摘要：國內(nèi)采用“內(nèi)澆外掛”體系建造的超高層建筑不多，該體系將施工現(xiàn)場現(xiàn)澆難度較大的圍護構(gòu)件在工廠內(nèi)預制，然后運至現(xiàn)場外掛安裝后節(jié)點區(qū)與內(nèi)部豎向主體承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)澆，有利于外墻防水抗?jié)B，提高施工效率。本文結(jié)合超高層建筑對地震荷載和風荷載極為敏感的特點，介紹了超高層裝配式建筑“內(nèi)澆外掛”體系建造的某些關(guān)鍵技術(shù)，包括預制外掛墻板的水平、豎直節(jié)點連接技術(shù)、防水構(gòu)造技術(shù)、抗震抗風技術(shù)、現(xiàn)場安裝精度控制和防碰撞技術(shù)以及施工組織管理技術(shù)等，為我國在超高層建筑采用這種體系提供了較高的參考價值。
關(guān)鍵詞：超高層；裝配式建筑；內(nèi)澆外掛；預制外掛墻板
1 引言
房屋建筑采用建筑工業(yè)化方式建造能節(jié)約資源，減少勞動力，提高施工質(zhì)量等，根據(jù)專業(yè)機構(gòu)測算，可以降低能耗23%，降低水耗79%，減低模板消耗81%，施工場地20%。因此，推行裝配式建筑是我國傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。
目前裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)建造方式主要包括以下四種：
（1）裝配整體式剪力墻，采用剪力墻墻身整體預制，邊緣構(gòu)件采用現(xiàn)澆形式；
（2）雙面疊合剪力墻，采用剪力墻內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面預制，中間現(xiàn)澆；
（3）單面疊合剪力墻，采用建筑外圍剪力墻外側(cè)面預制，內(nèi)側(cè)現(xiàn)澆；
（4）內(nèi)澆外掛，即主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件采用現(xiàn)澆，非受力構(gòu)件采用外掛形式。
前3種建造方式適用于一般高層建筑[1]，而第4種內(nèi)澆外掛體系由于內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件采用現(xiàn)澆，周邊圍護的非主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用工廠預制運至現(xiàn)場外掛安裝就位后在節(jié)點區(qū)與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體現(xiàn)澆，這種方式?jīng)]有突破結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范限制，可適用于超高層建筑。
本文根據(jù)香港和內(nèi)地不同設(shè)計習慣和方法，結(jié)合超高層建筑對地震荷載和風荷載極為敏感的特點，從超高層建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工等整個建造過程介紹了“內(nèi)澆外掛”體系一些關(guān)鍵技術(shù)。
2 柔性連接節(jié)點技術(shù)
超高層建筑由于層數(shù)多，高度大，水平方向的地震反應(yīng)和風致影響十分顯著，除了豎向荷載，預制外掛墻板將承受相當大的水平地震荷載、風荷載，連接節(jié)點設(shè)計主要采取了如下技術(shù)措施:
