预制装配式框架剪力墙结构在住宅产业化中的应用

陶红雨 戎呈航

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

随着住宅产业化转型的热潮，近年来应用装配式技术的项目数量快速增长.装配式混凝土(Prefabricated Concrete,PC)结构体系凭借技术成熟、耐久度好、结构刚度大、造价低廉等优势，在我国装配式建筑市场上占据了主导地位[1].

预制装配式框架剪力墙结构[2]是使用预制或半预制剪力墙构件经现场装配，与部分现浇构件形成的装配式混凝土结构体系，是PC结构体系的一种重要形式，具有质量稳定、安装效率高、结构性能好等优点，适用于高层住宅的建设，在住宅产业化中有良好应用前景.基于某一住宅项目的应用研究，包括对施工技术与质量控制措施的总结，对应用效果与存在问题的分析，不仅是预制装配式框架剪力墙结构推广与发展的重要途径，也能为住宅产业化发展提供经验与参考.

1 案例项目介绍

绍兴某产业化住宅楼采用预制装配式框架剪力墙结构，地上结构18层，地下部分3层，建筑总面积4 386 m2，建筑高度52.7 m，抗震设防烈度6级，设计使用年限100年.结构2层以下采用现浇钢筋混凝土工艺施工，3层以上为装配式剪力墙结构体系，整体预制率50%.使用的预制构件包括预制剪力墙、叠合楼板、空调板、预制楼梯等，而电梯井筒、框架柱、框架梁等关键部位仍采用现浇钢筋混凝土工艺，内墙为蒸压加气砌块砌筑墙体.项目施工使用的主要配套设施设备有预制构件生产线、脚手架、模板及支撑、预制构件安装辅助支撑、吊装设备、施工升降机等.

2 施工关键技术与质量控制措施

装配式框架剪力墙结构的质量由预制构件的质量与现场施工的质量决定，预制构件质量控制应贯穿于构件设计、制作、运输、存放、吊装的各阶段[3]；现场施工难点存在于预制构件的安装、构件的垂直运输、预制构件与现浇构件连接区处理、预制构件连接等方面[4].本文根据案例资料介绍装配式框架剪力墙结构的施工关键技术与质量控制措施.

2.1 预制构件的深化设计

预制构件深化设计是考虑建筑、结构、设备、装修等专业设计要求，结合构件生产和施工安装条件，对构件加工图纸与安装施工图纸的进一步设计[5].该项目采用实心剪力墙方案，外墙面采用合成树脂乳液砂壁状涂料.在设计方提供的拆分方案基础上，该项目着重对构件内部预埋件、预留孔道、结合面等部位进行了深化设计；通过多专业协商明确方案，解决构件内部孔道、预埋件、钢筋构件之间的碰撞矛盾，满足生产、安装以及结构质量对预制构件的要求.

图1 预制带门洞剪力墙深化设计

设计安置的预埋件主要有支撑固定螺栓预埋件、吊装固定预埋件、门窗洞口预埋木块、门窗洞加强件四类.支撑固定预埋件为两排平行对称设置的固定螺母，用于固定支撑基座螺栓，可减少打孔工作量，提高安装效率；吊装螺栓预埋件包含脱模吊钩预埋件与安装吊钩预埋吊钉，分别布置于墙体平面与墙体顶面，对应脱模起吊与安装吊装状态下的吊钩安装位置；预埋木块对称布置于门窗框内，起代替门窗副框的作用，用于门窗框的安装固定；门窗洞加强件为边角加强铁片，用于保护构件边角，控制变形.

设计安置的预留孔道主要有暖通水电预留孔道、外爬架连接件预留孔洞、模板穿墙螺栓预留孔道等，采用预埋PVC管的方法形成上述构件内部孔道.暖通水电预留管道的布置参考相关图纸，并与多专业技术人员协商确定，明确孔道位置与尺寸；外爬架连接件预留孔的尺寸由连接件规格确定，布置位置与数量由多专业人员协商确定；模板加固螺栓孔道是用以固定模板穿墙螺栓的孔洞，布置位置由现浇部位模板安装需求确定.布置形式如图1和图2所示.

图2 预制带窗洞剪力墙深化设计

2.2 预制构件的生产与管理

2.2.1 预制构件的生产

预制构件生产流程如图3所示.

