王 瑋, 張曉丹, 郭 玉, 方忠年

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院建筑建造學院,江蘇徐州221116;2.中國礦業(yè)大學工程咨詢研究院(江蘇)有限公司,江蘇徐州221008)

0 引 言

與現(xiàn)澆混凝土建筑相比,裝配式建筑具有節(jié)約資源、縮短工期、降低勞動強度、提升工程質量以及節(jié)能環(huán)保等新型工業(yè)化建造方式的優(yōu)點[1][2]。為了推進裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,裝配式建筑設計需要采取集成設計方法,解決預制構件的拆分、生產(chǎn)和運輸、施工安裝、后期裝修和維護等全產(chǎn)業(yè)鏈問題,對設計質量管理增加了技術創(chuàng)新、工作強度以及專業(yè)化協(xié)同等新要求[3]-[5]。

在裝配式混凝土住宅工業(yè)化的發(fā)展中,我國關于裝配式住宅設計階段質量管理策略的研究已取得一定的成果,主要集中在采取預制裝配式混凝土住宅設計-生產(chǎn)-施工一體化的集成技術創(chuàng)新措施來提高建造質量[4][6];以及施工圖深化設計的質量管控,包括結構體系的選擇、預制構件的工程做法、構造連接等具體技術措施[6][7]。在全過程管理中,采取專家評審階段性設計成果和信息管理的手段優(yōu)化管理流程,以提升設計質量[8]。適合裝配式高層混凝土住宅建造技術特點的設計質量管理體系的研究仍欠缺,影響了裝配式混凝土住宅的技術經(jīng)濟性和建造質量[9]。

以徐州地區(qū)某裝配式高層混凝土住宅小區(qū)作為研究對象,從項目管理組角度,針對裝配式高層混凝土住宅設計流程中各環(huán)節(jié)的質量控制目標和影響因素,建立基于并行工程的設計質量管理體系。然后,在工程實踐中從結構選型、預制率拆解、建筑設計等質量管理點,開展預制裝配式混凝土住宅設計質量管理策略研究。

1 并行工程的設計質量管理體系

并行工程是對產(chǎn)品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、集成化處理的系統(tǒng)方法和綜合技術,要求產(chǎn)品開發(fā)人員從總體方案設計開始就考慮產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各階段的所有因素,具有并行、集成、分布和漸進性特征[8][10][11]。

基于并行工程的裝配式高層混凝土住宅設計質量管理,要求項目管理組整合業(yè)主需求,通過建立有效的信息交流機制,強化設計過程中各部門、不同專業(yè)間的協(xié)同工作,將后續(xù)生產(chǎn)、施工和使用環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題在設計的早期階段就被發(fā)現(xiàn)并解決,提高設計質量。

1.1 并行設計過程的構建

1.1.1 裝配式住宅設計流程特征

裝配式住宅設計過程分為規(guī)劃及方案設計、預制裝配式技術策劃、初步設計、施工圖設計和預制構件的深化設計五個階段,具體如下:

(1)規(guī)劃及方案設計?；陧椖慷ㄎ弧⒔ㄔO規(guī)模、裝配化目標、成本限額以及各種外部條件影響因素,初步制定合理的小區(qū)規(guī)劃概念方案和戶型方案,影響裝配式技術方案和預制構件的標準化程度。

(2)預制裝配式技術策劃。通過確定住宅結構體系、裝配式建筑單體選擇、預制率估算、預制構件初步布置方案等,分析裝配式技術的可行性和預制率的可能性,是預制裝配式項目實施的關鍵環(huán)節(jié)。

(3)初步設計。選取預制構件并計算項目預制率,綜合平、立、剖整體設計,在裝配式技術專項評審中強調(diào)結構體系與項目預制率的可實施性。

(4)施工圖設計。確定預制構件布置、拆分及統(tǒng)計,深化平立剖面、構件連接工藝,并開展建筑、結構、水、暖、電等專業(yè)的聯(lián)合會審,解決施工圖中各種矛盾,是項目的落地性控制階段。

