装配式高层混凝土住宅设计质量管理策略①

王 玮, 张晓丹, 郭 玉, 方忠年

(1.江苏建筑职业技术学院建筑建造学院,江苏徐州221116;2.中国矿业大学工程咨询研究院(江苏)有限公司,江苏徐州221008)

0 引 言

与现浇混凝土建筑相比,装配式建筑具有节约资源、缩短工期、降低劳动强度、提升工程质量以及节能环保等新型工业化建造方式的优点[1][2]。为了推进装配式建筑产业化发展,装配式建筑设计需要采取集成设计方法,解决预制构件的拆分、生产和运输、施工安装、后期装修和维护等全产业链问题,对设计质量管理增加了技术创新、工作强度以及专业化协同等新要求[3]-[5]。

在装配式混凝土住宅工业化的发展中,我国关于装配式住宅设计阶段质量管理策略的研究已取得一定的成果,主要集中在采取预制装配式混凝土住宅设计-生产-施工一体化的集成技术创新措施来提高建造质量[4][6];以及施工图深化设计的质量管控,包括结构体系的选择、预制构件的工程做法、构造连接等具体技术措施[6][7]。在全过程管理中,采取专家评审阶段性设计成果和信息管理的手段优化管理流程,以提升设计质量[8]。适合装配式高层混凝土住宅建造技术特点的设计质量管理体系的研究仍欠缺,影响了装配式混凝土住宅的技术经济性和建造质量[9]。

以徐州地区某装配式高层混凝土住宅小区作为研究对象,从项目管理组角度,针对装配式高层混凝土住宅设计流程中各环节的质量控制目标和影响因素,建立基于并行工程的设计质量管理体系。然后,在工程实践中从结构选型、预制率拆解、建筑设计等质量管理点,开展预制装配式混凝土住宅设计质量管理策略研究。

1 并行工程的设计质量管理体系

并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术,要求产品开发人员从总体方案设计开始就考虑产品全生命周期内各阶段的所有因素,具有并行、集成、分布和渐进性特征[8][10][11]。

基于并行工程的装配式高层混凝土住宅设计质量管理,要求项目管理组整合业主需求,通过建立有效的信息交流机制,强化设计过程中各部门、不同专业间的协同工作,将后续生产、施工和使用环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现并解决,提高设计质量。

1.1 并行设计过程的构建

1.1.1 装配式住宅设计流程特征

装配式住宅设计过程分为规划及方案设计、预制装配式技术策划、初步设计、施工图设计和预制构件的深化设计五个阶段,具体如下:

(1)规划及方案设计。基于项目定位、建设规模、装配化目标、成本限额以及各种外部条件影响因素,初步制定合理的小区规划概念方案和户型方案,影响装配式技术方案和预制构件的标准化程度。

(2)预制装配式技术策划。通过确定住宅结构体系、装配式建筑单体选择、预制率估算、预制构件初步布置方案等,分析装配式技术的可行性和预制率的可能性,是预制装配式项目实施的关键环节。

(3)初步设计。选取预制构件并计算项目预制率,综合平、立、剖整体设计,在装配式技术专项评审中强调结构体系与项目预制率的可实施性。

(4)施工图设计。确定预制构件布置、拆分及统计,深化平立剖面、构件连接工艺,并开展建筑、结构、水、暖、电等专业的联合会审,解决施工图中各种矛盾,是项目的落地性控制阶段。

(5)预制构件的深化设计。主要工作包括预制构件的科学拆分、装配节点设计和构件加工设计等装配式结构设计。需要同预制构件生产厂商和施工总承包单位对预制构件详图深化进行审核,确保深化设计成果能够顺利实施。

1.1.2 各设计阶段间的关系及关键控制点

(1)预制装配式技术策划在小区规划概念方案的基础上开展,与规划方案设计同时进行,相互影响。设计师根据本地区预制装配式技术和产业链的综合实力,制定预制率拆解方案,理清概念户型方案与预制装配方案之间的关系,确定预制范围。通过对建筑方案和预制装配方案的相关指标调整,形成可推进的初步总体方案。

(2)初步设计是依据经批准的小区规划方案和预制装配式技术策划方案进行的总体方案及简明设计,对装配式住宅小区的建筑形态、结构性能、建筑节能、住宅功能以及建筑环境等问题进行初步定位。需要各专业协同配合,并尽可能将后期潜在的问题提前解决。

