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《福建省预制装配式混凝土结构技术规程》解读–省建筑设计研究院总工任彧

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《福建省预制装配式混凝土结构技术规程》解读

——省建筑设计研究院总工 任彧

(2015年6月10日)

 《福建省预制装配式混凝土结构技术规程》编制情况的汇报分为4个部分:1.规程的编制情况;2.简要介绍全装配式框架工法;3.介绍新型建筑工业化的关键技术;4.对试点期间装配式结构体系选择的思考。

一、规程的编制情况

规程的主编单位有:福建省建筑设计研究院;润泰集团-润铸建筑工程(上海)有限公司;厦门合道工程设计集团有限公司;参编单位有:中建海峡建设发展有限公司;厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司;福建省建设工程质量监督总站;福建建超建设集团有限公司;福建工程学院;福建建筑科学研究院;福建六建集团有限公司。在编制单位的组成上体现了产学研相结合的特点。

本规程编制的主要时间节点如下:

1.2014年4月23日福建省住建厅下达福建省工程建设地方标准编制计划;

2.2014年5月规程编制组成立,开始规程编制工作;

3.期间规程编制组进行了多次的调研、考察和专题讨论,形成多版本的初步稿件;

4.2014年11月8日规程《征求意见稿》上网公开征求意见;

5.2014年12月25日召开规程审定会;

6.2015年2月10日住建部标准定额司批准备案;

7.2015年2月12日省住建厅批准发布;

8.2015年4月1日正式实施。

2014年12月25日在由福建省住建厅主持召开的审查会议上,成立了以中国标准设计研究院总工李晓明教授级高工为组长、中国建筑科学研究院田春雨教授级高工和福建省建筑科学研究院叶健教授级高工为副组长的9位专家组成的审查组。与会专家对规程的条文及编制依据逐条进行了审查。

规程在编制中提出了受弯叠合构件水平叠合面受剪承载力计算方法,强调了消能减震、隔震技术、BIM技术在预制装配式混凝土结构中的应用;对预制装配式混凝土结构的检测检验要求进行了系统的梳理。消能减震、隔震技术、BIM技术等章节系首次列入在装配式结构规程。审查专家一致认为《规程》填补了福建省相关领域的空白,具有较好的可操作性,整体水平达到国内领先,同意通过对《规程》送审稿的审查。

编制的基本原则:充分反映我国近年来对装配式混凝土结构进行的各项科学研究和工程实践的最新成果;反映当前成熟的技术水平;努力向国际先进水平靠拢;与现行的相关国家标准和行业规程协调一致;对各项计算指标、设计和构造要求均从严;对尚需进行进一步研究的问题给出原则性的指导意见,定性不定量;与其他标准相关的内容,仅引用相关标准号,不抄录相关条款,以避免断章取义。

规程在设计概念上有以下进步:1.装配式混凝土结构强调等同现浇混凝土结构,计算简图与现浇混凝土结构基本相同;2.强调预制与现浇相结合,更注重装配式结构的整体性;3.在标准化的基础上,可以实现建筑的多样化,对建筑师的限制少;4.可适用于居住建筑和公共建筑;5.强调了部品的工业化。这些概念与我国上一代的国家标准JGJ1-91相比有较大的进步。

《规程》共16章和2个附录,主要技术内容包括:1.总则;2.术语和符号;3.基本规定;4.材料;5.建筑设计;6.结构设计基本规定;7.框架结构设计;8.剪力墙结构设计;9.预制外挂墙板设计;10.预制混凝土构件深化设计;11..BIM技术应用;12.构件制作与运输;13.施工;14.安全技术措施;15.检测检验;16.工程验收。涵盖了装配式结构的设计、施工、安装以及验收的全过程,可以用于指导试点期间福建省装配式建筑的工程实践。

本规程的特色工作如下:1.在第6章中重点强调隔振、消能减震技术在装配式的应用,将该技术单独编为一节,为国内首创;2.在第7章中引进台湾润泰集团的成熟技术,在工程实践的可操作性方面较行业标准JGJ1-2014有一定的进步;3.将BIM技术在装配式结构中的应用要点单独编为第11章,为国内首创;4.在第15章中将有关装配式结构的检测、检验进行了全面的梳理、汇总,单独编列一章,方便现场使用,为国内首创。