(5)預制構件的深化設計。主要工作包括預制構件的科學拆分、裝配節(jié)點設計和構件加工設計等裝配式結構設計。需要同預制構件生產(chǎn)廠商和施工總承包單位對預制構件詳圖深化進行審核,確保深化設計成果能夠順利實施。

1.1.2 各設計階段間的關系及關鍵控制點

(1)預制裝配式技術策劃在小區(qū)規(guī)劃概念方案的基礎上開展,與規(guī)劃方案設計同時進行,相互影響。設計師根據(jù)本地區(qū)預制裝配式技術和產(chǎn)業(yè)鏈的綜合實力,制定預制率拆解方案,理清概念戶型方案與預制裝配方案之間的關系,確定預制范圍。通過對建筑方案和預制裝配方案的相關指標調(diào)整,形成可推進的初步總體方案。

(2)初步設計是依據(jù)經(jīng)批準的小區(qū)規(guī)劃方案和預制裝配式技術策劃方案進行的總體方案及簡明設計,對裝配式住宅小區(qū)的建筑形態(tài)、結構性能、建筑節(jié)能、住宅功能以及建筑環(huán)境等問題進行初步定位。需要各專業(yè)協(xié)同配合,并盡可能將后期潛在的問題提前解決。

(3)施工圖設計是以經(jīng)審核批準的初步設計文件為依據(jù)進行的詳細設計,包括裝配式住宅的建筑、結構、水、暖、電等各專業(yè)的施工詳圖,解決裝配式設計技術中的關鍵性問題,例如與現(xiàn)澆結構的節(jié)點連接方式等。

(4)深化設計是以審查合格的施工圖為依據(jù),綜合考慮后續(xù)的構件生產(chǎn)工藝條件、構件堆放和運輸、現(xiàn)場吊裝和安裝工法、住宅使用和維護等全過程因素,按照模數(shù)協(xié)調(diào)和生產(chǎn)工藝標準化的要求拆分預制構件。

(5)裝配式住宅設計的各個階段既相互獨立又相互關聯(lián),不同專業(yè)之間的相互交圈影響貫穿于各個設計階段。

1.1.3 過程的評價與重組

并行工程技術要求設計過程與評價過程的并行,及時對各階段的設計成果進行全面評價,對各階段各專業(yè)之間的沖突、設計目標不達標的設計成果重新優(yōu)化調(diào)整。

裝配式住宅設計的上階段是下階段的依據(jù),同階段各專業(yè)相互影響,前期的技術策劃方案與總體規(guī)劃方案相互影響。針對裝配式住宅設計過程的具體情況,增加小區(qū)規(guī)劃方案和預制裝配式技術策劃的指標校核、初步設計評審、施工圖設計審查和深化設計審核,通過評審,結合專家意見,對每個階段的不同專業(yè)設計成果優(yōu)化調(diào)整,再評審,直至合格。

1.2 基于信息化管理的協(xié)同工作環(huán)境

基于并行工程的裝配式住宅設計管理系統(tǒng),強調(diào)從設計、構件制作到工程建設全過程的協(xié)同工作。為了保證工作順利開展,提高設計效率,需要采取信息管理的方法,構建協(xié)同工作環(huán)境,包括設計單位內(nèi)部協(xié)同以及與外部其它部門的協(xié)同工作環(huán)境[4]。

內(nèi)部協(xié)同包括各設計階段之間的協(xié)同和各專業(yè)之間的協(xié)同,外部協(xié)同包括設計團隊與建設(代建)、監(jiān)理、預制構件生產(chǎn)以及施工總承包等單位的協(xié)同。項目管理組在設計過程的信息化管理內(nèi)容主要包括:不同階段設計數(shù)據(jù)的管理和共享;裝配式住宅模數(shù)化管理和組織,便于預制構件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);圍繞裝配式住宅項目,建設單位(代建單位)、構件生產(chǎn)商、設計院、施工及監(jiān)理等單位之間進行各種形式的信息交互;建立并逐步完善包括建筑、結構、水暖、電氣設備等多專業(yè)的設計數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)預制構件生產(chǎn)、施工安裝及室內(nèi)裝修等提供完整的設計信息。

