34.0439.7173.75现浇层钢筋（元 m-2）18.7823.7042.07预制底板（元 m-2）182.22177108.90综合单价（元 m-2）235.04240.41224.72注：方案A、方案B和方案C分别为钢筋桁架叠合板、预应力叠合板和钢筋桁架楼承板；“60+60”表示“60 mm预制底板+60 mm现浇层”；考虑本项目在上部结构出蓝图前已出基础图不便于修改，因此未考虑柱、梁等对整个结构的经济性的影响；现浇混凝土单价包含混凝土浇捣、振捣、养护过程中发生的人工费、材料费、费用和增值税等；现浇层钢筋包含钢筋制作、运输、绑扎、安装过程中发生的人工费、材料费、机械费、费用和增值税等；预制底板（或楼承板）包含构件材料费，结合面清理，构件吊装、就位、校正、垫实、固定，接头钢筋调直、焊接，搭设及拆除钢支撑过程发生的人工费、材料费、机械费、费用和增值税；楼承板包含场内运输、选料、放线、配板、切割、拼装和安装过程中发生的人工费材料费、机械费、费用和增值税等；根据 钢筋桁架楼承板（JG/T 3682012）附录B12，3.3 m跨度简支无支撑且3.6 m跨度连续无支撑，则需选择HB2-100型号的钢筋桁架楼承板，对应楼板厚度为130 mm。表2 三种楼盖结构楼板工日对比Table 2Comparison of man-hours for three types of floor slab(工日/m2)楼板形式方案A方案B方案C现浇混凝土普工0.0090.0110.020技工0.0280.0330.061现浇层钢筋普工0.0070.0080.015技工0.0200.0250.045底板普工0.0670.0670.050技工0.0550.0550.116综合工日普工0.0830.0870.085技工0.1030.1130.222注：方案A、方案B和方案C分别表示钢筋桁架叠合板、预应力叠合板和钢筋桁架楼承板。图10标准层核心筒北侧叠合板平面布置图（单位：mm）Fig.10Layout drawing of the superimposed slab on north side of the standard floor core tube（Unit：mm）181Structural Engineers Vol.39，No.1 Study of Design Method直至出气孔出浆方可停止灌浆。预制柱连接节点如图11所示。3 结 论 通过上述分析，可得出以下结论：（1）对于装配式办公建筑，选用梁柱复合式装配幕墙体系，有利于装配式建筑外围护系统的实施。首先研究预制构件生产、运输和吊装条件，再进行结构设计和拆分能有效缩短项目工期，减小项目的建造成本。（2）通过结构设计理念对预制混凝土核心筒竖向构件进行结构构造加强，确保预制构件与现浇部分安全可靠连接，装配整体式混凝土框架-预制核心筒结构方案可行。（3）对于板跨为 3.6 m 的楼盖，在经济性方面，钢筋桁架叠合板、预应力叠合板和钢筋桁架楼承板经济性相当，但钢筋桁架楼承板所需技工是钢筋桁架叠合板和预应力叠合板的2倍，施工难度最大，建议混凝土结构优先采用钢筋桁架叠合板。（4）通过对装配式办公建筑中装配整体式-预制核心筒结构体系的装配式技术研究，丰富装配式建筑的结构体系类型，提升装配式建筑全产业链各单位技术全面性，促进我国装配式技术全面发展。参考文献1中华人民共和国住房和城乡建设部等.住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见 Z.2020-08-28.The Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the Peoples Republic of China，etc.Several opinions of the ministry of housing and urban-rural development on accelerating the industrialization of new buildings Z.2020-08-28.（in Chinese）2钟建敏.某超限高层框架-核心筒结构优化设计 J.结构工程师，2018，34（2）：33-40.Zhong Jianmin.Optimal design of an over-limit high-rise frame-core tube structure J.Structural Engineers，2018，34（2）：33-40.（in Chinese）3中华人民共和国住房和城乡建设部.装配式混凝土建筑技术标准：GB/T 512312016 S.北京：中国建筑工业出版社，2017.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the Peoples 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