(3)施工图设计是以经审核批准的初步设计文件为依据进行的详细设计,包括装配式住宅的建筑、结构、水、暖、电等各专业的施工详图,解决装配式设计技术中的关键性问题,例如与现浇结构的节点连接方式等。

(4)深化设计是以审查合格的施工图为依据,综合考虑后续的构件生产工艺条件、构件堆放和运输、现场吊装和安装工法、住宅使用和维护等全过程因素,按照模数协调和生产工艺标准化的要求拆分预制构件。

(5)装配式住宅设计的各个阶段既相互独立又相互关联,不同专业之间的相互交圈影响贯穿于各个设计阶段。

1.1.3 过程的评价与重组

并行工程技术要求设计过程与评价过程的并行,及时对各阶段的设计成果进行全面评价,对各阶段各专业之间的冲突、设计目标不达标的设计成果重新优化调整。

装配式住宅设计的上阶段是下阶段的依据,同阶段各专业相互影响,前期的技术策划方案与总体规划方案相互影响。针对装配式住宅设计过程的具体情况,增加小区规划方案和预制装配式技术策划的指标校核、初步设计评审、施工图设计审查和深化设计审核,通过评审,结合专家意见,对每个阶段的不同专业设计成果优化调整,再评审,直至合格。

1.2 基于信息化管理的协同工作环境

基于并行工程的装配式住宅设计管理系统,强调从设计、构件制作到工程建设全过程的协同工作。为了保证工作顺利开展,提高设计效率,需要采取信息管理的方法,构建协同工作环境,包括设计单位内部协同以及与外部其它部门的协同工作环境[4]。

内部协同包括各设计阶段之间的协同和各专业之间的协同,外部协同包括设计团队与建设(代建)、监理、预制构件生产以及施工总承包等单位的协同。项目管理组在设计过程的信息化管理内容主要包括:不同阶段设计数据的管理和共享;装配式住宅模数化管理和组织,便于预制构件的产业化生产;围绕装配式住宅项目,建设单位(代建单位)、构件生产商、设计院、施工及监理等单位之间进行各种形式的信息交互;建立并逐步完善包括建筑、结构、水暖、电气设备等多专业的设计数据库,为后续预制构件生产、施工安装及室内装修等提供完整的设计信息。

1.3 设计质量管理流程

综合上述关于装配式住宅并行设计过程的要求与方法,建立基于并行工程的设计质量管理流程,见图1。图中数据库是集合设计各阶段的所有信息,并贯穿整个设计、预制构件的生产与运输、施工安装和使用维护全过程。专家库从设计初期组建,专家涵盖规划、建筑、结构、水电、设备等专业,由设计、监理、预制构件厂和总承包等多行业的高级专业技术人员组成,同时在各设计阶段组建相应专业的专家小组,对设计成果进行评审,专家评审贯穿于设计全过程。

图1 装配式住宅设计管理流程

2 实例应用

基于并行工程技术的装配式住宅设计应该从整体上确定管理指标,在符合本地区在相关政策的前提下,结合本区域装配式建筑产业链特点选择适合的装配式建筑结构体系;同时考虑预制构件的生产、施工和使用维护等全过程技术指标的可行性和合理性。故结合徐州某住宅小区的设计,采用并行工程技术针对装配式高层住宅的设计控制点进行质量管理应用研究。

2.1 项目概况

项目位于徐州市铜山区,包括19栋高层住宅、2栋2层商业住宅及4栋辅助用房,总建筑面积26.71万m 2,其中地上建筑面积23.34万m 2。高层住宅地上18层,地下1层,混凝土结构,二类高层,标准层层高2.90m,预制率不低于30%,装配率不低于50%。

2.2 结构选型与预制率拆解方案

2.2.1 结构体系选择

在设计时,根据建筑高度、抗震要求、材料用量以及使用功能等要求,选择合适的装配式结构体系。高层住宅地上18层,地下1层,抗震设防烈度为7度远震。依据相关规范、规程,应采用装配整体式框剪或剪力墙结构体系;同时,考虑室内框架柱影响户内使用功能,高层住宅采用装配整体式剪力墙结构体系。

装配整体式剪力墙结构对平面布置的影响较小、预制构件生产和施工工艺成熟,经济性较好。但在布置预制剪力墙时,要考虑室内装修时管线预留点位的合理性和户型调整的灵活性。

2.2.2 预制构件的选择

装配式混凝土结构的预制构件一般优先使用“三板”,即预制装配剪力墙板、叠合楼板和楼梯板,其它预制构件根据情况需要可考虑预制梁、阳台板、空调板和挑檐(女儿墙)等。依据项目特点、徐州地区预制产业链和总承包施工工法水平和相关规范规程,本项目预制拆解方案如下:

