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 裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（建筑）

                       李  峰，  周成功，  鄭振鵬

                 （上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海200125）

[摘要]  歸納總結(jié)裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)常用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。以一棟裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)住宅為例，分析不同預(yù)制方案時(shí)的結(jié)構(gòu)預(yù)制率、混凝土量、含鋼量等，進(jìn)而對(duì)不同預(yù)制方案下的材料用量進(jìn)行  ’比較分析，找出影響材料成本增加的主要因素，并得出材料成本與預(yù)制率之間的關(guān)系。另外，通過對(duì)不同預(yù)制方案下結(jié)構(gòu)預(yù)制率的分析，給出不同預(yù)制率時(shí)的推薦預(yù)制方案，可為同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做參考。

[關(guān)鍵詞]  裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；預(yù)制率；含鋼量；材料成本

中圖分類號(hào)：TV334  文章編號(hào)：1002-848X(2016)10-0107-05

0  引言

    將框架-剪力墻中框架部分的某些構(gòu)件事先預(yù)制，如板、梁、柱等，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，將框架的預(yù)制部分與整個(gè)結(jié)構(gòu)的剪力墻現(xiàn)場(chǎng)澆筑完成，從而形成共同承擔(dān)水平荷載和豎向荷載的整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式叫做裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系，裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)具有施工安全性高、質(zhì)量容易控制，可減少現(xiàn)場(chǎng)出工率、縮短工期、二次作業(yè)少、低公害、滿足工業(yè)化與綠色建造的概念等優(yōu)點(diǎn)。然而，裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的造價(jià)比傳統(tǒng)現(xiàn)澆框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高，在一定程度上限制了裝配整體式框架，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的推廣。

    近年來(lái)，關(guān)于裝配整體式結(jié)構(gòu)的抗震性能、節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用研究比較多，而對(duì)于裝配整體式框架，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性研究比較鮮見。因此，有必要對(duì)裝配整體式結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析研究。本文以一幢18層裝配整體式框架，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓為例，分析不同預(yù)制方案下結(jié)構(gòu)的預(yù)制率、混凝土量、含鋼量等，進(jìn)而對(duì)不同方案下的材料成本進(jìn)行分析，以期得出材料成本與預(yù)制率之間的關(guān)系。

1  與裝配整體式結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

    影響裝配整體式結(jié)構(gòu)一次性投資的因素比較多，如建筑方案、結(jié)構(gòu)方案、預(yù)制方案等。對(duì)于建筑方案、結(jié)構(gòu)方案已經(jīng)確定的建筑來(lái)講，與結(jié)構(gòu)一次性投資最相關(guān)的是預(yù)制率、含鋼量。

1.1預(yù)制率

    采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系的裝配式住宅建筑單體的預(yù)制率（簡(jiǎn)稱預(yù)制率），是指建筑±0. 000m以上部分的墻體、梁、柱、樓板、樓梯、陽(yáng)臺(tái)等預(yù)制構(gòu)件體積占±0. 000m以上部分總混凝土體積的比重。預(yù)制率的計(jì)算公式如下：

式中預(yù)制混凝土構(gòu)件的體積為外圍預(yù)制鋼筋混凝土墻體和預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的體積，如預(yù)制剪力墻（暗柱現(xiàn)澆部分不計(jì)入）、預(yù)制夾心剪力墻（不包含保溫部分）、預(yù)制疊合剪力墻（僅預(yù)制部分）、預(yù)制外掛墻板（外圍護(hù)墻）、預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制疊合樓板（僅預(yù)制部分）、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制空調(diào)板等鋼筋混凝土構(gòu)件的體積。

1.2含鋼量

    建筑結(jié)構(gòu)的含鋼量是指建筑主體結(jié)構(gòu)（不包含裝修）總用鋼量除以總建筑面積得到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，單位為kg/m²。

2  工程概況

    本工程為上海城建集團(tuán)開發(fā)的一棟18層住宅樓，采用兩單元雙拼房型，地下1層，層高3.0m，地上18層，層高均為2. 8m，建筑高度50. 85m。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖見圖1。結(jié)構(gòu)形式采用裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，風(fēng)荷載重現(xiàn)期為50年（60m以下），結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，住宅抗震設(shè)防類別為丙類，主要標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為528. 30m²。設(shè)計(jì)完成時(shí)間為2011年。

