装配式建筑技术在绿色建造中的综合应用*

王江营，陈 浩，刘国庆，阳 凡，曹文贵

(1.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410004；3.湖南省第六工程有限公司，湖南 长沙 410015；4.新疆天一建工投资集团有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

2015年以来，国务院、住房和城乡建设部、科技部等部委先后出台了《促进绿色建材生产和应用行动方案》《“十三五”节能减排综合工作方案》《关于在民用建筑工程中推进建筑师负责制的指导意见(征求意见稿)》《关于加快推进绿色建材产品认证及生产应用的通知》《绿色建造技术导则(试行)》等一系列政策文件，旨在贯彻落实绿色发展理念，推进绿色建造，提升建筑品质，推动建筑业高质量发展，节约资源，保护环境，满足人民日益增长的美好生活需求。

肖绪文等[1-3]认为，建筑垃圾减量化是推进绿色建造的重要工作，需针对包括工程立项策划、设计和施工阶段在内的建筑产品生产全过程采取针对性的减量化措施，其关键在于技术创新和管理水平提升；而绿色建造要求所有建造参与者积极承担社会责任，着眼于工程全生命周期，坚持以人为本，实现资源节约、环境友好、过程安全、品质保证的建造目标。黄宁[4]分析了欧美发达国家在绿色建造领域政策法规、标准规范、组织方式、技术体系、产业链、人才培养等方面的成功经验。巩利军[5]指出绿色建筑技术的一些应用方式，并分析其在建筑工程中的发展。姚良云等[6]认为BIM技术是绿色建造项目的重难点之一，并结合具体工程分析其应用措施。何昌杰等[7]结合长沙冰雪世界项目实施过程中的各种技术难题，介绍了相应的绿色建造技术。樊则森[8]认为，建筑业要逐步向制造业看齐，采用工业化的模式促进绿色建造迈上新的台阶。孙文[9]认为，当前部分企业或项目缺少绿色建造理念，缺失相应的管理制度，应不断改善现场管理、提升绿色建造水平。

综上所述，在“碳达峰、碳中和”的大背景下，绿色建造将是我国建筑业当下和未来的发展重点。众所周知，装配式建筑技术具有节约资源、绿色环保、性能优异、质量可靠、施工效率高等优点，可作为助力绿色建造项目顺利实施的重要支撑。

1 项目概况

湖南创意设计总部大厦项目(以下简称“创意大厦”)坐落于国家级文化产业园——马栏山(长沙)视频文创产业园，总建筑面积10.29万m2，其中地上7.09万m2，地下3.20万m2，工程造价约5亿元。本项目采用自主策划、设计、施工、绿色交付、自主运维，通过综合应用装配式建筑技术、绿色施工技术、BIM技术、建筑师负责制、智能运维技术，实现了建造活动绿色化、建造方式工业化、建造手段信息化、建造管理集约化、建造过程产业化。鉴于篇幅，本文仅针对装配式建筑技术进行阐述。

创意大厦共有A，B，C 3栋主楼，A栋建筑功能为酒店，B，C栋为写字楼。A栋为混凝土装配式建筑，高59.55m，绿色建筑二星级，装配率79%，是湖南省目前装配率最高的混凝土高层建筑；B栋为钢-混结构装配式(混凝土核心筒+钢框架)建筑，高99.15m，绿色建筑二星级，装配率76%；C栋为钢结构装配式(中心支撑结构体系+钢框架)建筑，高94.80m，绿色建筑三星级，装配率84%；建筑间连廊采用胶合木结构体系。除在结构工程中运用混凝土、钢结构、木结构等装配式技术，本项目在机电工程和装饰工程中也采用了装配式技术。

2 结构工程装配式技术

2.1 混凝土结构装配式技术

创意大厦采用的常规装配式部品部件有叠合梁、叠合板、预制柱、预制楼梯、ALC条板等，除此之外，自主研发了共轴承插型预制一体化卫生间、层叠式预制混凝土电梯井(设备管道井)、预制混凝土设备基础、预制混凝土地面板等新型模块化装配式部品部件，并在创意大厦中成功应用。

共轴承插型预制一体化卫生间[10]在工厂制作成型(见图1)，可实现“结构、管线、装饰、保温”四位一体，具有三重防水系统和两重排水系统，现场施工时采用“共轴”和“承插”技术，不仅质量可靠、施工效率高，还可做到面积全利用、空间零浪费，有效解决传统施工方法存在的缺棱掉角、漏浆空洞、渗水积臭、建筑垃圾多等问题。

