預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計技術(shù)研究及案例分析

  【摘 要】預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計應(yīng)在方案設(shè)計階段和建設(shè)單位積極配合，根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等專業(yè)設(shè)計要求，結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)和施工安裝條件，采用標(biāo)準(zhǔn)化定型技術(shù)進行構(gòu)件的拆分和節(jié)點設(shè)計，最終輸出用構(gòu)件裝配施工圖和構(gòu)件加工圖。深化設(shè)計過程中會對項目的設(shè)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(shè)計軟件和BIM技術(shù)等手段審核驗證設(shè)計成果，保證深化圖紙的準(zhǔn)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(yù)制建筑項目深化設(shè)計的特點和要求。

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

  結(jié)合四個深化設(shè)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(yù)制看臺系統(tǒng)、居住建筑預(yù)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(shè)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(shè)計方案擬采用石材幕墻系統(tǒng)，經(jīng)過預(yù)制研究院和業(yè)主、設(shè)計協(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。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(shè)計單位一致認同咨詢方的預(yù)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(yù)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(yù)制單元的分格方案。

  方案2見圖2-4，以兩個窗口為預(yù)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(shè)計改動量、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方面，方案2優(yōu)于方案1，優(yōu)化方案得到了業(yè)主和設(shè)計方的一致認同。

  2.1.3外墻掛板建筑構(gòu)造設(shè)計

  本項目建筑構(gòu)造設(shè)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(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，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(shè)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(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，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(shè)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(shè)計

  混凝土外掛板的自重較大，在考慮地震設(shè)計工況的情況下，每塊外掛板設(shè)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(yīng)和風(fēng)荷載效應(yīng)值的組合，每塊外掛板設(shè)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(dāng)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(shè)計優(yōu)化和論證，外掛板節(jié)點連接構(gòu)造設(shè)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(shè)計階段應(yīng)考慮掛板安裝順序，豎向要求從低到高逐層安裝，水平應(yīng)從四個角點向中間安裝，經(jīng)過反復(fù)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(yù)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)掛板尺寸為3.7米長，1.6米高。深化設(shè)計時發(fā)現(xiàn)立面分格線與主體結(jié)構(gòu)的軸線、標(biāo)高沒有對應(yīng)關(guān)系，帶來一個問題是預(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，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(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)整后的立面細部見圖2-7，細部效果可以較好滿足建筑設(shè)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(shè)計方法進行預(yù)制混凝土掛板的龍骨系統(tǒng)設(shè)計，主龍骨受力以拉彎桿件設(shè)計，上下節(jié)點均按鉸接連接設(shè)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(shè)計技術(shù)在預(yù)制建筑構(gòu)件深化設(shè)計中應(yīng)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(yù)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(shè)計、施工到構(gòu)件加工、現(xiàn)場裝配都有難度，再加上設(shè)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(fù)雜，平面投影呈折線型布置，設(shè)計院結(jié)構(gòu)專業(yè)沒有定位圖，提供的計算模型導(dǎo)出如圖3-2作為參考，但不能作為指導(dǎo)深化設(shè)計的依據(jù)，所以此現(xiàn)澆階梯型折線梁的空間定位設(shè)計是此項目進展的關(guān)鍵節(jié)點。這樣導(dǎo)致預(yù)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(shè)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(shè)計最好的解決方案是采用三維協(xié)同設(shè)計，通過建立三維模型復(fù)核結(jié)構(gòu)尺寸，準(zhǔn)確定位折線梁的空間位置，之后請設(shè)計院設(shè)計師復(fù)核確認，作為今后設(shè)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(shè)計的經(jīng)濟成本和工期壓力。

  深化設(shè)計前我院分別建立現(xiàn)澆主體結(jié)構(gòu)模型和預(yù)制看臺模型，將兩個建好模型進行組合套圖，查找預(yù)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(fù)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(yù)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(yù)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(yù)制率達到了61%，預(yù)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(shè)計采用了業(yè)內(nèi)較為先進的設(shè)計理念如24小時新風(fēng)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(shè)計手法對于深化設(shè)計而言將增加更多的工作量和難度，如何將這些復(fù)雜繁多的預(yù)留預(yù)埋在深化設(shè)計階段完成是非常困難的事情，并且如何檢驗設(shè)計圖紙是否準(zhǔn)確也是一項重要工作，我們通過三維協(xié)同設(shè)計來完成這些艱巨的任務(wù)，首先建立每塊預(yù)制構(gòu)件的三維模型，讓后將所有預(yù)制構(gòu)件組建標(biāo)準(zhǔn)單元或典型樓棟的三維模型，這個過程相當(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。

  該項目深化設(shè)計最大阻礙在于基礎(chǔ)條件圖紙不能在深化設(shè)計階段提供，這樣后期設(shè)計變更較多，加大了深化設(shè)計的工作量，也給圖紙的準(zhǔn)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(shè)計

  依據(jù)該項目的特點，我們在做產(chǎn)業(yè)化預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計時采取先做施工圖集成設(shè)計研究，再做加工圖拆分詳圖設(shè)計，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(shè)計最大的問題是水電、預(yù)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(yù)制構(gòu)件加工圖設(shè)計不但要求繪圖人能夠準(zhǔn)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(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出來，設(shè)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(yù)制構(gòu)件三維模型。

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

  4 結(jié)論

  預(yù)制建筑深化設(shè)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(yù)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(yù)制建筑實施的技術(shù)經(jīng)濟性統(tǒng)一。

  深化設(shè)計人員應(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)制建筑工程實施經(jīng)驗，才能使深化設(shè)計工作有序開展，從而保證預(yù)制項目的實施質(zhì)量。

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