钢结构外挂预制夹芯保温墙板施工技术研究

徐洪武　殷倩倩

摘 要：本文立足于装配式建筑的施工阶段。对施工技术方案进行深入研究，优化外挂构件于钢结构节点连接方式，严控外防水施工工序，工程实体质量达到设计要求，为今后类似工程施工技术提供参考借鉴，具有推广应用价值。

关键词：装配式建筑；节点连接；新工艺

1 工程综述

1.1 工程背景

党中央、国务院高度重视装配式建筑的发展，中央城市工作会议以来，我国装配式建筑进入全面发展期。大力推广装配式建筑，力争10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达30%。

大力发展装配式建筑，是产业创新、转型升级、实现产业现代化的必经之路。装配式建筑的推广有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合，培育新产业新动能，推动化解过剩产能，适应实现经济、安全、绿色、美观的建设要求。

装配式建筑是指采用部件部品，在施工现场以可靠连接方式装配而成的建筑，具有设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化等特征，装配式建筑包括预制混凝土结构、钢结构和木结构以及混合结构等多种类型。

1.2 工程概况

济阳县第二实验小学扩建工程教学实验楼工程，建筑高度为24.60m，建筑面积10382.92m2，占地面积2025.35m2，地上五层，局部六层。本工程主体结构为钢结构框架结构，外墙为预制夹心保温复合墙板，厚度为200mm（50mm+100mm+50mm），采用下托上拉形式与钢构件连接；预制预应力叠合板厚40mm，上部为90mm厚现浇混凝土叠合层；内墙为200厚加气砼砌块。本工程单体预制装配率为85%，预制率34%。

2 施工方案研究

装配式结构安装精度要求高，涉及工厂化预制和现场安装等多种工序的施工。施工前应根据实际情况确定图纸拆分方案，制定出预制构件加工图及节点总安装图，确保结构尺寸尽量统一，预埋暗管和孔洞位置正确，安装方便；确定钢结构及外墙板吊装顺序，严控钢结构构件变形，确保预制构件安装质量。

总体施工方案为：围墙板和PK板钢构件工厂化生产，钢构件现场拼装，经验收合格后，逐层安装PK板并现场绑扎上层钢筋，浇筑混凝土；外挂墙板由外墙中间向两侧对称，由低往高逐层安装、固定。

外墙板施工工艺如下：钢结构主体框架验收完成→测量放线及验线→外挂板和连接件进场验收→连墙板安装连接件→搭设活动脚手架→钢梁钻孔→安装连接件→外挂板吊装微调→初步固定→外挂板校核→最终固定。

3 构件关键节点技术

框架结构中梁柱连接通常也称为梁柱节点、梁柱连接、框架节点。主要是指框架梁与框架柱相交的节点核心区与邻近核心区的梁端和柱端。根据不同的结构特点，不同的连接位置。采用的框架节点构造形式不同，选用的内柱2梁连接和外柱2梁连接可能不同；不同的连接构造及位置也影响着节点的性能。 除具有较好整体性能的整浇节点外，根据施工技术、节点形式，框架节点常用的有预应力技术节点、牛腿连接节点、整浇梁柱节点、部分现浇节点等[1-3]。

3.1 加芯保温外墙板与钢框架构件节点连接

外墙板采用下托上拉方式与钢梁进行连接，其中下部托件有两种形式，（1）U型托件，设置在一层圈梁，主要起到一层外墙板的限位和找平作用；（2）二层以上N型托件，起到承托外挂板作用，主要承载墙板重力，将外挂板重力传递到钢梁、钢柱；上部拉件有两种形式（1）L型拉件，焊接在钢梁下翼缘，起到固定外挂板的作用，主要承载水平力，（2）长折型拉件，一端使用螺栓连接外挂板，另一端通过高强螺栓连接钢梁，起到固定外挂板作用，同样主要承载外挂板接受的水平力。

3.1.1 一层U型托件连接件与外墙板连接

一层外墙板落在外圈梁顶面，一层墙板吊装前，首先将U型托件与圈梁顶部预埋铁板（圈梁预埋铁板下部焊接2根直径10钢筋同圈梁钢筋绑扎固定）焊接固定，然后安装一层墙板，将一层墙板预留槽同U型件对应安装放置，安装节点如图1所示。

3.1.2 二层以上N型托件连接件与钢梁、外墙板连接

本项目中二层以上墙板托件采用N型托件，墙板吊装前，将N型托件使用M20高强螺栓与加工厂内预埋在外墙板的套丝筒栓接，终拧固定，然后吊装墙板至钢梁相应位置，将N型托件立板及肋板焊接在钢梁上表面，安装节点如图2。

