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装配式建筑是如何建成的?--主流体系参数全解析「天风建筑特辑」

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集装箱坊 发表于 2020-2-1 14:25:02 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
核心观点

PC框架体系

装配式混凝土框架结构包括装配整体式混凝土框架结构及其他装配式混凝土框架结构,后者更适用于住宅。该结构体系预制构件包括预制楼板、预制梁、预制墙、预制柱、预制楼梯、其他复杂异形构件等。连接方式主要分为湿连接和干连接,现有工艺以湿连接为主。PC框架体系提高了生产效率,但其部分连接方式导致整体性较差。

PS结构体系

目前高层装配式钢结构建筑的结构体系传统的有纯框架、框架-支撑体系,新型的有集装箱、钢管束、钢异形柱等。主要预构件包括预制楼板、外墙板、楼梯、钢框架柱、钢梁等,各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。钢结构在住宅建筑上具有很大的优越性,但各种原因导致现阶段钢结构住宅难以大范围推广。

木结构体系

装配式木结构建筑按承重构件选用的材料可分为轻型木结构、胶合木结构、方木原木结构以及木混合结构。连接方式分为:板销连接、裂环连接、剪盘连接、齿环和齿环连接等。由于国内木结构造价高,不适用于高层住宅,因而国内木结构的住宅较少。

装配式剪力墙高层住宅体系

装配式剪力墙结构主要预制构件包括预制剪力墙、叠合梁、叠合板等,连接方式有干式连接和湿式连接两种。由于混凝土剪力墙结构在高层住宅中的建设需求量较大,近几年来,成为了高层住宅的主要结构形式。主要上市公司多数产品以此为基础。

全装配式低层住宅体系

全装配式低层住宅体系是由密柱支撑框架结构体系与集装箱式模块相结合,若干个类似于集装箱的模块组合而成。改结构施工速度快、工期短,以钢结构、木结构居多,近几年在我国农村自建房建筑中比较流行。

预应力结构体系

根据预应力技术应用的特点,通常可将预应力技术分为三大类型,即先张法、后张法和体外预应力技术。由于采用高强度钢材和高强度混凝土,预应力混凝土构件具有抗裂能力强、抗渗性能好好的特点,但制作工艺较复杂,开工费用较大,在我国现阶段住宅中使用较少。

钢混结构体系

装配式钢和混凝土组合结构主要构件包括组合梁、组合板、组合桁架和组合柱等,钢筋与型钢连接方式有钢筋接驳器连接、钢筋连接板连接、型钢穿孔连接等。轻钢轻混凝土结构体系可以改进低层轻型钢住宅的缺陷,目前有试点建设项目。

模块化结构体系

模块化建筑结构体系的拼装采用搭积木的方式,模块单元节点间使用高强螺栓连接使模板可靠的连接为建筑整体。施工速度快,预制率高,但造价高支模不经济。

主次框架结构体系

亦称为巨型框架结构。主框架为巨型框架,次框架为普通框架,两者不是同一数量级。主次框架的连接方式主要有刚接、半刚性连接和铰接,这种结构体系可以加大建筑物的空间和高度,但目前我国住宅中运用较少。

交错桁架结构体系

交错桁架结构体系主要构件包括柱子、桁架、楼板、斜杆等,连接方式包括夹板连接、摩擦连接、支座连接等,交错桁架结构可以在多高层建筑中实现较大的开间和进深,但目前我国住宅中运用较少。

双面叠合剪力墙结构体系

双面叠合剪力墙结构由双面叠合剪力墙、预制叠合梁、预制叠合楼板、预制外挂凸窗等预制构件组成,采用插筋连接,房间内不会露梁柱,空腔的存在使得同样体积的墙体混凝土量更少。

风险提示:

相关政策推广不及预期;部分体系技术仍存缺陷;消费者接受需要一定时间
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正文

装配式建筑相关新闻近年来不断进入大家视野,火神山、雷神山医院更是采用装配式集装箱结构快速建造为大家熟知。大家印象中,装配式建筑就像搭积木一样把房子拼搭起来。那么,积木有多少种搭法?每块积木都长什么样子?积木和积木间如何连接起来?每种搭法有什么优缺点?为此,我们实地考察并参阅文献,总结了现有装配式11种主流体系,把每种体系的主要预制构件、连接方式、优缺点、案例做了通俗的说明,供大家在春节期间充电学习。

1. PC框架体系

装配式混凝土框架结构包括装配整体式混凝土框架结构及其他装配式混凝土框架结构。前者是指全部或部分框架梁、柱采用预制构件通过可靠的连接方式装配而成,连接节点处采用现场后浇混凝土、水泥基灌浆料等将构件连成整体的混凝土结构。后者主要指各类干式连接的框架结构,主要与剪力墙、抗震支撑等配合使用。前者是梁柱受力的体系,由柱子来承受水平和竖向荷载;后者在框架结构的基础上加入了部分剪力墙,使剪力墙和柱子共同承受水平和竖向荷载,更适用于住宅。

1.1. 主要预制构件

(1)预制楼板(含预制实心板、预制空心板、预制叠合板、预制阳台),预制楼板的使用可以减少施工现场支护模板的工作量,节省人工和周转材料,具有良好的经济性,是预制混凝土建筑降低造价、加快工期、保证质量的重要措施。

