裝配式高層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)新技術(shù)開發(fā)與示范*
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郭海山1，蔣立紅1,2，劉 康2，王瑞堂3，張世憲4，韋永斌2，姜邵杰5
（1．中國建筑股份有限公司科技與設(shè)計管理部，北京 100037；2．中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；3．廊坊中建機械有限公司，河北廊坊065000；4．中國建筑設(shè)計集團有限公司，北京 100037；5．中國建筑國際集團有限公司，中國香港）
[摘要]近幾年，高層裝配剪力墻結(jié)構(gòu)在我國開始大量應(yīng)用，新型體系、新型連接節(jié)點層出不窮。為了提供更好的抗震性能、更低的連接成本和更便捷高效的施工，結(jié)合合肥某預(yù)制裝配剪力墻工程，系統(tǒng)介紹了中建MCB( multiple coupling beams)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震體系、連接節(jié)點和BIM新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]裝配式；高層建筑；混凝土；剪力墻；多連梁；建筑信息模型
[中圖分類號]TU741 [文章編號]1002-8498( 2016) 04-0019-04
在政府大力推動下，以節(jié)能環(huán)保為主要目標(biāo)，以應(yīng)用疊合保溫預(yù)制混凝土外剪力墻板，預(yù)制疊合樓板、灌漿套筒鋼筋連接為主要特點的新型預(yù)制裝配高層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在我國有了較大范圍的應(yīng)用，數(shù)百萬平方米的新型裝配式住宅已建成，更多的類似工程正在建設(shè)中。伴隨著如火如荼的大范圍應(yīng)用，新型體系、新型連接節(jié)點層出不窮。本文結(jié)合合肥某預(yù)制裝配剪力墻工程，系統(tǒng)介紹了中建MCB( multiple coupling beams)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的在抗震體系、連接節(jié)點和BIM方面的新技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用。
1 工程概況
合肥某預(yù)制裝配剪力墻工程總建筑面積56.5萬m2，其中地上48.5萬m2，地下8萬m2。項目包含39棟住宅樓，其中2棟為33層，高度近百米；1棟為32層，8棟為28層，17棟為26層，4棟為24層，4棟為22層，3棟為20層，是目前國內(nèi)最大規(guī)模的預(yù)制裝配式住宅項目（見圖1，2）。
該項目采用預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計地震基本加速度0. 1g，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0. 35s�；A(chǔ)、地下室剪力墻、底部加強層剪力墻及過渡層剪力墻采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，其上標(biāo)準(zhǔn)層部分采用預(yù)制裝配剪力墻，預(yù)制樓梯、預(yù)制疊合陽臺和預(yù)制空調(diào)板，標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制裝配率為51%。本工程裝配式部分依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJl-2014設(shè)計，預(yù)制構(gòu)件及連接節(jié)點參照《裝配式混凝土連接節(jié)點構(gòu)造》G310-1~2和《預(yù)制鋼筋混凝土陽臺板、空調(diào)板及女兒墻》15 G368-1等標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計。本文僅介紹行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和圖集中未涵蓋的、本工程特有的裝配式相關(guān)技術(shù)。
2 多連梁裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系
裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)雖然按等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，但其實際抗震性能要略弱于現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。對于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)其耗能性能主要通過連梁來實現(xiàn)，以往的研究和地震災(zāi)害表明，雙連梁結(jié)構(gòu)的抗震性能和延性往往要好于普通連梁，但對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，雙連梁結(jié)構(gòu)體系施工較為復(fù)雜，在工程中應(yīng)用較少；預(yù)制墻體的使用使多連梁結(jié)構(gòu)體系的大范圍應(yīng)用成為可能。本工程預(yù)制剪力墻部分采用了雙連梁和多連梁結(jié)構(gòu)體系( multiple coupling beams)（見圖3，4），提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。該體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要合理地確定層間附加連梁的剛度和配筋，使大震下層間附加連梁盡可能先破壞耗能，起到保護其他承擔(dān)豎向荷載的主要受力構(gòu)件的目的；此外，由于沒有水平構(gòu)件與層間附加連梁相連接，層間附加連梁震后損壞后相對容易修復(fù)。
