预制装配式窗台设计制作与安装关键技术

赖伟山，李卓基，钟志锋，何颖欣

（广州建筑股份有限公司 广州 510030）

0 引言

作为住宅产业化的重要载体，装配式住宅迎来前所未有的发展机遇［1］。住宅产业化的大力发展，衍生出了多种类的预制产品，如叠合板、叠合梁、预制楼梯等，大大提高窗台整体质量和施工效率。其中预制窗台的出现，全面提高了构件质量，解决了现浇窗台蜂窝麻面等质量通病问题，减少了外立面渗漏水风险。特别是对于造型复杂的窗台，采用工厂化和模块化生产，在提升产品质量与规格标准的同时，极大减轻现场作业难度和资源浪费，节省大量人工和材料，实现建筑安全性、功能性等全方位转型升级。预制外墙板吊装施工是装配式结构里面精度要求较高的一项施工技术［2］，在设计和施工方法上都存在一定的空白［3］，因此需对此设计方法、施工关键技术进行深入研究。

1 预制窗台概述

某工程总建筑面积60万m2，塔楼58栋，采用装配式结构，装配率52.5%。预制构件包括叠合板、预制楼梯、预制窗台，其中预制窗台BIM模型示意图如图1⒜所示。预制联排窗台长4.2 m，高2.98 m，宽0.6 m，竖向框架厚0.2 m，水平框架厚0.1 m，重量达5.23 t，大样如图1⒝所示。

图1 预制窗台示意图及大样Fig.1 Schematic Diagram and Sample of Prefabricated Window Sill

2 构件设计

2.1 图纸设计

设计院提供的装配式窗台施工图应满足建筑结构功能、构件生产阶段和施工安装阶段基本功能，应具备规范规定的强度、刚度和耐久性。设计时要考虑到构件生产、运输和吊装条件等因素的影响［4］。

2.2 装配率计算

根据《装配式建筑评价标准：广东省标准DBJ/T 15-163—2019》［5］装配式建筑评分表，预制装配式窗台可参与装配率计算，适用Q5项Q51b小项预制外墙板项，计算满足：Q51b=Vw/（V+Vw）×100%，其中柱、支撑、承重墙、延性墙板等主体结构竖向构件混凝土总体积V，单体建筑内该预制窗台混凝土总体积Vw。

2.3 BIM深化设计

建筑信息模型（BIM）作为一种可视化建模工具，其特点及应用流程与装配式建筑的标准化施工高度契合［6］。前期策划和深化设计对施工质量具有重要影响［7］，根据设计图纸要求，利用BIM技术对预制窗台构件进行深化，预制窗台BIM模型如图2所示。

图2 预制窗台BIM模型Fig.2 BIM Model of Prefabricated Window Sill

首先对钢筋进行放样建模，排布主次受力筋、拉筋等空间位置，优化钢筋碰撞；其次对预留水电套管例如空调套管进行逐一核对，出具优化意见反馈设计院进行调整；然后核对起吊点和临时支撑预埋件、铝模板预留套筒、栏杆防雷接地钢筋等；最后宜考虑窗框和栏杆等构造预埋或预留企口以减少窗框渗水问题；如建筑外立面装饰层采用真石漆等涂料喷涂工艺，则应深化窗台外缘滴水线。

在预制构件与现浇铝合金模板墙柱搭接位置通长的企口，使预制构件安装能快速精准定位，使其与铝合金模板契合度大大提高［8］。若采用铝模板封模，宜在预制窗台内框与铝模板连接处预留4～6 mm深度的压槽，起到减少、消除预制构件与铝模板加工误差差值的作用，避免浇筑混凝土后，铝模板无法正常拆除问题，预制窗台剖面如图3所示。

图3 预制窗台构造剖面Fig.3 Structural Profile of Prefabricated Window Sill（mm）

3 计算方法

3.1 计算工况

预制窗台计算主要根据《装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1—2014》［9］第10章外挂墙板设计第10.2节要求，结合最新可靠度标准的荷载系数，确定表1计算工况，表1中各参数物理意义与计算方法如文献［9］所示。

