預制構(gòu)件深化設計技術(shù)研究及案例分析

  【摘 要】預制構(gòu)件深化設計應在方案設計階段和建設單位積極配合，根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)、設備、裝修等專業(yè)設計要求，結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)和施工安裝條件，采用標準化定型技術(shù)進行構(gòu)件的拆分和節(jié)點設計，最終輸出用構(gòu)件裝配施工圖和構(gòu)件加工圖。深化設計過程中會對項目的設計方案從經(jīng)濟性、合理性、可實施性等方面進行多方案對比研究，采用三維設計軟件和BIM技術(shù)等手段審核驗證設計成果，保證深化圖紙的準確性和可實施性。通過對幾個典型項目案例分析，簡要介紹預制建筑項目深化設計的特點和要求。

  關(guān)鍵詞：預制構(gòu)件 清水混凝土掛板  清水混凝土看臺 產(chǎn)業(yè)化住宅構(gòu)件

  1  前言

  預制建筑項目的設計重點是研究預制混凝土構(gòu)件拆分方案和標準化定型，該工作涉及建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電氣、設備以及裝修等各個專業(yè)的協(xié)調(diào)，設計人員需要結(jié)合工程項目的內(nèi)容、特點、要求等作相應的專題研究，通過建筑方案優(yōu)化，采取三維協(xié)同設計技術(shù)，完成項目預制構(gòu)件深化設計。

  結(jié)合四個深化設計項目的實施案例進行分析，案例涉及到公共建筑外墻掛板系統(tǒng)、體育建筑預制看臺系統(tǒng)、居住建筑預制構(gòu)件系統(tǒng)。

  2  清水混凝土外墻掛板建筑方案優(yōu)化設計研究

  2.1案例一

  項目名稱：軟通動力研發(fā)樓

  項目信息：

  (1) 項目位于北京市海淀區(qū)中關(guān)村軟件園；

  (2) 建筑高度為20.7m，地上5層地下2層；

  (3) 首層層高4.2m，二至五層層高3.9m；

  (4) 建筑平面為矩形布置，軸網(wǎng)間距8.4m，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架剪力墻；

  (5) 外墻采用清水混凝土掛板系統(tǒng)。

圖2-1軟通動力研發(fā)樓外景

圖2-2軟通動力研發(fā)樓細部

  2.1.1外墻建筑方案比較

  此建筑外墻原設計方案擬采用石材幕墻系統(tǒng)，經(jīng)過預制研究院和業(yè)主、設計協(xié)調(diào)，咨詢方提出可采用預制混凝土外墻掛板系統(tǒng)方案，飾面為清水混凝土效果。兩種方案優(yōu)缺點比較結(jié)果詳見表1。

  通過對兩種幕墻方案優(yōu)缺點比較，綜合考慮外墻立面效果、墻身做法和性能、工程造價等方面的因素，業(yè)主和設計單位一致認同咨詢方的預制外墻方案。

  2.1.2外墻掛板分塊方案優(yōu)化

  立面分格方案的優(yōu)化有利于提高預制建筑項目的技術(shù)經(jīng)濟性和實施效果，所以外墻掛板立面分格方案優(yōu)化研究很有必要。依據(jù)此項目立面造型特點我們對立面分格方案進行了對比研究。

  方案1見圖2-3，以一個窗口為預制單元的分格方案。

  方案2見圖2-4，以兩個窗口為預制單元的分格方案。

  兩個方案比較見表2，從立面效果、原方案設計改動量、結(jié)構(gòu)埋件預留數(shù)量、生產(chǎn)效率和安裝效率等五個方面，方案2優(yōu)于方案1，優(yōu)化方案得到了業(yè)主和設計方的一致認同。

  2.1.3外墻掛板建筑構(gòu)造設計

  本項目建筑構(gòu)造設計主要包括防水、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)點防火和層間防火構(gòu)造。

  (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，如圖2-5(a)。

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

  (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，下口做坡水設計，如圖2-5(c)。

  (4)外掛板與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間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，可有效解決朝天縫得防水問題。如圖2-5(d)。

  (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是做好層間防火，在外掛板與主體結(jié)構(gòu)之間預留的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，如圖2-5(b)。

  (6) 主體結(jié)構(gòu)梁上下口均有掛板安裝節(jié)點，作為防火的重點我們采用半濕法噴涂巖棉的方式將安裝節(jié)點封閉。

  (7) 此項目外圍護采用內(nèi)保溫構(gòu)造做法，符合項目自身設計要求，所有內(nèi)保溫采用50mm厚自熄型擠塑聚苯板，配合外掛板與主體結(jié)構(gòu)的間隙采用巖棉保溫填縫形成完整的保溫體系。

