全装配框架结构体系一体化建造技术研究

时间：2019-08-01 18:51:26 来源：建筑工业化装配式建筑网

　　全装配框架结构是装配式混凝土框架结构的一种，是指从首层柱开始便采用预制构件在工地装配而成的混凝土框架结构。与传统装配式混凝土框架结构首层现浇的施工方式相比，减少了现场的湿作业量，提高装配速度和装配效率，更好的体现装配式建造理念。一体化建造技术是通过“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理”，实现对装配式建筑建造过程的技术协同、系统管理和资源互补。针对全装配框架结构体系的建造特点，为体现装配式建筑工业化建造方式，通过采用一体化建造技术，实现装配式建筑建造效率效益提高、工期节约、成本节省，实现工业化、社会化大生产。本文主要介绍全装配框架结构的特点和设计实现措施，以及全装配框架结构对一体化建造技术的需求，从一体化建造方式的具体技术展开介绍全装配框架结构实现一体化建造的途径。同时，结合工程案例总结全装配框架结构中一体化建造技术的具体应用和未来展望。

　　关键词：装配式框架结构;全装配;一体化建造;建造全过程;工业化;

1 概述

　　装配式建筑是指将构成整个建筑的各种构配件，包含结构构件中的墙、梁、板、柱、楼梯等，建筑构件中的内外围护、装饰装修，机电安装中的管线设备等，统一在工厂加工制作，施工现场装配连接的高品质现代化建筑。通俗意义上讲，装配式建筑整个建造过程就像是造汽车一样造房子。

　　装配式建筑最早兴起于二战后的欧洲各国，其发展原因主要是当时欧洲各国百废待兴，需要大面积重建，但是历过战争后劳动力短缺，无法满足建设的需求。在这种情况下，装配式建筑应用而生，在经过这半个多世纪的发展，已经形成非常成熟的技术体系和模式。

　　装配式建筑开始被引进我国是在20世纪五、六十年代，当时主要是模仿前苏联的装配式大板结构。近些年来，在国家积极政策的引导下，装配式建筑得到迅猛的发展，一大批装配式结构体系和施工工法得到应用，各种技术体系在示范项目中实践，装配式建筑的技术也越来越成熟和完善。

1.1全装配框架结构

　　全装配框架结构是针对现有普通装配式框架结构体系进行了优化改良形成的结构形式。与普通装配式框架结构的区别是：首层竖向构件由传统现浇更改为预制，建立了以“预制装配”为主的框架体系。普通装配式框架结构首层通常采用现浇施工，标准层以上预制，导致现场现浇工法与装配工法相互交叉混用，效率低下。从一体化建造的角度看，没有发挥出装配式建造应有的优势。改良为全装配结构，符合装配式建筑一体化建造的发展路径，发挥装配式建造的优势。

　　全装配框架结构建造过程

1.2一体化建造技术

　　一体化建造方式是以“建筑”为最终产品的系统性思维方式，具有系统化、集约化的显著特征。传统的建造方式自动割裂了建筑、结构、机电、装修各专业间的联系，导致专业未形成系统化;同时，设计、生产、施工各阶段不协同，严重脱节。一体化建造方式是在建造过程中将主体结构系统、外围护系统、机电设备系统、装饰装修系统通过总体技术优化，多专业协同，按照一定的技术接口和协同原则组装而成装配式建筑产品的过程。

　　一体化建造核心体现为“三个一体化”：建筑、结构、机电、内装一体化;设计、生产、装配一体化;技术、管理、市场一体化。

　　通过一体化建造的应用实践，未来装配式建筑的必将迈上绿色化、工业化和信息化的发展之路。绿色化代表绿色建造是现代建造文明的集中体现，是房屋建造全过程整体素质的全面提升;工业化代表标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修是未来新型工业化建造方式;信息化代表未来信息化与工业化的深度融合，信息技术必将成为建筑业未来的重要工具和手段。

　　一体化建造方式

2 首层现浇缺点

　　现有的装配式混凝土框架体系在设计时通常采用首层现浇，标准层预制的结构设计方案。出现这种现象的原因主要是框架结构首层位置一般为设计时的塑性铰区域，且抗震设计时首层承受的水平剪力最大，为保守考虑一般将首层设计为现浇，从2层及以上采用预制装配。但是这种设计方式导致施工现场中现浇工法和装配工法相互混用、交叉作业，施工效率低下。从过往的工程应用中可以发现这种“预制+现浇”的方式主要有以下几个方面的不足：