本规程编制过程中对于相关的现行国家标准、行业标准以及兄弟省份的地方规程进行了广泛的调研。对近30本国内的相关规范、规程的相关条文和规定进行了系统梳理、比对和汇总。同时,编制组还注意吸收发达国家的先进经验,对于美国ACI规范、PCI手册、欧洲规范Eurocode、日本规范、新西兰规范等先进规范中适合中国国情的先进条文和规定进行了引进。

欧美发达国家的建筑工业化始于第二次世界大战后,在50-60年的技术发展过程中形成了各具特色的建筑工业化系统。从技术路线上,大体可以分为偏重于干式连接的欧洲体系和偏于湿式连接美日体系。我国的建筑工业化方兴未艾,处于快速发展的初级阶段,如果能引进适合国情的先进体系,则可以大大加快我国建筑工业化的发展速度。我们在编制福建省地方标准时更要突出强调福建省的地域特点,在推荐的通用体系的选择上要充分考虑福建省的实际情况。

众所周知,欧洲除法国南部、意大利等少数南欧国家外,在历史上很少发生地震灾害;而且欧洲大陆基本不受飓风天气的影响。因此,欧式的建筑工业化结构系统在节点的抗震和抗风性能上往往考虑不多。日本和台湾海峡地区则大不相同,他们位于著名的环太平洋地震带上,是地球上发生地震频度最高的地区。发生在东日本的311大地震是人类历史上记录到震级最高的一次地震。同时上述地区还是台风影响区,每年都有多个台风登陆。日本和我国台湾地区多年来致力于改进结构的抗震性能,在抗震水平上取得了举世公认的成就。福建省恰好位于台湾海峡西岸,与日本、我国台湾地区的自然条件相似。著名地质学家李四光先生指出的中国四大地震断裂带中就有一条位于我省的泉州地区。因此,福建省的装配式结构选择类似日本、我国台湾的结构体系在技术上无疑是合理的,也是很有必要的。

二、全装配框架工法的介绍

大家昨天下午参观的2个试点工程都是装配式框架结构,但是这2个结构的体系却有所不同。海沧医药园区的试点楼是类似于法国引进的世构体系,设计依据是JGJ224-2010《预制预应力混凝土装配整体式框架结构技术规程》,不过在试点工程中并未使用预应力技术。漳州建超的试点楼是《福建省预制装配式混凝土结构技术规程》的配套试点工程,相关的计算和节点构造完全按规程要求执行,也符合现行的行业标准JGJ1-2014的相关规定。

本规程推荐的通用装配式框架体系的技术来源是日本,台湾润泰集团在多年的工程实践中,结合预制生产工艺的技术发展进行了多项改进。采用该技术体系建造的建筑经受了日本和我国台湾地区多次地震的考验,实践表明具有良好的抗震性能。

预制装配整体式混凝土框架结构体系,采用预制柱,叠合梁、叠合板、预制楼梯等预制构件,柱纵向钢筋采用套筒式连接器连接,通过现场后浇钢筋混凝土,将预制构件及节点连成整体的结构体系。预制装配整体式混凝土框架工法可以分为工厂预制、现场吊装、现场后浇混凝土3个环节。将由钢筋混凝土材料组成的构件以类似钢结构的组装方式进行施工作业。

就一个施工循环而言,大体由以下几个工序组成:首先是确认已经完成柱预留钢筋的定位,然后进行预制框架柱的吊装并进行柱钢筋的套筒灌浆连接施工,随后依次进行预制框架梁、预制次梁、叠合板的吊装就位,然后依次进行节点区、梁面、板面钢筋的就位施工,最后进行现场后浇混凝土的施工。这样就完成了一个施工循环。

