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華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)( 簡稱國際校區(qū))由教育部、廣東省、廣州市及華南理工大學(xué)四方共建，總用地面積為1105922㎡，擬建總建筑面積 140萬㎡ ，其中地上建筑面積120萬㎡ ，地下建筑面積20萬㎡。為縮短工期盡快投入使用，項目采取分期建設(shè)的策略。一期工程總建筑面積達50萬㎡，其中地上建筑面積40萬㎡，采用由設(shè)計牽頭的 EPC管理模式，設(shè)計施工并行。于2018年8月1日開始初步設(shè)計并同時進行基礎(chǔ)施工圖設(shè)計，第一批建筑于2019年7月10日交付使用，以滿足9月開學(xué)的需要。

圖1

根據(jù)《廣東省人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實施意見》、《廣州市人民政府辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑加快推進建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的實施意見》，國際校區(qū)一期工程需有至少12萬㎡地上建筑面積的建筑采用裝配式，且達到不低于A級裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮建筑形體、建筑功能等條件后，國際校區(qū)采用裝配式建筑的單體包括 B，C，E，S 共四個塊的塔樓，建筑面積共計15. 2萬㎡(圖1) ，地上建筑面積13.8萬㎡。其中 B，C，E 地塊4棟塔樓使用功能為教研用房和實驗室，B 地塊醫(yī)藥醫(yī)學(xué)研究院為13層，建筑高度61. 30m; C地塊材料基因中心為15 層，建筑高度64. 40m; E地塊巖土工程研究院為10 層，建筑高度 45. 90m，大數(shù)據(jù)研究院為15層，建筑高度70. 00m。S地塊為4棟學(xué)生宿舍，S1-A1，S1-A2，S1-B1，S1-B2 分別為18，14，12，12 層，其建筑高度分別為 69. 60，54. 80，47. 40，47. 40m。

圖2

采用裝配式建筑技術(shù)的各棟塔樓的建筑效果圖如圖2所示，與旁邊采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式的建筑相比，裝配式建筑塔樓在保證裝配率的基礎(chǔ)上，也較好地保留了建筑的個性化立面和凹凸造型。

根據(jù)建筑方案，并結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念，初步確定了結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件尺寸之后，開始考慮預(yù)制范圍和與裝配式技術(shù)相關(guān)的專項設(shè)計。

除了規(guī)范要求不采用預(yù)制的情況之外，豎向構(gòu)件的預(yù)制范圍在擬定中還遵循了如下幾個原則: 

1.核心筒和剪力墻采用現(xiàn)澆，除了C 地塊塔樓頂部的部分剪力墻采用預(yù)制之外，其他所有核心筒、剪力墻均采用現(xiàn)澆; 

2.中震組合下出現(xiàn)拉力的豎向構(gòu)件采用現(xiàn)澆;

3.躍層柱采用現(xiàn)澆; 

4.剪力和彎矩較大的角柱采用現(xiàn)澆; 

5.因太重而超過塔吊能力的構(gòu)件采用現(xiàn)澆。

在確定構(gòu)件預(yù)制范圍的過程中要經(jīng)過反復(fù)嘗試，比如在遇到構(gòu)件因太重而超出吊裝能力時，嘗試提高塔吊起重能力、更改塔吊設(shè)置位置、提高混凝土強度等級以減小構(gòu)件截面、縮短預(yù)制構(gòu)件長度等方式。每次更改豎向構(gòu)件預(yù)制范圍后，就需要將同層現(xiàn)澆豎向構(gòu)件在地震作用下的彎矩和剪力進行適當(dāng)放大。

圖3

豎向構(gòu)件的連接方式主要為全套筒灌漿連接和半套筒灌漿連接。因套筒直徑大于鋼筋直徑，為了保證箍筋的混凝土保護層厚度，與現(xiàn)澆柱相比，預(yù)制柱的縱筋保護層厚度較大，分析時也做了相應(yīng)調(diào)整。

預(yù)制柱安裝階段的難點主要在于如何使下層柱的縱筋對準(zhǔn)上層柱的套筒。對于轉(zhuǎn)換層( 即下層為現(xiàn)澆柱，上層為預(yù)制柱) 節(jié)點，通常難以保證下層現(xiàn)澆柱縱筋的位置都能準(zhǔn)確對準(zhǔn)上層套筒，故一般采用在現(xiàn)澆柱縱筋之外增設(shè)插筋，同時上方加設(shè)兩道定位板( 圖3) 。

圖4

豎向構(gòu)件的預(yù)制工藝對安裝是否便利的影響很大，舉一例說明，如圖4所示。

圖4( a) 為套筒外接管道采用波紋管，所有波紋管口都從柱的兩相鄰邊伸出，該方式對于構(gòu)件廠很方便; 

圖4( b) 為套筒外接管道采用PVC 管，管口從就近的柱邊伸出，在構(gòu)件生產(chǎn)過程中封閉模板時相對麻煩。但安裝時明顯采用圖4( b) 的方式更好，不僅節(jié)省灌漿料，而且不易堵管。