為實現(xiàn)更好的抗震性能和耗能性能，建議MCB結(jié)構(gòu)體系層間附加耗能連梁按如下原則設(shè)計。
1)附加耗能連梁線剛度宜比同一墻片的其他原有層間連梁的線剛度大。同時盡量增大附加耗能連梁的跨高比。建議附加耗能連梁宜為其他連梁剛度的1.1~1.2倍，跨高比不宜小于1.5。
2)附加耗能連梁線剛度是相連墻肢線剛度的0.8倍以下，以保護墻肢。
3)附加耗能連梁的配筋按恒荷載、活荷載及抗風(fēng)設(shè)計。小震抗震驗算時，對附加耗能連梁的剛度進行較大幅度的折減（按規(guī)程最低值折減），以保證附加耗能連梁在小震驗算時仍符合規(guī)范要求。
4) MCB結(jié)構(gòu)體系宜進行大震下的驗算，檢驗結(jié)構(gòu)大震下?lián)p傷分布。MCB剪力墻體系不僅僅在抗震性能上有所提升，由于耗能連梁的下部洞口部分無須使用高強灌漿料（僅需普通坐漿），填充部分與主體結(jié)構(gòu)分隔清晰，也在一定程度上降低了建造成本。
3 新型全灌漿套筒鋼筋連接技術(shù)
目前市場主流的鋼筋灌漿連接套筒一般直接鑄造或由鋼棒機械切削方式加工而成。鑄造套筒比較適合大規(guī)格套筒和大批量生產(chǎn)。對于小規(guī)格的鑄鋼灌漿套筒，易產(chǎn)生鑄造缺陷，質(zhì)量不易保證，成本高，不環(huán)保。由鋼棒機械切削方式加工而成的套筒，原材料耗費比較大，加工效率比較低。本工程采用中建GS系列的滾壓成型鋼筋灌漿連接套筒，并研制了專用自動化生產(chǎn)設(shè)備，如圖5所示。滾壓工藝的采用和相應(yīng)自動化生產(chǎn)設(shè)備的研制成功，極大地提高了灌漿套筒的生產(chǎn)效率，降低了材料的損耗，達到了經(jīng)濟環(huán)保的目的。本工程采用的12~18 mm的等徑和變徑連接套筒規(guī)格尺寸如表1所示。各規(guī)格套筒均委托國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，按《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》JGJ107-2010進行了單向拉伸，高應(yīng)力反復(fù)拉壓和大變形反復(fù)拉壓等內(nèi)容的型式檢驗且全部接頭的極限狀態(tài)均為斷于接頭外鋼筋處，展現(xiàn)出了良好的性能。
4 高層剪刀梯裝配式防火隔板
目前國內(nèi)常用的高層剪刀梯裝配式防火隔板一般逐層擱置在梯段板的一側(cè)。這種連接方式有兩點不足：①梯板受扭；②防火隔板形狀復(fù)雜，生產(chǎn)、運輸及吊裝均不方便。本工程采用了一種新型掛板裝配連接方式，將剪刀梯每層的防火隔墻板通過兩側(cè)挑耳直接擱置在樓梯梁上（見圖6）。這種連接方式傳力更簡潔直接，制作和安裝更加方便。
5 BIM技術(shù)在裝配式建筑研發(fā)中的應(yīng)用
裝配式建筑的大部分生產(chǎn)制造工作在工廠完成，各種設(shè)備、孔洞及安裝需要的預(yù)留預(yù)埋均需要事先仔細(xì)規(guī)劃，一旦考慮不周，將給工程的實施帶來難以預(yù)估的損失。當(dāng)前建筑行業(yè)中大力推廣的BIM技術(shù)，能夠?qū)⒔ㄖ懈鲗I(yè)和各流程信息統(tǒng)一到一個虛擬可視模型（或數(shù)據(jù)庫）中，在工程實施前進行系統(tǒng)的檢查和驗證，能夠避免不必要的錯誤，提高工程建造的效率，特別適合在裝配式建筑中大力推廣應(yīng)用。本工程在這方面進行了一些有益的探索。
5.1 BIM技術(shù)在深化設(shè)計中的應(yīng)用
中國建筑股份有限公司技術(shù)中心（以下簡稱中建技術(shù)中心）針對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)基于Revit平臺，正在研發(fā)一套用于中建MCB剪力墻體系的參數(shù)化構(gòu)件三維建模和深化設(shè)計軟件工具集，并開始應(yīng)用到示范工程深化中。該軟件工具集可參數(shù)化自動生成包含幾何、鋼筋、預(yù)埋件等信息的預(yù)制構(gòu)件Revit模型，并直接生成深化圖紙和材料表單，供構(gòu)件廠進行加工生產(chǎn)。
5.2 BIM技術(shù)在建造管理中的應(yīng)用
中建技術(shù)中心在研發(fā)第一代基于WIN CE平臺專用手持設(shè)備的RFID預(yù)制構(gòu)件管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，初步開發(fā)完成了第二代基于通用手機平臺（Android系統(tǒng)）的RFID預(yù)制構(gòu)件跟蹤管理系統(tǒng)，并在工程中不斷完善。該系統(tǒng)基于建筑深化設(shè)計BIM模型，為裝配式建筑的各個部件設(shè)置電子標(biāo)簽，對構(gòu)件的全生命周期進行管理。從預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)開始，在澆筑、質(zhì)檢、入庫、出庫等各環(huán)節(jié)，記錄跟蹤構(gòu)件信息，并上傳到終端數(shù)據(jù)庫中；構(gòu)件出廠后，運輸、進場、吊裝各個流程也同樣進行采集跟蹤管理（見圖7）。通過RFID技術(shù)，將生產(chǎn)的構(gòu)件與數(shù)據(jù)庫中虛擬的模型結(jié)合起來，使建造過程中的各階段均受控；工程竣工后，相關(guān)信息同樣可以為業(yè)主運營提供服務(wù)。在未來，期望基于以上技術(shù)，推動工程建造的現(xiàn)代化變革，實現(xiàn)真正的精益建造。
6結(jié)語
近幾年，以新型裝配式混凝土建筑為代表的新型建筑工業(yè)化在我國高速發(fā)展并開始大規(guī)模應(yīng)用，新型體系、新型連接節(jié)點層出不窮。中國建筑在裝配式結(jié)構(gòu)體系、抗震性能、新型連接節(jié)點和BIM技術(shù)在工業(yè)化建造等方面結(jié)合工程應(yīng)用進行了較為系統(tǒng)的研發(fā)探索工作，文中的每一點都是一個比較大的專題，相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和后續(xù)研發(fā)成果將另文詳述。
