工业化建筑技术概念与实践综述

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作者：王俊

建筑使用维护成本低建筑正常使用过程中维修率较高的有外墙渗水、窗周渗水、楼面渗水、墙体裂缝、面砖脱落、抹灰空鼓等等，一时的施工疏忽造成后期维护成本增加，PC构件有效解决这些问题。外墙面砖反打不易脱落；板缝可吸收结构徐变或沉降引起的变形；窗框预埋基本杜绝窗周渗水现象；构件表面平整光洁无需再次抹灰找平避免空鼓发生；裂缝控制更严格，外墙不易渗水。PC构件拼缝处密封硅胶一般有效期15~20年，视老化情况需按周期重打一遍硅胶。除此之外，期间几乎无需修补维护，业主对建筑质量的投诉率低，从而降低使用维护成本，更为建设方赢来良好信誉。

工业化建筑设计是一项综合性较强的设计工作，融合了建筑专业、结构专业、给排水和电气、室内装饰、建设现场施工、预制构件工厂生产、金属加工等多领域的知识。强调各专业间的紧密配合，在设计之初即需对各领域作全面综合考虑，前期方案讨论期间需协调各专业，经充分论证后才进入实施性设计阶段。预制混凝土构件一大特点是，成品后很难再做修改，如果在设计阶段考虑欠周全的话，后期会使得预制构件无法按预定方案装配，造成经济上的浪费或在施工上引起诸多干涉问题不便于施工，甚至会影响到建筑物的安全性和耐久性。设计应首先满足预制构件本身强度要求，其次应满足工厂生产的可行性，如有异形构件应提前与工厂沟通商讨生产上可能出现的问题。且同时考虑现场施工的便利性。对于可能引起施工不便的构件也应尽早与施工方商讨确定施工方案。此外，还需事先与门窗、石材、遮阳、栏杆、地漏、保温、防雷、水电暖通、内部装修等部门沟通商定细部节点构造，按需预设管线孔洞或预埋连接件。建筑设计时引入PC概念（1）建筑设计时可采用PC+RC（现浇混凝土）的结构形式，充分了解适宜使用PC的范围与工法，同时需考虑PC生产和施工的可能性，结合PC的特性，充分发挥PC的优势。（2）高层住宅和商务办公楼的标准层往往占据大部分楼层，由于其建筑外形或内部构造重复和相同部分较多，建筑设计时该部分可采用PC。（3）有些建筑为了展现个性化会设计成较为奇特复杂的或悬挑突出的形状，给现场施工时的模板支撑围护带来困难。又或是建筑立面上期望展现的效果用传统模板施工方式难以达到的，比如清水混凝土表面、带有凹凸大型图案、表现纹理肌理的，都更适宜使用PC。（4）当PC作为外墙围护构件时，有时会使墙厚变厚进而增加建筑占地面积和影响容积率，这在建筑设计时须予以考虑。若外墙饰面采用石材，因PC制作时石材直接反打在混凝土上，无需干挂石材那样预留100mm左右的安装空隙，增加的只是石材本身厚度，所以在建筑设计时也应当予以注意。还有，由于PC表面一般无需再做抹灰找平处理，所以作为墙体使用时可增加户内实际使用面积，这也是建筑设计统计数据时需予以注意的。（5）考虑工厂生产和运输的限制，PC不适宜大跨度整体性要求较高的结构构件；结构设计安全第一（1）结构安全是PC设计的重点，PC构件的装配连接直接影响到整个建筑物的安全性。PC构件的连接方式很多，按结构形式可分刚性连接和柔性连接。PC构件的刚性连接可视为固支，结构上不允许其转动和位移，节点强度等效于现浇钢筋混凝土；柔性连接可视为铰支，按不同的结构类型和荷载形式控制在许可范围内允许转动或定向位移。刚性连接和柔性连接又细分多种具体方式，需根据不同情况灵活运用。