圖5

C 地塊塔樓頂部的部分剪力墻為預(yù)制形式，連接方式采用了華南理工大學(xué)韋宏研究員與王帆教授研究團隊提出的“基于鋼結(jié)構(gòu)連接方式的預(yù)制混凝土新型連接技術(shù)”。以剪力墻水平拼縫連接為例，其三維構(gòu)造示意圖如圖5所示。

預(yù)制剪力墻在安裝時采用型鋼高強螺栓連接，可以滿足構(gòu)件在施工安裝時的承載力和穩(wěn)定性要求。在暗柱和水平縫連接處理時，將水平后加鋼筋插入從預(yù)制構(gòu)件伸出的環(huán)筋中，再后澆混凝土。

圖5( a) 為上下預(yù)制剪力墻分離示意，未安裝后加鋼筋，圖5( b) 為已安裝水平及豎向后加鋼筋。基于鋼結(jié)構(gòu)連接方式的預(yù)制混凝土新型連接技術(shù)的優(yōu)點在于鋼結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量可檢測，且施工階段無需斜撐，方便后續(xù)裝修施工。

除了規(guī)范要求不采用預(yù)制的情況之外，水平構(gòu)件的預(yù)制范圍在擬定中還遵循了如下原則:

1.懸挑構(gòu)件盡可能采用現(xiàn)澆;

2.核心筒內(nèi)部及周邊板采用現(xiàn)澆; 

圖6

3.本項目除S地塊學(xué)生宿舍的衛(wèi)生間地板采用預(yù)制沉箱外( 圖6) ，其他教研用房及實驗室的衛(wèi)生間地板均為現(xiàn)澆;

4.現(xiàn)澆剪力墻側(cè)面相鄰的樓梯采用現(xiàn)澆; 

5.要求有較厚樓板的特殊功能實驗室采用現(xiàn)澆; 

6.尺寸規(guī)格不多的構(gòu)件采用現(xiàn)澆。

圖7

設(shè)計過程發(fā)現(xiàn)如下情況對預(yù)制構(gòu)件安裝的影響較大。

1.預(yù)制構(gòu)件的鋼筋碰撞問題

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，創(chuàng)建節(jié)點鋼筋模型，可以檢查預(yù)制構(gòu)件的鋼筋碰撞問題( 圖7) 。預(yù)制柱頂標(biāo)高由截面最高的主梁控制，其他截面稍小的主梁不一定能搭在柱側(cè)，在這一步與施工方和深化設(shè)計師共同探討柱頂工具式支架如何設(shè)置。目前的技術(shù)瓶頸在于建立鋼筋三維模型耗時較多，如果這方面更加智能化，則能顯著提高鋼筋構(gòu)造設(shè)計的效率。

2.后澆混凝土區(qū)域的鋼筋安裝問題

裝配式混凝土建筑工地現(xiàn)場安裝工種除了預(yù)制構(gòu)件安裝工外，一般還有鋼筋工、木工、搭內(nèi)架工和混凝土工，其中鋼筋工的安裝量雖然比傳統(tǒng)現(xiàn)澆工程少，但由于后澆區(qū)域空間狹小，故實際上鋼筋工現(xiàn)場插筋、穿筋安裝困難較多。設(shè)計期間和施工安裝期間，設(shè)計團隊與施工方、構(gòu)件廠配合，不斷優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計及安裝工法。

圖8

圖8舉例說明在后澆混凝土區(qū)域安裝鋼筋時可能遇到的問題。左圖中箍筋彎鉤設(shè)在后澆區(qū)會影響設(shè)置面筋，右圖中面筋穿筋困難，因此應(yīng)提前裝在梁面以避免后續(xù)穿筋困難。

圖9

圖10

3.主次梁相交節(jié)點

大部分次梁為鉸接，采用鋼企口連接方式。圖9( a) 為已生產(chǎn)的構(gòu)件端部節(jié)點，圖9( b) 為鋼企口標(biāo)準(zhǔn)大樣。邊梁或者相鄰洞口的次梁扭矩較大，樓板結(jié)構(gòu)中還有部分連續(xù)次梁的扭矩也較大，采用如圖10所示的端節(jié)點連接方式。

圖11

4.裝配式樓板

目前裝配式混凝土工程大量采用疊合板，應(yīng)用時需注意桁架上弦筋與混凝土面之間的凈空應(yīng)保證方便穿過線管，因構(gòu)件廠對混凝土流動性要求不高，所以在模臺上振搗時多余的混凝土不易泄出，造成混凝土板厚超過設(shè)計值( 圖 11) 。

因疊合板混凝土養(yǎng)護時間短，應(yīng)注意運輸期間的顛簸或者現(xiàn)場堆疊層數(shù)過高造成的開裂問題。對疊合板拼縫的處理尚需進一步研究。板厚較大造成結(jié)構(gòu)自重較大，使疊合板的應(yīng)用受到質(zhì)疑，如現(xiàn)澆板厚 110-120mm時，疊合板厚為預(yù)制65mm+現(xiàn)澆75mm，疊合板厚超過現(xiàn)澆板厚的16%-27%，造成