3  成本分析

    根據(jù)表1所列出的方案分別建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行配筋與構(gòu)件深化設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)各材料的實(shí)際用量，對(duì)比不同預(yù)制方案時(shí)所采用混凝土、鋼筋等材料的用量，用以分析原材料用量與預(yù)制方案之間的關(guān)系。

    各方案中拉筋采用HPB300、箍筋采用HRB335、構(gòu)造筋及主筋采用HRB400。采用PKPM

進(jìn)行建模與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)采用等同現(xiàn)澆的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的做法。本實(shí)例以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層為統(tǒng)計(jì)單位，因此本節(jié)中的混凝土用量、預(yù)制率及含鋼量均為以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算所得，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的建筑面積為528. 30m²。本文在用鋼量統(tǒng)計(jì)時(shí)，不考慮施工措施及損耗部分鋼筋、預(yù)埋件、灌漿套筒、圈梁配筋、過梁配筋、構(gòu)造柱配筋、砌體拉結(jié)筋、混凝土墻梁與砌體間加掛的鋼絲網(wǎng)等。

3.1方案一

    方案一為全現(xiàn)澆，也作為其他方案對(duì)比分析的基準(zhǔn)方案。此方案跨度較小的板厚度取100mm，其余板厚均為110mm。方案-的材料統(tǒng)計(jì)見表2。

    由表2計(jì)算得出：標(biāo)準(zhǔn)層的總混凝土用量為182. 14m³，總用鋼量為27 968.07kg，含鋼量為52. 94kg/m²。

3.2方案二

    方案二主體結(jié)構(gòu)與方案-相同，僅將外墻板修改為預(yù)制外掛墻板。外圍護(hù)墻采用預(yù)制外掛墻板，可以減少施工階段的外腳手架的搭設(shè)，使施工階段結(jié)構(gòu)的外立面整潔，因此采用預(yù)制外掛墻板的方案也是裝配整體式結(jié)構(gòu)中最常用的方案之一。本方案預(yù)制外掛墻板平面布置見圖2，圖中斜線陰影區(qū)表示預(yù)制外掛墻板，厚度為150mm。外框梁線荷載計(jì)算值為2. 8m×0.15m×25kN/m³= 10.5kN/m。方案一中外圍護(hù)墻采用小型空心砌塊，Mb5混合砂漿，200mm厚，外框梁上線荷載的計(jì)算值為(2.8-0.5)×3.8=8.74kN，考慮到外掛墻板的厚度可以優(yōu)化到120mm，此時(shí)梁上無(wú)折減線荷載的計(jì)算值為2.8×0.12×25=8.4kN/m。此方案在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)外框梁的計(jì)算荷載與全現(xiàn)澆方案取值相同，即外框架梁上線荷載值取8.74kN/m。方案二的材料統(tǒng)計(jì)見表3。

    由表3計(jì)算得出：當(dāng)采用外掛墻板時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)層的混凝土總量為218. 12m³，其中預(yù)制混凝土總量為35.98 m³，預(yù)制率為16. 50%；鋼筋總量為32500.21kg，考慮外掛墻板的含鋼量為61. 52kg/m³，不考慮外掛墻板時(shí)的鋼筋總量為27968.07kg，不考慮外掛墻板時(shí)的含鋼量為52.94kg/m³。由于外掛墻板的含鋼量較大，采用預(yù)制外掛墻板導(dǎo)致結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的含鋼量大大提高。

