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混凝土全預制全裝配干式連接建筑工程案例

2019年10月29日

打印專業人士:詹耀裕   來源:混凝土世界雜志

概    述


鋼結構具有自重輕、工廠化制造、安裝快捷等優勢,在廠房建筑中得到廣泛應用,但其材料成本高、耐火耐腐蝕性差,以及需要定期維護等導致綜合成本較高。傳統現澆混凝土結構廠房因為其建設工期相對較長、需要高支模等劣勢,在工業廠房中并不多見。

近年來混凝土裝配式建筑工法蓬勃發展,本文詳細介紹的工程案例為混凝土全預制全裝配干式連接大跨預制工廠,包括預制工廠裝配設計和預制工廠工藝規劃、構件生產及施工關鍵要素,全預制全裝配干式連接建筑工法于設計階段做精細考量,于施工階段將輔助措施簡約化,實現混凝土結構類鋼結構化施工,即構件在工廠預制完成,現場只需拼裝及連接作業,不僅具有鋼結構建造速度快、現場濕作業極小化、環境效益好等優點,還兼具混凝土結構耐久、防火性能好、成本低的優點,可作為未來預制工廠及現代化大型工業廠房建廠的參考。


混凝土全預制全裝配干式連接建筑工程案例

——江蘇沛豐綠建常州預制廠項目建設


一、項目概況


項目位于江蘇省常州市金壇區,由江蘇沛豐綠建工程科技有限公司投資興建,為預制構件生產廠房,計劃年產18萬立方米預制混凝土構件。廠房總建筑面積28493m2,長195m,寬144m,高12.35m,長向柱距7.5m,寬度方向跨距24m,共六連跨6個車間。根據工藝及使用要求,工廠布有2個梁柱生產車間、1個鋼筋加工車間、2個墻板生產車間、1個自動化流水線車間。每跨車間設置4臺起重量為16t的重級工作制吊車,吊車距室內地面高度為9.25m。構件生產區設混凝土輸送機、布料機和地面臺車。廠房平面布置圖如圖1所示。


圖 1   廠房平面布置圖


二、預制裝配設計


本項目為建筑產業現代化基地中的預制構件生產廠房,廠房建設具有裝配式結構設計和施工優勢的條件,是建筑產業化預制裝配工法展示項目。


1. 結構方案優選


(1)排架柱。與鋼柱相比,混凝土柱更易得到較大的剛度,并能減少定期維護,本項目選用預制混凝土排架柱。


(2)屋面。傳統的裝配式混凝土結構單層工業廠房大多采用輕鋼屋面或雙T板屋面。預應力混凝土馬鞍形殼板(俗稱馬鞍板)是一種板架合一的結構自防水大型屋面板,因其結構簡單、安裝方便、適用大跨建筑屋面、價格低廉,在江蘇省廣為應用。與輕鋼屋面、雙T板屋面相比,馬鞍板屋面優勢明顯(見表1)。因此,本項目采用馬鞍板屋面。



(3)吊車梁。工業廠房的吊車梁一般采用簡支吊車梁,與簡支梁相比,相同荷載條件下,連續梁具有更小的設計彎矩和撓度變形,可節約鋼材,降低成本。本項目計算了相同吊車荷載作用下簡支鋼吊車梁、簡支混凝土吊車梁和兩跨連續混凝土吊車梁的最不利內力,進行截面設計和撓度驗算,計算結果見表2(括號內數值為限值)。從表2可以看出,吊車梁的截面均由撓度控制,相比其他方案,兩跨連續混凝土吊車梁的梁高較小,造價最低,且由于跨度是簡支梁的兩倍,數量較其他方案減半,制作和吊裝的工期也可減半。考慮減小吊車梁的撓度和裂縫,增加吊車運行的平穩性,本項目最終采用截面500mm×800mm的兩跨連續矩形截面混凝土吊車梁。