在主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件與非主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件之間選擇確定合理傳力路徑：對于一般外掛構(gòu)件，其承受的豎向荷載主要通過預制構(gòu)件頂部的外伸鋼筋錨入主體結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件來傳遞給主體結(jié)構(gòu)，而水平荷載諸如地震荷載、風荷載則通過預制構(gòu)件兩端的鋼筋與主體豎向構(gòu)件現(xiàn)澆形成整體，即采用“先裝法”先施工預制外墻板，后現(xiàn)澆梁、板等受力構(gòu)件，兩端的鋼筋連接采取只傳遞剪力不傳遞彎矩的構(gòu)造做法實現(xiàn)了“柔性連接”，弱化了對主體結(jié)構(gòu)的影響。
對于一些預制外墻構(gòu)件由于空間形狀比較復雜，采用有限元分析軟件進行局部補充計算：圖1是7度抗震烈度、沿海地區(qū)某超高層項目中的預制凸窗采用abaqus軟件分析的模型，計算結(jié)果表明，凸窗頂部的兩端受力較大，該處外伸鋼筋配筋也相應(yīng)加強。
圖1 預制凸窗受力分析模型
3 防水設(shè)計技術(shù)
外掛墻板水平拼縫處采用靴腳合結(jié)構(gòu)企口構(gòu)造，如圖2。另外在豎直拼縫接觸面處進行洗水或掃花處理，增加構(gòu)件連接的緊密性，同時設(shè)置止水槽，構(gòu)成防水第二道防線[3]，如圖3。這樣形成了廖多道防水路線，徹底解決了外墻滲水問題。
圖2 外掛墻板水平拼縫節(jié)點及防水構(gòu)造 圖3 外掛墻板豎直拼縫節(jié)點及防水構(gòu)造
門窗處，為解決后裝門窗處容易滲水問題，在工廠生產(chǎn)時，將門窗與外墻整體預制，門窗連接件預埋入構(gòu)件中，通過混凝土構(gòu)造達到止水目的；在陽臺位置，陽臺設(shè)計標高低于比室內(nèi)樓層標高，預制外墻門底部結(jié)構(gòu)尺寸不應(yīng)小于125mm，使預制外墻結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，保證預制外墻不發(fā)生變形，同時滿足陽臺防水要求；建筑頂層，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)包住預制外墻頂部，實現(xiàn)預制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件完美結(jié)合，同時保證防水要求與外立面效果。
4 抗風技術(shù)
當預制外掛墻板左右側(cè)有非結(jié)構(gòu)墻即構(gòu)造柱存在，或預制外墻板跨度過大時，為避免風荷載作用于外墻板上將其掀離梁位，在超高層中尤其容易發(fā)生，采用風碼裝置固定外墻板，同時不將外墻板的荷載傳遞給下層受力構(gòu)件。預制外墻板外伸鋼筋上端錨入梁或樓板，右側(cè)錨入剪力墻，左側(cè)錨入結(jié)構(gòu)柱非結(jié)構(gòu)墻. 中。左側(cè)和下側(cè)可認為自由端，右側(cè)和上側(cè)可認為是簡支端柔性連接.，此時左側(cè)將需增加風碼裝置，如圖4。
圖4 風碼位置及構(gòu)造
風碼將預制外墻板與下層梁固定。另一方面，由于風碼上端鋼筋外圍套PVC管，防止預制外墻板作用力傳至下層梁。當在超高層中應(yīng)用預制外墻板時，在非結(jié)構(gòu)墻一端需增加風碼，另外，由于風效應(yīng)過大，在較大跨度的預制外墻板跨中位置也需增加風碼裝置。通過計算，當150mm厚度的預制外墻板，層高約為3.5m，樓層相對于地面高度約為100m時，預制外墻板跨長超過5m，預制外墻板的剛度將不足以抵抗風載作用，變形超過規(guī)范允許要求，需增加風碼裝置。
風碼裝置的位置和數(shù)量有預制外墻跨度和錨固方式相關(guān)，作用類似栓釘，主要承擔風荷載產(chǎn)生的剪力作用，風碼鋼筋型號由計算確定。為方便施工，風碼施工現(xiàn)場可采取后注漿形式，也可采用后支模澆筑混凝土形式。為更好的提高裝配式建筑施工效率，風碼裝置從施工便利性方面也在不斷優(yōu)化。
5 質(zhì)量控制技術(shù)