大家看到的是利用BIM技术绘制的装配式框架典型节点的三维模型,模型显示在节点区域的钢筋是十分密集的。这正是装配式框架结构在设计和施工过程中一个难点。如果不能控制必要的精度,则很容易出现在吊装过程中由于钢筋干涉造成的无法就位的困难。因此,装配式结构在设计和预制生产方面都需要在现有的水平上有一定的提升。下面是通过合理设计布置节点区钢筋,实现装配式框架节点施工的演示。

三、新型建筑工业化的关键技术

目前,我国的新型建筑工业化处于发展的初期,装配式结构的技术特点和优势还没有向社会大众进行充分的宣传和说明。社会上对于装配式结构还存在着很多的误解和顾虑。经过初步的梳理,我们认为对装配式结构的顾虑主要集中在以下几个方面:结构的安全性问题、结构的耐久性问题、建筑形式的多样性问题、装配式结构的成本控制问题。这些问题正是我们工程设计人员需要认真面对并加以解决的问题。

针对上述问题,本规程在编制时通过引入新型建筑工业化的5大关键技术来加以解决。新型建筑工业化的5大关键技术是:强调结构的整体性、新型钢筋连接技术、高强材料的应用、BIM技术和消能减震技术。下面就逐一进行简要的介绍。

(一)整体性

对于装配式结构来说,整体性是确保结构安全的关键性能,如何加以强调都不为过。1968年5月16日清晨伦敦RonanPoint公寓楼(22层装配式板式结构住宅)因住在18层某住户厨房由于夜间煤气泄漏引起爆炸,爆炸压力破坏了该单元两侧的外墙板和局部楼板,上一层的墙板在失去支承后也同时坠落,坠落的构件依次撞击下层造成连续破坏,使得22层高楼的一个角区发生多米诺骨牌效应从上到下一直坍塌到底层现浇结构。这个事故震动了当时的欧洲工程界,让大家对装配式结构的安全性产生了怀疑。事后的事故调查表明:该装配式钢筋混凝土板式结构体系,承重墙板和楼板全部预制,各预制板之间的节点仅有齿槽灌浆相连而无钢筋联接,在整体性方面存在缺陷。英国规范专门进行了相应的修订,要求在装配式结构中设置9种的连接钢筋。这些规定在当今我国的装配式结构技术规范中均有体现。

谈到装配式结构就不能回避一个历史问题。在三、四十年前我国大量建造了预制空心板砌体结构房屋。这些房屋在历次震害中受到较大的损害,造成了一定数量的人员伤亡。因此,社会上很多人就认为预制空心板砌体结构房屋不安全,进而认为装配式结构不安全。其实很多预制空心板砌体结构房屋造成的人身伤害是由于结构整体性不足产生的。需要指出的是,在预制空心板国家标准设计中是要求预制板底钢筋需要伸出一定的尺寸,锚入现浇圈梁内,以提供必要的整体性。这是一张汶川地震中预制空心板砌体结构房屋的震害照片,我们可以看到虽然墙体已经坍塌了,但是由于结构的整体性较好,虽然楼盖发生了很大的变形却没有垮塌,较好地保证用户的生命安全。可见,预制空心板砌体结构房屋并不必然在地震中整体坍塌。但我不是说:预制空心板砌体结构房屋没有问题。当时的设计虽然意识到整体性的重要性,但是在构造设计方面比较粗放,先后安装的预制板钢筋碰撞的问题没有重视,使得现场经常出现预制板无法安装就位的问题。加之当时施工工艺水平的限制,现场工人经常采取直接将外伸钢筋剪除,造成大量的安全隐患。这些历史上经验教训,是我们在推进新型建筑工业化中的宝贵财富。

此外,我国在1950年代从苏联引进了大板住宅,仅北京一地在1959年至1984年间就建造了约1000万平米,并在全国各地大量推广。在当时的历史条件下,部分解决了当时人民群众迫切的居住需求。但是,不能讳言,这些大板住宅在功能上存在一定的缺陷:连接差,接缝渗漏、保温性差是通病,而且建筑物老化的很快。大板住宅基本是以引进的前苏联技术为主,过分强调建造的成本和建造的速度,对于接缝的处理比较简易,对于建筑的功能性强调不足。同时,由于当时的工艺水平限制,使用的混凝土材料强度偏低,造成建筑物的耐久性不足。