2.2.2 预制构件的运输与保管

为避免构件在从生产线运输至安装现场的过程中受到破坏，预制构件搬运应遵循“轻拿轻放”的原则[6]，并采取合理保护措施.

预制构件在出厂前需采取保护措施，即在边角、吊具接触面等薄弱部位设置衬垫，避免发生碰撞，产生掉角、裂缝等质量问题.由于构件自重较大，构件装卸应平衡布置，以避免车辆倾覆；运输途中需限制构件之间的移动、碰撞.平板构件应平整放置，每层构件下需安置垫块，安置位置宜与脱模、吊装时的位置保持一致；每层垫块应上下对齐，最大叠放层数控制在6层以内.构件运输到场应及时安排验收工作，组织专业人员对构件进行检查验收，编制验收记录表.

预制构件堆场应选平整坚实地面，保证构件堆放平稳，防止构件变形、堆垛失稳倒塌.竖向构件需安置于插放架中(图4)，水平构件设置垫块后平整叠放(图5).预留吊点应朝向外侧.对于高度超过1 m的堆垛，应设防护以防止堆垛倒塌.预制构件进场后宜及时使用，堆放期超过构件有效期的构件不得使用.

图3 预制构件生产流程

图4 竖向构件现场安置

图5 水平构件现场安置

2.3 现场安装技术

2.3.1 预制剪力墙安装

预制墙体安装分安装准备、吊装就位、临时固定与微调、连接固定四步进行.

安装准备工作包括：依据施工图纸在楼面放线，提供安装位置控制；检查连接钢筋数量、位置、垂直度等情况，确认钢筋与构件套筒之间的配合度；对安装位置进行清理，清除现场杂物.

墙体吊装可利用分配梁或分配桁架等吊具进行操作，并需确保吊点合力作用线作用于构件重心，保证平稳起吊；构件到达预定位置附近时，可人工引导构件，对准连接钢筋与套筒，缓慢放置墙体至预定位置就位.

墙体就位后及时安装斜支撑，对墙身平整度、垂直度进行检查，利用调整支撑长度的方法进行垂直度微调，并对接缝进行密封处理.墙体安置完成后，可进行剪力墙底部钢筋套筒灌浆连接工序，完成永久固定连接(见图6).

2.3.2 现浇构件的施工

在预制构件装配施工中，穿插进行框架梁、框架柱、电梯井筒、卫生间楼板等现浇混凝土构件模板与钢筋的安装工作，便于后期一体化浇筑.

图6 预制剪力墙现场安装

需对现浇构件与预制构件间连接区的模板进行加固，使用穿墙螺栓安装模板加固件，加强模板与预制构件之间的连接，控制模板移动或变形，避免产生接缝.现浇构件内部钢筋与预制构件外露钢筋绑扎连接，搭接长度根据规范确定.

预制构件与模板、钢筋连接安装完成并通过验收后，浇筑混凝土即形成一体化结构.

2.3.3 叠合楼板安装

叠合楼板安装分准备工作、吊装就位、临时固定与微调、混凝土浇筑四步.

准备阶段需完成楼面与外墙顶面放线工作，以明确安装位置；根据控制线安装竖向临时支撑，并在竖向支撑上架设木梁，控制木梁间距在2 m以内.

楼板吊装一般使用吊索固定四角，通过塔吊运输至预定位置附近，人工引导轻放至支撑木梁上，通过特制撬杆进行微调就位.单向叠合楼板之间的水平拼缝应控制在5 mm以内，双向板之间水平拼缝的控制范围应根据两板钢筋最小搭接长度确定.楼板水平放线安装就位后，检测楼板水平情况，通过调节竖向支撑高度的方法来微调楼板垂直方向的位置，以完成楼板水平定位.楼板安置稳定后，安装楼板2层钢筋，并与梁、柱等构件的钢筋实现有效拉结，布置内部管线预埋件，待隐蔽工程验收完成后，浇筑混凝土形成一体化结构(见图7).

图7 叠合楼板临时支撑

2.4 钢筋套筒灌浆连接技术

预制构件的连接采用钢筋套筒灌浆连接技术，其性能可靠，施工方便，是一种常用于装配式结构安装的机械连接技术[7].钢筋套筒灌浆连接节点的性能主要受套筒接头、灌浆料与施工质量的影响，合格的连接节点性能应与现浇混凝土结构相近[8-9].