图1 施工完成后的一体化卫生间

层叠式预制混凝土电梯井和设备管道井[11]基本原理较相似，二者根据不同的建筑需求，可设计成相应的结构形式；在侧壁中合理设置聚苯板，以达到减重、隔声的效果。其中，层叠式预制电梯井用于框架结构中非承重电梯井道，即利用预制构件替代传统砖砌井道，不参与结构整体受力，其落在楼面框架梁上，由楼面框架梁承受预制电梯井所产生的荷载。因预制构件刚度比砖砌体刚度大，为减小其对主体结构刚度的影响，电梯井、设备管道井与其底部楼板、顶部梁间采用全干式柔性连接，无套筒灌浆，不传递水平地震力，对结构整体刚度影响较小。该技术可取代现场电梯井和设备管道井砌体工程，减少人工、节省工序、降低安全风险，有效解决传统施工中质量难控制、湿作业多、施工工效低、操作空间小等问题。

设备基础传统做法采用现场支模、现浇混凝土制作而成，通常存在精细度不够、外观质量不理想、美观度差等问题。创意大厦采用预制混凝土设备基础技术，在设备基础周边设计一定规格的标准模块，在工厂采用钢模预制，现场只需对预制混凝土标准模块进行干式拼装、连接固定，再浇筑设备基础中心部位混凝土，从而形成完整的设备基础(见图2)。其中，标准模块分为L形和一字形，L形模块位于设备基础四角，一字形模块位于基础四边中部，各标准模块间通过企口和螺栓进行水平连接。该技术无需装模，自带线条，可大幅度减少木工、泥工、粉刷等工作。

图2 施工完成的混凝土设备基础

预制混凝土地面板可根据建筑外观设计成与之相匹配的造型、花色，基本流程为：分析建筑效果图→引用立面材质与符号→提取建筑元素→模拟立体几何+观影效果→确定像素→预制混凝土地面板。创意大厦采用的预制混凝土地面板尺寸为 1 800mm×2 000mm×200mm。现场铺装时，自下而上分别为刚性层、水稳层、预制混凝土地面板，并预埋套筒螺母，铺装后采用螺栓固定预制混凝土地面板，同时对板缝进行处理，施工完成的预制混凝土地面板如图3所示。

图3 施工完成的预制混凝土地面板

2.2 钢结构装配式技术

创意大厦B，C栋采用钢结构装配式技术，其钢柱主要为箱形钢柱，钢梁主要为H型钢梁，采用钢筋桁架楼承板，累计用钢量约6 400t。现场施工重难点包括：①标准钢构件加工制作精度要求高；②钢柱与混凝土钢筋连接节点复杂；③柱标高及垂直度的控制难度大；④吊装工作量大，安全风险高。

为解决上述问题，现场采用如下技术。

1)钢结构深化设计与二维码技术 使用TEKLA软件对全楼钢结构建模，转化成零构件加工图、结构安装布置图及报表清单；根据深化结果制作5 250个二维码，各杆件均有唯一编号，便于现场构件清点与安装。

2)钢-混组合结构技术 竖向结构柱采用钢箱柱+内灌混凝土，以提高承载力、减小截面尺寸，部分钢梁采用钢-混组合梁，以充分发挥钢结构与混凝土各自的受力性能。

3)钢结构高效焊接技术 箱体柱及H型钢梁采用双丝埋弧焊、电渣焊制作，现场钢柱对接焊接采用单坡口+衬垫免清根焊接技术，以提升工作效率、确保工程质量。

4)垂直度控制与智能测量技术 在深化设计时确定好所有钢柱柱顶标高及钢梁安装坐标，并在构件中心线及标高标识处贴反光感应片，全站仪可利用无线传输技术直接将数据发送至计算机终端，实现数据采集分析自动化、智能化。

5)基于BIM的现场施工管理信息技术 设计阶段，依托BIM技术各专业协同设计，减少缺漏碰撞；施工阶段，各管理岗位、各工序、工种的协同工作，场地布置管理、安装方案可视化交底，显著提升了施工和管理效率。

6)轻钢模网聚苯颗粒混凝土复合墙体 该墙体采用双排轻钢龙骨做支撑骨架，内、外侧面分别采用水泥纤维板、轻钢模网做免拆模板，中间空腔现场浇筑聚苯颗粒混凝土浆料，待浆料凝固后即形成“面层+芯层+面层”3层夹心墙体，可阻断热桥，具有结构牢固、自保温、免抹灰、防水防火性能好等优点。

2.3 木结构装配式技术

创意大厦A，B，C 3栋建筑间设有交通连廊，连廊采用胶合木结构，如图4所示。

图4 创意大厦胶木结构连廊

3 机电工程装配式技术

创意大厦机电工程中，机房、支架、风管采用装配式技术。其中，B，C栋地下1层换热机房设备共计24套，3栋各类成品支架共计21 946套，各系统风管面积共计36 557m2，现场施工具有以下难点。