(2)预制梁(含预制实心梁、预制叠合梁、预制U型梁): 预制梁为主要的水平承重构件,与预制楼板同为免模板技术。
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(3)预制墙(含预制实心剪力墙、预制空心墙、预制叠合式剪力墙、预制非承重墙):采用预制墙体可提高建筑性能和品质,节省使用期间的维护费用,同时减少门窗洞口渗漏风险,具有良好的间接效益,针对国内住宅的特点,预制墙体和预制楼板将是工业化住宅构件的主要产品。

(4)预制柱(含预制实心柱、预制空心柱):钢筋混凝土预制柱通常作为建筑结构部件来使用,也可以被用作装饰。预制柱的外观多种多样,变化多端。为了运输和安装方便,预制柱的出厂长度越长越好。

(5)预制楼梯(预制楼梯段、预制休息平台)。

(6)其他复杂异形构件(预制飘窗、预制带飘窗外墙、预制转角外墙、预制整体厨房卫生间、预制空调板等)。
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1.2. 连接方式

装配式混凝土框架结构的连接主要分为湿连接和干连接。湿连接是指预制梁、柱或T形构件在结合部利用钢筋连接或锚固的同时,通过现浇混凝土连接成整体框架的连接方式。关于湿连接的抗震性能的试验证明,连接性能从总体上能够与现浇混凝土节点相媲美。湿连接容错率高,是目前PC框架体系主流方式。
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干连接主要分为预应力连接和混合连接。预应力连接通过张拉预应力筋施加预应力把预制梁和柱连接成整体,预应力连接在抗震性能的测验中构件损坏小,相对位移能力较强,位移恢复能力强、残余变形小,能量耗散少,无粘结预应力连接比有粘结预应力连接的刚度退化小。混合连接在预应力连接的基础上增加普通钢筋,利用其屈服来耗能,形成了预应力钢筋和普通钢筋混合配筋的连接。在抗震性能方面与现浇结构相当,混合连接的自恢复性好,变形能力强,耗能性能好,构件损坏小,节点域抗剪能力优于现浇结构。
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对装配式钢筋混凝土结构的研究来看,由于钢筋套筒灌浆工艺因现场缺乏有效检测手段,且以目前工人的技术水平,质量无法保证。因此,构件连接部位仍是装配式混凝土结构抗震的薄弱环节,装配式钢筋混凝土结构体系的抗震性能可进一步优化提高。现有的装配式钢筋混凝土框架结构整体抗震性能接近或等同于现浇水平,仍可进一步优化。为此,有必要发展高性能新型装配式建筑结构体系、高性能连接形式与节点,从而满足更高抗震性能目标需求。

1.3. 优缺点

装配整体式框架主要包括框架节点后浇和框架节点预制两大类,前者的预制构件在梁柱节点处通过后浇混凝土连接,预制构件为一字形;而后者的连接节点位于框架柱、框架梁中部,由于预制框架节点制作、运输、现场安装难度较大,现阶段住宅工程较少采用。
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1.4. 代表作品

北京市长阳天地产业化住宅项目,由中建一局集团建设发展有限公司承建。该项目集预制构件深化设计、预制构件加工生产、现场安装施工于一体。使用产业化住宅预制构件包括:外饰面砖预制外墙板、预制内墙板、预制叠合板、预制楼梯、阳台板、女儿墙、预制楼梯隔墙板、预制PCF板,预制防火隔墙装饰板,预制构件数量约16400件,混凝土用量约16000立方,预制率达到55%。
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2. PS结构体系

装配式钢结构是由钢制材料组成的结构。目前高层装配式钢结构建筑的结构体系传统的有纯框架、框架-支撑体系,新型的有集装箱、钢管束、钢异形柱等。装配式钢结构主要由型钢和钢板等制成的梁钢、钢柱、钢桁架等构件组成,并采用硅烷化、纯锰磷化、水洗烘干、镀锌等除锈防锈工艺。各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。

2.1. 几个细分结构体系

(1)纯框架体系:可根据建筑功能的需求进行梁柱的灵活布置,增加建筑使用空间的利用率。但由于纯钢框架抗侧力刚度较小,为了控制位移,构件的截面很大,且变形较大,舒适度较差。

(2)框架-支撑体系:由于支撑的存在,较纯框架建筑,构件截面可有效减小,进一步增加建筑使用空间的利用率,抗侧力能力有显著增加,同时降低了整体用钢量。但支撑布置受建筑功能的影响,不易找到合适布置位置,且支撑(大撑)布置位置零散,造成结构刚度不均匀。
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(3)集装箱体系:可像积木一样将各个功能房间或户型进行多样的组合,建设周期较短。但抗震性能较低,连接及单体强度较难满足高抗震设防烈度地区的高层建筑建设需求,适用于低、多层建筑,且集装箱常规尺寸难以满足国内住宅市场对层高和房间开间的要求。集装箱建筑可随时随地移动到各地,建造速度快。