表1 计算工况Tab.1 Working Condition of Calculation

3.2 有限元模型

采用ABAQUS大型有限元软件建立上述预制飘窗的有限元模型。模型主要分为边界刚体、外挂窗台混凝土部分和连接钢筋3个部分，均采用实体单元C3D8R单元建立，混凝土材料采用塑性损伤本构建立，钢筋材料采用理想弹塑性模型建立，边界刚体起嵌固外挂飘窗的作用［10］。在外力作用下发生的变形很小，所以采用较大网格尺寸200划分，外挂飘窗混凝土部分采用网格尺寸80划分，钢筋径向采用网格尺寸3.14划分，长度方向采用网格尺寸100划分，边界刚体背面完全固接，外挂飘窗混凝土部分与边界刚体之间采用光滑摩擦的硬接触hard contact模拟，钢筋采用EMBEDDED约束，与外挂飘窗混凝土部分和边界刚体嵌固，模拟钢筋与混凝土咬合作用。荷载加载点设于外挂飘窗重心［10］，并将外墙板外立面自由度耦合至重心。预制窗台有限元模型如图4所示。

图4 预制窗台有限元模型Fig.4 Finite Element Model of Prefabricated Window Sill

3.3 计算结果

预制窗台在重力荷载、风荷载和地震荷载作用下发生刚体运动，自身相对变形较小（重力荷载作用下外飘窗最大变形位置发生在飘窗板），主要变形发生在连接边界刚体与外挂飘窗的钢筋上，所有连接钢筋均受拉，如钢筋受拉应力小于钢筋抗拉强度设计值即可满足要求，受拉钢筋应满足抗震锚固要求。另外，还应分析只有两边竖向钢筋和只有两排水平钢筋的情况。

4 施工关键技术

4.1 构件制作

装配式建筑预制构件采用数字化生产线生产，可大幅提升构件生产的工业化、数字化水平和生产效率［11］。本项目装配式构件生产满足“标准化设计、数字化制造、装配化施工、信息化管理、智能化应用”要求，集成“数控智能钢筋网片机、数控智能钢筋桁架焊接机、数控智能钢筋弯箍机”3台大钢筋设备以及环保搅拌站，保证构件生产质量可控。

4.1.1 标准制作流程

预制构件标准制作流程共包括钢模检查、浇筑前检查、试件脱模强度试验及入库前检查等四大项，并由监理专业工程师驻场督建，业主不定期到厂内针对浇筑前检查实施抽检。其中预制窗台构件生产具体施工流程包括：清理及安装模具、钢筋笼入模、预埋件安装、浇筑混凝土、拆模、脱模处理、清洁整理、成品检查及入库，预制窗台标准制作流程如图5所示。

图5 预制窗台标准制作流程Fig.5 Standard Production Process of Prefabricated Window Sill

4.1.2 质量控制

预制构件的施工质量关键在于模具的精度［12］。窗台构件外观要求高，模具尺寸的允许偏差和检验方法应符合表2要求，并在模板拼缝处采用橡胶止水条做好密封处理，以免漏浆影响外观。构件采用自然养护为主，如冬期施工混凝土强度无法满足，则采用养护窑蒸汽养护或使用早强混凝土以满足构件生产需求。同条件养护时间抗压强度应满足设计要求，预制构件达到混凝土抗压强度设计值的75%，且不应小于15 MPa，方可拆模起吊，拆模前构件经过足够的降温过程，起吊前确保构件与模板完全脱开。预制飘窗与现浇搭接部分为粗糙面，粗糙面的面积不宜小于结合面的80%，凹凸深度不应小于6 mm。拉筋直径为φ6@600 mm×600 mm的间距布置。栏杆预埋件应设置φ6的防雷接地钢筋，接地钢筋应与现浇构造柱或剪力墙纵向钢筋可靠连接。

