預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)技術(shù)研究及案例分析

圖1-2 軟通動(dòng)力研發(fā)樓外景和細(xì)部

1.1.1 建筑外墻方案比較
此建筑外墻原設(shè)計(jì)方案擬采用石材幕墻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)北京預(yù)制建筑工程研究院與業(yè)主及設(shè)計(jì)單位的協(xié)調(diào)，咨詢方提出可采用預(yù)制混凝土外墻掛板系統(tǒng)方案，飾面為清水混凝土效果。通過(guò)對(duì)兩種幕墻方案優(yōu)缺點(diǎn)比較（表1），綜合考慮外墻立面效果、墻身做法和性能、工程造價(jià)等因素，業(yè)主和設(shè)計(jì)單位一致認(rèn)同咨詢方的預(yù)制外墻方案。
1.1.2 外墻掛板分塊方案優(yōu)化
立面分格方案的優(yōu)化有利于提高預(yù)制建筑項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施效果。依據(jù)此項(xiàng)目的立面造型特點(diǎn)，我們對(duì)立面分格方案進(jìn)行了對(duì)比研究。

 

表1 外墻方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

 

方案1是以一個(gè)窗口為預(yù)制單元的分格方案（圖3），

圖3 外墻掛板分塊方案1

 

方案2是以兩個(gè)窗口為預(yù)制單元的分格方案（圖4）。

圖4 外墻掛板分塊方案2

從立面效果、原方案設(shè)計(jì)改動(dòng)量、結(jié)構(gòu)埋件預(yù)留數(shù)量、生產(chǎn)效率和安裝效率等五個(gè)方面，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較（表2），可知方案2優(yōu)于方案1。最終的優(yōu)化方案得到了業(yè)主和設(shè)計(jì)方的一致認(rèn)同。

表2 立面分格方案比較

1.1.3 外墻掛板建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)主要包括防水、防火、保溫等，由于混凝土板厚度為230mm，外掛板自身的防水、防火性能優(yōu)越，關(guān)鍵是做好接縫防水構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)防火和層間防火構(gòu)造，具體做法如下：
（1）所有接縫防水構(gòu)造采用材料防水和構(gòu)造防水相結(jié)合的方式，外掛板水平縫防水構(gòu)造是在外掛板上下口預(yù)留啟口，外掛板安裝完成后外側(cè)填塞背襯材料，并用建筑密封膠封閉（圖5a）。

圖5（a）水平縫構(gòu)造

（2）掛板豎縫為“L”形接縫，具有構(gòu)造防水特點(diǎn)，外層用填塞背襯材料并嵌固建筑密封膠封閉（圖5b）。

圖5 （b）豎向縫構(gòu)造

（3）窗口周邊做防水企口，窗框與掛板接縫用密封膠封閉，上口做滴水槽，下口做坡水設(shè)計(jì)（圖5c）。

圖5（c）窗口構(gòu)造

（4）外掛板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間的安裝拼縫用巖棉保溫板填塞，女兒墻處外掛板與現(xiàn)澆墻之間的安裝間隙采用金屬鋁扣板壓頂封閉，可有效解決朝天縫的防水問(wèn)題（圖5d）。

圖5（d）女兒墻構(gòu)造

（5）外掛板水平接縫處于結(jié)構(gòu)梁中間，所以水平接縫防火重點(diǎn)是做好層間防火，在外掛板與主體結(jié)構(gòu)之間預(yù)留的50mm的施工安裝縫內(nèi)填塞巖棉并用彈性砂漿封閉接縫外口，這樣兼顧保溫和防火構(gòu)造（圖5b）。
（6）主體結(jié)構(gòu)梁上下口均有掛板安裝節(jié)點(diǎn)，這是防火的重點(diǎn)，我們采用半濕法噴涂巖棉的方式將安裝節(jié)點(diǎn)封閉。
（7）此項(xiàng)目外圍護(hù)采用內(nèi)保溫構(gòu)造做法，符合項(xiàng)目自身設(shè)計(jì)要求，所有內(nèi)保溫采用50mm厚自熄型擠塑聚苯板，外掛板與主體結(jié)構(gòu)的間隙采用巖棉保溫填縫形成完整的保溫體系。

