建筑工业化双层墙连接整体性研究

2022-09-10

1 引言

1.1 国内研究现状

1.1.1 建筑工业化发展趋势

建筑工业化主要表现为工厂化生产构配件、标准化建筑设计、科学化组织管理、机械化施工操作。主要是通过高效的机械化的生产加工手段, 在工厂内完成建筑构件的生产过程, 同时通过先进科学的管理及组装方式完成现场的快速搭建, 从而代替传统以手工业为主的低效生产模式。从国内来看, 历经了20世纪60年代、90年代两次建筑工业化浪潮, 对于提高我国建筑工艺水平和推动建筑行业的发展起到了一定的促进作用[1], 但与欧洲相比较, 欧洲建筑工业化发展至今已有60多年的历史, 经历了从起步到成熟的阶段, 目前已实现装配式可持续绿色智能建筑, 和通过工业化的建造方式成本低于传统建筑的装配式技术, 无论从生产工艺还是从材料使用率上都存在着巨大的差距。

2016年中共中央、国务院发布了《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》, 文件明确规定2020年前装配式建筑需要占新建建筑的30%。2016年9月14日, 国务院常务会议决定大力发展装配式建筑, 推动产业结构调整升级:2016年9月27日国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》 (国发办【2016】71号) 。因此, 为实现这一宏大目标, 顶层设计, 新体系、新规范、新标准、新技术的确立是当前最紧迫的任务之一, 也是实现我国建筑工业化发展的重要手段。

1.1.2 双墙体系的应用现状

单层墙主要包含内部构造、外部包围和洞口侧面三部分;双层墙是分层的、内部有空腔的墙, 包含内部构造、OSB墙布、外部包围和复合纤维水泥板或者复合乙烯基板[2-3]。对于二者而言, 最主要的区别在于墙体的内部构造为单层还是双层。一般来说, 如果墙体内部采用双层墙壁机结构, 那么该墙体的设计成本将会较高。对于建筑的开发商和业主来说, 也更将倾向双壁设计, 因为双壁设计可以提供更好的结构完整性和节能优异性。近年来, 由于装配整体式双层剪力墙结构不仅仅符合国家及个地方住宅产业化和建筑工业化要求, 同时还符合低碳、可持续的理念, 各地的专家及行业专业人士逐渐将目光聚焦在了该体系之上。预制装配式双层剪力墙结构 (new precast concrete double shear wall structure, NPC) 是适应我国国情的一种新的住宅结构形式, 其原理即采用预制钢筋混凝土墙、U形梁、叠合板, 通过预留连接钢筋、后浇混凝土将墙、梁、板及节点拼装连成整体[4]。

相比较而言, 双层墙体系具有如此多的优势, 但为什么却难以在市场是广泛运用与推广呢?主要原因在国内目前缺乏适用于双层墙的国家体系, 导致双层墙在使用过程中困难重重, 不仅在生产加工过程中低成本的优势发挥不出来, 反而有过之而无不及, 同时在后续的运输、现场装配环节对工人缺乏系统性的培训, 造成施工时间拖延, 后续反复修复的问题。因此, 实现墙体等重要构件的装配式、提高构件间的连接技术和工艺才能够真正促进建筑工业化进程和双层墙的应用。