(4)結構體系。馬鞍板屋面工業廠房的屋面板,通過托梁與排架柱連接,間接傳遞屋面的水平和豎向荷載。兼顧排水需求,中柱兩側的馬鞍板分別擱置在兩根托梁上,兩托梁下部用板連成整體,形成槽型天溝以集聚雨水。圖2為馬鞍板屋面單層工業廠房邊跨的三維示意圖,縱向由排架柱、天溝梁與柱間支撐共同組成抗側力體系。與傳統梁柱排架結構體系不同,馬鞍板既做梁又做屋面板,屋面馬鞍板水平和豎向荷載通過天溝梁傳遞給排架柱。


圖 2   馬鞍板屋面單層工業廠房邊跨三維示意


(5)預制裝配方案。廠房分割以每一根柱為一個預制柱單元,分縫位于柱頂與梁底交接處;天溝梁和山墻頂梁以每柱跨之間為一個預制梁單元;吊車梁由于采用兩跨連續的方式,每兩柱跨之間為一個預制單元。中柱頂天溝梁、邊柱頂天溝梁和山墻頂梁的橫斷面如圖3所示。



2. 連接節點設計


(1)柱底連接節點。傳統的預制裝配式混凝土廠房大多采用杯口基礎,杯口基礎安裝精度不易控制,且杯口內后灌注漿料易開裂,對于剛接基礎柱腳設計假定容易失真,影響結構的穩定性。本項目采用裝配式結構預制構件豎向連接常用的套筒灌漿連接技術。柱底預埋套筒,基礎預留出筋,安裝時待預制柱定位精準后,再灌注高強無收縮灌漿料。柱中受力鋼筋和基礎鋼筋通過套筒和灌漿料實現應力傳遞,達到高于鋼筋母材強度的連接效果,接頭安全可靠,整體性好。


(2)吊車梁與柱牛腿連接節點。吊車梁與柱牛腿的連接參考了圖集15G323《鋼筋混凝土吊車梁》的做法,采用預埋鋼板焊接連接,如圖4所示。


圖 4   吊車梁與柱牛腿連接節點


(3)天溝梁與柱連接節點。天溝梁與排架柱的連接是本項目的主要難點。屋面馬鞍板通過天溝梁將屋面荷載傳向排架柱,屋面板單塊跨24m,寬3m,自重約19t。目前使用馬鞍板屋面的工業廠房基本采用現澆工藝,天溝梁與排架柱柱頂一起現澆,形成剛接傳力節點。


天溝截面配合排水需求進行設計。屋面排水以屋面,天溝,外立管形式排水,即屋面雨水經由馬鞍板匯聚到天溝,沿天溝流至廠房外立管排出。天溝長195m,根據排水計算,中柱頂天溝寬1100mm,高900mm,底板厚200mm,故兩側梁高1100mm(h=L/6.8)。


天溝梁與柱考慮了3種連接方案(見表3)。表3中的方案三以干作業為主,只在預留孔內做少量灌漿作業,施工方便,綠色環保,施工質量較方案二的焊接方式更有保證,避免混凝土因鐵件高溫焊接開裂問題,節約成本,節省工期。因此,本項目選用方案三。



(4)天溝梁接縫防水。預制天溝接縫為本項目重點。為防止天溝梁接縫處滲水,設計時在天溝梁兩端設置防水膠條(如圖5所示),安裝就位時,將預制梁間接縫內膠條壓緊,沿預制梁間U形接縫,填塞泡棉條和密封硅膠,最后鋪設砂漿找坡層。形成二道止水帶發揮作用,目前建成試水,無滲漏,防水效果良好。


(5)馬鞍板與天溝梁連接節點。馬鞍板與天溝梁的連接參考圖集蘇G/T 14—2011《預應力混凝土馬鞍形殼板》采用預埋鋼板焊接連接,如圖6所示。



圖 5   天溝梁防水接頭(左一)   圖 6   馬鞍板與天溝梁連接節點(左二、三)


(6)廠房整體三維模型。屋面馬鞍板排布,考慮采光需求,且與梁的連接按規律的分布,以減少預制梁種類,提高生產、安裝效率。經分析,馬鞍板的縱向布置如圖7所示,每三跨重復一次。廠房的整體三維模型如圖8所示。



