装配式建筑技术在绿色建造中的综合应用

文/ 湖南大学土木工程学院，湖南建工集团有限公司，湖南省第六工程有限公司，新疆天一建工投资集团有限责任公司  

王江营，陈浩，刘国庆，阳凡，曹文贵

1 工程概况

湖南创意设计总部大厦项目（以下简称“创意大厦”）坐落于国家级文化产业园——马栏山（长沙）视频文创产业园，总建筑面积10.29万m ² ，其中地上7.09万m ² ，地下3.20万m ² ，工程造价约5亿元。本项目采用自主策划、设计、施工、绿色交付、自主运维，通过综合应用装配式建筑技术、绿色施工技术、BIM技术、建筑师负责制、智能运维技术，实现了建造活动绿色化、建造方式工业化、建造手段信息化、建造管理集约化、建造过程产业化。鉴于篇幅，本文仅针对装配式建筑技术进行阐述。

创意大厦共有A，B，C 3栋主楼，A栋建筑功能为酒店，B，C栋为写字楼。A栋为混凝土装配式建筑，高59.55m，绿色建筑二星级，装配率79%，是湖南省目前装配率最高的混凝土高层建筑；B栋为钢-混结构装配式（混凝土核心筒+钢框架）建筑，高99.15m，绿色建筑二星级，装配率76%；C栋为钢结构装配式（中心支撑结构体系+钢框架）建筑，高94.80m，绿色建筑三星级，装配率84%；建筑间连廊采用胶合木结构体系。除在结构工程中运用混凝土、钢结构、木结构等装配式技术，本项目在机电工程和装饰工程中也采用了装配式技术。

2 结构工程装配式技术

?? 混凝土结构装配式技术

创意大厦采用的常规装配式部品部件有叠合梁、叠合板、预制柱、预制楼梯、ALC条板等，除此之外，自主研发了共轴承插型预制一体化卫生间、层叠式预制混凝土电梯井（设备管道井）、预制混凝土设备基础、预制混凝土地面板等新型模块化装配式部品部件，并在创意大厦中成功应用。

共轴承插型预制一体化卫生间在工厂制作成型，可实现“结构、管线、装饰、保温”四位一体，具有三重防水系统和两重排水系统，现场施工时采用“共轴”和“承插”技术，不仅质量可靠、施工效率高，还可做到面积全利用、空间零浪费，有效解决传统施工方法存在的缺棱掉角、漏浆空洞、渗水积臭、建筑垃圾多等问题。施工完成后的一体化卫生间如图1所示。

图1施工完成后的一体化卫生间

层叠式预制混凝土电梯井和设备管道井基本原理较相似，二者根据不同的建筑需求，可设计成相应的结构形式；在侧壁中合理设置聚苯板，以达到减重、隔声的效果。其中，层叠式预制电梯井用于框架结构中非承重电梯井道，即利用预制构件替代传统砖砌井道，不参与结构整体受力，其落在楼面框架梁上，由楼面框架梁承受预制电梯井所产生的荷载。因预制构件刚度比砖砌体刚度大，为减小其对主体结构刚度的影响，电梯井、设备管道井与其底部楼板、顶部梁间采用全干式柔性连接，无套筒灌浆，不传递水平地震力，对结构整体刚度影响较小。该技术可取代现场电梯井和设备管道井砌体工程，减少人工、节省工序、降低安全风险，有效解决传统施工中质量难控制、湿作业多、施工工效低、操作空间小等问题。

设备基础传统做法采用现场支模、现浇混凝土制作而成，通常存在精细度不够、外观质量不理想、美观度差等问题。创意大厦采用预制混凝土设备基础技术，在设备基础周边设计一定规格的标准模块，在工厂采用钢模预制，现场只需将预制混凝土标准模块进行干式拼装、连接固定，再浇筑设备基础中心部位混凝土，从而形成完整的设备基础。其中，标准模块分为“L”形和“一”字形2种，“L”形模块位于设备基础四角，“一”字形模块位于基础四边中部，各标准模块间通过企口和螺栓进行水平连接。该技术无需装模，自带线条，可大幅度减少木工、泥工、粉刷等工作，施工完成的混凝土设备基础如图2所示。