1.1.4 外墻掛板連接構(gòu)造設(shè)計(jì)
混凝土外掛板的自重較大，在考慮地震設(shè)計(jì)工況的情況下，每塊外掛板設(shè)兩個(gè)牛腿支撐點(diǎn)，外掛板豎向荷載可通過(guò)結(jié)構(gòu)挑出鋼牛腿將自重傳遞給主體結(jié)構(gòu)。水平荷載主要考慮外掛板自身重心偏移造成的水平力、水平地震效應(yīng)和風(fēng)荷載效應(yīng)值的組合，每塊外掛板設(shè)置了4個(gè)用于水平限位的拉壓節(jié)點(diǎn)，用以承受平面外的荷載作用。當(dāng)外掛板承受外力時(shí)節(jié)點(diǎn)能夠自由滑動(dòng)，較好地滿足了掛板在溫度或地震作用下產(chǎn)生的變位要求。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和論證，得到外掛板節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造設(shè)計(jì)（圖6）。

圖6 連接構(gòu)造詳圖

 

由于該項(xiàng)目建筑平面尺寸較大墻板的水平向和豎向均采用企口接縫。外掛板的安裝順序非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮掛板安裝順序，豎向要求從低到高逐層安裝，水平向應(yīng)從四個(gè)角點(diǎn)向中間安裝，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和優(yōu)化，制訂平面安裝動(dòng)線（圖7）。

圖7 平面安裝動(dòng)線

1.2 中建技術(shù)中心試驗(yàn)樓改擴(kuò)建工程
本項(xiàng)目位于北京市順義區(qū)林河開發(fā)區(qū)，建筑高度為35.3m，地上7層、地下1層，首層層高5.1m，二層層高3.9m，三層層高5.7m，四至七層層高4.5m。建筑平面為矩形布置，軸網(wǎng)間距10m，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻采用預(yù)制清水混凝土掛板系統(tǒng)（圖8）。

圖8 中建技術(shù)中心試驗(yàn)樓

1.2.1 建筑外墻方案比對(duì)
該項(xiàng)目建筑方案的外飾面效果初期考慮石材和清水混凝土兩種風(fēng)格，經(jīng)過(guò)調(diào)研和方案比較，業(yè)主最終確認(rèn)采用清水混凝土為實(shí)施方案。
1.2.2 外墻掛板分塊方案優(yōu)化
建筑師確定的標(biāo)準(zhǔn)掛板尺寸為3 . 7 m長(zhǎng)、1.6m高。深化設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)立面分格線與主體結(jié)構(gòu)的軸線、標(biāo)高沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就使預(yù)制外墻掛板與主體結(jié)構(gòu)的連接比較復(fù)雜，龍骨體系的布置與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。由于掛板型號(hào)與節(jié)點(diǎn)類型很多，給生產(chǎn)和安裝帶來(lái)諸多不便，造價(jià)較高。為此，我們做了分塊方案優(yōu)化。
水平方向調(diào)整分格方案，讓板縫分割線和軸線建立定位關(guān)系，適當(dāng)調(diào)整掛板的寬度尺寸；標(biāo)高方向增設(shè)豎向龍骨，預(yù)制外墻掛板與鋼龍骨或混凝土結(jié)構(gòu)梁連接。調(diào)整后的立面細(xì)部如圖9所示，較好地滿足了建筑設(shè)計(jì)要求。

圖9 中建技術(shù)中心試驗(yàn)樓細(xì)部

1.2.3 外墻掛板連接構(gòu)造設(shè)計(jì)

參考《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)制混凝土掛板的龍骨系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主龍骨受力以拉彎桿件設(shè)計(jì)，上下節(jié)點(diǎn)均按鉸接連接設(shè)計(jì)，下端節(jié)點(diǎn)做成上下可滑移節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。掛板與龍骨、龍骨與主體結(jié)
構(gòu)的連接構(gòu)造詳見圖10，11。

圖10 外掛板與龍骨連接構(gòu)造做法

 

圖11 龍骨與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造做法

 

2  三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在預(yù)制建筑構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2.1鄂爾多斯市體育中心體育場(chǎng)
本項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，看臺(tái)坐席數(shù)6萬(wàn)座，分低區(qū)、高區(qū)看臺(tái)，所有看臺(tái)采用清水混凝土預(yù)制看臺(tái)系統(tǒng)（圖12）。

