某图书馆装配式预制构件及节点设计探析

谢智彬

（广东省建科建筑设计院有限公司 广州510500）

1 工程概况

某项目图书馆位于清远市燕湖新区，总建筑面积约53 816 m2，其中地上建筑面积40 770 m2，建筑高度31 m；地下1层，地上4层，局部5层。本项目为混凝土结构与钢结构组成的混合结构，其中地下室采用现浇混凝土结构，主体结构为装配整体式混凝土结构，右侧部分及屋面系统采用钢结构。该图书馆三维模型如图1所示。

图1 图书馆结构三维模型Fig.1 3D Model of Library

2 结构设计方案

装配式建筑的设计涉及各个专业，在设计的过程中应当严格遵守计算及规范要求进行设计，同时预制构件的设计应当遵循标准化、规模化、少规格、多组合的设计原则。

根据平面布置（见图2），建筑采用8.4 m×8.4 m 标准柱跨，各层标准化较高。本项目采用预制柱、叠合梁、全预制板及钢筋桁架楼层板等预制构件，考虑到防水要求和预制构件的重复利用率、经济性，各层的室外区域，如阳台、天井及卫生间等降板区域仍采用现浇混凝土结构；大悬挑区域、设备机房及转换结构区域由于受力形式及荷载较大，考虑到结构的安全性及施工可行性，采用现浇结构。

图2 图书馆2层平面布置Fig.2 Plan of First floor

为实现建筑立面，屋面效果，保温、防水、节能要求和满足装配率的要求，本项目屋面系统采用金属屋面系统，建筑立面均采用幕墙系统。

3 构件设计

3.1 预制柱

预制柱在设计中不仅需要满足结构受力的要求，更需要满足预制构件的生产，运输及吊装要求。预制柱的截面、高度种类越少，构件重复利用率就越高，生产及施工费用就越少，效率越高。本项目功能为图书馆，但层数不多，除个别大跨度位置外，各柱柱轴力并不大，柱截面均不大，因此在设计前期考虑柱截面为600 mm×600 mm，800 mm×800 mm 的柱均设计为预制柱，其余柱现浇。除此之外，当柱身有造型或有梯梁打断时，会增加预制模具数量，一般不考虑预制该类柱子。

但与施工单位的交流中发现，本项目层高较高（首层6 m，其余层5.4 m），首层的预制柱重量达8.3 t（800 mm×800 mm）和4.5 t（600 mm×600 mm），对现场的构件堆放及吊装产生影响。施工方指出若采用800 mm×800 mm和600 mm×600 mm两种预制柱截面，需要布置3 台“70 系列”汽车吊，增加大量造价及占用大量现场施工空间，因此经过设计优化，在满足装配率的前提下，只将600 mm×600 mm 的柱设计为预制柱，减少吊装重量，优化吊机位置，从而减少施工吊装费用。

在构件设计中，除了要满足《混凝土结构设计规范（2015版）：GB 50010—2010》和《建筑抗震设计规范（2016版）：GB 50011—2010》等结构规范外，还要满足各装配式规范中的相关要求，为保证混凝土浇筑密实，套筒之间的净距不应小于25 mm［1］，同时考虑到套筒连接区域柱截面刚度和承载力较大，柱的塑性铰会上移，因此套筒连接区域以上500 mm 也应柱箍筋加密［2］。考虑到梁柱节点内的钢筋较多，预制构件的钢筋很难调节定位，钢筋的避让问题突出，为了提高安装效率和施工质量，同时减少套筒灌浆数量，一般采用大直径钢筋，减少钢筋根数的方式。所以本项目600 mm×600 mm 的预制柱采用每边4 根直径φ22 的钢筋，并将受力纵筋钢筋放置在角部，当不满足纵筋最大净距时，可设置纵向辅助钢筋。