武汉蔡甸火神山医院由中建三局牵头,武汉建工、武汉市政、汉阳市政等3家企业参与,参照2003年抗击非典期间北京小汤山医院模式建设的一座专门医院,医院建筑面积2.5万平方米,可容纳1000张床位,集中收治新型冠状病毒肺炎患者。火神山医院利用轻型建筑材料,采用集装箱体系,具有拼装速度快、保温隔热效果好等特点。
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(4)钢管束、钢异形柱体系:采用钢管束、钢异形柱代替传统混凝土剪力墙,基本做到室内不凸柱,平面布置可跟随建筑功能房间的需求灵活调整。但用钢量增大,较常规钢管混凝土柱,由于此类构件空腔数量较多,截面较小,因此对混凝土作业的质量要求更高,人工及材料成本有一定的上升。
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装配式钢结构住宅可以实现构配件生产产品化、现场组装机械化、便于实现对全部结构的信息化管理,可以减少建筑垃圾,减少建筑施工对环境的不良影响,提高建筑质量,材料回收利用率高,符合建设生态文明社会的需要,将会在未来市场中得到越来越多的使用。与发达国家相比,中国的钢结构建筑比例依旧非常低,我国钢结构用钢量仅为钢产量的20%,纯钢结构的用钢量(板材、型钢等)大约只占建筑用钢量的1.5~2%,占到建筑竣工面积60%~70%的住宅建筑几乎全部是钢筋混凝土建筑,采用钢结构的比例很低。

2.2. 主要预制构件和连接方式

(1)预制楼板、外墙板、楼梯等

装配式钢结构建筑提倡采用非砌筑墙体,采用工厂预制墙板。根据围护体系应用位置,分为外墙、内墙和分户墙;根据围护体系的构成形式和主要构成材料,分为预制混凝土墙板、轻钢龙骨类复合墙板、轻质条板和夹心板等。装配式钢结构中楼板所用的类型主要有钢筋桁架楼承板组合楼板和桁架钢筋混凝土叠合板等,楼梯可采用预制钢楼梯或预制混凝土楼梯。钢结构采用薄型钢材料进行构建,并在外部框架中融入不易燃烧的管件材料,使所有装配技术均能在“一体化”的要求中进行技术整合。

(2)钢框架柱、钢梁等

“工业化住宅”体系主要采用钢框架结构对建筑主体模型进行配置,需结合“钢管束组合”模式进行设计构件(由多个钢管单元依次连接即构成钢管束总成,钢管束总成的总体形状包括C型、一字型、Z字型、T字型、十字型或L型,多个钢管束总成构成钢管束组成结构构件)。以“H型”为基本的钢筋桁架进行成板配置,促使体系能改善传统配件承力方面的问题。在实际配置过程中,需要根据房屋的剪力效果进行测试,结合布局和房屋承重计算出体系所需求的钢材量。
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(3)连接方式

钢结构的连接方式有:焊接、铆接和螺栓连接等,其中螺栓连接又分不高强螺栓连接、普通螺栓连接。焊缝连接,主要采用电弧焊,即在构件连接处,借电弧产生的高温,将置于焊缝部位的焊条或焊丝金属熔化,而使构件连接在一起。螺栓连接的连接件包括螺栓杆、螺母和垫圈,高强度螺栓连接用特殊扳手拧紧高强度螺栓,对其施加规定的预拉力。铆接的连接形式除轻型钢结构外,现在基本上已经不再采用。焊接和高强度螺栓连接复合使用时,当设计无特殊要求,应按先栓后焊的顺序施工。钢结构预制率一般较PC框架体系高。
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2.3. 优缺点

钢结构建筑具有施工周期短、节能环保的独特优势,是理想的绿色建筑用材,因此在住宅建筑上具有很大的优越性。但现阶段钢结构住宅占比却很低,一是因为19年前相关部门对于建筑用钢的不重视,也缺乏相应的政策扶持,政策上更多的给与PC结构更多的重视;其二是规模经济尚未达到等种种原因造成钢结构住宅的造价要高于混凝土建筑结构;其三是对于处在钢结构制造行业产业链中间的钢结构制造行业处于分包的弱势地位,导致钢结构企业至今没有形成太大的规模。
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2.4. 代表作品

武汉蔡甸火神山医院、雷神山医院;合肥绿洲凤栖苑长丰县财政性投资保障房,由鸿路钢构承建,该项目是“装配式钢结构”示范项目,采用鸿路自主研发的高层装配式钢结构技术体系建设。本项目总建筑面积304422平方米,其中地上建筑面积230090平方米,地下建筑面积74332平方米。项目建成后将成为安徽省最大的抗震、节能、低碳、环保的绿色住宅样板工程。
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3. 木结构体系

装配式木结构建筑是指主要的木结构承重构件、木组件和部品在工厂预制生产, 并通过现场安装而成的木结构建筑。装配式木结构建筑在建筑全寿命周期中应符合可持续性原则, 且应满足装配式建筑标准化设计、工厂化制作、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用的“六化”要求。装配式木结构建筑按承重构件选用的材料可分为轻型木结构、胶合木结构、方木原木结构以及木混合结构。近年来,建筑层高、建筑层数的规定限制了我国木结构建筑的发展。
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3.1. 主要预制构件

(1)预制梁柱式构件与木桁架

装配式木结构建筑中最灵活的组件,需要在现场进行二次加工。木桁架是指由木构件组成的桁架,是木屋盖、木塔架的主要承重结构。目前,我国的预制构件以方木、原木和胶合木梁柱为主,一般应用于方木原木结构和胶合木结构中。

(2)预制板式组件(墙体,楼盖、屋盖)

板式预制是通过结构分解,将整栋建筑的墙体、楼面和屋面分解成不同功能的平面板块,也就是分解成预制板式组件,并在工厂预制完成后运输到现场吊装组合而成。常用的预制二维板式组件的结构形式有:钉接胶合木(NLT),正交胶合木(CLT),轻型木结构墙体,轻型木搁栅楼(屋)盖。
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(3)预制空间模块式组件