3.3方案三

    方案三在方案二的基礎(chǔ)上，增加預(yù)制樓梯，并采用疊合陽(yáng)臺(tái)板與疊合空調(diào)板。樓梯是復(fù)雜的三維構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)支模、綁扎鋼筋都比較困難。另外，現(xiàn)澆樓梯需要養(yǎng)護(hù)，無(wú)法作為施工通道。將樓梯預(yù)制，既減少了現(xiàn)場(chǎng)大量復(fù)雜的施工作業(yè)，也可以讓施工人員直接通過樓梯進(jìn)入施工層。而陽(yáng)臺(tái)與空調(diào)板通常為懸挑構(gòu)件，如果進(jìn)行現(xiàn)澆施工時(shí)，需要搭設(shè)外腳手架與支撐。采用疊合陽(yáng)臺(tái)板與疊合空調(diào)板時(shí)可以減少施工過程中外圍腳手架的搭設(shè)。因此，本方案是實(shí)際工程中最常用的預(yù)制方案之一。本方案疊合空調(diào)板的總厚度為160mm，其中預(yù)制部分厚度為75mm，疊合層厚度為85mm。方案三的材料統(tǒng)計(jì)見表4。

    由表4計(jì)算得出：當(dāng)采用預(yù)制外掛墻板、預(yù)制樓梯、疊合陽(yáng)臺(tái)板、疊合空調(diào)板時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)層的混凝土總量為220.37m³，其中預(yù)制混凝土為42.07 m³，預(yù)制率為19.09%；標(biāo)準(zhǔn)層考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為32612. 93kg，含鋼量為61.73kg/m³，不考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為28 080.79kg，含鋼量?jī)H為53.15kg/m³。

3.4方案四

    方案四在方案三的基礎(chǔ)上增加了框架疊合梁。由于采用等同現(xiàn)澆的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度與樓面荷載未發(fā)生變化，梁高與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同，可以采用與方案-相同的計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)疊合梁進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。方案四的材料統(tǒng)計(jì)見表5。

    由表5計(jì)算得出：當(dāng)框架梁采用疊合梁之后，標(biāo)準(zhǔn)層混凝土的總量為220. 37m³，其中預(yù)制混凝土為68. 03 m³，標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制率提高到30. 87 010；標(biāo)準(zhǔn)層考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為33 317. 79kg，含鋼量為63. 07kg/m²，不考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為28 785. 65kg，含鋼量為54. 49kg/m³。

3.5方案五

    方案五在方案六的基礎(chǔ)上將樓板修改為疊合板。所謂疊合板，即板的一部分在工廠預(yù)制，其余部分在工地現(xiàn)場(chǎng)吊裝完成后，鋪設(shè)板面頂層鋼筋并澆注現(xiàn)澆層混凝土，最終形成整體的樓板。因?yàn)橐�在樓板的現(xiàn)澆層布置設(shè)備管線等，需要確�，F(xiàn)澆層具有足夠的厚度。另外，為了避免板預(yù)制部分在預(yù)制脫模及吊裝過程中開裂，除了采取設(shè)置桁架鋼筋等措施外還需保證預(yù)制部分具有一定的厚度。本方案預(yù)制部分樓板厚度為75 mm，現(xiàn)澆層厚度取85mm，樓板的總厚度為160mm。方案五的材料統(tǒng)計(jì)見表6。

    由表6計(jì)算得出：標(biāo)準(zhǔn)層混凝土總量為241. 57m³，其中預(yù)制混凝土為94. 73 m³，預(yù)制率為39. 21%；考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為44925. 35kg，含鋼量為85. 04kg/m²，不考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為40393. 21kg，含鋼量為76. 46kg/m³。由于采用了疊合板，板厚加大，方案五標(biāo)準(zhǔn)層樓板混凝土相對(duì)于方案一的用量增加了19. 77m³，混凝土總量增加了53. 4%；由于板厚的增加，板面的恒載變大，使得梁、柱等構(gòu)件的配筋增大，從而使標(biāo)準(zhǔn)層的含鋼量相對(duì)于前幾種方案大大增加。

3.6方案六

    方案六在方案五的基礎(chǔ)上將框架柱預(yù)制�？蚣苤�采用預(yù)制柱時(shí)不會(huì)影響梁、板等水平構(gòu)件的配筋。方案六的材料統(tǒng)計(jì)見表7。