在施工過程中，推行PASS（Performance Assessment Scoring System 的簡稱）制度進行質(zhì)量控制。PASS制度以過去連續(xù)12個月內(nèi)不同階段的平均分，乘以固定系數(shù)，所得出來的總分作為施工質(zhì)量的評分。為保障PASS評分公平公正，成立獨立的PASS審核小組，負責每個季度兩個月的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場裝飾工作評審以及一個月的安全評審工作。PASS制度對質(zhì)量控制意義重大。
在預制構(gòu)件批量生產(chǎn)前，先進行BIM模型項目建造過程，并在工廠內(nèi)預演安裝過程，根據(jù)模擬結(jié)果和預安裝過程，相關(guān)人員可直觀的看到實際項目的效果，避免構(gòu)件尺寸錯誤，構(gòu)件之間的連接碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生，另一方面，產(chǎn)業(yè)工人也得到了很好的安裝培訓。
6 安裝精度控制技術(shù)
預制外掛墻板安裝前，應(yīng)按設(shè)計要求在構(gòu)件墻面和相應(yīng)對的支承結(jié)構(gòu)面上標記中心線、標高線等控制尺寸線，按標準圖或設(shè)計文件校核預埋件及連接鋼筋等。安裝時，先將斜撐桿一端固定于地面或樓面板上，七字碼底部固定于地面或樓面板上；再將構(gòu)件吊運至指定位置后，分別固定到七字碼上；最后根據(jù)水準點和軸線位置，調(diào)節(jié)支撐桿的旋轉(zhuǎn)裝置來校對構(gòu)件的直度，調(diào)節(jié)七字碼的螺母微調(diào)構(gòu)件的水平位移和豎向位移，如圖5。
圖5 預制外墻板安裝大樣當上下層預制外墻厚度不一致，上下內(nèi)側(cè)無參考線時，安裝僅僅利用七字碼難以實現(xiàn)上下層對齊。在下層外墻增加帶斜角的槽鋼輔助裝置，吊運上層外墻插入槽鋼輔助裝置內(nèi)側(cè)，方便對齊安裝，如圖6。
圖6 斜角槽鋼輔助裝置 7 鋼筋防碰撞技術(shù)
施工現(xiàn)場，構(gòu)件之間以及構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間可能發(fā)生鋼筋碰撞，鋼筋碰撞會影響構(gòu)件的安裝。鋼筋碰撞在設(shè)計時即需考慮，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的鋼筋在預制構(gòu)件就位后錯開構(gòu)件外伸鋼筋放置。通過在工廠內(nèi)預演安裝樣板測試，調(diào)整設(shè)計時的鋼筋碰撞問題。
當兩件預制外墻板在剪力墻側(cè)向相連時，構(gòu)件外伸鋼筋在剪力墻內(nèi)交匯，節(jié)點處鋼筋密集容易碰撞。設(shè)計時將相鄰的一件構(gòu)件外伸鋼筋向外彎曲，另一件構(gòu)件外伸鋼筋向內(nèi)彎曲，剪力墻豎向鋼筋和橫向鋼筋錯開構(gòu)件的外伸鋼筋，避免施工時鋼筋碰撞，如圖7。
圖7 相鄰外墻板連接大樣
當疊合樓板與全預制樓板之間的連接時，兩件構(gòu)件的外伸鋼筋容易發(fā)生碰撞，鋼筋碰撞會導致兩件構(gòu)件連接不上，影響后澆混凝土施工。設(shè)計時，需將兩件預制構(gòu)件外伸鋼筋在構(gòu)件內(nèi)部向上彎曲，再通過一段鋼筋分別進行搭接，從而實現(xiàn)疊合樓板與全預制樓板的緊密連接，避免構(gòu)件間的碰撞，如圖8。
圖8 相鄰樓板連接大樣8 施工組織管理技術(shù)
由于非結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件已經(jīng)提前在工廠預制，對于流水施工組織縮短了流水節(jié)拍，非常有利于施工現(xiàn)場的流水施工組織管理，其主要施工工序包括：1.吊運安裝預制構(gòu)件；2.綁扎現(xiàn)澆部分鋼筋；3.組合大鋼模/鋁模進行支模；4.現(xiàn)澆混凝土。由于第1個工序施工速度快占用時間短且并不會拖延其他工序，所以可以穿插機動進行。所以關(guān)鍵工序還是取決于現(xiàn)澆部分的合理科學的施工組織管理，如合理組織勞動班組、劃分流水施工段，同時也可以結(jié)合樓層平面分區(qū)考慮空間跳層劃分流水段，完全可以實現(xiàn)“四天一層”的建造速度。例如，第一天吊運安裝預制構(gòu)件的同時穿插綁扎剪力墻鋼筋，第二天安裝剪力墻模板和安裝疊合板及綁扎樓板鋼筋，第三天已經(jīng)完成模板安裝的施工段則可澆筑混凝土。