我们现在推行的新型建筑工业化与之前的大板住宅完全不同。新型的装配式建筑强调“等同现浇”的概念。规程推荐的节点做法均经过了足尺对比试验加以验证。试验结果证明:按照规程规定的计算、构造要求建造的房屋性能略好于传统的现浇房屋。这个结论是经过实际的震害考验的。而且规程对于装配式结构的接缝处理特别予以强调,针对不同的部位采用不同的接缝处理措施,这些措施充分考虑了实际执行的可行性,又充分保证了接缝处的性能。

(二)新型钢筋连接技术

在钢筋连接方面,引进了在发达国家已经使用多年的钢筋套筒灌浆连接技术。这项技术的特点是可以在看不见钢筋的情况下将钢筋可靠的连接起来,而且性能特别稳定可靠。这项技术是1968年美国檀香山大学教授美籍华人余占疏博士发明的。这项技术在20世纪60年代末就应用于工程实践了,日本企业在1970年代引进该项技术并进行了改进。现在该项专利技术已经过了专利保护期,可以无偿的使用。

(三)隔震与消能减震

对于一般的抗震结构,为保证在遭受不可预见的强烈地震时,结构不致产生严重的破坏和倒塌,其抗震设计原则是允许结构中部分次要构件产生一定的塑性变形,利用主体结构的延性和塑性变形来耗散地震输入能量,防止结构倒塌。这种结构抗震理念和设计方法完全依靠结构构件自身的强度和塑性变形能力来抵抗地震作用,是所谓的“硬抗”地震的方法。

对于消能减震结构,采用的是减震控制的设计思想。通过附加的消能减震装置使得主结构承受的地震作用显著减小,从而达到控制结构地震反应,降低主结构损伤程度的目的。减震控制技术主要包括消能减震、隔震减震、质量调谐减震和主动控制减震。消能减震结构具有以下的特点和优势:(1)消能减震结构更为安全;(2)消能减震在某些情况下可能更经济且性能更优越。

有一个很著名的例子,1994年发生在美国加州的北岭地震中,有2个医院都位于高烈度区。其中一个叫Olive View Hospital,采取的是常规的抗震体系,虽然在地震中实现了“坏而不倒”的目标,但是医院的功能却丧失了。另外一个医院叫USC University Hospital,采用了隔震技术,在地震中甚至连一杯水也没有倒,对于灾后的伤员救治发挥了很大的作用。另外一个很著名的例子,发生在日本。1995年的阪神大地震,造成了日本近5万人的伤亡,但是在大阪的西部邮电大楼采用了隔振技术建造,完全没有受到损害,保持了通讯中心的功能,为抗震救灾发挥了重要的作用。阪神震后,日本社会对于隔震技术的认可度得到了很大的提高。到2014年日本国内有将近4000座的大型建筑采用了隔震技术。

消能减震结构在美、日等发达国家得到广泛的应用,并经受了高烈度地震的考验。大量的工程实践证明了消能减震技术路线的可靠性和先进性。消能构件均采用工厂化生产、现场安装的形式,与装配式结构在建造模式上完全契合;装配式结构在安装精度上的控制要求,使得消能构件的安装难度必然低于现浇结构。消能减震技术与混凝土预制装配式技术相结合的高层建筑体系,可以较好地满足我国当前的社会需求,有助于实现建筑产业现代化的目标。

(四)BIM技术

BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的信息化工具,通过参数模型整合项目的相关信息,在项目策划、勘察、设计、施工、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递,使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对,为设计团队以及各方建设主体提供协同工作的基础。BIM技术在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面可发挥重要作用。

新一代装配式建筑的技术路线强调设计与建造是一个系统工程,需要整体设计的思想。对于装配式结构,建设、设计、制作、施工各单位在方案阶段就需要进行协同工作,共同对建筑平面和立面根据标准化原则进行优化,对应用预制构件的技术可行性和经济性进行论证,共同进行整体策划,提出最佳方案。在设计的各个阶段,建筑、结构、设备、装修等各设计专业间也应更加密切地进行配合。