3.1.3 L型拉件连接件与钢梁、外墙板连接

L型拉件为外墙板上部同钢梁连接的其中一种形式，连接件在安装槽（加工厂内预留）内使用M20高强螺栓连接在外墙板上，连接件的另一端紧贴钢梁下翼缘焊接在钢梁底部，安装节点如图3。

3.1.4 长折型拉件连接件与钢梁、外墙板连接

长折型拉件一端为直径30mm的椭圆形孔，一端为22mm圆形孔，将椭圆形孔端使用螺母安装在外墙板顶部预留预埋螺栓杆上，另一端连接前，在钢梁上翼缘内侧根据定位使用磁力台钻现场钻孔，然后使用高强螺栓同钢梁上翼缘内侧连接，如图4。

3.2 装配式钢结构外挂板板缝防水构造技术

装配式钢结构外挂板现场拼装完成后，影响工程质量的重点是外挂板水平、垂直板缝的防水处理问题，需采取有效的防水技术措施，达到防水要求。

3.2.1 防水構造的具体实施步骤

（1）装配式钢结构外挂板在工厂内制作过程中，水平拼接缝隙位置制作成内侧高和外侧低造型构造，内外高低差为50mm。竖向拼接接缝制作成空腔造型构造。

（2）水平拼缝缝隙中嵌入背衬材料（如PE棒），待背衬材料（如PE棒）全部嵌入完成后，根据填充要求填充密封胶，枪嘴直径应小于注胶接口厚度，注胶应缓慢，连续均匀，防止气泡或空穴。填入衬垫材料（如PE棒）时须考虑接缝尺寸，一般来说，圆形泡沫棒的宽度要比胶缝的宽度大20%-30%。接缝密封胶施工应从顶层自上而下进行，以防雨天时积水影响胶的性能。

（3）竖向拼缝缝隙中空腔内根据直径选择合适圆形PVC管填充，阻挡室外雨水的流入。

3.2.2 防水构造技术优势

该外挂板防水构造技术简单易行，通用性强，防水效果好。主要表现在：

（1）外挂板水平缝的防水方式采用企口防水，即在墙板的水平连接处造型内侧高、外侧低的高差防水企口，阻止室外雨水渗漏至室内；（2）外挂板竖向缝防水方式采用空腔防水，即在墙板的竖向连接处造型两侧高、中间为圆形空腔，防止室外雨水顺墙板渗漏至室内；（3）在垂直圆形空腔内填充PVC管，即阻挡室外雨水的流入，使渗漏进板缝内的雨水顺PVC管向下流淌；（4）水平、竖向墙板连接拼缝采用柔性连接，在拼缝处均嵌入背衬材料并填充密封胶，背衬材料为PE棒（圆形或者矩形），密封胶为装配式硅烷改性聚醚密封胶，柔韧性高，达到了很好的防水效果。

3.3 装配式钢结构外挂板防裂方法及抗裂装置技术

项目采用外挂板构造为50mm混凝土外页板+100mm保温板+50mm混凝土外页板，在生产工艺方面属于新型生产方式，在整个墙板的预制生产过程中因各种因素的控制程度不同，容易造成预制复合墙板出现裂纹、裂缝等问题，且预制外挂板在通過运输车辆运送至现场过程中，容易受到外部碰撞而受到损坏。为解决这一技术问题，使用了一种可调节带丝螺杆控制装置及墙板内防裂钢筋的配置方法，由两根两头丝螺杆与预留在墙板内的套筒进行连接，中间通过连接套筒进行连接，使用套筒根据洞口尺寸调节丝杆长度。预制过程中，墙板内配置防裂钢筋，在内外页墙板及门窗洞口四周加设加强筋，钢筋为直径为10的三级钢，并设置拉钩，拉钩钢筋为直径为6，间距200的三级钢，在墙板内形成钢筋框架构造。存在门洞口的外墙板，在洞口墙板内侧每边各预留预埋两个套丝筒。

3.3.1 实施方法

由两根两头丝螺杆与预留在墙板内的套筒进行连接，中间通过连接套筒进行连接，使用套筒根据洞口尺寸调节丝杆长度。墙板内配置防裂钢筋，在内外页墙板及门窗洞口四周加设加强筋，钢筋为直径为10的三级钢，并设置拉钩，拉钩钢筋为直径为6，间距200的三级钢，在墙板内形成钢筋框架构造。可调节带丝螺杆由直径16的钢筋制成。