表2 模具尺寸的允许偏差和检验方法Tab.2 Allowable Deviation of Mold Size and Inspection Method

4.1.3 注意事项

预制窗台生产应注意以下3点：

⑴窗框边、开口处、装片转折处按图纸设置补强钢筋，避免在吊装及储运时出现断裂裂缝。

⑵转角处浇筑混凝土时须充分振捣，避免出现烂根、蜂窝麻面现象。

⑶窗台预埋铁件较多，构件脱模时须确认固定螺丝全部拆除才起模，避免造成构件损坏；构件脱模时须平衡杆使构件受力均衡避免出现裂缝。

4.2 构件运输

预制窗台采用专用运输架插放的形式进行运输，不得现场翻模，宜对称靠放、内衬层朝内、饰面朝外，并保证立面与地面倾斜角度不小于80°。运输时应考虑道路限重、限高、限宽等。一般窗台构件数量为6件，重量不超过30 t为宜，预制窗台运输示意图如图6所示。

图6 预制窗台运输Fig.6 Transport of Prefabricated Window Sill

装第一件窗台时用钢丝绳把窗台与架子固定，装第二件时吊车应轻起轻落，避免窗台构件从挂车掉落。装车时应两面对装，保证挂车的平衡性，确保安全。装车后挂车司机应用钢丝绳把窗台与车体连结牢固。钢丝绳与构件接触面应垫上护角工具，如胶片、木方等，避免构件磨损。构件装车前后还应注意以下几点：

⑴构件养达到75%强度后，经验收合格后可出厂。出厂前外墙立面粘贴塑料薄膜。

⑵预制窗台构件采用竖直堆放运输的方式运送至现场，运输工具为30 t平板运输车加专用运输架，运输过程中不允许平放，避免二次吊装过程中，产生边角破坏情况。

⑶构件装车后保证构件平稳，检查窗台与架子之间是否有缝隙，如有缝隙吊起重新装车。

4.3 构件进场验收程序及资料

⑴在预制构件进场使用前，建设单位（可委托监理单位或工程咨询服务单位）应组织项目施工、预制构件生产及安装等相关单位确定预制构件进场检查验收方案，并由施工单位编制，经监理单位审批后按方案实施。

⑵构件进场前验收重点检查以下资料：水泥进场物理性能检验报告及产品质量证明书、普通混凝土用砂用石检验报告、外加剂物理性能检验报告及产品质量证明文件、混凝土配合比设计报告、混凝土拌合物中水溶性氯离子含量检测报告、钢筋进场力学性能及产品质量证明文件、混凝土预制构件合格证、标准养护和同条件混凝土抗压强度检验报告、预制构件首件验收等相关资料。

⑶预制构件进场后，施工单位应逐批组织检查，查验出厂合格证明文件，检查预制构件外观质量，核对预制构件的相关信息是否与出厂合格证明文件相符，形成书面记录。

⑷首批预制构件进场使用前，建设单位应组织预制构件生产单位、设计单位、施工单位、监理（或工程咨询服务）单位等进行联合验收，验收结果作为施工过程管理资料。

⑸检查窗台套筒等预埋件是否有混凝土残留物，及时进行清理。钢筋有弯曲时及时用专用工具进行处理。

4.4 放线测量

楼板混凝土达到一定强度后，清理楼面并找平垫层，由专业测量员根据方案放线测量。各层轴线放样前，先对总包提供的平面控制点进行复核，确认无误后，用全站仪进行各平面轴线的放样。根据总包提供的各楼层高程控制点，采用精密水准仪进行复核后，沿建筑物四周环向布置水平控制网点。