(1)剪力墙。由于全预制外墙成本较高、施工难度较大以及连接处易发生漏水的现象等一些缺点,且预制率最低为30%,对18层住宅容易实现,故剪力墙预制方案以预制内墙为主+部分预制外墙。为了南、北主立面外观的丰富性,故南、北外墙以现浇为主,仅在东西山墙和单元之间外墙采用预制装配形式。

根据预制构件工业化生产的要求,预制剪力墙应该具有一定的复制性,几何尺寸尽量符合标准化要求。依据专家组建议,将“十、Z、T”字形预制剪力墙改为“一”字形,“L”形剪力墙应归类,尽量减少规格。以该小区F03号楼标准层为例,剪力墙布置见图2。

图2 F03号楼标准层剪力墙布置图

(2)叠合楼板(含阳台)。除户间走道板和设备间跨度较小、预制不经济,以及屋面和卫生间防水要求高外,户内楼面板均采用预制钢筋桁架叠合板。

(3)预制楼梯。选择梁承式预制楼梯。

(4)其它。考虑在内、外剪力墙部分装配的情况下,预制率30%的目标容易实现;梁与叠合板、预制剪力墙节点现浇,形成结构平面交圈,能提高结构的整体性,也方便后期施工,故采用现浇梁。

最终预制率计算值,见表1。

表1 F03号楼预制率/%

2.3 预制装配影响下的建筑设计

2.3.1 总图规划分析

装配式住宅总图规划布局遵循“少规格、多组合”原则,在满足项目要求前提下,避免单体户型过多、平面形态和楼栋形态不规则、端头户与中间户面宽进深变化等问题。采用较少的标准化楼栋合理调整总图形态,减少整体预制装配方案的复杂性和后期设计及施工难度。

在规划方案阶段,根据设计任务书的要求,按五种面积档位设计标准户型,经评审优化,最终选取八种标准户型对每栋楼进行组合,见表2。

表2 住宅小区标准户型及楼栋户型组合

2.3.2 平面设计分析

装配式住宅单体平面设计,从成本和施工维度考虑户型面宽、进深、轮廓、剪力墙位置等要素。开间和进深采取模数化控制,体型系数尽量小,不出现较大转折、凹槽,平面轮廓尽量规则,有利于预制构件生产的工业化和安装的便利性。内部剪力墙和竖向管井布置应合理,预制剪力墙内墙面要提前预留设备点位,便于后期空间功能改造。以F03号楼的标准层平面图为例,建筑平面布置见图3。

图3 F03号楼标准层平面图

2.3.3 立面设计分析

装配式住宅的立面设计既要关注平面与空间关系、模数关系、构件位置与选择等因素,还要考虑层高的模数化、体型的平直和外立面材料与造型等因素[12]。

预制率拆解方案主要为以结构构件为主的方式,即以内墙+少量外剪力墙+叠合楼板+楼梯板等结构构件,仅东、西端山墙和单元间外墙采取装配式,南、北主立面采用现浇,立面较为自由。为增加立面的灵活性和多样性,外挂预制GRC成品线条,外墙饰面为真石漆喷涂。

2.4 预制构件深化设计

工程总承包单位负责组织施工图深化设计工作,综合考虑预制构件生产、施工吊装、临时支撑与固定、装配、连接节点以及预留预埋等因素,委托设计单位按照建筑结构特点,在预制率的约束下,将建筑结构拆分为独立的构件单元。尤其注重采用模数化和标准化的方法对预制构件拆分,提高构件的通用性和连接节点的标准化。

深化设计内容包括预制墙板、预制楼板、连接工艺、灌浆工艺、模板支撑体系、安全固定措施、临时支撑系统、现浇节点以及吊装辅助工具的选择及分析。预制构件深化图包含对预制构件生产进行编号,尤其需要注明楼栋号;管线、箱盒的位置标高,以及水电管口的预留方式均应在预制构件深化图中标明。以F03号楼标准层剪力墙为例,预制构件深化设计图见图4。

图4 F03号楼WYJQ1剪力墙东视面详图

3 结 语

针对装配式高层混凝土住宅的设计流程中各环节的质量控制目标和影响因素,建立了基于并行工程的设计质量管理体系。并以实际工程项目为载体,通过目标分解法对设计质量控制点进行分析,采取相应的管理对策,实现了设计、构件生产和施工一体化的装配式住宅建造质量管理目标。