2.4.1 灌浆套筒与灌浆料的选择

灌浆套筒应满足《钢筋连接用灌浆套筒：JG/T398—2012》的规定，套筒长度与直径等参数应根据连接钢筋的直径设计，并根据试验测试结果确定规格.案例中使用的套筒为专业公司提供，规格满足规范要求.灌浆料宜用高性能灌浆材料，原则上灌浆料强度不应低于被连接构件混凝土强度等级，灌浆流动度需满足灌浆机操作的要求.

2.4.2 分仓与接缝封堵

在钢筋套筒灌浆前应合理设置分仓，分仓长度沿预制剪力墙长度方向不宜大于1.5 m；分仓接缝周围应进行封堵，封堵措施需满足结合面承载力设计要求.

2.4.3 灌浆操作

灌浆前应检查灌浆孔道是否畅通，若有堵塞应提前疏通.灌浆料通过机械灌浆的方法注入灌浆孔，一般由底部灌浆口注入，当灌浆从另一端溢出时，应及时用塞子封堵灌浆口.灌浆宜分区进行，应确保套筒内灌浆饱满，灌浆孔封堵严实.每批灌浆料都应制备灌浆料试块，便于后期进行强度检测.

灌浆过程应由技术人员全程指导，对灌浆压力、灌浆速度、持续时间、灌浆料用量、灌浆孔出浆情况等进行严格控制，确保灌浆连接的质量.

2.5 预制构件的吊装

预制构件吊装需考虑机械设备选型、位点布置、施工操作、技术管理等影响质量、进度和安全的因素[10].

吊装设备的选择应综合考虑预制构件尺寸、质量等参数及现场环境条件，从工作效率、使用成本、安全性角度出发，选择功能参数满足吊装需要的吊装设备.一般高层住宅项目宜选择塔吊为主要吊装设备.

预制混凝土构件质量一般在1吨以上，吊装过程中应采用吊具来控制构件吊装姿态，以保证构件重心稳定.常用吊具有吊索、分配梁、分配桁架等.一般平板构件适用吊索，需控制吊索水平夹角大于60°.尺寸较大或形状复杂的预制构件应使用分配梁、分配桁架等固定式吊具，它们可分散起吊过程中构件受到的外力荷载，保障吊装平稳与构件安全.

吊装现场应做好安全防护工作，主要包括提前检查与过程控制.吊装进行前应及时检查设备、吊具，确保工作状态正常，避免吊装过程中发生设备故障.吊装开始前需疏散吊装区域内的无关人员，降低坠物伤人的风险.吊装过程中需技术人员负责全程观察监督与联系调度，保障吊装工作安全进行.

3 应用情况分析

装配式框架剪力墙结构在本案例的应用基本达到预期效果，施工质量稳定，结构性能与现浇结构接近，并且取得了以下几方面突破.

3.1 施工效率明显提高

与传统现浇钢筋混凝土框剪结构住宅相比，使用预制构件后现场工作量明显减少，装配式主体结构保持平均6天/层的施工速度.现场人工需求量明显少于传统现浇结构施工，施工效率得到了明显提高.

3.2 施工能耗有效降低

使用预制构件代替现浇构件，降低了现场钢筋构件制作量与混凝土现场浇筑量，减少了现场钢筋加工与混凝土浇筑等高耗能作业工作量，减少了场内二次搬运工作量，有效降低了现场施工能耗.

3.3 现场废弃物与粉尘明显减少

现场施工中水泥搅拌、打磨、切割作业等易产生大量粉尘[11],使用预制构件代替现浇构件，减少了此类工作量，从源头上控制了粉尘的产生.伴随现场构件制作量的减少，施工产生的废弃物也随之减少，现场作业环境得到了有效改善，施工作业带来的环境污染得到了有效控制，施工绿色环保水平有了明显提高.

4 存在的问题

尽管该住宅项目在应用装配式技术后有效提高了施工效率与节能环保水平，但该结构体系在实际应用中依然存在一些问题，限制了技术优势的充分发挥.

4.1 成本有待降低

本项目采用装配式施工并未带来成本优势，综合成本反而有所增加.最明显的是构件成本的增加，目前预制构件价格依然高于同类现浇构件的制作成本，使用预制构件并无经济优势；其次是临时设施支出的增加，预制构件的运输、堆放对现场临时设施提出了更高的要求，现场临时道路、场地硬化的标准提高了，因此增加了相关支出；再次，更高性能的吊装设备与更多的吊装工作量使吊装设备费用相对增加.对于该体系的推广应用而言，成本依然有待降低.