　　(1)从装配式建造全产业链的角度考虑，这种方式没有发挥出预制装配式应有的优势。装配式建造应该是设计-生产-施工一体化，设计时要将生产和施工的需求提前考虑并解决，在施工的过程中要充分的理解和体现设计的意图。先现浇再预制的设计和建造方式，脱离了装配式建筑的高效、快速、便捷的施工理念，成为了唯装配而装配。

　　(2)装配式建造方式的发展主要是在提高建筑施工质量的基础上，大量减少现场湿作业和模板支架等措施材料的耗费，降低现浇作业量，减少施工作业人员，提升施工环境质量。但是这种首层现浇的装配式施工并没有完全实现上述的装配式建造优点，现场依然存在大量的湿作业，劳务工人并没有实质性的减少，材料的损耗也并未明显降低。由于现场还存在混凝土现浇施工，对环境的影响依然存在。

　　(3)两种不同的施工工法交叉施工，必然导致交叉作业区施工质量控制难度大。不同的施工工法对施工工艺的要求不同，作业组织方式也不尽相同。传统现浇施工需要在进行支架和模板的施工，但是装配式施工不需要支架模板工序，不同的工序交叉导致施工效率低，也会导致装配效率低。

　　(4)从工期和成本层面考虑，装配式建造可以有效缩短施工工期，提升建造效率，降低施工成本费用。但是两种不同的方式交叉施工作业，现浇施工进度慢，现浇向预制的转换也将增加施工时间，总体上增加施工工期，同时也会导致施工成本费用的升高。

　　综合上述的装配式结构首层现浇的不足和缺点，从装配式建造一体化建造的角度考虑，迫切需要改变现有的首层现浇的结构设计方法，指导建立地上结构全部采用预制构件装配的设计技术体系，实现全装配结构建造技术。

3 全装配技术特点

　　全装配框架结构体系即突破了传统装配式框架结构中部分预制、部分现浇的设计，解决了预制和现浇混用的施工问题，采用创新技术和具体措施，实现全装配结构，建立混凝土建筑全装配结构设计体系。

　　全装配结构体系

　　全装配框架结构技术体系实现了首层可预制的设计技术，形成以预制装配为主的装配式混凝土框架结构设计技术，从结构正负零以上即可全部采用装配建造。全装配结构的技术优势主要有以下几个方面：

　　(1)全装配结构体现了装配式建造理念，符合预制构件标准化设计。从首层开始预制，避免了现浇与预制的交叉作业，体现装配式建造快速高效的装配理念。同时，全部按照预制构件设计，避免了首层与标准层不同尺寸的设计思路，实现预制构件标准化设计。

　　(2)减少现场湿作业，提高装配效率，加快施工进度。全部采用预制构件进行现场装配，极大地减少了现场的湿作业和现浇工序。

　　(3)减少首层现浇施工的模板和支架钢管使用，真正体现装配式建造的模板资源节约，减少了现浇施工建筑垃圾的产生，提升现场施工环境。

　　(4)提高施工速度和施工质量，有效保证现场安全文明施工。预制施工方式的质量控制点可以统一，能够有效的进行过程质量控制，提高建造质量。装配式建造相比传统现浇施工的极大优势可以更好的实现现场文明施工，全装配结构的建造能更好的保证安全文明施工。

4 全装配设计实现措施

4.1 结构布置规则、均匀

　　在进行方案设计时保证建筑形体及结构布置规则，水平、竖向结构布置均匀、连续并具有良好的整体性，相应高宽比满足规范中要求。特别是对于平面不规则的结构形式，相应建筑突出部分尺寸要严格控制。

4.2 连接加强设计措施

　　设计时对框架结构嵌固层的内力进行调整并增加构造措施。具体设计措施是将首层预制柱底部水平接缝剪力设计值和弯矩设计值进行放大，同时可以在首层预制柱全高进行箍筋加密。

　　针对装配式结构的竖向构件连接特点，对现有的灌浆套筒连接技术进行改进，通过采用加长连接套筒(普通灌浆套筒长度1.2~1.5倍)和节点连接处竖向错位套筒连接，降低连接处集中应力，提高连接接缝处承载力和连接可靠性。