4 BIM技术在装配式钢框架结构施工中的应用

利用BIM软件进行深化设计建模，主要是节点细化和碰撞检查。基于BIM模型的设计，减少了设计错误，同时，模型数据的传递减少了重复劳动力，提高了设计效率。给排水设计、电气设计及一体化装修均采用BIM技术协同工作进行，对各专业模型进行碰撞检查，机电管线本身、机电管线与结构构件、机电管线与内装修等。通过准确的信息模型，调高了设计的精度、效率。直观的信息模型有效的调高了沟通的效率。利用BIM技术，将项目结构体系进行三维可视化，并将结构体系拆分模数化、体系化。

4.1 模拟拼装

根据结构施工图建立轴线布置和搭建杆件实体模型。导入AutoCAD中的单线布置，并进行相应的校核和检查，保证两套软件设计出来的构件数据理论上完全吻合，从而确保了构件定位和拼装精度。通过多次执行，最后消除一切详图误差。

4.2 深化节点设计

在深化设计时要考虑整体钢结构的建模准确度，完整性；重点在于因构件分段定位，要进行接口设计，焊缝收缩量量化补偿；图纸还要与现场焊接的配合，如坡口方向、连接板设计等。

4.3 碰撞检测

本项目装配率较高，并且使用较多的钢结构，设计人员无法对各类设计中的失误进行高效排查，容易导致施工过程中出现问题。利用BIM技术中的碰撞检测来开展结构碰撞检查，系统会一一罗列碰撞检测的相关信息，并及时调整。通过BIM建模碰撞检测，共发现了24处钢结构与外墙板、叠合板、线管等连接混乱的地方，项目技术人员及时对出现的各个区域问题进行了及时调整，从而实现了对于模型错误的预先了解，减少了实际施工中的返工损失，及时对其细部构造进行优化。明显的改善了设计质量，提高了工作效率，加快了现场安装进度，减少失误，节约了工程成本，通过实践BIM技术在装配式建筑施工具有诸多优势，例如：

（1）在BIM建筑信息模型中，由于整个过程都是可视化的，我们未来要建造的建筑物是什么样子的，有哪些不合理的地方通过沉浸式的漫游、可视化提前发现问题。所以，可视化的效果不仅可以用作效果图的展示及报表的生成，更重要的是项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。模拟三维的立体事物可使项目在设计、建造、运营等整个建设过程可视化，方便进行更好的沟通，讨论与决策。（2）BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据，提供出来，将问题提前解决。（3）各专业协同工作，提高了设计质量及效率，能够高效的完成设计深化，并通过模型输出图纸。（4）进场构件的信息与模型一一对应，通过模型，作业人员能够迅速确定构件的安装位置及方向，提高了现场安装效率，节省了人工，避免了装错、装反问题的发生。

因此BIM技术在装配式建筑领域具有较强的经济效益。

5 质量控制措施

（1）认真研究设计图纸，对构件进行拆分，尤其是梁和柱节点处、预留孔洞部位、空调悬挑板等部位做好深化设计，确保预制构件一次安装到位。（2）细化施工方案，严格按方案施工，加强过程监督管控。（3）加强测量后管理工作，尤其是钢结构安装、外挂墙板施工时，勤测量，严控钢结构变形。（4）叠合板施工中，严格按规范图集要求，跨度≥3.3米的PK板增加竖向支撑（板下跨中处）带；PK板端部支撑于钢梁的长度不得少于40mm。（5）严把墙板接缝密封胶质量关，应选用耐久性质量好的密封胶。接缝密封胶施工时应从顶层自上而下进行，以防雨天时积水影响胶的性能。

6 结论

在本工程中，通过BIM技术得应用，深化设计和构件拆分，尤其是对外墙板与钢结构梁柱的连接进行了深化设计，确保了工程一次安装就位，加快工程进度，节约了成本。该工程获山东省装配式建筑示范工程。

参考文献：

[1] 彭军. 装配式钢结构住宅关键技术研究与工程实践[D].合肥工业大学，2017.

[2] 毛家喜.装配式斜支撑节点钢框架抗连续倒塌能力评价[D].湖南大学，2015.

[3] 刘泽龙.装配式斜支撑节点钢框架弹塑性动力时程分析[D].湖南大学，2015.

[4] 刘鹏.基于BIM技术的装配式建筑施工组织设计[D].聊城大学，2017.

[5] 杜康. BIM技术在装配式建筑虚拟施工中的应用研究[D].聊城大学，2017.

[6] 戴文莹.基于BIM技术的装配式建筑研究[D].武汉大学，2017.

[7] 田东方. BIM技术在预制装配式住宅施工管理中的应用研究[D].湖北工业大学，2017.

[8] 赵捷.BIM技术在住宅产业化中的应用[D].河北工程大学，2017.

[9] 白庶，张艳坤，韩凤，张德海，李微.BIM技术在装配式建筑中的应用价值分析[J].建筑经济，2015，（11）：106～109.