图2施工完成的混凝土设备基础

预制混凝土地面板可根据建筑外观设计成与之相匹配的造型、花色，基本流程为：分析建筑效果图→引用立面材质与符号→提取建筑元素→模拟立体几何+观影效果→确定像素→预制混凝土地面板。创意大厦采用的预制混凝土地面板尺寸为 1 800mm×2 000mm×200mm。现场铺装时，自下而上分别为刚性层、水稳层、预制混凝土地面板，并预埋套筒螺母，铺装后采用螺栓固定预制混凝土地面板，同时对板缝进行处理，施工完成的预制混凝土地面板如图3所示。

图3施工完成的预制混凝土地面板

?? 钢结构装配式技术

创意大厦B，C栋采用钢结构装配式技术，其钢柱主要为箱形钢柱，钢梁主要为H型钢梁，采用钢筋桁架楼承板，累计用钢量约6 400t。现场施工重难点主要包括：①标准钢构件加工制作精度要求高；②钢柱与混凝土钢筋连接节点复杂；③柱标高及垂直度的控制难度大；④吊装工作量大，安全风险高。

为解决上述问题，现场采用如下技术。

●钢结构深化设计与二维码技术使用TEKLA软件对全楼钢结构建模，转化成零构件加工图、结构安装布置图及报表清单；根据深化结果制作5 250个二维码，各杆件均有唯一编号，便于现场构件清点与安装。

●钢-混组合结构技术竖向结构柱采用钢箱柱+内灌混凝土，以提高承载力、减小截面尺寸，部分钢梁采用钢-混组合梁，以充分发挥钢结构与混凝土各自的受力性能。

●钢结构高效焊接技术箱体柱及H型钢梁采用双丝埋弧焊、电渣焊制作，现场钢柱对接焊接采用单坡口+衬垫免清根焊接技术，以提升工作效率、确保工程质量。

●垂直度控制与智能测量技术在深化设计时确定好所有钢柱柱顶标高及钢梁安装坐标，并在构件中心线及标高标识处贴反光感应片，全站仪可利用无线传输技术直接将数据发送至计算机终端，实现数据采集分析自动化、智能化。

●基于BIM的现场施工管理信息技术设计阶段，依托BIM技术各专业协同设计，减少缺漏碰撞；施工阶段，各管理岗位、各工序、工种的协同工作，场地布置管理、安装方案可视化交底，显著提升了施工和管理效率。

●轻钢模网聚苯颗粒混凝土复合墙体该墙体采用双排轻钢龙骨做支撑骨架，内、外侧面分别采用水泥纤维板、轻钢模网做免拆模板，中间空腔现场浇筑聚苯颗粒混凝土浆料，待浆料凝固后即形成“面层+芯层+面层”3层夹心墙体，可阻断热桥，具有结构牢固、自保温、免抹灰、防水防火性能好等优点。

?? 木结构装配式技术

创意大厦A，B，C 3栋建筑间设有交通连廊，连廊采用胶合木结构，如图4所示。

图4创意大厦胶木结构连廊

3  机电工程装配式技术

创意大厦机电工程中，机房、支架、风管采用装配式技术。其中，B，C栋地下1层换热机房设备共计24套，3栋各类成品支架共计21 946套，各系统风管面积共计36 557m ² ，现场施工具有以下难点。

