装配式住宅预制构件的安装技术

杨恩泽

(中铁十六局集团城市建设发展有限公司，北京 100018)

1 装配式技术的背景及发展

1.1 装配式技术的背景

装配式住宅是指用工厂生产的预制构件在现场装配而成的建筑。在装配式技术发展中，我国出台了相关的政策，比如国务院办公室厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》。到现在，装配式技术已经逐渐成型并应用到一些重要工程，普通结构建筑对装配式预制结构的运用也更加广泛。可以说，装配式技术有着很好的前景，发展空间巨大。

1.2 装配式技术的发展

以前建造房屋需要大量的人力、物力、财力，并且还可能危及生命安全，随着现代工业技术的发展，现在已经逐步趋于机械化，可以更大量、更快速地生产制造，并且缩短工期。对于某些小部件的装配，只需要把根据计算得出的预应力结构运用到房屋体系，然后再按结构设计原理组合起来即可。20世纪初，世界各国就对装配式建筑技术进行过研究，使得此技术较快地在全世界范围内推广。早期的装配式建筑从外观上来看比较单调，甚至很多都是重复的。后来设计师们在原来的基础上对装配式建筑做了一定的改进，使装配式建筑不再单调，同时还让装配式建筑变得更加多样化，灵活化。而装配式住宅预制构件也是装配式建筑的一种，将装配式技术灵活运用到住宅，运用到人们的住当中来。装配式建筑所用原材料相对较少，对木材或钢材的需求量减少很多，符合绿色建筑的要求，这也是装配式建筑得以迅速发展的一大原因。而预制构件的安装技术发展过程中，对于互联网的应用尚且很少，而现在已经是大数据时代，大数据的出现使得很多行业的发展迅速扩大，在建筑行业的运用也很广泛，比如3D建模软件等。而将互联网运用到装配式预制构件的安装中来的话，也将是一项新的重大技术突破。

2 预制构件

2.1 预应力钢筋混凝土结构

现在建筑工艺中大部分使用的是钢筋混凝土构件，但是钢筋混凝土结构中的混凝土结构部分的抗压能力很强，而抗拉强度很低，一般是抗压强度的1/10，虽然在工程中钢筋混凝土的结构特性已经较好地避免了这种缺陷，以钢筋的抗拉性能来代替混凝土所承受的抗拉力。但同时混凝土的极限拉应变相对较小，很难满足大型工程的正常使用寿命，在传统工程建筑中只能通过减少设计荷载和设计弯矩值来避免混凝土达到极限拉应变，从而导致整体结构破坏，但是这种方案从结构使用上来看削弱了该建筑的正常使用功能。预制构件的出现主要是为解决钢筋混凝土中存在的需要带裂缝工作以及无法利用高强构件，无法有效利用钢筋的轻质高强的特性这两个问题。预制构件的作用也主要就是解决这两个问题，然后将装配式预制构件运用到居民住宅，即房屋建筑。

2.2 预制构件的定义

装配式预制构件，也就是装配式预应力混凝土构件。配置、应用到建筑中，对于房建的话就主要是房梁、天花板等主要受力构件，对这些构件采用装配式预应力钢筋混凝土结构进行设计，可以大大提升房屋整体的强度、刚度和稳定性。预制构件的本质就是预加应力大小的控制与预应力构件位置的选择，计算标准就是对比外荷载对构件的轴力、剪力和弯矩与预制构件产生的内力是否相互抵消。同时应遵循不影响结构本身性质、不增加新的内力、不改变结构本身的使用效果的要求。在此基础上若抵消的外荷载内力越多，则预制构件所发挥的作用越好，即构件获得的极限承载力更大。其中因为弯矩对构件(特别是跨梁)的影响更为显著，因此，以构件所受弯矩值为主要参数，验算其最大弯矩值与设计弯矩值的大小比较。值得说明的是，预应力是人为控制的一种抵抗力，通过人为的增设预应力来抵抗原有钢筋混凝土构件所受拉的应力，使得构件在承受静荷载或动荷载时出现裂缝的几率降低，延迟裂缝出现的时间或者有效减小裂缝的宽度，给现场人员更长的反应时间，从而减少安全事故的发生概率。

2.3 预制构件的分类和优缺点

2.3.1 预制构件的分类

我国对以钢材为配筋的配筋混凝土结构系列，按其预应力度分成全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土三种结构的分类方法。预应力度(λ)的定义就是由预加应力产生的。这三类预应力构件的区别就在于预应力度的不同，也就是抵抗外荷载的程度的不同，也可以认为三类安全等级的构件。

2.3.2 预制构件的优缺点

与钢筋混凝土结构相比，预制构件的优点是提高了构件的抗裂度和刚度，这是预制构件代替钢筋混凝土构件的主要原因。预制构件是对住宅某一部位进行验算过后才投入使用，并且其构件相比混凝土结构来说自重大大降低，还可以节省材料。另外，预制构件在结构两边增设的轴向力可以抵抗竖直方向上的荷载，比如房顶上堆积的货物，风荷载等。而缺点是工艺复杂、设计要求高、成本高。同时，预制构件由于是人为设置的构件，对于预应力的把控需要大量的试验检算才能得出满足要求的预应力，接着还需要精确地设计构件框架、作用位置，预制构件的安装过程也较为复杂，难以把控。