BIM技术的快速发展为新一代装配式结构的应用提供了必要的技术基础。BIM技术可以大大提升专业间、单位间的协同水平,减少差错,提高效率。BIM技术是建筑产业现代化的关键性技术。装配式建筑项目参与各方应正确理解BIM的技术特点和应用价值,提高BIM应用的技术水平。

(五)建筑多样性问题

提到装配式建筑,很多人会联想起毫无个性的,工业化大批量建造的“混凝土火柴盒”。其实装配式结构可以很好地适应建筑造型多样化的要求。我就举一个例子:悉尼歌剧院是全球知名的地标性建筑,美丽的贝壳形造型给大家留下了美好的印象。需要指出的是,悉尼歌剧院是采用装配式建造方式建造的,是预应力预制薄壳结构的代表作。悉尼歌剧院先后建造了14年,结构工程师首先尝试用常规的现浇结构,结果表明建造成本过高,建造质量无法保证。在开工多年后,悉尼歌剧院仍然没有进展,最终在更换建筑师并改用装配式工艺后顺利建成。世界著名建筑师理查德•迈耶设计的罗马千禧教堂(Jubilee Church)造型流畅,曲线动人,这个建筑也是由346片预制混凝土板构成的。

体育场馆建筑是房屋建筑中建筑难度较大的一类,由于建筑功能的要求,使得看台需满足视线设计的要求,如采用现浇工法,模板的一次性摊销大,建造成本居高不下。日本的体育场馆绝大多数采用预制装配工法建造,很好地平衡了建造质量和造价。

以上例子说明,装配式结构不但能够适应建筑的多样性,而且还能以更好的品质实现建筑师的构想。

四、对试点期间结构体系选择的思考

(一)对装配式剪力墙结构的思考

装配式结构在结构受力体系上与传统的现浇结构并无不同,也可以分为框架结构、剪力墙结构和框架剪力墙结构。装配式剪力墙结构在我国的其他省份也进行了多年的推广实践,建成了相当数量的工程,取得了不少的成绩。装配式剪力墙也将是我省新型建筑工业化的重要组成部分。

装配整体式剪力墙结构中,墙体间的接缝数量多且构造复杂,接缝的构造措施及施工质量对结构整体的抗震性能影响较大,使得装配整体式剪力墙结构抗震性能很难完全等同于现浇结构。如何可靠、经济地处理好装配式剪力墙的接缝,仍是一个需要继续研究的课题。世界各地对装配式剪力墙结构的研究相对较少。我国近年来,对装配式剪力墙结构进行了大量的研究工作,但由于福建省内装配整体式剪力墙结构尚缺少实践经验,本规程对于该结构体系适用高度适当从严。

中国城市的人口密度大,需要高层集合式住宅。在现浇结构中,剪力墙体系可以较为经济合理地满足高层集合式住宅的需求。但是对于装配式结构而言,剪力墙体系具有竖向构件多、结构自重大的缺点,既不利于构件的吊运、安装,也不利于抗震。同时,装配式剪力墙结构在安装过程中的安全问题需要我们给予高度的重视。

(二)对钢结构住宅的思考

钢结构具有材料强度高,自重轻等特点,是新型建筑工业化的重要组成部分。目前国内也有多个厂家进行了钢结构住宅系统的研发,例如长沙远大可建,浙江杭萧钢构等企业推出了自行研发的专用体系。

钢结构具有自身的技术特点:由于钢结构在高温条件下会发生软化,对于耐火性的要求与通常的混凝土结构有很大的差别;此外在室外或半室外条件下钢结构的耐久性也是很难保证的;钢结构对于建造人员的产业化要求也明显高过钢筋混凝土结构;由于钢结构材料用量少的特点,使得结构的冗余度较小,如果结构的耐久性和建造水平不能保持较高的水准,对建筑的安全性是很不利的。

建议在建筑工业化试点期间,对于钢结构住宅要采取“标准先行,稳步推进”的策略,避免一哄而上。祝愿我省的建筑工业化事业顺利推进,蒸蒸日上。

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