梁、柱、基礎(chǔ)也進一步增大，建造成本增加。

本項目 C 地塊的部分疊合板和預(yù)制主、次梁采用了再生塊體混凝土，舊混凝土來源于構(gòu)件廠廢棄的產(chǎn)品，破碎成設(shè)計直徑的塊體后，按設(shè)計比例與新混凝土拌和使用。本項目疊合板所用舊混凝土塊體直徑為70-100mm，預(yù)制梁用舊混凝土塊體直徑為 100-150mm。

將再生塊體混凝土應(yīng)用于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)時，替代率( 再生塊體體積占構(gòu)件總體積之百分比) 為30%-40%，本項目預(yù)制構(gòu)件的再生塊體替代率為 20%。

圖12

圖 12( a) 為在構(gòu)件廠模臺上生產(chǎn)的再生塊體混凝土疊合板底板，圖 12( b) 為構(gòu)件廠下料振搗中的再生塊體混凝土梁。

圖13

圖13為7d齡期混凝土疊合板底板承載力對比試驗。試驗結(jié)果顯示:7d 齡期混凝土疊合板底板試件的承載力和剛度明顯優(yōu)于同齡期的全新混凝土試件。

分析原因主要有如下三點: 

1.7d齡期時，再生塊體混凝土強度大于全新混凝土; 

2.由于突出板面塊體的阻擋，模臺上振搗時，多余的混凝土不易從板邊泄出，造成再生塊體底板中部的實際厚度大于全新混凝土，這是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的客觀現(xiàn)象; 

3.突出板面再生塊體的存在增大了混凝土受壓區(qū)面積，相當(dāng)于進一步增加了板厚。

裝配式建筑中，最終的拆分設(shè)計圖中囊括了前期設(shè)計師考慮的內(nèi)容，如結(jié)構(gòu)布置的合理性、構(gòu)件規(guī)格的統(tǒng)一性問題，構(gòu)件接縫位置的選擇，如何兼顧建筑造型以及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運輸和吊裝問題等。圖14為本項目實驗樓結(jié)構(gòu)平面拆分布置圖。

圖14

在 BIM 模型的協(xié)助下計算裝配率，根據(jù)《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51129—2017)，本項目采用裝配式技術(shù)的8棟塔樓的裝配率均達到A級評價標(biāo)準(zhǔn)( 表1，2)。

采用由設(shè)計牽頭的EPC管理模式，設(shè)計施工并行，這在本項目推進速度方面體現(xiàn)出明顯的效果，8棟裝配式建筑工期也沒有滯后。圖15為航拍宿舍地塊施工場景，4棟采用裝配式技術(shù)的塔樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積約800-1200㎡。從2018年12月底地下室頂板完成后，裝配速度越來越快，最后達到4.5d/層，于 2019年4月16日結(jié)構(gòu)封頂。

圖15

研究樓和實驗樓預(yù)制構(gòu)件較重且標(biāo)準(zhǔn)層面積較大( 1800-2000㎡) ，安裝速度最快可達到6.5d /層，不趕工期時約 8.5d /層，與旁邊樓層建筑面積相當(dāng)?shù)?/span>現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工速度持平甚至稍快，且裝配式建筑技術(shù)的施工速度還有較大的提高空間。

經(jīng)初步統(tǒng)計，8棟采用裝配式技術(shù)的塔樓，在施工過程中基本沒有因設(shè)計原因而修改通知，這也證明了各專業(yè)集成設(shè)計前置的優(yōu)勢。

華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程中，有超過 30%的建筑面積采用了裝配式建筑技術(shù)，并成就了本項目的六大亮點之一: 廣州市目前裝配式建筑面積最大且全部達到 A 級裝配式評價標(biāo)準(zhǔn)的建筑群。但是，本項目仍有如下需要改進或進行后續(xù)研究的方面：

1.本項目采用裝配式建筑技術(shù)的造價高于旁邊傳 統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑，初步測算差值約為400元/㎡。為降低造價，設(shè)計前期的標(biāo)準(zhǔn)化原則應(yīng)得到進一步研究與關(guān)注，預(yù)制構(gòu)件少規(guī)格、多組合才符合工業(yè)化生產(chǎn)的原則。

2.本項目在預(yù)制外圍護系統(tǒng)方面的應(yīng)用較少，搭建外立面腳手架的工作量較大，因此后續(xù)還需研發(fā)出更理想的圍護墻以減少外立面模板的工作量。

3.目前行業(yè)上使用較多的裝配式節(jié)點連接方式在施工過程中仍存在一些不足之處，可考慮在裝配式混凝土構(gòu)件連接上合理利用鋼結(jié)構(gòu)的制作經(jīng)驗、鋼結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)。

（來源：建筑結(jié)構(gòu)）