3.2 叠合梁

本项目使用功能为图书馆，荷载较大，采用单向布置双次梁的形式。采用该平面布置方式，会使一个方向的框架梁受力较大，另一个方向较小，设计时利用该特点，使2 个方向的梁高不一样（600 mm∕800 mm），虽然会增加梁柱节点模板数量，但能使2 个方向的叠合梁底筋相错开，有利于梁柱节点内的钢筋排布，避免钢筋位置冲突，便于施工安装。

根据文献［1］要求，框架叠合梁的现浇混凝土叠合层厚度不宜小于150 mm，次梁的现浇混凝土叠合层厚度不宜小于120 mm；当板的总厚度小于梁的现浇层厚度要求时，为增加梁的现浇层厚度，可采用凹口形截面预制梁，本项目抗震等级二级，框架梁应采用凹口梁形式。当采用凹口截面预制梁时，凹口深度不宜小于50 mm，凹口边厚度不宜小于60 mm［1］。

装配整体式的叠合梁构造要求与现浇混凝土结构一样。梁的钢筋配置需满足各规范的要求。考虑梁柱节点的复杂性，梁受力钢筋尽量采用较粗直径、宽间距的钢筋布置方式。同时根据地震作用的特点，框架梁底筋在满足抗震受力的前提下，不需全部伸入支座，减少梁柱节点区中的钢筋数量，有利于钢筋避让［2］。

《装配式混凝土建筑结构技术规程：广东省标准DBJ 15-07-2016》强制条文规定预制框架梁在梁端结合面应设置抗剪键槽。预制梁的抗剪键槽是指通过凹凸形状的混凝土传递剪力的抗剪机构，是保证接缝处抗剪承载力的关键技术措施。有试验表明，预制梁端采用键槽的方式时，其受剪承载力一般大于粗糙面，且易于控制加工质量及检验［3］。为加强预制梁与现浇混凝土叠合层之间结合面的混凝土粘结力，结合面处应设置粗糙面，粗糙面凹凸深度不应小于6 mm［3］。

3.3 全预制板

由于叠合板存在吊装易损坏，现场浇筑量大，生产质量难控制等原因［4］，本项目采用的是全预制板。根据国标图集《装配式混凝土结构连接节点构造：G310-1～2》中的梁支座板端连接构造要求，当现浇层厚度不小于80 mm时，预制底板可不出底筋［5］，根据这一点，本项目在梁支座板端连接处及板后浇带接缝处，预制底板厚40 mm，板端伸出面筋，底筋不伸出，采用附加底筋的连接形式，预制板中部板厚120 mm（见图3），从而降低预制构件运输尺寸，吊装时的难度，减少钢筋碰撞，提高安装效率。同时，传统出筋叠合板在安装时，需先将一侧板的伸出钢筋向上或下弯折70°～90°，然后安装另一侧叠合板，然后待梁钢筋绑扎完成后再将钢筋调直［6］。该种做法不仅施工麻烦，工序复杂，而且弯折钢筋容易导致损伤，影响受力，故此本项目中采取面筋搭接连接，底筋附加钢筋连接的形式有效的减少现场施工的麻烦，还更好地保证施工质量。全预制板相对于传统的叠合板形式，减少了现场的混凝土浇筑量，提高施工速率。

图3 预制梁板节点大样图Fig.3 Connection of Prefabricated Beam and Slab

预制板的拆分对现场能否顺利施工及造价控制至关重要，根据交通部《超限运输车辆行驶公路管理规定》［7］，运载货车宽度不应超过2.55 m，故此本项目的预制板宽度控制在1.8～2.2 m之间，同时本项目的预制构件厂家使用的模台规格是3.2 m×12 m［8］，满足设计要求。经综合考虑板块的重量、尺寸及受力形式，控制每块预制板的重量，减少对吊装的影响。本项目的全预制板尺寸一般为4.18 m×2.1 m，重量约为1.85 t。