　　4.3 轴压比控制技术

　　设计时控制竖向构件的轴压比，下层竖向构件采用高强度混凝土或者增大截面面积来控制轴压比数值。通过此种措施可以有效控制首层竖向构件内力，方便首层进行预制装配。

4.4 抗震性能化设计技术

　　通过深入的弹性和弹塑性计算分析，研判结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位，设计时提出有针对性的抗震加强措施。结构设计时的性能目标包含结构在小震、中震和大震下的性能状态和损伤程度;整体层面是关注结构层间位移角;构件层面是分别关注关键构件、普通竖向构件以及耗能构件的性能状态。经过上述的抗震性能化设计分析，对首层采用预制装配式结构进行多层次抗震设计和加强措施。

4.5 减、隔震技术

　　将装配式结构设计技术和减、隔震技术结合，在首层受力较大位置采用减隔震装置，整体提高装配式建筑的减震、抗震性能。日本在框架结构中应用减、隔震技术非常成熟，减、隔震技术可以简化结构构件的构造设计，便于构件工厂化制造和现场装配施工。

5 全装配结构一体化建造技术

　　全装配结构形式是符合装配式建筑中预制装配的建造理念，是预制装配建造方式在混凝土框架结构建造中的集中体现。从全产业链的角度考虑，全装配框架结构需要一体化建造来串联建造全过程，实现从设计-生产-施工-装修-信息化-智能化一体化建造技术应用，全方位践行预制装配式建造方式。

　　一体化建造是建筑工业化生产的必然要求。以全装配结构技术为特点，采用BIM信息化等技术，实现装配式建筑全过程工业化方式建造。

5.1 标准化设计

　　全装配结构体系采用模数化、标准化设计，形成内部空间模数化，灵活动态布置，各种标准尺寸的空间可以互相组合。

　　针对全装配框架结构形式，标准化设计主要是实现平面设计标准化：确定开间尺寸、进深以标准模数扩展;确定相同的尺寸边界、模块间协同拼接组装;建立标准化产品的基本构件和部品部件库，实现有限元素的不同形式组装。

　　平面尺寸模数扩展

　　立面设计标准化：模数化外围护墙体的标准化设计，不同组合实现立面效果变化;标准窗墙比、门窗比控制下的立面排序。

　　构件设计标准化：构件尺寸的标准化归并和钢筋骨架的单元化、模块化，便于生产模具标准化以及生产制造工艺的标准化。

　　部品件设计标准化：以主要功能需求为基础，协调部品件模数以及尺寸模数，实现部品件标准集成化设计。

　　构件钢筋标准化

5.2 工厂化生产

　　全装配结构中装配构件，在工厂进行自动化、数字化加工制造，各种部品件、预埋件协同化、精细化生产。

　　在构件标准化设计的基础上，进行加工制造中配套模具的标准化设计。同时结合工厂生产的标准化制造工艺，使钢筋骨架一次性、自动化加工成型，模具与钢筋骨架单元的自动化组装。

　　构件设计数据通过BIM技术指导连接生产制造管理系统，无需人工录入生产数据，实现工厂自动排产、物料信息提醒、生产过程控制、混凝土智能浇筑振捣、养护翻转、构件运输优化和生产智能化。

　　工厂自动化生产

5.3 装配化施工

　　一体化建造技术要求装配施工与设计相互协同，通过设计的前期策划体现施工现场的高效装配技术。装配式施工要符合建筑工业化模式的发展要求，这就使得装配式施工要机械化、高效化。

　　针对装配施工的工序流程，采用高效诱导钢筋定位技术、定型化构件吊装工装、工具化安装就位器具，实现施工作业工序标准化，实现现场装配流程化。

　　为形成建筑、结构、机电、装修全专业系统的装配技术，在装配施工基础上，结合构件的精细化加工，进行构件和内部部品配件的集成化装配施工。装配式施工构件运输、存放的要求下，采用与构配件相匹配的专业化、集成化吊装、堆放、支撑、防护等工装设备，实现现场施工全过程的装配化施工。

　　装配式节点施工

5.4 一体化装修

　　全装配结构中一体化装修是指装配式建筑中装修集成技术的应用，即室内外装修从设计之初就采用工厂化方式生产，实施装配化施工，减少建筑中二次装修带来的浪费和污染。

　　将装饰装修内容与建筑、结构、机电设备等各专业同步协同设计，实现一体化、集成化。同时，内装在进行深化设计时，其他专业要提前介入确定满足装饰装修的方案，确保施工装修时的高效协同施工。

　　装配式一体化装修采用标准化、模数化的设计数据，实现门窗卫浴以及其他部品、管线设备和结构构件之间的接口连接协同统一。提前进行预留、预埋，进行装饰保温一体化设计，实现装配式施工现场的集成化装配装修。