1.2 国外研究现状

1.2.1 建筑工业化发展趋势

从世界范围看, 目前世界各国都在积极发展建筑工业化技术, 特别是欧洲等发达国家, 都结合自身的情况, 制定了行业科技发展规划。

工厂化、模块化、数字化的建造是国外目前在建筑工业化领域的普遍手段, 即按照统一的标准运用数字化手段完成模型设计, 在工厂内通过全自动生产线批量生产各种工业化部品及构件, 然后运送到现场, 当场用机械化方法组装成住房建设方式。采用这种方式建造的住宅可以被统一称为预制装配式住宅。预制装配式住宅的主要优点是:组件在工厂内进行加工生产, 可以保证效率不受人为因素及环境因素的影响, 同时大量的自动化、机械化设备可以提升生产线的整体成品率;另外预制好的构件及相关部品在施工现场只需要简单的组装及灌浆处理, 不需要像传统建筑一样需要耗费大量的人力及时间。但同样, 预制装配式住宅也存在着自身的缺陷:相对于传统生产, 首先预制装配式住宅的生产线需要有固定的预制生产加工厂, 而往往在传统施工企业中没有预制生产加工厂, 所以在前期需要施工企业一次性投入大量资金在预制生产厂的规划及搭建上;其次, 虽然目前在很大程度上预制结构的稳定性和抗震性已经等同于现浇结构了, 但对于强地震地区, 大家还是倾向于传统现浇模式的建筑;第三就是在体系引入上, 国内目前多数派系还是以日本的预制构件+PC模式为主流, 但该模式在国内使用的时候, 往往会适应不了灵活多变的建筑结构, 缺少变化, 这也造成了预制装配式建筑给人以单一古板的印象, 不能与传统现浇建筑相竞争。

1.2.2 双墙体系的技术优势

双层墙结构对于任何建筑来说都是一种结构的优化和升级, 能够提高设计质量, 增强隔音和隔热保温。装配整体式剪力墙结构是通过在工厂预制剪力墙构件, 构件上预留连接钢筋及竖向连接孔洞, 经现场装配, 预制构件水平方向通过现浇连接节点, 竖向方向通过套筒连接或者浆锚连接的方式, 使构件拼装成整体, 达到等同现浇目的。与传统房屋建造方法相比, 装配整体式剪力墙结构受力性能与现浇剪力墙结构基本相同, 但建造工期缩短30%以上, 钢材节约2%, 混凝土节约7%, 抹灰人工费节约50%, 节水40%以上, 节电10%以上, 耗材节约40%, 管理费用节约50%, 项目综合造价大约节省15%以上, 经济效益十分明显[5]。

在国外, 装配整体式剪力墙结构多用于中低层的住宅建筑。该结构形式在地震中表现通常具有较好的抗震性能, 与预制装配式框架结构和钢结构进行对比的话可以发现, 该结构被破坏的程度相对较低。在对国外地震区域的研究中发现, 预制装配整体式剪力墙结构几乎没有破坏, 甚至有的预制装配式剪力墙结构楼房经过简单修复后既可以重新使用。目前, 发达国家的预制装配式混凝土结构在建筑中所占比重较大, 瑞典新建住宅中通用构件占80%, 美国约为35%, 欧洲约35%~40%, 日本则超过50%[6]。装配整体式剪力墙结构应用于双墙结构中也是解决双墙体系稳定性的重要途径。

2 双层墙应用和建筑工业化的阻碍

2.1 现场组装时间长

外墙板与内剪力墙板在部件组成上具有很大的区别, 两者的功能性也不一样。外墙板在加工过程中一般会在原基础上增加保温层及外饰面, 相对来说等于增加了两道新的复杂工序。由于这两部分的加工通常是在结构层完成后通过脚手架来实施作业的, 所以在实施作业的过程中, 会存在高空作业安全风险。同时由于现场物料的堆积、运输和其他相关的复杂工序, 也会造成现场施工的时间较长。

2.2 成本难以有效控制

双层墙体在预制装配的过程中要比单体墙复杂的多, 首先是在结构上, 双层墙体在采用相对复杂的结构的同时, 还需要考量保温、降噪等要求;其次对于成型的墙体, 其整体的强度也要达到施工要求。对于外墙板来说, 采用现浇工艺难度非常大, 因为外墙板采用现浇模式必须支设模板, 并且需要有牢固的固定脚手架。针对现浇本身并不需要耗费过多的原材料, 但相关的配套材料、人工和费用都很大。相比较来说, 如果外墙采用预制装配式的话, 在进行施工的时候可以实现立体交叉作业。当结构达到一定高度的时候, 预制外墙可进行密封, 实现下层结构的高完整性, 这样就可以在进行上层外墙结构施工的同时, 同时启动下层内部二次结构以及室内工程的施工作业。