本項目排架柱、抗風柱、天溝梁、山墻頂梁、吊車梁和馬鞍板全部為預制混凝土構件,與同等條件下的鋼結構廠房相比,總造價可節省30%左右。


三、預制構件廠的工藝規劃


預制構件的生產流程大致分為下列步驟:鋼筋加工、鋼筋籠綁扎、鋼筋籠入模組模、混凝土澆置、構件養護和儲存運輸。為了使產線運作達到最佳效率,預制工廠的作業區規劃應配合生產流程依序劃分出適當面積和位置的:原物料區、鋼筋加工區、鋼筋籠組立區、生產區、構件修補區、構件儲存區和車行動線,最后再布置水電設備和管線以及各式生產、起重機具等。由混凝土軌道子彈車至攪拌站接料開始到預制構件品檢完成入庫之生產流程模擬展示如圖9所示。


圖 9   生產流程動線模擬


因項目本身為預制構件生產車間,廠房的設計,展示了預制技術的優點,對于服務于預制構件生產空間,其也有與一般工廠不同工藝的特點,項目設計時,根據市場上多數預制構件的尺寸形式,車間內布料機的高程設計為可升降形式,距地高度可自1.5~2.5m間調整,扣除底模并加裝配件后,澆置高程范圍介于0.5~2.2m,滿足90%以上構件的需求,車間剖面如圖10所示,由左至右分別為寬度5.5m構件修補區、4m寬車道、14.5m寬生產區,此種左右型生產區配置根據Arena軟件模擬以及臺灣潤弘楊梅預制廠的實際運作經驗,有著較佳的生產效率,空間規劃也更具彈性,且同空間下吊裝可獨立同步作業。


圖 10   廠房固定模臺車間剖面圖


四、預制構件廠生產與安裝


大跨工廠結構本身有許多超規的構件,主廠房即包含高11m的柱子、長15m的吊車梁和長24m的馬鞍板等大型構件,為了解決大型預制構件運輸不易的難點,我們利用基地內未來規劃為永久堆場的區域建立一座臨時預制工廠,就地生產供應主廠房所需的預制構件,這種可隨著不同工地,建立臨時性預制構件生產線的方法稱之為“游牧式預制”。


1. 游牧式預制生產


游牧式預制工廠麻雀雖小,五臟俱全,還擁有建廠速度快、機動性高和變化靈活等優點,適合構件不易于運輸或是預制工廠遠離項目基地時使用。本項目臨時游牧式預制廠平面布置如圖11所示,生產使用如圖12所示。與普通標準預制工廠一樣,都具備原物料堆置區、鋼筋加工區、鋼筋籠組立區、生產區、構件修補區及構件儲存區等必要元素,所規劃臨時游牧式預制場地為原項目永久堆場,堆場內規劃龍門吊設備,解決了臨時游牧式預制場的起重需求。若為一般游牧式預制工廠項目,使用期不長,則建議采用輪式汽車吊,能夠更經濟,場地配置更靈活,也可避免戶外龍門吊容易故障的缺陷。


圖 11   臨時預制工廠平面圖


圖 12   臨時預制工廠生產使用


2. 施工安裝計劃


本項目按全預制全裝配干式連接設計,僅柱底與基礎、屋面天溝梁與柱頂連接節點處少量灌漿料續接作業。鋼筋續接施工性難易的關鍵因素在于接合部位,現澆出筋定位的精準控制和續接套筒鋼筋插入端的容許誤差。本項目預制柱鋼筋續接采用的“RTK全灌漿套筒”,其鋼筋插入端允許誤差≥±10mm,容易安裝,且使用潤泰裝配式建筑基礎柱筋精準定位工具及定位方法[1],整個預制柱安裝、灌漿過程非常順利。


(1)基礎柱筋精準定位。基礎柱出筋精度的質量管理方法是利用治具(定位底座、隔網箍、定位板、定位防污套筒,如圖13、圖14所示)控制單根柱鋼筋彼此間的相對間距,頂部利用4個角落的鋼筋將可調式定位套筒調整至適當位置以確定灌漿面高度,再置入定位板配合測量放樣,接著將整組柱鋼筋調整至正確位置上并做固定,最后放入固定式防污套筒防止澆筑時鋼筋受污染。