1)工程量大、工期紧 安装工程总造价1.2亿，施工工期仅120d。

2)设备机房面积小 设备多、管线复杂，布置空间紧凑，现场加工与安装难度大。

3)H型钢梁支架安装难度大 B，C栋采用钢结构、H型钢梁，支架安装时，不能在型钢上进行焊接和打孔作业。

4)施工场地、加工区域面积小 风管制作量大，现场预制加工、存放占用场地面积大。

3.1 装配式机房技术

对于机房，综合考虑设备和管道阀门连接、管道内介质流动阻力等因素，对设备与管道布置方案进行对比，确定板式换热器和水泵集成化、模块化设计为最优方案。首先，采用模块化设计思路，将独立模块拆分成单元进行标准化设计与生产，如水泵拆分为进水立管、出水立管、水泵与基础、型钢支架等4个子模块，水处理设备拆分为设备与基础、管道及附件、型钢支架等3个子模块；其次，工厂根据深化后的加工图采用全自动数控设备、自动焊接机器人进行加工制作，构件精度控制在0.5mm内；然后，利用BIM技术模拟设备现场就位过程，选择最佳路径；最后，模块运至现场后，安装人员根据装配图和二维码标识系统，利用管段和螺栓组装各模块，全程无电焊作业，现场拼装严密、精确，管道一次成型，压力试验无泄漏，排布美观，高度、间距统一。安装完成后的机房如图5所示。

图5 安装完成后的机房

3.2 装配式支架技术

传统型钢支架需切割、焊接、喷涂油漆，存在噪声大、浪费材料，易产生火花、碎渣、光污染、有毒有害气体等不足。为此，创意大厦采用装配式支架技术，具有以下特点。

1)标准化 标准化生产工艺，质量稳定。

2)施工安全 无电焊作业，无打磨除锈，无需现场刷油漆。

3)安装便捷 操作简易、高效，可明显降低劳动强度和施工污染。

装配式支架实施过程分为机电各专业建模、管道综合优化、综合模型评审、支吊架初步定位、支架固定形式确定、受力分析、导出平面及大样图等7个步骤，最终形成二维连接件、直角连接件、梁夹、C型钢免焊接底座、V形加劲装置、C型槽钢等产品。装配式支架如图6所示。

图6 装配式支架

3.3 装配式风管技术

运用BIM技术对创意大厦风管管段进行分解并编码，其分解流程为：机电专业建模→机电管线综合优化→机电综合模型评审→风管管段分解→风管编码→导出风管清单。具体风管分段设计包括变径管、三通管、弯头等设计。然后，将风管管段信息录入加工厂数据库，进行全自动化加工，现场按编号拼装。

4 装饰工程装配式技术

4.1 幕墙工程

创意大厦幕墙工程面积共53 578m2，幕墙范围包括玻璃幕墙、构件式玻璃幕墙、地弹门、百叶窗、上悬窗、造型穿孔铝单板、铝单板幕墙、轻钢雨篷、室外玻璃栏杆。其中，铝合金型材采用隔热断桥，传热系数≤5.8W/(m2·K)，玻璃采用钢化中空三银Low-E超白玻璃，传热系数为1.1W/(m2·K)，遮阳系数Sc=0.2。

现场采用单元式幕墙技术，其具有智能化设计、标准化生产、机械化运输、精准化安装等优点，具体施工环节为：安装转接件→吊装幕墙单元板块→单元板块三维调节→安装水槽料→层间防火封堵。创意大厦A栋采用PC构件预埋技术，其工序装配率提高至95%，精准度大幅度提升。创意大厦幕墙外观如图7所示。

图7 创意大厦幕墙外观

4.2 室内装修工程

创意大厦室内装修工程约7万m2，包括客房、走道、电梯厅、报告厅、会议室、贵宾室、办公室，其中，隔墙、墙板、吊顶、楼地面等采用装配式技术。

室内装修工程中，均采用BIM技术优化排版，将设计思路流转至生产端及施工端；进行工厂数字化生产，保障加工精准度；现场可快速精确安装，具有节能节材、绿色环保、施工便捷、品质可靠、便于维护整改等优点。

4.3 绿植模块技术

为进一步降低建筑能耗、提升使用环境质量，创意大厦采用绿植模块技术。通过合理设计，在幕墙上科学布置单元体载物平台、爬架系统和给排水系统，可种植攀爬类植物(见图8)。

图8 绿植模块结构

5 结语

1)合理运用装配式建筑技术，可解决施工现场常见质量问题，减少用工，提升建设效率、安全文明程度和建筑品质。

2)通过自主研发应用装配式新技术，可为建筑工业化提供技术支撑，能从根本上提高建筑装配率，创意大厦在未考虑绿植模块、预制设备基础、装配式路面板的情况下，建筑装配率均超过76%。

3)要进一步培养装配式建筑技术专业团队，通过与BIM技术有机结合，在工程建设中逐步实现全专业、全领域装配式技术应用，不断降低建设成本、提升综合效益。