5.5 信息化管理

　　对全装配结构建造全过程进行信息化管理，全过程应用BIM技术，实现信息化和工业化的深度融合。通过采用BIM与企业管理ERP相结合的信息化管理技术，实现目标统一、协同共享，突破以往设计方与施工方由于各自利益述求不同导致重复工作、各种信息难以共享等问题，可利用EPC模式下集成、协同的信息共享技术，利于设计、加工、装配、运维的信息交互和共享，避免重复工作、信息二次录入和传导、信息传导失真等问题，提高实施过程的工作效率，以信息化手段实现设计-加工-装配一体化协同控制。

　　通过建立信息化共享平台，实现设计、加工、装配、运维的信息交互和共享，促进设计信息、生产信息与项目装配信息化管理系统融合，实现工期、商务成本、质量、安全的全过程信息化管理。

　　利用物联网等信息技术，充分共享装配式建筑产品的设计信息、生产信息和运输等信息，实时动态调整，制定科学完善、技术先进、经济合理的装配优化方案。

　　构件信息化管理

5.6 智能化建造

　　一体化智能建造是依托以BIM为基础的智能建造技术，集成互联网+、物联网、移动终端、云服务、大数据等信息化创新技术，实现装配式建筑在设计、生产、运输、装配以及运维全生命周期的信息化建造管理。

　　装配式建筑行业的发展需要积极推进工业化、信息化深度融合，对比制造行业，从系统化装配的角度要实现“建筑、结构、机电、装修一体化”，从工厂化生产角度要实现“设计、加工、装配一体化”，从产业化发展角度要实现“技术、管理、市场一体化”。以上述“三个一体化”发展思想为出发点，立足于用智能化手段实现装配式建筑全链条、全流程、全方位的系统性集成智能建造，以实现科研、设计、制造、采购、施工(REMPC)工程总承包高效、优质建造为目标。

　　REMPC智能建造模式

6 工程案例

6.1工程概况

　　南京一中江北校区(高中部)建设工程项目位于江北新区国际健康城范围内，校区设3栋教学楼、行政办公楼、图文信息综合楼、音乐厅、体育馆、2栋学生宿舍、教师宿舍。总建筑面积10.8万平米，地上6.85万平米，地下3.95万平米。

　　项目为装配整体式混凝土框架结构，预制率30.1%，建筑面积107728m2。1-3#楼(教学楼、阶梯教室、含连廊)(地上装配)、4#楼行政办公楼(地上装配+现浇)、5#楼图文信息楼(地上现浇)、6#楼音乐厅(地上现浇) 、7#楼学生宿舍(地上装配)、8#楼教师公寓(地上装配)、9#楼体育馆(地上现浇)。PC构件含预制柱、预制叠合板、预制叠合梁、预制楼梯。

6.2 技术应用

　　6.2.1施工图标准化设计

　　施工图设计需考虑工业化建筑进行标准化设计。工业化建筑的一个基本单位尺寸是模数，统一建筑模数可以简化构件与构件、构件与部品、部品与部品之间的连接关系，并可为设计组合创建更多方式。为设计阶段简单、方便地应用模数，可以采用整模数来设计空间及构件尺寸，生产阶段则采用负尺寸来控制构件大小。通过标准化的模数、标准化的构配件通过合理的节点连接进行模块组装最后形成多样化及个性化的建筑整体。

　　6.2.2构件拆分设计标准化

　　构件厂根据设计图纸进行预制构件的拆分设计，构件的拆分在保证结构安全的前提下，尽可能减少构件的种类，减少工厂模具的数量。

　　6.2.3独特的预制构件支撑体系

　　为了保证构件在安装时稳定性，对于不同构件采用了不同的支撑体系。如预制柱采用螺栓连接的工具式可调节斜支撑;叠合板支撑采用可调独立支撑;预制楼梯单支顶支撑预制梯梁，楼梯板固定在预制梯梁上等等，针对不同构件的结构特点，采用不用的支撑体系，通过这种方式有效地保证了安装的可靠性。

7 结束语

　　2016年9月27日《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发﹝2016﹞71号)中提出力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。装配式建筑是建筑业的一场革命，是生产方式的彻底变革，必然会带来生产力和生产关系的变革。发展装配式建筑是推进供给侧结构性改革的重要举措，其核心优势是提供优质、适用的建筑产品。装配式建筑的发展需要践行“三个一体化”理念，即“建筑、结构、机电、内装一体化”、“设计、生产、装配一体化”和“技术、管理、市场一体化”。

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