某高科技电子厂房动力站项目为装配整体式混凝土框架结构, 总建筑面积50 727m², 共包含1 334种、4 825个预制构件, 可分为4种主要类型:预制柱、预制混凝土型钢桁架双皮墙 (precast concrete truss wall, PTW) 、预制梁和叠合板, 其中PTW为国内首次应用。

本项目采用现浇筏板基础, 地上为3层装配整体式混凝土框架结构, 柱网尺寸10.2m×8.1m, 抗震等级为二级。地下1层 (层高7.35m) 有大量工业水池, 竖向构件为预制柱和PTW, 其中PTW作为挡土墙和水池池壁, 地下1层顶板为叠合楼板;地上1, 2层层高分别为12.9, 7.3m, 竖向构件为预制柱, 水平构件为叠合梁, 楼板是以Deck板作为底模的现浇混凝土楼板。

预制中柱的典型截面为1.2m×1.2m, 纵向受力钢筋共32根;预制边柱和角柱的典型截面为1.6m×1.2m, 纵向受力钢筋共64根。由于1层层高较大, 采用1节柱时最大质量可达60t以上, 为降低对吊装和运输设备的需求, 将1层柱拆分为双节柱在现场进行拼装, 单节预制柱的最大质量为32t。预制梁、叠合板和Deck板与国内常见的形式基本相同, 此处不再赘述。

PTW为首次从韩国引进的新型预制构件, 由型钢桁架将2块预制混凝土板连接而成 (见图1) , 一般可作为水池池壁和挡土墙。在施工阶段, PTW两侧混凝土板作为墙体的模板;浇筑混凝土后, 预制混凝土板与后浇混凝土形成整体共同工作, 预制混凝土板中的钢筋可作为结构的主要受力钢筋。

本项目中所有水平构件在施工阶段均能够实现自承重, 下部无须设置支撑 (见图2) , 极大地降低了模架材料投入量, 简化了施工工序, 充分发挥了装配式建筑施工节省人工和减少材料浪费的优点。

本项目中, 预制构件间主要采用“等同现浇”的连接方式, 典型节点如下。

1) 预制柱采用直径36mm HRB500钢筋作为纵向受力钢筋, 预制柱与筏板/楼板间通过半灌浆套筒连接, 采用ANT-110灌浆料进行灌浆 (28d标养胶砂试块强度>110MPa) 。预制柱与筏板/楼板间接缝宽度为50mm, 预制柱间接缝宽度为20mm, 典型节点如图3所示。

2) PTW作为地下室挡土墙和水池池壁, 与筏板外伸钢筋通过间接搭接的方式进行连接, PTW间采用焊接钢筋网片连接。在PTW底部水平接缝处设置止水钢板, 为避免止水钢板与筏板上部钢筋发生碰撞, 将止水钢板周围混凝土设计为凸起形式。PTW典型节点如图4所示。

3) 预制柱与叠合主梁间采用湿式连接, 叠合主梁搁置在柱顶的牛腿上, 下部外伸钢筋采用锚固板或弯锚的形式锚固于现浇节点中。在梁柱节点处, 方向相对的主梁外伸钢筋通过调整水平位置实现避让, 相互垂直的主梁钢筋通过调整标高实现避让。为避免预制构件制作和安装误差造成拼装困难, 梁外伸钢筋与柱钢筋的最小设计距离为20mm。典型梁柱节点如图5所示。

4) 叠合主梁与叠合次梁的连接采用铰接节点, 次梁上部纵筋穿过主梁, 下部纵筋未伸出, 次梁通过挑耳搭设在主梁侧面凹槽内。主次梁接缝需进行打胶处理, 连接节点如图6所示。

5) 叠合板和Deck板在梁侧的支承长度为30mm, 既保证叠合板和Deck板在安装阶段有可靠的支承长度, 又避免叠合梁箍筋混凝土保护层厚度过大导致易剥落等问题^[1]。

本项目预制构件重量大、种类多, 工程体量大、工期紧, 为满足构件安装需要, 现场选用STT2200塔式起重机4台, D1500塔式起重机2台, S1200K64塔式起重机1台和400t履带式起重机1台。综合考虑场地条件、构件重量、机电安装插入时间、流水方向、塔式起重机工作量和互相干涉等因素, 制定塔式起重机布置方案和吊装范围, 如图7所示。

与现浇结构施工相比, 装配式建筑施工要求各部门更紧密配合, 对计划性提出了更高要求。预制构件从生产到运输、安装涉及部门多, 任何部门不按计划工作都会对后续工作产生影响, 降低整体效率。因此, 合理制定计划和协调各部门工作是这类大型厂房建设顺利进行的必要前提。