4.5 吊装前准备

⑴吊装前按装配式深化设计图编号及构件要求检查构件尺寸、表观质量、预留洞口、接线盒等；

⑵安装前检查预留吊装孔、钢丝绳、一字形吊装横梁、斜拉杆等质量，确定塔吊吊装路径，检查窗台基座和预埋件稳定性和强度，确保窗台吊装和安装安全。

⑶对现场管理人员和安装班组逐级进行方案交底和安全技术交底，检查吊装作业人员持证情况，保证人员持证上岗。

⑷起吊前核对窗台编号，并将运输车货架安全固定装置拆除，钢丝绳通过U型卡扣固定窗台。

4.6 构件吊装

⑴预制窗台构件重量大，为减少吊装过程造成构件损伤，应采用一字形吊装横梁，如图7所示。吊装横梁长度不应短于窗台水平长度，螺栓孔间距100 mm，上挂钢丝绳一端固定于塔吊吊钩，另一端与吊装横梁保持夹角不小于45°，下挂钢丝绳下端连接窗台预留孔，通过调节一字形吊装横梁螺栓孔位置保持钢丝绳垂直，以消除水平附加应力。另外在两跨内系2根5 t承载力的帆布绳，该帆布绳不参与受力，仅用作第2道防线，提高整体吊装安全性和可靠度。

图7 预制窗台现场吊装Fig.7 Hoisting of Prefabricated Window Sill

⑵吊装时钢丝绳与构件夹角不小于45°，如图8所示。钢丝绳实际受力最大为5.23/sin45°/2=4.5 t。钢丝绳选择绳径28.0 mm，丝径1.3 mm，钢丝破断拉力为46.08 t，钢丝绳安全载重力=46.08/4=11.52＞4.5。预制构件的吊点在构件生产时按照深化设计图纸中的位置进行预埋设置。吊环承载力以及锚固长度按《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［13］计算。

图8 受力示意图Fig.8 Force Analysis of Prefabricated Window Sill

⑶窗台吊装应慢起、快升、缓放，起吊高度约0.5 m位置，应及时检查和调整横梁和钢丝绳位置和工作状况，保证受力点均匀。

4.7 就位校正及临时支撑安装

⑴第N层主体结构施工完毕后，凿除窗台接触面浮浆，利用高强防水砂浆和铁垫片进行基座调平，弹线控制预制窗台标高和位置，保证基座平整度控制在±3 mm，利用2 m靠尺和塞尺检查，砂浆自然养护时间不少于12 h。预制窗台支撑体系现场如图9所示。

图9 预制窗台支撑体系现场Fig.9 Supporting System of Prefabricated Window Sill

⑵第N+1层窗台整体就位后进行人工纠偏，窗台上翼板安装φ48×3.0可调斜拉杆与N层楼板预留连接件连接，窗台底部利用一字型槽钢或预埋角钢进行精调和固定，调节斜拉杆螺丝，修正窗台垂直度，利用激光水平仪复测。预制飘窗斜撑大样如图10所示。

图10 预制飘窗斜撑大样Fig.10 Bracing of Prefabricated Window Sill

⑶待第N+1层主体结构施工完毕后，再进行N层的弹性密封材料和耐候密封胶施工，PE棒和密封胶均应沿预制飘窗底部外轮廓布置1圈。

4.8 钢筋绑扎及铝模安装

⑴第N层预制窗台临时固定后，开始绑扎窗台后侧和两侧钢筋。窗台竖向隔板预留锚筋锚入主体结构剪力墙暗柱或全现浇外围护墙分布筋，水平隔板预留锚筋分别锚入第N层反梁和第N+1层主梁内，如图11⒜所示。

⑵按图纸绑扎钢筋，由监理单位组织隐蔽验收后进行铝模安装。预制窗台已预留螺栓孔，通过窗墙螺杆和背楞安装加固K板、铝模侧模和吊模，再利用小斜撑进行下一步加固。铝模垂直度和平整度允许偏差分别控制在±3 mm、±2 mm。同步进行墙柱、梁模、叠合板的铝模安装，采用可调式独立钢支撑加固，如图11⒝所示。

