超高层装配式建筑“内浇外挂”体系建造关键技术

1、引言
房屋建筑采用建筑工业化方式建造能节约资源，减少劳动力，提高施工质量等，根据专业机构测算，可以降低能耗23%，降低水耗79%，减低模板消耗81%，施工场地20%。因此，推行装配式建筑是我国传统建筑行业转型升级的必然选择。

目前装配式剪力墙结构建造方式主要包括以下四种：

（1）装配整体式剪力墙，采用剪力墙墙身整体预制，边缘构件采用现浇形式；
（2）双面叠合剪力墙，采用剪力墙内侧面和外侧面预制，中间现浇；
（3）单面叠合剪力墙，采用建筑外围剪力墙外侧面预制，内侧现浇；
（4）内浇外挂，即主体结构受力构件采用现浇，非受力构件采用外挂形式。


前3种建造方式适用于一般高层建筑[1]，而第4种内浇外挂体系由于内部主体结构受力构件采用现浇，周边围护的非主体结构构件采用工厂预制运至现场外挂安装就位后在节点区与主体结构构件整体现浇，这种方式没有突破结构设计规范限制，可适用于超高层建筑。


本文根据香港和内地不同设计习惯和方法，结合超高层建筑对地震荷载和风荷载极为敏感的特点，从超高层建筑设计、生产、施工等整个建造过程介绍了“内浇外挂”体系一些关键技术。


2、柔性连接节点技术
超高层建筑由于层数多，高度大，水平方向的地震反应和风致影响十分显著，除了竖向荷载，预制外挂墙板将承受相当大的水平地震荷载、风荷载，连接节点设计主要采取了如下技术措施:


在主体结构受力构件与非主体结构受力构件之间选择确定合理传力路径：对于一般外挂构件，其承受的竖向荷载主要通过预制构件顶部的外伸钢筋锚入主体结构受力构件来传递给主体结构，而水平荷载诸如地震荷载、风荷载则通过预制构件两端的钢筋与主体竖向构件现浇形成整体，即采用“先装法”先施工预制外墙板，后现浇梁、板等受力构件，两端的钢筋连接采取只传递剪力不传递弯矩的构造做法实现了“柔性连接”，弱化了对主体结构的影响。


对于一些预制外墙构件由于空间形状比较复杂，采用有限元分析软件进行局部补充计算：图1是7度抗震烈度、沿海地区某超高层项目中的预制凸窗采用abaqus软件分析的模型，计算结果表明，凸窗顶部的两端受力较大，该处外伸钢筋配筋也相应加强。
















门窗处，为解决后装门窗处容易渗水问题，在工厂生产时，将门窗与外墙整体预制，门窗连接件预埋入构件中，通过混凝土构造达到止水目的；在阳台位置，阳台设计标高低于比室内楼层标高，预制外墙门底部结构尺寸不应小于125mm，使预制外墙结构刚度满足要求，保证预制外墙不发生变形，同时满足阳台防水要求；建筑顶层，现浇结构包住预制外墙顶部，实现预制构件与现浇构件完美结合，同时保证防水要求与外立面效果。


4、抗风技术
当预制外挂墙板左右侧有非结构墙即构造柱存在，或预制外墙板跨度过大时，为避免风荷载作用于外墙板上将其掀离梁位，在超高层中尤其容易发生，采用风码装置固定外墙板，同时不将外墙板的荷载传递给下层受力构件。预制外墙板外伸钢筋上端锚入梁或楼板，右侧锚入剪力墙，左侧锚入结构柱非结构墙. 中。左侧和下侧可认为自由端，右侧和上侧可认为是简支端柔性连接.，此时左侧将需增加风码装置，如图4。







风码将预制外墙板与下层梁固定。另一方面，由于风码上端钢筋外围套PVC管，防止预制外墙板作用力传至下层梁。当在超高层中应用预制外墙板时，在非结构墙一端需增加风码，另外，由于风效应过大，在较大跨度的预制外墙板跨中位置也需增加风码装置。通过计算，当150mm厚度的预制外墙板，层高约为3.5m，楼层相对于地面高度约为100m时，预制外墙板跨长超过5m，预制外墙板的刚度将不足以抵抗风载作用，变形超过规范允许要求，需增加风码装置。


风码装置的位置和数量有预制外墙跨度和锚固方式相关，作用类似栓钉，主要承担风荷载产生的剪力作用，风码钢筋型号由计算确定。为方便施工，风码施工现场可采取后注浆形式，也可采用后支模浇筑混凝土形式。为更好的提高装配式建筑施工效率，风码装置从施工便利性方面也在不断优化。


5、质量控制技术
在施工过程中，推行PASS（Performance Assessment Scoring System 的简称）制度进行质量控制。PASS制度以过去连续12个月内不同阶段的平均分，乘以固定系数，所得出来的总分作为施工质量的评分。为保障PASS评分公平公正，成立独立的PASS审核小组，负责每个季度两个月的结构和现场装饰工作评审以及一个月的安全评审工作。PASS制度对质量控制意义重大。


在预制构件批量生产前，先进行BIM模型项目建造过程，并在工厂内预演安装过程，根据模拟结果和预安装过程，相关人员可直观的看到实际项目的效果，避免构件尺寸错误，构件之间的连接碰撞等现象的发生，另一方面，产业工人也得到了很好的安装培训。


6、安装精度控制技术
预制外挂墙板安装前，应按设计要求在构件墙面和相应对的支承结构面上标记中心线、标高线等控制尺寸线，按标准图或设计文件校核预埋件及连接钢筋等。安装时，先将斜撑杆一端固定于地面或楼面板上，七字码底部固定于地面或楼面板上；再将构件吊运至指定位置后，分别固定到七字码上；最后根据水准点和轴线位置，调节支撑杆的旋转装置来校对构件的直度，调节七字码的螺母微调构件的水平位移和竖向位移，如图5。






当上下层预制外墙厚度不一致，上下内侧无参考线时，安装仅仅利用七字码难以实现上下层对齐。在下层外墙增加带斜角的槽钢辅助装置，吊运上层外墙插入槽钢辅助装置内侧，方便对齐安装，如图6。














当叠合楼板与全预制楼板之间的连接时，两件构件的外伸钢筋容易发生碰撞，钢筋碰撞会导致两件构件连接不上，影响后浇混凝土施工。设计时，需将两件预制构件外伸钢筋在构件内部向上弯曲，再通过一段钢筋分别进行搭接，从而实现叠合楼板与全预制楼板的紧密连接，避免构件间的碰撞，如图8。


















中海天钻项目位于深圳市罗湖区，建筑主体共有11栋塔楼，其中，2栋为超高层装配式剪力墙结构，高度分别为148米（层数46层）和126米（层数46层）；抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，设计基准期为50年，设计使用年限为50年。根据《深圳市住宅产业化项目单体建筑预制率和装配率计算细则（试行）》的要求，装配式建筑装配率不低于30%和预制率不低于15%，基于成本最优，选择部分凸窗采用预制，楼板叠合预制，楼梯预制（图10）；该项目位于7度抗震区和沿海地区，并且高度达到规范规定的B级高度，地震荷载以及风荷载较大，除结构主体计算较复杂外，预制构件也需要进行抗震、抗风分析 [4] 。