圖12 鄂爾多斯市體育中心-體育場(chǎng)效果圖

圖13 鄂爾多斯體育場(chǎng)整體模型

2.1.1 項(xiàng)目背景
此項(xiàng)目工期短、難度大，從設(shè)計(jì)、施工到構(gòu)件加工、現(xiàn)場(chǎng)裝配都有難度，再加上設(shè)計(jì)院前期提供的圖紙不是很完善，只有體育場(chǎng)整體模型（圖13），尤其是二層看臺(tái)現(xiàn)澆階梯梁平面布置復(fù)雜，平面投影呈折線形，設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)專業(yè)沒有定位圖，提供的計(jì)算模型導(dǎo)出圖（圖14）可以作為參考，但不能作為指導(dǎo)深化設(shè)計(jì)的依據(jù)，所以此現(xiàn)澆階梯型折線梁的空間定位
設(shè)計(jì)是項(xiàng)目進(jìn)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。如此，導(dǎo)致預(yù)制看臺(tái)的平面分塊無(wú)法確定，與之相關(guān)聯(lián)的工作不能往前推進(jìn)，給深化設(shè)計(jì)帶來(lái)很大阻礙。

圖14 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型導(dǎo)出圖

2.1.2 結(jié)構(gòu)模型校核
現(xiàn)澆階梯型折線梁空間定位設(shè)計(jì)最好的解決方案是采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)，通過(guò)建立三維模型復(fù)核結(jié)構(gòu)尺寸，準(zhǔn)確定位折線梁的空間位置，之后請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)師復(fù)核確認(rèn)，
作為今后設(shè)計(jì)、施工的重要依據(jù)。此步工作的重要性在于能夠推動(dòng)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展，減輕深化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本和工期壓力。
在深化設(shè)計(jì)前，我院分別建立現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)模型和預(yù)制看臺(tái)模型，將兩個(gè)建好的模型進(jìn)行組合套圖，查找預(yù)制看臺(tái)系統(tǒng)和現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)有無(wú)相碰或不交圈的部位，該方法對(duì)于出入口等空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位置檢查非常必要（圖15~20）。

圖15 現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)模型

圖16 預(yù)制看臺(tái)模型

圖17 現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)和預(yù)制看臺(tái)組合模型

圖19 預(yù)制看臺(tái)出入口模型分析

圖20 預(yù)制看臺(tái)安裝現(xiàn)場(chǎng)圖

 

2.2 中糧萬(wàn)科長(zhǎng)陽(yáng)半島5#地塊
本項(xiàng)目位于北京市長(zhǎng)陽(yáng)鎮(zhèn)，主體地下部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土-剪力墻結(jié)構(gòu)，地上部分采用預(yù)制混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)。產(chǎn)業(yè)化樓建筑面積約9萬(wàn)m2，最高樓棟建筑地上11層，建筑高度為31.9m。

2.2.1 項(xiàng)目概況
本項(xiàng)目是住宅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，工業(yè)化預(yù)制率達(dá)到了61%，預(yù)制構(gòu)件種類較多，有外墻、內(nèi)墻、陽(yáng)臺(tái)、疊合、挑板、防火隔板、外掛板、樓梯、梯梁、女兒墻共10種。

圖21 中糧萬(wàn)科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓平面布置圖

建筑設(shè)計(jì)采用了業(yè)內(nèi)較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，如24小時(shí)新風(fēng)負(fù)壓系統(tǒng)、橫向排煙系統(tǒng)等內(nèi)裝部品化集成技術(shù)、SI內(nèi)裝分離與線管集成技術(shù)等，這些設(shè)計(jì)手法對(duì)于深化設(shè)計(jì)而言將增加更多的工作量和難度，將這些復(fù)雜繁多的
預(yù)留、預(yù)埋在深化設(shè)計(jì)階段完成是非常困難的事情，并且檢驗(yàn)設(shè)計(jì)圖紙是否準(zhǔn)確也是一項(xiàng)重要工作。我們采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)，首先建立每塊預(yù)制構(gòu)件的三維模型，然后將所有預(yù)制構(gòu)件組建標(biāo)準(zhǔn)單元或典型樓棟的三維模型，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于在虛擬環(huán)境下拼裝建筑，用模型檢查建筑構(gòu)造和構(gòu)建外形是否正確。