图11 预制窗台钢筋安装及铝模板施工Fig.11 Reinforced Installation of Prefabricated Window Sill and Aluminum Mold in Construction of the Installation

⑶铝模安装前，必须涂刷水性脱模剂；引测楼层主要控制轴线及标高点，复核细部定位线；安装钢筋绑扎和机电预埋件，并通过验收。

⑷在浇筑混凝土前对铝模系统复验，重点检查支撑、拼缝、拉杆、插销等部位，确保铝模系统处于安全状态，减少漏浆、涨模等通病发生

4.9 节点浇筑与养护

⑴混凝土浇筑宜采用泵送，但应避免混凝土输送泵产生的水平荷载对铝模体系的冲击，保证铝模板体系的稳定［14］，遵循“同一区域的混凝土应由远及近，先竖向结构后水平结构，先外墙后内墙，分层连续浇筑”的原则。

⑵混凝土浇筑优先采用下层支撑布料机，建议在电梯走廊处现浇部位的楼板预留1 m×1 m洞口，布料机塔身下挂下层楼板固定，能有效减少或者避免混凝土输送泵产生的水平荷载，保证铝模板体系的稳定。

⑶预制窗台现浇部位空间较狭窄，是浇筑质量控制的关键。为防止混凝土中气泡不便排出，避免混凝土表面出现麻面，要在混凝土配合比上面进行优化，减少气泡的产生，混凝土在浇筑时加强作业的混凝土浇筑工人监督，避免出现漏振、振捣时间过短导致气泡未排尽的情况产生，不得直接振捣钢筋、拉片、模板［14］。

⑷混凝土梁高较高时，合理安排混凝土的浇筑顺序，四周对称浇筑，并应控制浇筑速度。其施工应采用分层浇筑混凝土的方法，分层浇筑应在前一层混凝土初凝前，进行二次浇筑，应从外往内进行浇筑。特别是窗口四周进行浇筑时，两侧浇筑高度应均匀对称，振捣棒距洞边≥30 cm，从两侧同时振捣［14］，以防止洞口变形；在钢筋密集处或墙体交叉节点处，要加强振捣，保证密实。

4.10 支撑体系拆除

⑴拆除飘窗铝模时，必须用手扶住，防止掉落；拆底板销钉时，不得将销钉一次性拆除，防止底板掉落伤人；拆除过程选择合适的工具，杜绝硬砸猛撬。

⑵飘窗、空调板等部位的盖板、内侧模板及阴角模应趁早拆除，清理并拼接好放在原位。

4.11 安装验收资料

预制构件安装全过程，应形成以下验收资料：灌浆料性能检验报告、座浆料性能检验报告、钢筋套筒连接接头检验报告（工艺性检测及平行检测）、灌浆试块抗压强度检验报告、座浆料试块抗压强度检验报告、预制构件安装施工记录表、预制混凝土构件安装隐蔽记录、套筒灌浆记录表、流动性记录、座浆记录、首个标准层验收、装配式结构预制构件检验批质量验收记录、装配式结构施工检验批质量验收记录等相关资料。

5 结语

预制窗台满足标准化设计和工业化生产的要求，将会成为住宅的主流形式。本文从预制窗台的BIM深化设计方法、有限元计算方法以及构件制作、运输、安装、验收程序和资料等施工关键技术的全周期进行了阐述和探索，为后续项目的预制窗台的设计和施工技术提供参考意见。具体得出以下结论：

⑴采用BIM技术优化预制窗台尺寸、企口拉缝、钢筋碰撞等，可减少安装过程中施工偏差，达到整体性要求，提高安装质量。

⑵利用有限元软件分析预制窗台受力体系和施工工况，真实模拟预制构件在生产、运输、安装以及永久使用状态的受力状态，可减少或消除常见的裂缝和变形风险。

⑶阐述总结施工总体流程和施工工艺，可指导后续施工和验收工作。