3.4 钢筋桁架楼承板

在本项目中存在较多的悬挑、室外区域，若均采用传统的现浇混凝土楼板，必定导致水平构件的装配率不满足装配率的要求，因此根据文献［9］的4.0.5 条的规定，“预制装配式楼板包括金属楼承板和屋面板、木楼盖和屋盖及其他在施工现场免支模的楼盖和屋盖的水平投影面积”，采用钢筋桁架楼承板代替传统的木模，从而节省模板及支顶数量，提高施工效率和满足装配率的要求。本项目天花均有吊顶，所以钢筋桁架组合楼板底模为永久性钢板并不影响使用效果。钢筋桁架楼承板的设计分为2 个阶段：使用阶段及施工阶段。使用阶段的设计验算与现浇楼板相同，进行承载力等验算。施工阶段中，由于钢筋桁架楼承板为免模，免支撑，在混凝土凝结之前，所有的荷载，包括楼板自重，施工荷载都由钢筋桁架承受，故此需要做施工阶段的验算。本项目由于层高均大于5 m，需采用高支模，故此直接采用满堂脚手架的形式，钢筋桁架楼承板无需进行施工阶段验算。

3.5 装配式连接节点

装配整体式结构中，应重视构件间的连接计算，因为在工厂生产的预制件质量比现浇构件更容易保证，问题就在于构件间的连接是否有效与可靠。结构设计过程中，应按《混凝土结构设计规范（2015 版）：GB 50010—2010》和《建筑抗震设计规范（2016 版）：GB 50011—2010》验算节点核心区抗震性能，按文献［3］验算构件两端竖向接缝受弯承载力，受剪承载力等以确保连接区的受力性能。

本项目中有以下几种预制构件连接节点：①梁板节点；②梁柱节点；③主次梁节点；④钢筋桁架楼层板与梁节点；⑤全预制板拼缝。

梁板节点做法采用底筋不出筋，附加底筋的形式，如图3 所示，这样可以无需在吊装时弯起其中一侧板钢筋，简化施工吊装；梁柱节点正如上文所说到的采用现浇节点形式，该形式相对于采用套筒连接钢筋的延性连接方式［10］来说，钢筋的避让是重点。在进行BIM碰撞测试时，即使通过柱钢筋放置角部，两方向框架梁不等高，减少梁底筋进入支座的方式，还是出现钢筋无法避让的情况。因此，采取在构件预制时，将伸入节点的底筋进行水平偏折并采用弯锚的形式进行避让［11］，该方式在现场的施工中被证明是能有效避免钢筋碰撞及简化预制构件的安装，如图4所示。

图4 梁柱节点BIM碰撞Fig.4 BIM of Connection of Prefaricated Beam and Column

主次梁连接节点采用次梁梁端现浇，主梁梁侧套筒连接的形式如图5 所示。通过在主梁梁侧预留套筒，次梁梁端用连接钢筋连接的方式来简化施工，同时该方式将底筋连接位置设在受力较少的位置也符合结构受力的特点；钢筋桁架楼层板与梁的连接节点同现浇结构，不在此处展开说明；全预制板的拼接采用整体式拼缝，由于平面布置采用单向双次梁形式，本项目的所有板拼缝均留在板的非受力方向，有利于保证楼板的受力性能。

图5 主次梁连接节点Fig.5 Connection of Primary Beam and Secondary Beam

4 结论

对于公共建筑，建筑平面的相同率比住宅要低，因此在方案及设计初期更应协调业主、设计、施工、设备各方之间的关系，并应加强建筑、结构、设备、装修等各专业之间的配合，尽可能做到土建及内装一体化设计，从装配式的角度出发，提出预制构件设置部位及多套预制装配率组合方案并进行经济技术分析。

预制构件的设计与拆分，特别是连接节点的设计与钢筋避让，要充分考虑到构件的生产、运输和吊装等环节的影响，有利于项目的成本控制及提高施工效率。据施工现场反馈，本文所采用的优化形式能有效降低现场施工难度及保证施工质量。

本项目经装配式设计后，装配率根据文献［9］计算，达到62%。