2.3 工程质量难以可靠保证

对于复合的双层墙体其整体的强度以及在组装过程中的技术要求使其最终的工程质量难以达到传统的技术要求。关于连接的整体性问题, 实际上在国外通过一步步的努力已经基本得到解决, 从国外的几次强地震案例来看 (1968、1972和1990年的三次里氏7.2~7.7级的强地震) , 论是低层还是高层的预制装配混凝土结构都经受了住了考验。在亚洲地区, 日本位于环太平洋地震带边缘地区, 属于高地震地区, 但我们在对日本屡次地震后的数据分析后可以发现, 日本的大部分建筑在地震后都具有良好的完整性, 部分建筑经过局部维修后就可以重新使用。然后, 在对日本建筑的研究, 尤其是住宅建筑的研究中可以发现, 接近一半的中高层住宅建筑都采用的是预制混凝土结构。这也说明预制混凝土结构是可以经得住高强度地震的考验的。

3 新型装配式双墙体系

3.1 新型装配式双墙体系构想

双层叠合板式剪力墙结构体系与传统的剪力墙体系相比, 具有施工速度快、工业化水平高、增量成本小等特点。根据已有研究表明:当墙面板与钢骨架有可靠连接时, 墙面板在发挥围护作用的同时为墙架柱提供了有效的侧向支撑, 同时约束了其扭转, 使墙架柱的稳定承载能力明显提高[7]。

3.2 国外先进技术的引进

复合墙体相对而言, 结构整体质量轻、承载力高、刚度大、整体稳定性强, 所以在静力荷载和风荷载作用下, 结构整体变形满足正常使用要求, 且结构整体变形远远优于传统的钢筋混凝土结构住宅, 复合墙体结构体系可减少建筑垃圾, 符合节能环保的特点[8]。

3.3 引进与科研结合

那么, 在进行工厂加工的时候, 如果可以在构件厂内完成墙体的整体性加工及制作, 制作成包含结构、保温和装饰的三合一外墙预制板将大大减少项目施工现场的安装过程, 只需要运用高效的吊装设备和拼接设备即可以解决原来繁琐复杂的现场施工。同时, 在进行工厂内预制加工的过程中, 也可以将外墙相关的其他部品部件一同组装起来, 这样将进一步节省现场的安装拼接时间, 将房屋施工变成搭积木一样简单。这种工艺的应用范围不仅包括高层钢结构, 高层钢筋混凝土框架结构、钢筋混凝土剪力墙结构等公共建筑和住宅都可以推广。这项技术是上世纪八十年代从日本引进, 当时日本几乎大部分高层钢结构建筑外墙都采用这种工艺, 形成了固定的工法, 在日本各地大量推广应用, 并且这类墙板大部分都是在现场预制加工, 一般利用地下车库作预制场地。

4 结语

分析结果表明:在本文中提出的针对双层墙体系的理论知识和应用实践, 为我们提供了双层墙在抗震承载力和抗震性能方面不低于现浇剪力墙结构的基础支持。预制构件的连接和节点构造满足抗震性能要求。对推进装配式住宅具有良好的探索与示范作用, 设计方法和连接构造可供工程实践参考。

摘要：建筑工业化是我国建筑行业一直在力求突破及向国外追赶的地方, 也是构建节约型社会的主要途径之一。墙体是建筑物的重要组成部分, 预制双层墙体也是工业化建筑的重要组件。在国内, 目前通用的墙体梁柱连接节点的安装方式为高强度螺栓连接、焊接连接或混合焊接和高强度连接使用, 这一方法相对国外来说较为落后。虽然国内学者从改善延性耗能、提高抗震性能等方面对节点进行了一系列的改进, 但对同时具有良好的稳定性、节能性, 又符合领先的施工技术和工业化要求的节点构造缺乏实践研究。在墙体连接整体性中遇到的问题也成了制约我国建筑工业化进程的一个重要影响因素。在本文中, 通过分析借鉴其他国家的先进理论知识和实践经验, 引荐解决连接整体性瓶颈的方法, 将会达到促进我国建筑工业化快速高效发展的目的。

关键词：建筑工业化,双层墙体,连接方法,建筑整体性