空间模块式组件一般都是三维单元,其中包括墙、楼盖和屋盖,是预制程度最高的组件,包括防水保温、外饰内装和水电穿管。

3.2. 连接方式

木结构连接主要有如下几种类型:板销连接用板片状硬木销阻止被拼合构件的相对移动,板销主要在顺纹受弯条件下传力,具有较高的承载能力,故应注意使其木纹垂直于拼合缝,为保证连接的高度紧密性和生产的高效率,宜用专门的机具按统一尺寸挖销槽和制板销,并按构造要求用系紧螺栓连接方木或圆木。裂环连接应用最早,连接点对木材受力面积削弱较小,具有较高的承载能力,但连接主要靠木材受剪传力,韧性较差。剪盘连接用成对的钢盘(剪盘和齿盘)分别嵌入连接缝两侧构件的环槽中,通过系紧螺栓受剪传力,木构件主要受剪和承压。齿环连接和齿板连接中的齿环和齿板是对裂环和剪盘的改进。
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3.3. 优缺点

由于国内木材缺乏且生长周期长,从设计深化、工业拆分到施工建设技术要求都相对较高,木结构单位造价远高于混凝土。而且没有大梁承重,木结构适合做一些低层建筑,因而国内木结构的住宅较少。
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3.4. 代表作品

贵州省黔东南州游泳馆;美国独角兽公司Katerra的Walden House项目将容纳13间套房,配备床、淋浴室和浴缸。患者可以享受公用厨房、餐厅、起居室、洗衣房和健身区。这一项目完全由CLT方式建造。
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4.装配式剪力墙高层住宅体系

装配式剪力墙结构是将竖向结构主要受力构件剪刀墙、梁、板等由预制混凝土构件(预制墙板、叠合梁、叠合板)组成的装配式混凝土结构。装配式剪力墙结构是目前技术最成熟、应用最广泛的一种装配式混凝土结构体系,是高层住宅建筑的首选结构体系。目前应用最多的是装配整体式剪力墙结构,其特点是全部或部分剪力墙采用预制,楼板采用叠合板,边缘构件采用现浇。装配率可达40%-50%,单体预制率约为40%。

4.1. 主要预制构件

(1)剪力墙

剪力墙命名来自于受力角度,可分为钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙、内藏钢板支撑剪力墙。剪力是指作用于同一物体上的两个距离很近(但不为零),大小相等,方向相反的平行力,如下图所示。例如用剪刀去剪同一物体时,物体所受两剪刀口的作用力就是剪力。剪力墙具有更好的抗震性。地震来时,地面在水平方向上蛇形扭动。因为剪力墙比框架能承受更多的水平力,所以当地面蛇形扭动时,剪力墙比框架更不容易折断。剪力墙一般为承重墙(承重墙是支撑上部楼层的墙体)。
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预制内外墙板均采用一字型。预制外墙类型采用三明治夹心保温层。尺寸采用模数化拆分,减少预制外墙种类,并且需考虑后期运输与安装,构件高度与重量要满足限制要求。(尺寸由模台决定,目前国内流转台模宽度为3-4米,长度9-10米,固定台模3.5-4米,长度10-12米,所以相应构件的尺寸都会小于等于这个尺寸。重量取决于构件厚度,一般会小于25毫米。)对于开有门窗洞口的墙肢,在洞口上方设置连梁,连梁与墙体一起预制。相邻两块预制内墙之间设置后浇段,按照模数将墙拆分,且遵循少规格的原则。
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(2)叠合板

楼板指的是一座建筑物的承重结构,可根据使用材料的不同分为:木楼板、砖拱楼板、钢筋混凝土楼板、钢衬板楼板。
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(3)叠合梁

长度较短的梁采用现浇,其余梁采用预制。门窗上方的连梁与剪力墙一起预制。预制梁与后浇混凝土叠合层之间的结合面应设置粗糙面,且梁的端面设置键槽以增加抗震强度。
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4.2. 连接方式

装配式剪力墙结构连接方式有干式连接和湿式连接两种。干式连接就是在施工现场无需浇筑混凝土,全部预制构件、预埋件、连接件都在工厂预制,通过螺栓或焊接等方式实现连接。湿式连接就是将两个承重构件之间钢筋互相连接后通过浇筑节点实现结构的整体连接,以达到节点等同现浇。
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装配式剪力墙纵横交接处的边缘构件采用后浇混凝土。转角墙,有翼墙均采用后浇形式,后浇段的长度需满足《装配式混凝土结构技术规程》的构造要求,且要满足结构计算要求。干连接多以预埋连接件的方式实现,设计难度大,施工流程复杂,预制精度要求较高。目前这种干式连接法在我国运用并不成熟,尤其这种技术在剪力墙的施工工程结构的拼装连接中存在较多问题,如技术交底不完善、工人安装存在误差等,严重则会造成螺栓连接松弛,并造成永久损坏。目前,国内使用较多的方式是湿式连接。

湿式连接主要包括现浇带连接(为防止混凝土结构产生有害裂缝,在板、墙、梁相应位置留设临时施工缝,将结构暂时划分为若干部分,经过构件内部收缩,在若干时间后再浇捣该施工缝混凝土,将结构连成整体)、灌浆套筒连接(套筒灌浆连接就是将预留钢筋插入带有凹凸槽的高强度套筒内进行连接,然后在钢筋与套筒内腔之间注入无收缩、高强度灌浆料,形成钢筋套筒灌浆连接)、浆锚连接