9 項目應(yīng)用
內(nèi)澆外掛技術(shù)具有廣泛的適用性和極高的推廣價值，下面結(jié)合香港和內(nèi)地兩個典型工程案例，介紹本成果技術(shù)應(yīng)用情況。
啟德1A項目位于香港地區(qū)，該項目由6棟35-41層住宅、一座配套商場及一個地下停車場組成(圖9)。其中，住宅采用內(nèi)澆外掛剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻現(xiàn)澆，非受力構(gòu)件工廠預制，預制率約為40%。預制構(gòu)件主要預制外墻板，疊合樓板，預制樓梯，整體預制衛(wèi)生間等。預制構(gòu)件方量達17000m3，采用標準設(shè)計，有效降低了工程造價，提高了施工效率。
圖9 啟德1A項目標準層平面圖中海天鉆項目位于深圳市羅湖區(qū)，建筑主體共有11棟塔樓，其中，2棟為超高層裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，高度分別為148米（層數(shù)46層）和126米（層數(shù)46層）；抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計基準期為50年，設(shè)計使用年限為50年。根據(jù)《深圳市住宅產(chǎn)業(yè)化項目單體建筑預制率和裝配率計算細則（試行）》的要求，裝配式建筑裝配率不低于30%和預制率不低于15%，基于成本最優(yōu)，選擇部分凸窗采用預制，樓板疊合預制，樓梯預制（圖10）；該項目位于7度抗震區(qū)和沿海地區(qū)，并且高度達到規(guī)范規(guī)定的B級高度，地震荷載以及風荷載較大，除結(jié)構(gòu)主體計算較復雜外，預制構(gòu)件也需要進行抗震、抗風分析 [4] 。
圖10 中海天鉆項目標準層平面圖 10 結(jié)語
“內(nèi)澆外掛”體系不影響受力結(jié)構(gòu)的整體性，并方便外墻施工，相比裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)其他體系，經(jīng)濟性更好，在目前裝配式建筑發(fā)展初級階段，建造成本普遍偏高的情況下，具有較高的推廣應(yīng)用價值。本文介紹了超高層建筑“內(nèi)澆外掛”體系的建造過程的一些關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)也適用于一般“內(nèi)澆外掛”體系，總結(jié)如下：
（1）“內(nèi)澆外掛”體系接縫處的受力和防水是影響裝配式建筑品質(zhì)的重要因素，通過某地震區(qū)域超高層建筑有限元分析，論證了在地震荷載下，預制外掛墻板端部受力較大的特點；根據(jù)不同部位處的外掛墻板的水平、豎直接縫設(shè)計節(jié)點和防水構(gòu)造，使外墻接縫處滿足受力和防水要求。
（2）當風荷載較大時，風碼技術(shù)可有效防止預制外掛墻板掀離梁位，使“內(nèi)澆外掛”技術(shù)應(yīng)用于超高層建筑。
（3）部品的質(zhì)量至關(guān)重要， PASS制度可控制施工全過程的質(zhì)量，并通過BIM模型模擬和工廠預安裝，避免構(gòu)件尺寸錯誤，安裝碰撞等問題的發(fā)生，提高了產(chǎn)業(yè)工廠安裝技能。
（4）安裝精度影響裝配式建筑的施工質(zhì)量，臨時安裝系統(tǒng)可有效控制外掛墻板的安裝精度。
（5）通過外掛墻板和疊合板鋼筋錯位防碰撞措施，可避免安裝碰撞問題影響施工效率。
（6）通過有效的施工組織管理，可實現(xiàn)內(nèi)澆外掛體系四天一循環(huán)的施工周期。
（7）通過香港和深圳兩個典型的超高層裝配式項目，為應(yīng)用“內(nèi)澆外掛”技術(shù)提供了較好的參考實例。