应当指出，预应力混凝土结构施工工艺比较复杂，对施工质量要求很高，同时，需要有专门的设备，比如张拉机具、孔道压浆设备等，先张预应力需要有张拉台座，因而需要配备技术比较熟练的专业团队等。综合来说，预应力结构比普通的钢筋混凝土结构的施工要求和施工难度都更大，成本也更高，但是预应力结构的使用性能会比钢混凝土结构的使用性能得到显著提升。此外，预应力还可以提高结构的耐疲劳性能，这对承受相对动荷载的房屋结构来说很有帮助。比如在不同地区就需要考虑不同的抗震要求，在四川地区，由于其地震较多，且发生5级以上地震的概率较大，因此，该地区的建筑建设资金投入也就加大，目的是防止特大地震对房屋的瞬时影响，同时还要考虑小地震对房屋建筑使用寿命的影响。相比之下的贵州地区地震发生的概率较小，但该地区的地势较为复杂，以喀斯特地貌为主要地形特点，该地区的房屋建筑主要考虑地基构件的影响，通过在地基中设置预制构件来减小这种影响。

3 预制构件的安装技术和设备

3.1 预加应力的主要安装技术

先张法，就是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法，先在张拉台座上按设计规定的拉力张拉预应力钢筋，并进行临时锚固，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到要求强度(一般不低于强度设计值的75%)后，放张(将临时锚具松开，缓慢放松张拉力)，让预应力钢筋回缩，通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结作用，将钢筋的回缩力传递给混凝土，使混凝土获得预压应力。这种在台座上张拉预应力筋后浇筑混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的混凝土构件就是先张法预制构件。先张法所用的预应力钢筋一般可用高强钢丝、钢绞线等。先张法不专设永久锚具，预应力钢筋借助与混凝土的粘结力以获得较好的自锚性能。先张法施工工序简单，预应力钢筋靠粘结力自锚，临时固定所用的锚具(一般称为工具式锚具或夹具)可用重复使用，大批量生产先预制构件比较经济，质量也比较稳定。目前，先张法在我国一般用于生产直线配筋的中小型构件。大型构件因需要配合锚具与剪力沿梁长度方向的分布而采用曲线配筋，使施工设备和工艺复杂化，且需要配备较大的张拉台座，导致此方法的运用需要严格的技术保障和高质量的设备要求，在实施安装起来时又增加了难度，因而很少采用先张法。

先张法对装配式预制构件的安装有一定的好处，比如增大了结构的强度，同时这种方法容易操作，对一些小规模建筑工程很实用，只是对于某些大型工程来说这种方法往往不被考虑。

3.2 预制构件安装技术创新路线

预应力钢筋混凝土结构的根本技术要求是预加应力的计算把控，根本目的是减小或防止结构构件的开裂或开裂程度。因此，在预制构件的思想基础上，可以增设静定多跨梁、减少构件跨度或者在构件支点处增加约束力等方法辅助预应力结构的作用效果，不过此类构件对于实际结构的防裂效果的作用还需要一定的研究才能得出结果。除此之外，对于住宅类型的装配式预制结构，更多的是考虑静荷载对构件的影响，需要计算出承载能力极限状态下的预制构件的结构应力，进行正常使用极限状态下的预制构件的裂缝和变形的验算。对于动荷载，主要考虑地震等情况的影响。预应力还可作为结构构件连接的手段，促进梁跨结构新体系与施工方法的发展，这也提醒了人们在未来房屋建筑有可能朝着新的理念去发展。预应力钢筋还能提高梁跨结构的抗疲劳程度，增强结构耐久性。也就是说，未来的房屋建筑将不仅仅局限于竖向修筑，而且可以往横向建筑发展，利用预制构件的良好连接性能，将桥梁工艺运用到房屋建筑中，这将是一种新型的房屋建筑工艺技术。

另外，随着互联网技术的发展，装配式预制构件的计算可以通过软件模拟，在构件的安装技术上可以利用大数据的数据分析功能折算出最佳的安装方案。在构件裂缝计算与验算时，通过自动化杆件压弯装置大致模拟出实际建筑中构件的裂缝最大宽度。还可以利用电脑软件对预制构件的进行预安装，也就是先按比例缩小对构件的预应力值进行试验，记录一次数据，再进行下一次试验，多次试验得出最佳预应力值，然后再设计满足该值要求的预制构件，这样不仅大大降低了安装成本，加快了建筑工期，而且可以直接在电脑模拟时就能找出预制构件安装过程中可能出现的问题，节省了安装时间和成本。因此，对于装配式预制构件的安装技术，不仅仅是局限于预制构件本身所能满足或提供的承载力，在条件允许的情况下，而且可以适当降低对预制构件所达到的效果，而在装配式预制构件的安装过程的简便化，在数据化上下功夫。这对装配式预制构件未来的持续发展有很重要的作用。在现在的任何时代都离不开互联网，如果装配式技术和预制构件技术可以与互联网技术得以结合，使房屋建筑构件的安装变得智能化，数据信息化的构件安装也能更快、更方便地发现问题与改进。目前很多房屋建筑已经开始运用BIM等软件进行模型处理，而预制构件属于细节工程，需要大量的实验，才能满足整体要求，有效利用互联网技术是很可行的。

4 结 论

预制构件的安装技术要求相比于钢筋混凝土结构来说难度要大得多，特别是预拉应力和预压应力的控制，同时，预制构件的安装过程有较高的设备要求，比如对锚具的选择；还要有过硬的专业安装团队和经验丰富的技术人员才能完成预应力构件的安装过程。在当今这个大数据时代，更是需要将建筑技术与互联网技术相融合，使装配式预制构件的安装技术数据化。总之，对于装配式预制构件的安装，还有很大的研究空间。

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