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  2.1.4外墻掛板連接構(gòu)造設計

  混凝土外掛板的自重較大，在考慮地震設計工況的情況下，每塊外掛板設兩個牛腿支撐點，外掛板豎向荷載可通過結(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、水平地震效應和風荷載效應值的組合，每塊外掛板設置了四個用于水平限位的拉壓節(jié)點，用以承受平面外的荷載作用。當外掛板承受外力時節(jié)點能夠自由滑動，較好滿足掛板在溫度或地震作用下產(chǎn)生的變位要求。經(jīng)過設計優(yōu)化和論證，外掛板節(jié)點連接構(gòu)造設計如圖2-6所示。

  由于該項目建筑平面尺寸較大，墻板均水平和豎向均采用企口接縫，外掛板的安裝順序非常關(guān)鍵，設計階段應考慮掛板安裝順序，豎向要求從低到高逐層安裝，水平應從四個角點向中間安裝，經(jīng)過反復研究和優(yōu)化，制訂平面安裝動線如圖2-7所示。

  2.2案例二

  項目名稱：中建技術(shù)中心試驗樓改擴建工程

  項目信息：

  (1) 項目位于北京市順義區(qū)林河開發(fā)區(qū)；

  (2) 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；

  (3) 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)；

  (4) 外墻采用預制清水混凝土掛板系統(tǒng)。

  2.2.1方案比對

  該項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格，項目方案建筑效果圖見圖2-7，經(jīng)過調(diào)研和方案比較，業(yè)主最終確認采用清水混凝土實施方案。

  2.2.2外墻掛板分塊方案優(yōu)化

  建筑師確定的標準掛板尺寸為3.7米長，1.6米高。深化設計時發(fā)現(xiàn)立面分格線與主體結(jié)構(gòu)的軸線、標高沒有對應關(guān)系，帶來一個問題是預制外墻掛板與主體結(jié)構(gòu)的連接比較復雜，龍骨體系的布置與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突，掛板型號與節(jié)點類型很多，給生產(chǎn)和安裝帶來諸多不便，造價較高。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,適當調(diào)整掛板的寬度尺寸；標高方向增設豎向龍骨，預制外墻掛板與鋼龍骨或混凝土結(jié)構(gòu)梁連接。調(diào)整后的立面細部見圖2-7，細部效果可以較好滿足建筑設計要求。

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  參考 《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的設計方法進行預制混凝土掛板的龍骨系統(tǒng)設計，主龍骨受力以拉彎桿件設計，上下節(jié)點均按鉸接連接設計，下端節(jié)點做成上下可滑移節(jié)點構(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2-8、圖2-9。

  3  三維協(xié)同設計技術(shù)在預制建筑構(gòu)件深化設計中應用

  3.1案例一

  項目名稱：鄂爾多斯市體育中心體育場

  項目信息：

  (1) 項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市；

  (2) 結(jié)構(gòu)類型：主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；

  (3) 看臺坐席數(shù)6萬座，分低區(qū)、高區(qū)看臺,其中所有看臺采用清水混凝土預制看臺系統(tǒng)。

  圖3-1為鄂爾多斯市體育中心體育場效果圖。

  3.1.1項目背景

  此項目工期短、難度大，從設計、施工到構(gòu)件加工、現(xiàn)場裝配都有難度，再加上設計院前期提供的圖紙不是很完善，只能提供體育場整體模型如圖3-2，尤其是二層看臺現(xiàn)澆階梯梁平面布置復雜，平面投影呈折線型布置，設計院結(jié)構(gòu)專業(yè)沒有定位圖，提供的計算模型導出如圖3-2作為參考，但不能作為指導深化設計的依據(jù)，所以此現(xiàn)澆階梯型折線梁的空間定位設計是此項目進展的關(guān)鍵節(jié)點。這樣導致預制看臺的平面分塊無法確定，與之相關(guān)聯(lián)的工作不能往前推進，給深化設計帶來很大阻礙。

  3.1.2結(jié)構(gòu)模型校核

  現(xiàn)澆階梯型折線梁空間定位設計最好的解決方案是采用三維協(xié)同設計，通過建立三維模型復核結(jié)構(gòu)尺寸，準確定位折線梁的空間位置，之后請設計院設計師復核確認，作為今后設計、施工的重要依據(jù)。此步工作的重要性在于能夠推動整個項目進展，減輕深化設計的經(jīng)濟成本和工期壓力。