构件准备是安装前的重点工作, 主要包括构件生产和构件运输。为确保现场构件供应, 在构件厂派监造人员, 对构件生产进度和质量进行监督, 每天向项目部汇报构件生产情况, 当安装计划发生调整时, 监造人员及时通知构件厂调整排产计划。现场需要安装时, 提前向构件厂发送提货单, 根据堆场和现场堆放条件, 明确卸车时间和地点。

本项目预制构件安装涉及材料较多, 为使构件安装顺利进行, 提前对安装全过程进行模拟, 详细列出各工序所需材料种类和数量, 做好物资进场计划, 对加工周期长的材料应重点关注, 及时补充。此外, 提前做好工作面准备也是提高安装效率的重要手段。

本项目预制构件的整体安装顺序为:预制柱→PTW→叠合主梁→叠合次梁→叠合板/Deck板。

安装流程为:筏板/楼板插筋定位→浇筑混凝土→筏板/楼板插筋位置复核→柱底现浇混凝土凿毛、清理→筏板/楼板放线→垫片抄标高→预制柱翻身、起吊→垂直度调整、临时固定→上节柱安装→接缝支模→灌浆。

在浇筑筏板前, 采用3层钢板对柱插筋进行定位, 其中下部2层钢板留在混凝土中, 最上层的钢板可周转使用, 如图8所示。在楼板部位, 由于下层预制柱顶出筋位置准确, 只需安装最上层定位钢板即可满足钢筋精度。预制柱底部接缝是结构的薄弱环节, 为避免柱底接缝在水平力作用下发生受剪破坏, 将柱底的现浇混凝土进行凿毛处理, 凿毛后对混凝土屑进行清理, 防止污染柱底接合面。预制柱安装前, 采用1～30mm厚钢垫片进行抄平, 使柱底标高满足设计要求。

预制柱在运输和存放阶段水平放置, 起吊前对预制柱进行翻身, 为避免翻身时柱脚混凝土发生损坏, 在柱底垫轮胎等软质材料。典型预制柱重约25t, 难以采用斜支撑调整垂直度, 因此在安装时采用塔式起重机辅助和调整钢垫片的方式进行垂直度调整, 调直完成后在预制柱的2个垂直方向安装斜支撑, 然后摘钩。上节柱与下节柱安装方法基本相同, 由于现场不搭设脚手架, 安装人员在剪刀车上对预制柱进行就位, 如图9所示。上节柱安装完成后, 在接缝部位支设模板并进行灌浆。本项目预制柱截面和柱底接缝宽度大, 具有灌浆量大的特点, 因此保证灌浆连续性是管理的重点, 灌浆料从加水到灌浆完成的时间须≤30min。待同条件养护的胶砂试块达到35MPa后^[2], 方可进行下步安装工作。

安装流程为:筏板插筋定位→浇筑混凝土→筏板插筋位置复核→筏板放线→植入化学锚栓→垫片抄平→PTW翻身、起吊→垂直度调整、临时固定→墙脚支模和灌浆→混凝土浇筑。

PTW与筏板连接节点构造和安装工艺对筏板钢筋绑扎和混凝土浇筑要求较高。混凝土垫层浇筑完成后, 在垫层上对PTW型钢桁架和化学锚栓位置进行放线, 绑扎筏板钢筋和PTW插筋时对这些部位进行避让, 使筏板内钢筋不与安装阶段的部件 (化学锚栓和型钢桁架) 发生碰撞。完成筏板钢筋绑扎、止水钢板定位等工作后即可进行混凝土浇筑。为顺利安装PTW, 提高塔式起重机使用效率, 应做好准备工作, 主要包括:筏板浇筑完成后, 对化学锚栓、PTW边线和型钢桁架的位置再次进行放线;根据放线点位进行化学锚栓植筋, 保证钻孔深度满足产品要求, 并将孔内灰尘和杂物吹出, 化学锚栓植入后3h内不得进行扰动;PTW安装前, 对筏板插筋位置进行复测, 插筋与PTW中型钢桁架发生碰撞时应及时进行调整。

与预制柱相似, PTW在翻身时也应在底部放置轮胎等软质材料以免混凝土磕碰损坏。在PTW就位过程中, 应时刻关注PTW墙内侧型钢桁架与筏板插筋位置关系, 发生干涉时, 立即停止下钩, 在钢筋调整后方可继续缓慢下落。临近就位时, 通过撬棍调整其水平位置, 以钢垫片调节其标高和垂直度。PTW就位后, 安装底部和顶部的钢连接件进行临时固定方可摘钩 (见图10) 。PTW仅靠底部的钢连接件即可满足临时固定阶段的受力要求, 但PTW高度一般为6m以上, 为满足人的心理安全需求, 要求每块PTW设置2根斜支撑, 而设计单位并未考虑斜支撑的受力作用。完成上述工作后, 安装竖向拼缝内侧钢筋网片并进行底部拼缝灌浆支模。从PTW竖向拼缝处进行底部拼缝灌浆, 然后采用聚氨酯密封胶对竖向拼缝进行封闭。在密封胶凝固期间, 进行上部梁、板安装, 安装完成后浇筑预制墙体内侧和楼板混凝土。为避免混凝土浇筑时侧压力过大导致预制墙体开裂, 浇筑速度为1m/h。