圖 13   定位底座和下隔網箍


圖 14   定位板及定位防污套筒


(2)安裝計劃。完善的吊裝計劃除了可以節省大量的工期和成本外,也能讓工程有效率且順利地推進,因此計劃的制定應包含下列項目:工期計劃、工序分析、構件堆置及運輸路線規劃、構件裝車規劃、構件臨時堆置規劃、起重機能率分析、吊裝功率分析、吊裝順序模擬等,在考慮所有控制條件和前置作業后,先建立一個標準單元的吊裝施工流程,再來只需重復雷同的作業至結束即可。


制定工期計劃時,最重要是控制預制豎向結構吊裝,嚴格掌握柱底套筒灌漿料的強度,灌漿料強度發展、施工期間環境氣溫。觀察如圖15所示的蘇博特灌漿料強度增長曲線可發現,相比于20℃,在10℃以下,灌漿料的初期強度發展有著極大的落差,若要避免低溫造成灌漿料強度增長太慢的問題,應對灌漿部位采取保溫措施提高局部溫度。


圖 15   蘇博特灌漿料強度增長曲線


廠房內部的生產設備,以機電的需求為主,本項目為了爭取最短時間內啟動產線運作,配合鋼筋加工生產線的管線布置和設備進場安裝調試,吊裝的順序依廠房平面布置圖車間編號2、4、3、6、5、1進行,本文將以一個標準車間單元的吊裝循環模擬(圖16、圖17)為例說明。


圖 16   預制結構體吊裝順序模擬


圖 17   預制結構體吊裝順序Bar Chart


起吊前一日,將預制柱構件運抵現場依序排列放置,車間中保留通道讓履帶吊和托板車行走。吊裝一定數量柱子后,依序進行垂直度調整、柱底封模、續接套筒灌漿。續接套筒灌漿料試塊強度約48h后達到50MPa,此時拆卸預制柱斜撐和拉索,進行后續施工作業中。基本是5d進行下一循環,待整個車間預制結構體吊裝結束后,馬鞍板吊裝隊伍再進場作業,錯開結構體和馬鞍板吊裝時間是為了減少兩者間的沖突。馬鞍板的吊裝調整較為簡單,一條車間僅需3~4d即可完成。


3. 預制構件廠的安裝過程展示


預制柱以格網箍作為輔助治具進行定位安裝,誤差控制有效(圖18-a),廠房縱軸線26根預制柱,平直無誤安裝;廠房邊溝與女兒墻分段預制,整體組裝,輪廓線順直(圖18-b);室內馬鞍板天面,采光帶設置滿足自然采光需求,馬鞍板流線形狀,在滿足屋面排水設計同時,保持簡約空間(圖18-c、圖18-d);兩跨連續梁設計的吊車梁,豎向剛度大,天車試運行平穩(圖18-e、圖18-f)。構件廠安裝過程,無外架作業,現場建筑垃圾極少化,少揚塵,施工管理高效,是真正意義上的綠色施工。


圖 18   沛豐綠建預制廠實況


結   語


工業廠房大多采用標準的柱距和跨度,且平面簡單及構件類型少,便于推行設計標準化、定型化、施工機械化、裝配構件制作工廠化。本項目馬鞍板屋面安裝既簡單、快速。游牧式預制生產極其有效解決大型預制構件運輸問題。全預制全裝配建筑,充分發揮高品質、高預制率、短施工周期、低造價等優勢,對于資源、能源的運用更為有效率,使裝配式混凝土結構具備成為未來廠房新建的優良選項之一。本項目全裝配全預制干式連接工法目前國內案例不多。本文從設計、工藝規劃、生產、施工關鍵要合做詳細解說,為業內真正快速、高效、質量穩定的裝配建筑提供參考。


(編輯:奚雅青)



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[責任編輯:Susan]

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