4.3. 优缺点

混凝土剪力墙结构是目前高层住宅的主要结构形式,尽管装配式混凝土剪力墙结构的钢筋模板安装工作量大,预制构件的成本相对较高,但由于其在高层住宅的应用和饱满的建设需求量,近几年来,成为集房地产、工程设计、预制构件生产和施工体化综合企业的研究与开发焦点。
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4.4. 代表作品

北京万恒家园二期,由万科企业股份有限公司承建。该工程为装配式剪力墙体系,结构形式为剪力墙结构:内墙为现浇结构,外墙为预制结构,内外墙连接节点与预制构件连接后浇注。

观湖国际一期14#楼装配式住宅:由中建七局承建,是中原地区第一个预制装配式项目,地上结构体系为装配式剪力墙结构。该项目总建筑面积9276㎡,地上24层,地下2层,建筑高度69.90m。该装配式楼预制率达75%,装配率达100%,采用的预制内外墙板、叠合板、楼梯、隔墙、空调板、造型板等预制构件及钢筋。
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5. 全装配式低层住宅体系

整个建筑是由密柱支撑框架结构体系与集装箱式模块相结合,若干个类似于集装箱的模块组合而成。首先在工厂预制集成,然后打包为集装箱形式,采用标准车辆运送至施工现场,在现场以装配化形式施工。以钢结构、木结构居多,近几年在我国农村自建房建筑中比较流行。

5.1. 主要构成体系

(1)基础体系

主要采用简易桩基础和基础梁的基础型式。桩基础采用预制桩或钢桩,基础梁采用预制混凝土梁。以此来减少现场湿作业,提高装配化程度,加快施工进度。
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(2)结构体系

采用方钢、H型钢、薄壁轻钢龙骨等轻型钢框架结构,板材之间、板梁之间连接采用全高强螺栓节点连接。上海城投S7公路项目管理用房是中国首个全装配螺栓干式连接项目,项目引进了芬兰Peikko新型高强螺栓节点进行装配,取代了传统的灌浆套筒和灌浆波纹管的构件连接方式。项目所有结构构件和维护构件均采用工厂预制,其中主体框架结构的连接节点采用抗震框架体系,遵循了“强连接,弱构件”的设计原则,在满足结构连接设计及安全的前提下,现场施工达到了免支撑,免支架的效果,节省了机械、人工的投入,极大的提升了施工效率。
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(3)围护体系

拟采用高分子发泡水泥板材、硅镁轻质条板、GRC轻质条板等围护墙板材料,外加保温装饰一体化板的三明治结构形式。内墙采用壁纸、涂料和装饰板等内装材料。设备体系包括能源体系、排水系统、厨卫系统、新风系统、地暖系统(电暖、水暖)、太阳能系统、照明系统、污水处理系统等。轻钢材料结构基本无现场湿作业,重钢结构搭建楼板后,可选择浇筑混凝土。

5.2. 优缺点

由于农村地价相对便宜,且交通不便,因而轻便、安装便捷的全装配式低层住宅体系在农村和郊区比较流行。
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5.3. 代表作品

上海崇明岛轻法式建筑,由上海迷客建筑科技有限公司承建。该建筑采用全螺栓连接的钢框架结构体系,工厂定制生产ALC墙板、楼板,以及装配式装修,实现建筑整体70%以上预制率,节能环保,抗震耐用。
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6. 预应力结构体系

预应力混凝土结构是在结构构件受外力荷载作用前,先人为地对它施加压力,由此产生的预应力状态用以减小或抵消外荷载所引起的拉应力,即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足,达到推迟受拉区混凝土开裂的目的。以预应力混凝土制成的结构,因以张拉钢筋的方法来达到预压应力,所以也称预应力钢筋混凝土结构。
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6.1. 预应力技术类型

根据预应力技术应用的特点,通常可将预应力技术分为三大类型,即先张法、后张法和体外预应力技术。先张法是指在构件的混凝土浇筑之前将预应力筋张拉到设计控制应力,待混凝土强度达到一定程度后,将预应力筋释放,使得预应力施加到混凝土构架上。
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后张法是指在构件的混凝土浇筑之前,在预应力筋相应的位置上预先埋设孔道或埋设无粘结预应力筋,待混凝土强度达到一定程度后,将预应力筋张拉到设计张拉应力,并利用专用锚具将预应力筋固定在混凝土构件端部,有粘结预应力筋需要在预留孔道中灌入灌浆材料使预应力筋与混凝土粘结成整体。体外预应力技术是指预应力筋位于构件的外部,或者说结构构件是由预应力筋与由其它材料形成的构件共同组成。

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应低于C30。预应力结构体系连接方式属于干连接的一种,预制构件在制作时预留预应力孔道,现场施工时将预制构件安装到位,通过张拉预应力筋连接各构件形成整体。预应力筋在提供连接作用的同时,还可以提高结构的承载力,而且由于预应力筋的弹性恢复能力,使得结构变形后的恢复能力大大提高,残余变形小,具有自复位功能。