  深化設計前我院分別建立現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)模型和預制看臺模型，將兩個建好模型進行組合套圖，查找預制看臺系統(tǒng)和現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)有無相碰或不較圈的部位，該方法對于出入口等空間結(jié)構(gòu)復雜的位置檢查非常必要。

  圖3-4為體育場現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)模型，圖3-5為體育場預制看臺模型，圖3-6為組合模型。

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  3.2案例二

  項目名稱：中糧萬科長陽半島5#地塊

  項目信息：

  (1) 項目位于北京市長陽鎮(zhèn)；

  (2) 結(jié)構(gòu)類型：主體地下部分采用現(xiàn)澆鋼筋

  混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地上部分采用預制混凝土裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)；

  (3) 產(chǎn)業(yè)化樓建筑面積約9萬平方米，最高樓棟建筑地上11層，建筑高度為31.9米。

  圖3-10為中糧萬科長陽半島工業(yè)化住宅。

  3.2.1項目概

  此項目是住宅產(chǎn)業(yè)化項目，工業(yè)化預制率達到了61%，預制構(gòu)件種類較多，有外墻、內(nèi)墻、陽臺、疊合、挑板、防火隔板、外掛板、樓梯、梯梁、女兒墻十種類型。

  該項目建筑設計采用了業(yè)內(nèi)較為先進的設計理念如24小時新風負壓系統(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，這些設計手法對于深化設計而言將增加更多的工作量和難度，如何將這些復雜繁多的預留預埋在深化設計階段完成是非常困難的事情，并且如何檢驗設計圖紙是否準確也是一項重要工作，我們通過三維協(xié)同設計來完成這些艱巨的任務，首先建立每塊預制構(gòu)件的三維模型，讓后將所有預制構(gòu)件組建標準單元或典型樓棟的三維模型，這個過程相當于在虛擬環(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。

  該項目深化設計最大阻礙在于基礎(chǔ)條件圖紙不能在深化設計階段提供，這樣后期設計變更較多，加大了深化設計的工作量，也給圖紙的準確性帶來隱患，我們只能通過修改三維模型消化改動量，再由三維變?yōu)槠矫嫒晥D完成變更。

  3.2.2深化設計

  依據(jù)該項目的特點，我們在做產(chǎn)業(yè)化預制構(gòu)件深化設計時采取先做施工圖集成設計研究，再做加工圖拆分詳圖設計，將所有預留預埋、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)件連接處的細部構(gòu)造，再將每塊構(gòu)件從整體裝配圖中拆分出來。

  (1) 施工圖集成設計最大的問題是水電、預留、洞口等集成，任何一項都要保證不能有交叉、碰撞、漏項的情況發(fā)生，并且每塊構(gòu)件都有自己的編號，它的空間位置關(guān)系，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(如圖3-11)建立三維透視圖校驗(如圖3-12)，對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。（如圖3-13、圖3-14）。

圖3-11 平面布置圖

  (2) 產(chǎn)業(yè)化預制構(gòu)件加工圖設計不但要求繪圖人能夠準確繪制出構(gòu)件外形外，還要了解每種類型構(gòu)件的加工成型工藝和預制構(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出來，設計深度必須滿足構(gòu)件現(xiàn)場生產(chǎn)要求，以下是幾種典型預制構(gòu)件三維模型。

  圖3-14 為復合保溫外墻板；圖3-15 為預制內(nèi)墻板；圖3-16 為預制疊合陽臺；圖3-17 預制樓板疊合底板。

  4 結(jié)論

  預制建筑深化設計工作是保證項目實施的關(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，還需要和預制公司和施工安裝單位密切配合，充分研究項目實施過程的細節(jié)問題，做到預制建筑實施的技術(shù)經(jīng)濟性統(tǒng)一。

  深化設計人員應具備建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的系統(tǒng)培訓，熟練應用各種繪圖軟件及三維協(xié)同設計等工具，掌握構(gòu)件預制和施工安裝的基本要領(lǐng)并取得預制建筑工程實施經(jīng)驗，才能使深化設計工作有序開展，從而保證預制項目的實施質(zhì)量。

  預制建筑深化設計工作可由精通預制技術(shù)的專業(yè)公司完成，設計成果需得到工程設計單位的審核確認后方可實施。