叠合梁分为叠合主梁与叠合次梁, 安装流程为:布置主梁安全栏杆和生命线→安装安全网吊环 (主梁) →主梁起吊、安装→挂安全网→次梁起吊、安装→主、次梁拼缝打胶→主、次梁拼缝灌浆。

叠合主梁施工重点为前期准备工作, 主要包括提前安装好主梁的安全栏杆、生命线和安全网吊环, 在安全网布置完成后方可进行次梁安装。

叠合板的安装流程为:叠合板起吊、安装→叠合板拼缝打胶。Deck板安装流程为:Deck板 (大包装) 起吊→就位→解捆→安装。

叠合板与Deck板的安装工序较为简单, 重点应注意以下问题:叠合板侧面不出筋, 板间拼缝宽度为5mm, 为防止漏浆, 应采用密封胶或发泡胶进行封堵;Deck板安装后, 应用短钢筋将Deck板桁架筋与叠合梁箍筋焊接, 防止Deck板在混凝土浇筑或偶然荷载作用下发生滑落;安装阶段, 叠合板与Deck板端部在叠合梁混凝土保护层上的支承长度为30mm (见图11) , 而底部均不设置支撑, 对预制构件的安装精度有较高要求。

本项目工程质量控制按国家、行业和地方相关标准^[3,4,5]执行, 由于预制构件具有种类多、重量大和安装精度要求高等特点, 应重点关注以下内容。

筏板施工时, 应做好放线定位工作, 在钢筋绑扎和混凝土浇筑2个阶段采取可靠措施, 对预制构件插筋的水平位置和标高进行严格控制。浇筑混凝土时, 采用PVC膜等材料对插筋外露部分进行包裹, 使插筋表面无杂物。

在构件生产阶段, 应对大截面尺寸构件质量进行重点控制。当预制构件截面最小尺寸>1m时, 应分2～3次进行混凝土浇筑和振捣, 提高混凝土密实度, 减少构件表面气泡。在蒸汽养护时严格控制升温和降温速率^[3,4,5], 防止构件内外温差过大产生温度裂缝。对于存在叠合面的预制构件, 按设计要求预留制作粗糙面, 当粗糙面存在浮浆时应采用高压水枪或钢丝刷清理, 避免降低新老混凝土间的黏结强度。构件出厂前, 全数检查灌浆套筒和直螺纹套筒内部清洁状况, 必须保证无杂物后方可出厂, 防止影响现场安装进度。由于叠合板和Deck板直接搭设在叠合梁箍筋外侧的混凝土保护层上, 在构件出厂前还应对保护层上表面的平整度进行检查和处理, 使板端支承面受力均匀。

为保证构件底部接缝受剪承载力和灌浆料强度满足设计要求, 预制柱底部杂物、积水清理和套筒灌浆是质量管控的关键环节。主要工作包括:提前进行灌浆套筒和灌浆料的匹配试验, 预制柱安装面检查合格后方可进行安装, 严格按灌浆方案执行, 总包和监理人员全过程旁站监督。此外, 预制柱灌浆24h后方可进行相邻PTW和梁安装, 防止施工扰动影响灌浆套筒连接接头强度。

为落实工程质量, 除在原材料报备、隐蔽验收、混凝土浇筑和构件脱模后验收等环节进行质量管控外, 还应重视构件倒运和运输过程可能出现的质量问题。为此设置了构件出厂 (构件厂) 前和进场 (施工现场) 前验收, 通过全部验收后方可进行安装。

本项目全面采用装配式施工工艺, 与同体量现浇项目相比, 节省劳动力70%以上, 周转材料投入减少90%以上, 减少现场浇筑混凝土65%以上, 建筑垃圾排放减少约85%, 粉尘扬灰和噪声等污染也大幅减少, 充分发挥了装配式建筑节省人工和绿色环保等优点。

本项目预制化程度高, 筏板以上结构全面采用预制构件, 一方面具有提高建筑质量, 节省人工和绿色环保等作用;另一方面提高了施工的工业化水平, 有利于通过精细化管理实现精益建造, 顺应我国建筑业转型升级的大趋势, 为大型工业厂房建造提供了可供借鉴的经验。