预应力混凝土与钢筋混凝土并不是截然不同的两种结构材料,而是同属于一个统一的加筋混凝土系列,所需要的材料主要为钢筋和混凝土,但是预应力混凝土结构必须采用高强度钢材和混凝土。理论上所有高强度钢材和高强度混凝土的结构都可以做预应力。我国现在多采用预应力混凝土结构来建设桥梁,例如重庆大佛寺长江大桥。

6.2. 优缺点

预应力混凝土的制作工艺较复杂,对产品本身质量、制作人员及机器的要求较高,且价格比较昂贵,我国现阶段住宅项目使用较少。
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6.3. 代表作品

美国加州伯克利市的David Brower大楼,David Brower大楼设计中高强预应力钢绞线和普通钢筋一起被用来控制结构的非线性响应。在地震作用下,高强无粘结钢绞线保持弹性,并且提供震后恢复力,使结构回到初始位置。结构一半以上的承载力来自预应力,同时预应力筋的存在大大减小了构件中普通钢筋的配筋率,减少了构件节点的钢筋拥挤,改善了施工难度。

惠灵顿维多利亚大学的Alan MacDiarmid Building,惠灵顿维多利亚大学的Alan MacDiarmid Building是新西兰建造的第一个PRESSS混凝土结构。该结构在梁柱节点处和墙体底设置多种耗能装置,为后张预应力框架-剪力墙结构体系。
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7. 钢混结构体系

装配式钢和混凝土组合结构是指采用工厂生产的型钢梁和混凝土预制构件通过某种构造方式,在现场组合成为整体,兼具钢结构和混凝土结构的特性,共同承受荷载的一种结构。钢和混凝土组合结构有组合梁、组合板、组合桁架和组合柱四大类。

7.1. 主要构件

(1)组合梁

由钢梁、连接件和钢筋混凝土板组成。组合梁的上翼缘有截面面积较大的钢筋混凝土板承受压力,致使钢梁上翼缘截面减小,从而节约钢材,钢梁下翼缘则承受拉力,这是组合梁的受力特点。组合梁的钢梁,可用热轧成型的工字钢。
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(2)组合板

在压型钢板上先焊接连接件,后灌筑钢筋混凝土板而形成组合板结构。连接件采用带头栓钉或钢筋。

(3)组合桁架

在钢桁架上弦焊接钢筋或带头栓钉的柔性连接件,然后灌筑钢筋混凝土板。

(4)组合柱

在薄壁钢管内灌注混凝土而成,也称钢管混凝土柱。截面形式有圆形和方形。
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以“内蒙古集宁宜合国际小区”工程为例,该钢-混装配式结构体系以使用U型梁为特征,柱、梁、楼板、楼梯、外墙、内墙全部构件为工厂预制,现场装配,其预制率、装配率可达到90%以上。以外包钢板剪力墙与方钢管柱为竖向构件,墙、柱内浇筑C40-C60高标号混凝土;水平构件采用新型U型复合梁和预制楼层叠合板。

7.2. 钢筋与型钢连接方式

(1)钢筋接驳器连接:此做法是将接驳器在构件制作时焊接于钢构件上,安装时将钢筋套上与接驳器拧紧。

(2)钢筋连接板连接:钢筋搭接板在允许的情况下需要尽量焊于钢构件上,安装时再在搭接板上焊接钢筋。

(3)型钢穿孔连接:此种方法是工厂在钢构件上预先开设穿筋孔,现场施工时将钢筋穿过。
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7.3. 优缺点

轻钢轻混凝土结构体系可以改进低层轻型钢住宅在农村地区应用时暴露出的成本较高、舒适感欠佳等缺点,试点工程建设如四川省甘孜藏族自治州道孚县藏民居庄园建设项目。

型钢混凝土组合结构技术应用还处于探索阶段,在我国的运用还不是很广泛,施工技术上还不是很成熟,可借鉴的施工经验相对较少。目前国内的型钢结构大多运用于建筑物核心筒等主要受力区域,住宅使用相对较小。
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7.4. 代表作品

内蒙古集宁宜和国际小区:由中冶天工集团有限公司承建;该项目为预制装配式钢结构住宅,总建设面积约为55万m2。先行开发的一期项目为20万m2的住宅建筑,除2幢为26层外,其他单体为地上18层,地下一层,建筑高度55-82m。其结构形式不同于国内已开始推广的装配式钢结构住宅,而是以柱梁钢构件作为结构兼作模板、内浇素混凝土而形成的一种钢和混凝土的组合框架结构,楼板为可拆卸式钢桁架楼承板,内外墙全部为新型自保温装配式预制墙板,具有节能、环保、绿色的特点。

四川省甘孜藏族自治州道孚县藏民居庄园建设项目:围护墙体由轻钢构架、免拆模板和浇筑轻混凝土组成,承重楼面采用压型钢板混凝土楼面。
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8. 模块化结构体系

模块化建筑即将传统房屋以单个房间或一定的三维建筑空间为建筑模块单元进行划分,并在工厂对模块单元楼板、天花板、墙体进行提前预制安装,完成后将这些建筑模块单元输至现场,使用起重装备像“搭建积木”一样将其堆叠、连接在一起,组成一个完整的建筑。建筑模块单元的内部通常是完备的,模块内的一切设备、管线、装修、固定家具均已做好,由于几乎不需要现场技工,因而大量减少了现场的工作时间。模块化结构体系的部品化率一般会超过85%,若完全在工厂进行预制并内部装修的模块化建筑的部品化率可达95%,剩余的5%工作量为模块安装的连接工作。天津静海子牙尚林苑模块化房屋项目采用全干法作业,预制装配率达94%。