●工程量大、工期紧安装工程总造价1.2亿，施工工期仅120d。

●设备机房面积小设备多、管线复杂，布置空间紧凑，现场加工与安装难度大。

●H型钢梁支架安装难度大B，C栋采用钢结构、H型钢梁，支架安装时，不能在型钢上进行焊接和打孔作业。

●施工场地、加工区域面积小风管制作量大，现场预制加工、存放占用场地面积大。

?? 装配式机房技术

对于机房，综合考虑设备和管道阀门连接、管道内介质流动阻力等因素，对设备与管道布置方案进行对比，确定板式换热器和水泵集成化、模块化设计为最优方案。首先，采用模块化设计思路，将独立模块拆分成单元进行标准化设计与生产，如水泵拆分为进水立管、出水立管、水泵与基础、型钢支架等4个子模块，水处理设备拆分为设备与基础、管道及附件、型钢支架等3个子模块；其次，工厂根据深化后的加工图采用全自动数控设备、自动焊接机器人进行加工制作，构件精度控制在0.5mm内；然后，利用BIM技术模拟设备现场就位过程，选择最佳路径；最后，模块运至现场后，安装人员根据装配图和二维码标识系统，利用管段和螺栓组装各模块，全程无电焊作业，现场拼装严密、精确，管道一次成型，压力试验无泄漏，排布美观，高度、间距统一。安装完成后的机房如图5所示。

图5安装完成后的机房

?? 装配式支架技术

传统型钢支架需切割、焊接、喷涂油漆，存在噪声大、浪费材料，易产生火花、碎渣、光污染、有毒有害气体等不足。为此，创意大厦采用装配式支架技术，具有以下特点。

●标准化标准化生产工艺，质量稳定。

●施工安全无电焊作业，无打磨除锈，无需现场刷油漆。

●安装便捷操作简易、高效，可明显降低劳动强度和施工污染。

装配式支架实施过程分为机电各专业建模、管道综合优化、综合模型评审、支吊架初步定位、支架固定形式确定、受力分析、导出平面及大样图等7个步骤，最终形成二维连接件、直角连接件、梁夹、C型钢免焊接底座、V形加劲装置、C型槽钢等产品。装配式支架如图6所示。

图6装配式支架

?? 装配式风管技术

运用BIM技术对创意大厦风管管段进行分解并编码，其分解流程为：机电专业建模→机电管线综合优化→机电综合模型评审→风管管段分解→风管编码→导出风管清单。具体风管分段设计包括变径管、三通管、弯头等设计。然后，将风管管段信息录入加工厂数据库，进行全自动化加工，现场按编号拼装。

4  装饰工程装配式技术

?? 幕墙工程

创意大厦幕墙工程面积共53 578m ² ，幕墙范围包括玻璃幕墙、构件式玻璃幕墙、地弹门、百叶窗、上悬窗、造型穿孔铝单板、铝单板幕墙、轻钢雨篷、室外玻璃栏杆。其中，铝合金型材采用隔热断桥，传热系数≤5.8W/(㎡·K)，玻璃采用钢化中空三银Low-E超白玻璃，传热系数为1.1W/( ㎡ ·K)，遮阳系数Sc=0.2。

现场采用单元式幕墙技术，其具有智能化设计、标准化生产、机械化运输、精准化安装等优点，具体施工环节为：安装转接件→吊装幕墙单元板块→单元板块三维调节→安装水槽料→层间防火封堵。创意大厦A栋采用PC构件预埋技术，其工序装配率提高至95%，精准度大幅度提升。创意大厦幕墙外观如图7所示。

图7创意大厦幕墙外观

?? 室内装修工程

创意大厦室内装修工程约7万m ² ，包括客房、走道、电梯厅、报告厅、会议室、贵宾室、办公室，其中，隔墙、墙板、吊顶、楼地面等采用装配式技术。

室内装修工程中，均采用BIM技术优化排版，将设计思路流转至生产端及施工端；进行工厂数字化生产，保障加工精准度；现场可快速精确安装，具有节能节材、绿色环保、施工便捷、品质可靠、便于维护整改等优点。

?? 绿植模块技术

为进一步降低建筑能耗、提升使用环境质量，创意大厦采用绿植模块技术。通过合理设计，在幕墙上科学布置单元体载物平台、爬架系统和给排水系统，可种植攀爬类植物。绿植模块效果如图8所示。

图8绿植模块效果