1.3 設計質量管理流程

綜合上述關于裝配式住宅并行設計過程的要求與方法,建立基于并行工程的設計質量管理流程,見圖1。圖中數(shù)據(jù)庫是集合設計各階段的所有信息,并貫穿整個設計、預制構件的生產(chǎn)與運輸、施工安裝和使用維護全過程。專家?guī)鞆脑O計初期組建,專家涵蓋規(guī)劃、建筑、結構、水電、設備等專業(yè),由設計、監(jiān)理、預制構件廠和總承包等多行業(yè)的高級專業(yè)技術人員組成,同時在各設計階段組建相應專業(yè)的專家小組,對設計成果進行評審,專家評審貫穿于設計全過程。

圖1 裝配式住宅設計管理流程

2 實例應用

基于并行工程技術的裝配式住宅設計應該從整體上確定管理指標,在符合本地區(qū)在相關政策的前提下,結合本區(qū)域裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈特點選擇適合的裝配式建筑結構體系;同時考慮預制構件的生產(chǎn)、施工和使用維護等全過程技術指標的可行性和合理性。故結合徐州某住宅小區(qū)的設計,采用并行工程技術針對裝配式高層住宅的設計控制點進行質量管理應用研究。

2.1 項目概況

項目位于徐州市銅山區(qū),包括19棟高層住宅、2棟2層商業(yè)住宅及4棟輔助用房,總建筑面積26.71萬m 2,其中地上建筑面積23.34萬m 2。高層住宅地上18層,地下1層,混凝土結構,二類高層,標準層層高2.90m,預制率不低于30%,裝配率不低于50%。

2.2 結構選型與預制率拆解方案

2.2.1 結構體系選擇

在設計時,根據(jù)建筑高度、抗震要求、材料用量以及使用功能等要求,選擇合適的裝配式結構體系。高層住宅地上18層,地下1層,抗震設防烈度為7度遠震。依據(jù)相關規(guī)范、規(guī)程,應采用裝配整體式框剪或剪力墻結構體系;同時,考慮室內(nèi)框架柱影響戶內(nèi)使用功能,高層住宅采用裝配整體式剪力墻結構體系。

裝配整體式剪力墻結構對平面布置的影響較小、預制構件生產(chǎn)和施工工藝成熟,經(jīng)濟性較好。但在布置預制剪力墻時,要考慮室內(nèi)裝修時管線預留點位的合理性和戶型調(diào)整的靈活性。

2.2.2 預制構件的選擇

裝配式混凝土結構的預制構件一般優(yōu)先使用“三板”,即預制裝配剪力墻板、疊合樓板和樓梯板,其它預制構件根據(jù)情況需要可考慮預制梁、陽臺板、空調(diào)板和挑檐(女兒墻)等。依據(jù)項目特點、徐州地區(qū)預制產(chǎn)業(yè)鏈和總承包施工工法水平和相關規(guī)范規(guī)程,本項目預制拆解方案如下:

(1)剪力墻。由于全預制外墻成本較高、施工難度較大以及連接處易發(fā)生漏水的現(xiàn)象等一些缺點,且預制率最低為30%,對18層住宅容易實現(xiàn),故剪力墻預制方案以預制內(nèi)墻為主+部分預制外墻。為了南、北主立面外觀的豐富性,故南、北外墻以現(xiàn)澆為主,僅在東西山墻和單元之間外墻采用預制裝配形式。

根據(jù)預制構件工業(yè)化生產(chǎn)的要求,預制剪力墻應該具有一定的復制性,幾何尺寸盡量符合標準化要求。依據(jù)專家組建議,將“十、Z、T”字形預制剪力墻改為“一”字形,“L”形剪力墻應歸類,盡量減少規(guī)格。以該小區(qū)F03號樓標準層為例,剪力墻布置見圖2。

圖2 F03號樓標準層剪力墻布置圖

(2)疊合樓板(含陽臺)。除戶間走道板和設備間跨度較小、預制不經(jīng)濟,以及屋面和衛(wèi)生間防水要求高外,戶內(nèi)樓面板均采用預制鋼筋桁架疊合板。