相对于传统的装配式结构体系,模块化建筑结构体系整体性好、连接可靠、稳定性好,传统装配式结构体系与模块化建筑主要有以下几个方面的不同:预制单元、运输过程、拼装方式。目前在高层住宅运用模块化结构体系的不多。
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8.1. 连接方式

模块化建筑结构体系的施工现场拼装采用搭积木的方式,模块单元节点间使用高强螺栓连接,使模板可靠的连接为建筑整体。

(1)模块内连接

模块化组件的单榀桁架与传统桁架做法一致,各构件通过齿板连接或接长。若桁架跨度较大,则考虑采用侧向支撑加强结构。

(2)与外墙连接

屋架组件运输到施工现场后,经吊装到位后通过金属连接件将桁架固定在建筑墙体的双层顶梁板或墙骨柱上。与桁架连接的部分在工厂预先定位安装固定,从而实现现场快速安装,提高了装配率以及现场施工作业效率。
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混凝土结构模块化一般和钢结构同时运用,形成钢板-混凝土结构,具有承载力高、延性好、抗震能力优越等特点。操作流程为钢结构在工厂进行模块化预制、组装,与施工现场其他施工工作同时进行;在钢结构模块安装就位后,混凝土浇筑可与房间完工、设备安装施工等工作平行进行,可以加快施工进度、节约工期。

8.2. 优缺点
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8.3. 代表作品

长沙新方舟宾馆:由河南远大可持续建筑科技公司承建,采用全钢结构模块,所有部件均事先在工厂制成,由流水线模具化生产而出,正式建房时只是部件的搭建与组装,整体搭建使用了46个小时,装修用时90个小时,工期极短。

天津子牙尚林苑:由中冶天工集团总包,位于天津子牙循环经济产业区,为我国首个正式获正式相关审批的模块化居住项目,模块化高度集成,预制装配率达94%。项目采用全干法作业,模块采用工厂化加工,可以提高加工精度和质量,有效避免常规建筑质量通病。
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9. 主次框架结构体系

9.1. 框架结构和连接方式

亦称为巨型框架结构。主次框架结构是由大型构件巨型梁、巨型柱等组成的主结构与由常规梁、柱构件组成的次结构共同工作的结构体系。主框架为巨型框架,结构截面几何尺度、面积、惯性矩等很大;次框架为普通框架,构件截面几何尺度、面积、惯性矩等相对很小,两者不是同一数量级。巨柱通常由楼、电梯井或大截面实体柱组成,巨梁一般每隔几个或者十几个楼层设置一道,梁高一般占一个或者几个楼层高。
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主结构可以形象地比喻为按比例放大的框架,其中巨型柱的尺寸很大,有时可超过一个普通框架的距离,形式上可以是大的实腹钢筋混凝土杆、钢筋混凝土杆、空间结构式衍架或是筒体,大柱一般布置在房屋的四角和周边;巨型梁采用高度在一层左右的预应力混凝土大梁或平面结构式衍架,一般每隔3-5个楼层设置一道。主结构为主要抗侧力体系,次结构只起辅助作用和大震下的耗能作用,并负责将竖向荷载传给主结构。主结构的大粱可充当刚臂,把两边的大柱连在一起组成一个整体巨型框架,共同抵抗水平荷载作用。
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由于巨型框架结构中沿竖向可以设置数道大梁,小柱不再是主要的抗力构件,故两大层之间的小柱在竖向没必要一定连续。纯框架结构中没有剪力墙。

主框架梁柱材料为混凝土,而次框架采用钢结构时,主次框架的连接方式主要有刚接、半刚性连接和铰接。刚接是指构件之间是一个整体,在破坏以后,梁柱之间的夹角为零,所受的内力全部由柱子传给巨型梁。铰接是指在结构受力以后,梁柱之间可以自由的转动,不受其他约束,各节点相互独立,梁不能将上部弯矩传递到柱上。半刚性连接是介于钢接和铰接之间的一种新型连接方式。

9.2. 优缺点

主次框架结构可以加大建筑物的空间和高度,更适用于展厅等大空间建筑,在国内很少应用于住宅。
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9.3. 代表作品

厦门北站:由中国建筑第四工程局有限公司(中国建筑股份有限公司全资子公司)承建,该项目采用巨型结构,实现了具有闽南民居“燕尾脊”特色的国内最大跨度无柱候车厅,双向无柱跨度为132m×220m。首次在大型铁路客运站房中采用双向巨型混合框架结构体系,在屋盖中应用双向不等高交叉桁架组成的新型网格结构。
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10. 交错桁架结构体系

是指以预制钢筋混凝土柱或钢柱、钢桁架、预制楼板等预制构件组成的大跨度空间结构,主体结构采用装配式交错桁架结构,配置外墙、内隔墙和楼盖系统的建筑。

建筑物横向的每个轴线上,平面桁架隔层设置,而在相邻轴线上交错布置。在相邻桁架间,楼层板一端支撑在下一层平面桁架的上弦上,另一端支撑在上一层桁架的下弦上,实现施工少支撑甚至免支撑。由于交错桁架的结构体系是有预制柱支撑,沿高度交错布置的平面桁架构成,可以组成平面规则的条形、L形、槽型、回字形等进深和开间都比较大的建筑。利用交错桁架与钢框架做的多高层住宅和旅馆相比,用钢量减少50%。
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10.1. 主要构件及连接方式