4.2 工期优势未得到充分体现

本项目装配式主体结构施工阶段基本保持平均6天/层的施工速度，与传统现浇混凝土建筑相比，并未体现出明显的工期优势.虽然预制构件安装代替现浇工作可以缩减工期，但现场进度依然受其他因素影响.比如物料调度、生产线调整、工作面冲突，各环节之间的沟通、生产与安装之间的协调与配合等方面的不足，均限制了该体系工期优势的发挥.

4.3 现场管理需进一步加强

装配式施工对现场管理提出了更高的要求，但目前在项目的现场管理上依然存在不足，问题主要集中在预制构件方面.现场存在部分预制构件成品由于保管不当而发生缺角、裂缝或变形的问题，包括在现场安装过程中，也曾发现部分预制构件存在型号错误或质量未达标等问题，影响了后续工作的进行，解决此类问题的关键是进一步提高现场管理水平.

5 发展展望

从反馈出来的问题可发现，装配式框架剪力墙结构在住宅产业化应用过程中面临成本与管理方面的局限，这是该体系进一步改进与发展的重点.在成本控制方面，住宅标准化[12]与产业链的建设是目前的重点；在现场管理方面，新技术的应用是提升管理水平的关键.

5.1 产品的标准化与集成化

标准化是住宅产业化的前提和关键,产品的标准化是住宅标准化的核心[13].全过程的标准化设计是在产品策划、设计、施工、运营维护以及后期拆除等各环节中贯彻统一标准体系，从结构、户型、构件、装修等方面入手，提高产品标准化水平的一系列措施与做法.

产品全过程标准化设计是通过模数协调来实现整合资源[14]、精简部品品种和数量、提高模具利用效率、节省换模时间、提高模具周转使用率、方便构件管理以及降低构件成本的.

产品的集成设计是从技术与功能方面进行可变户型[15]、工业化装修[16]、预制构件功能集成[17]等的综合设计，可为产业化住宅带来更加明显的成本优势.

5.2 产业链的规模化与市场化

规模化是产业化发展的基础[18]，建立完整产业链需要扩大各环节的生产规模，尤其是预制构件的生产规模.相关政策的支持已为规模化发展提供了有利条件，下一步的重点将会是产业链的市场化.

市场化竞争与合作可促进产业链各环节分工协作的发展.通过分工细化、专业强化、资源配置自由化，推动各专业发展与行业标准体系的建设，提高生产线利用率，降低各环节成本，促进技术创新，降低预制构件综合成本.

5.3 信息化的敏捷生产体系

分散网络集成生产是敏捷生产体系的特点[19]，住宅产业化项目的生产活动相比传统项目更为分散，信息化支撑的敏捷生产体系可为产业化项目提供有力支持.

敏捷生产体系的基础是信息化管理平台.应用新技术搭建设计、管理、物流等关键信息的集成平台，为产业化项目提供高效率的信息支撑，是敏捷生产的重要保障.利用BIM技术整合各类信息[20]，使用RFID标识追踪管理单元构件[21]，同时建立可视化的线上平台共享有关数据，可打破各个生产环节之间的信息隔阂，强化参与者之间的协作，协调并行生产活动，降低管理难度，提高生产效率.

6 结束语

随着住宅产业化实践的推进，装配式框架剪力墙结构住宅已有较大发展.本文介绍的案例使用了预制构件装配与现浇框架构件结合的结构体系，发挥了装配式建筑高效率、低能耗、绿色环保的优点，在关键部位使用现浇构件，有效地保障了结构节点质量，具备良好的应用前景.

装配式框架剪力墙结构目前在住宅产业化项目中虽然已经发挥了一定的技术优势，达到了提高施工效率、降低施工能耗、减少废弃物与粉尘的效果，但其工程成本依然有待下降，在施工速度、现场管理等方面也存在较大的提升空间.随着产品的标准化与集成化设计的进一步落实，市场化产业链规模的逐渐扩大，以及新技术辅助下敏捷生产体系的逐渐推广，装配式混凝土框架剪力墙结构体系的优势应能得到更好地发挥，在住宅产业化进程中扮演重要角色.