    由表7'計(jì)算得：標(biāo)準(zhǔn)層混凝土總量為241. 57m³，其中預(yù)制混凝土為115. 57m³，預(yù)制率為47. 84%；考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為44925. 35kg，含鋼量為85. 04kg/m²，不考慮外掛墻板時(shí)的總鋼筋用量為40393.21kg，含鋼量為76. 46kg/m³。采用預(yù)制框架柱后，方案六相對(duì)于方案五增加了20.84m³的預(yù)制混凝土，同時(shí)方案六比方案五減少了20.84m³的現(xiàn)澆混凝土，兩種方案混凝土總量不變，但標(biāo)準(zhǔn)層的預(yù)制率有了提高。當(dāng)框架柱采用預(yù)制柱時(shí)，并不會(huì)影響其他構(gòu)件的配筋，只是增加了預(yù)制混凝土的量，可以提高結(jié)構(gòu)的預(yù)制率。

4  方案對(duì)比分析

    將方案一作為基準(zhǔn)方案，其余各方案與方案一的結(jié)果對(duì)比見表8。

    由表8可知，與裝配式整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)方案相比，方案一用料相對(duì)節(jié)省，混凝土用量最少，含鋼量最低；方案二僅在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中采用預(yù)制外掛墻板，標(biāo)準(zhǔn)層的預(yù)制率為16. 48%，相對(duì)于方案一，結(jié)構(gòu)的混凝土量與含鋼量都會(huì)增加；方案三的預(yù)制率為19. 09%，這一方案在施工時(shí)無(wú)需搭設(shè)外腳手架，比較適合對(duì)預(yù)制率要求較低的情況；方

案四在方案三的基礎(chǔ)上增加框架疊合梁，相對(duì)于方案三，方案四混凝土總量未增加，含鋼量只有少量增加，但總預(yù)制率提高到了30.87%；方案五在方案四的基礎(chǔ)上增加了疊合板，標(biāo)準(zhǔn)層預(yù)制率提升到39.21%，相對(duì)于方案一，疊合樓板的厚度有較大提高，混凝土總量增加59.43m3，樓面的恒載增加，使得相應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋增加，從而使得結(jié)構(gòu)的含鋼量由大幅增加；方案六在方案四的基礎(chǔ)上將框架柱預(yù)制，相對(duì)于方案四，方案五的混凝土總量并未增

加，但增加了預(yù)制混凝土的量使得標(biāo)準(zhǔn)層的預(yù)制率達(dá)到47.84%。

    對(duì)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，采用全現(xiàn)澆方案時(shí)，所消耗的混凝土與鋼筋最省，含鋼量最低；隨著預(yù)制率的增加，所消耗的混凝土與鋼筋的量也隨之增加，含鋼量也隨之增加；在裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)中，影響混凝土與鋼筋用量增加的主要因素是預(yù)制外掛墻板與疊合樓板；裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制率最高只能達(dá)到50%左右。

5  結(jié)論

    本文以一幢18層裝配整體式框架，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓為例，分析不同預(yù)制方案時(shí)結(jié)構(gòu)的預(yù)制率、混凝土量、含鋼量等，進(jìn)而對(duì)不同方案的材料成本進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

    (1)采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方案時(shí)，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的含鋼量可以控制在55kg/m²以下。

    (2)隨著預(yù)制率的增加，裝配整體式-框架剪力墻結(jié)構(gòu)住宅所消耗的混凝土與鋼筋的量也在增加，含鋼量也隨之增加。

    (3)在做裝配整體式框架．現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)中，預(yù)制外掛墻板與疊合樓板是影響混凝土與用鋼量增加的主要因素。

    (4)裝配整體式框架。現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)采用預(yù)制外掛墻板+預(yù)制樓梯梯板+疊合陽(yáng)臺(tái)板+疊合空調(diào)板的方案時(shí)，施工時(shí)可減少或避免外圍腳手架的搭設(shè)，預(yù)制樓梯施工簡(jiǎn)單且能作為施工通道，預(yù)制率可以達(dá)到19%，是低預(yù)制率要求下的最適合的預(yù)制方案。

    (5)在上述方案的基礎(chǔ)上逐漸增加預(yù)制構(gòu)件時(shí)，裝配整體式框架一現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制率逐漸增加，但最高只能達(dá)到50%左右。