(1)柱子

一般采用H型钢、方钢管或圆钢管,亦可以采用钢管混凝土或组合截面柱。与普通钢结构体系不同,这种结构体系的柱仅布置在结构周边,在开间内形成无柱的大空间。布置在结构周边的柱子作为桁架的支承点,与桁架共同作用。

(2)桁架

杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构,桁架杆件主要承受轴向拉力或压力,从而能充分利用材料的强度,在跨度较大时可比实腹梁节省材料,减轻自重和增大刚度。
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(3)楼板

在荷载传递过程中起着关键性的作用,因此楼板必需具有足够的平面内强度和刚度,能同时承受相应的水平力和竖向荷载。楼面结构可以采用混凝土现浇楼板、压型钢板组合楼板或者装配整体式楼板。当楼面有大开洞时,宜采用混凝土现浇楼面或者采取刚性水平支撑加强。

(4)斜杆

防止杆与杆之间产生过大的挠度,增加桁架的整体刚度,使受力可以由整榀桁架共同承担;在节点处焊接一角钢,减少了杆件的计算长度和长细比,从而增加了杆件的局部稳定性。
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从施工的角度来说,交错桁架结构和普通桁架的施工没有太大的差别。每层桁架可能只有少许的差别,一般采用工厂制作,现场拼装的方式施工,这样可以快速安装并且不受天气的影响,加快施工速度。

(5)连接方式

桁架与柱连接:1)先将钢桁架置于牛腿上,铺设预制楼板,拧紧节点板与柱子的螺栓,此阶段牛腿承担全部竖向剪力;2)然后现浇混凝土,新增荷载产生的竖向剪力由牛腿和节点板共同承担,水平拉力由节点板螺栓传递。

柱子连接:灌浆套筒。

10.2. 优缺点

交错桁架结构以木结构、钢结构为主,我国目前用于较多用于公共建筑,住宅项目较少。
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10.3. 代表作品

美国芝加哥戈弗雷酒店;该项目利用了交错桁架结构建造大跨度空间,共有221个客房、Spa和健身设施,减轻了结构的自重并缩短了安装的时间。预应力混凝土板在桁架的上下方布置,同时在上方还有桁架。
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11. 双面叠合剪力墙结构体系

双面叠合剪力墙结构是新型装配式结构体系,由双面叠合剪力墙、预制叠合梁、预制叠合楼板、预制外挂凸窗、预制带凸窗非承重墙、预制楼梯、预制阳台、轻质条板等预制构件,以及现浇剪力墙、现浇混凝土节点、现浇楼板等现浇部分共同组成。除双面叠合剪力墙与普通预制剪力墙有较大不同外,其他预制构件与普通装配式剪力墙结构类似。

11.1. 主要构件和连接方式

双面叠合剪力墙是由工厂化生产的两片预制混凝土墙板通过桁架钢筋连接成内部带空腔的预制剪力墙板,在形成的空腔中现场浇筑混凝土形成整体受力的结构构件。
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普通预制剪力墙是在工厂预制好墙体,现场通过向预留的注浆孔灌注混凝土,相当于用“粘合剂”将已经建好的墙体和工厂预制的墙体固定在一起。而叠合板式剪力墙的竖向则是通过在空腔内插筋,然后向空腔内浇筑混凝土,将上下墙体连接成整体,结合面更大。叠合墙由于其空腔的尺寸比插筋所需要的空间尺寸大很多,因此在安装过程中,叠合墙更便于施工。由于普通预制墙体的套筒直径较小,调整空间相对有限。同样的时间,安装叠合板式剪力墙的数量将会是普通预制剪力墙的两倍。
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叠合剪力墙不需要套筒或浆锚连接,叠合剪力墙上下、左右连接均为利用现浇层和现浇边缘构件等,采用插筋连接,施工便捷,无钢筋与套筒精准定位的困难,施工质量便于保证;同时也规避了专用套筒和灌浆料的高额成本。
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11.2. 优缺点

双面叠合墙有不同的厚度规格,由于有空腔的存在,同样宽度和高度的墙体重量要比普通墙轻一半左右。由于普通预制剪力墙竖向钢筋连接的施工速度较慢,因而叠合墙能发挥独特作用,但目前国内可借鉴的工程经验不多。
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11.3. 代表作品

上海浦东新区宝业万华城:由宝业集团负责承建,通过结构优化,将剪力墙全部布置在建筑外围。内部空间无任何剪力墙和结构柱。用户可以根据不同需求对室内空间进行灵活分割。

沈阳保利云禧项目:所应用的叠合墙在东北地区尚属首例。为保证生产、运输、安装过程中构件破损率降至最低,项目在叠合墙总厚度上选择250mm厚,单页墙厚达60mm。
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12. 风险提示

相关政策推广不及预期;部分体系技术仍存缺陷;消费者接受需要一定时间

证券研究报告:《装配式建筑是如何建成的?--主流体系参数全解析》

对外发布时间:2020年01月30日

报告发布机构:天风证券股份有限公司

本报告分析师:唐笑 SAC执业证书编号:S1110517030004 / 岳恒宇 SAC执业证书编号:S1110517040005/ 肖文劲 SAC职业证书编号:S1110519040001
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