(3)預制樓梯。選擇梁承式預制樓梯。

(4)其它?？紤]在內(nèi)、外剪力墻部分裝配的情況下,預制率30%的目標容易實現(xiàn);梁與疊合板、預制剪力墻節(jié)點現(xiàn)澆,形成結構平面交圈,能提高結構的整體性,也方便后期施工,故采用現(xiàn)澆梁。

最終預制率計算值,見表1。

表1 F03號樓預制率/%

2.3 預制裝配影響下的建筑設計

2.3.1 總圖規(guī)劃分析

裝配式住宅總圖規(guī)劃布局遵循“少規(guī)格、多組合”原則,在滿足項目要求前提下,避免單體戶型過多、平面形態(tài)和樓棟形態(tài)不規(guī)則、端頭戶與中間戶面寬進深變化等問題。采用較少的標準化樓棟合理調(diào)整總圖形態(tài),減少整體預制裝配方案的復雜性和后期設計及施工難度。

在規(guī)劃方案階段,根據(jù)設計任務書的要求,按五種面積檔位設計標準戶型,經(jīng)評審優(yōu)化,最終選取八種標準戶型對每棟樓進行組合,見表2。

表2 住宅小區(qū)標準戶型及樓棟戶型組合

2.3.2 平面設計分析

裝配式住宅單體平面設計,從成本和施工維度考慮戶型面寬、進深、輪廓、剪力墻位置等要素。開間和進深采取模數(shù)化控制,體型系數(shù)盡量小,不出現(xiàn)較大轉折、凹槽,平面輪廓盡量規(guī)則,有利于預制構件生產(chǎn)的工業(yè)化和安裝的便利性。內(nèi)部剪力墻和豎向管井布置應合理,預制剪力墻內(nèi)墻面要提前預留設備點位,便于后期空間功能改造。以F03號樓的標準層平面圖為例,建筑平面布置見圖3。

圖3 F03號樓標準層平面圖

2.3.3 立面設計分析

裝配式住宅的立面設計既要關注平面與空間關系、模數(shù)關系、構件位置與選擇等因素,還要考慮層高的模數(shù)化、體型的平直和外立面材料與造型等因素[12]。

預制率拆解方案主要為以結構構件為主的方式,即以內(nèi)墻+少量外剪力墻+疊合樓板+樓梯板等結構構件,僅東、西端山墻和單元間外墻采取裝配式,南、北主立面采用現(xiàn)澆,立面較為自由。為增加立面的靈活性和多樣性,外掛預制GRC成品線條,外墻飾面為真石漆噴涂。

2.4 預制構件深化設計

工程總承包單位負責組織施工圖深化設計工作,綜合考慮預制構件生產(chǎn)、施工吊裝、臨時支撐與固定、裝配、連接節(jié)點以及預留預埋等因素,委托設計單位按照建筑結構特點,在預制率的約束下,將建筑結構拆分為獨立的構件單元。尤其注重采用模數(shù)化和標準化的方法對預制構件拆分,提高構件的通用性和連接節(jié)點的標準化。

深化設計內(nèi)容包括預制墻板、預制樓板、連接工藝、灌漿工藝、模板支撐體系、安全固定措施、臨時支撐系統(tǒng)、現(xiàn)澆節(jié)點以及吊裝輔助工具的選擇及分析。預制構件深化圖包含對預制構件生產(chǎn)進行編號,尤其需要注明樓棟號;管線、箱盒的位置標高,以及水電管口的預留方式均應在預制構件深化圖中標明。以F03號樓標準層剪力墻為例,預制構件深化設計圖見圖4。

圖4 F03號樓WYJQ1剪力墻東視面詳圖

3 結 語

針對裝配式高層混凝土住宅的設計流程中各環(huán)節(jié)的質量控制目標和影響因素,建立了基于并行工程的設計質量管理體系。并以實際工程項目為載體,通過目標分解法對設計質量控制點進行分析,采取相應的管理對策,實現(xiàn)了設計、構件生產(chǎn)和施工一體化的裝配式住宅建造質量管理目標。