 

該項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)的最大阻礙在于基礎(chǔ)條件圖紙不能在深化設(shè)計(jì)階段提供，這樣后期設(shè)計(jì)變更較多，加大了深化設(shè)計(jì)的工作量，也給圖紙的準(zhǔn)確性帶來(lái)隱患，我們只能通過(guò)修改三維模型消化改動(dòng)量，再由三維變?yōu)槠矫嫒晥D完成變更。

 

2.2.2 深化設(shè)計(jì)
依據(jù)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，在做產(chǎn)業(yè)化預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)時(shí)先做施工圖集成設(shè)計(jì)研究，再做加工圖拆分詳圖設(shè)計(jì)，將所有預(yù)留預(yù)埋、構(gòu)件分塊等內(nèi)容在施工圖中集中體現(xiàn)，綜合考慮構(gòu)件連接處的細(xì)部構(gòu)造，再將每塊構(gòu)件從整體裝配圖中拆分出來(lái)。

圖22 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓三維透視圖

（1）施工圖集成設(shè)計(jì)的最大問(wèn)題是水電、預(yù)留、洞口等集成，任何一項(xiàng)都要保證不能有交叉、碰撞、漏項(xiàng)的情況發(fā)生，并且每塊構(gòu)件都有自己的編號(hào)，對(duì)于它的空間位置關(guān)系及與相鄰板塊的連接構(gòu)造都必須十分
清晰，需要根據(jù)平面布置圖（圖21）建立三維透視圖校驗(yàn)（圖22），對(duì)于樓梯間部位及室內(nèi)典型部位也需要分別采用局部透視圖校
驗(yàn)（圖23，24）。

圖23 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓樓梯間部位透視圖

圖24 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓室內(nèi)局部透視圖

（2）產(chǎn)業(yè)化預(yù)制構(gòu)件加工圖設(shè)計(jì)不但要求繪圖人員能夠準(zhǔn)確繪制出構(gòu)件外形，還要了解每種類型構(gòu)件的加工成型工藝和預(yù)制構(gòu)件裝配方案，將加工技術(shù)要求在構(gòu)件加工圖中整體表達(dá)出來(lái)，設(shè)計(jì)深度必須滿足構(gòu)件
現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，圖25~28是幾種典型預(yù)制構(gòu)件三維模型。

圖25 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓復(fù)合保溫外墻板

圖26 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓預(yù)制內(nèi)墻板

圖28 中糧萬(wàn)圖科長(zhǎng)陽(yáng)半島住宅樓預(yù)制樓板疊合底板

3 結(jié)語(yǔ)
預(yù)制建筑深化設(shè)計(jì)工作是保證項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該工作不但涉及建筑方案研究、各專業(yè)施工圖配合等，還需要和預(yù)制公司及施工安裝單位密切配合，充分研究項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，做到預(yù)制建筑實(shí)施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一。
深化設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的系統(tǒng)培訓(xùn)，熟練應(yīng)用各種繪圖軟件及三維協(xié)同設(shè)計(jì)等工具，掌握構(gòu)件預(yù)制和施工安裝的基本要領(lǐng)并取得預(yù)制建筑工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，才能使深化設(shè)計(jì)工作有序開展，從而保證預(yù)制項(xiàng)目的實(shí)施質(zhì)量。
預(yù)制建筑深化設(shè)計(jì)工作可由精通預(yù)制技術(shù)的專業(yè)公司完成，設(shè)計(jì)成果需得到工程設(shè)計(jì)單位的審核確認(rèn)后方可實(shí)施。

 

祁成財(cái)
北京預(yù)制建筑工程研究院有限公司設(shè)計(jì)部長(zhǎng)。

蔣勤儉
北京預(yù)制建筑工程研究院院長(zhǎng)，北京榆構(gòu)有限公司總工程師。兼任住建部建筑制品和構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、北京市住宅產(chǎn)業(yè)化專家委員會(huì)委員、中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)及預(yù)制構(gòu)件分會(huì)理事長(zhǎng)等。主持北京市科委重大科技專項(xiàng)課題《住宅工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究》、國(guó)家十二五科技支撐項(xiàng)目《新型預(yù)制裝配式建筑集成技術(shù)研究與示范》等。