但不管是何种连接方式都必须对每个节点进行结构计算，必要时辅以试验来确保结构安全。（图略）混凝土粘结牢固，PC构件的接触面需做毛面处理，深度不小于4mm，且在剪力较大处还需加设抗剪键槽。PC构件预留外伸锚固钢筋的规格长度需满足国家结构抗震规范要求。（3）除需满足国家相关规范外，预制构件本身还需满足长期稳定（风载、自重、地震）和短期荷载（脱模、运输、存放、吊装、施工）各工况下的结构验算，所以完整的PC设计还应包含预制混凝土构件计算书。预制构件规格不宜多因模具的开发生产费用较高，一套模具生产相同的构件数量越多，分摊的成本就越低，设计师应始终将成本控制的观念贯彻在整个设计中。不同的设计师虽说都能对同一栋建筑完成PC设计，但不同的方案导致最终的建设成本或许会相差很多。因此，首先要考虑的是构件的外形尺寸在设计上尽可能规整统一，即使有变化也尽量使模具能以大裁小来套用。接缝与防水设计（1）PC装配式施工的方式必然就会有横向或竖向的接缝，尤其外立面墙板构件接缝的防水设计尤为重要。防水分构造防水和材料防水，外墙板构造防水以外低内高台阶式构造来阻止接缝处渗漏雨水泛进室内，再加外层密封硅胶与内层密封胶条的材料防水。防水设计思路上不仅要考虑防水，更要考虑导水。防水材料的老化或是施工不当等原因造成接缝处进水时，会顺着接缝处特意设计的导水空腔排出墙外。滴水管设置间隔可视情况而定，一般每隔三层设置一处。（见图7）（2）接缝设计的另一考虑因素是能够吸收施工误差和结构徐变或发生地震时引起的PC位移，所以接缝宽度需通过计算来确定。金属件设计工业化建筑中预埋金属件和各类连接金属件的使用量很大，从经济性角度考虑，金属件设计时在满足强度要求的前提下尽可能优化使成本降低。且为了便于采购和管理，金属件的类型不宜过多。考虑工厂制作的可能性与经济性（1）构件的设计除了满足建筑和结构要求外，还需满足工厂生产要求，否则就成为纸上画饼，设计得出而制作不出，所以需熟悉构件厂生产的各个过程。需考虑的因素有模具、脱模、起吊、翻身、存放。（2）常见问题有：•构件设计得太过复杂会造成模具费用增加、难以脱模、振捣不便等问题。因此构件设计应尽可能使模具简单且便于脱模；•构件设计得太大不利于吊装和运输，相反设计得太小也使得板块零散增加施工工序和加重劳动强度而且也不经济；•起吊件的设计应经过强度验算满足起吊荷载以免造成安全事故；•吊点设置不平衡。吊点设计应尽量以重心点为中心对称分布；•当构件有局部凸出而模具内凹时未考虑脱模斜坡，一般取10%斜度；•预埋门窗在框料选材时未考虑工厂蒸汽养护带来的高温变形问题；考虑现场施工的便利性（1）PC装配施工是一项精度要求较高的工作，安装定位精准与否直接影响建筑物的整体偏差。因此，安装定位应尽量减少施工人员的随意性，取而代之以事先设计并预埋在PC构件上的限位件来控制定位，再通过施工调节器具进行微调整。限位件和调节器具的操作在设计上应避免施工现场使用大型器械，尽量以人工操作为主，使用常用工具便可实现定位和微调。（2）PC构件的外伸锚固钢筋是一种常见形式，设计时需考虑与现场现浇部位绑扎钢筋干涉的问题，尤其当与柱梁等较粗钢筋有交叉时，设计上需将PC构件外伸钢筋错位避让，因为当发生干涉时因钢筋较粗凭人力很难矫正，此时会给施工增加很多不必要的麻烦。工业化建筑设计一般包含以下内容：（1）设计总说明；（2）预制构件平面、立面分布图——反映PC板分布位置、板名、板重；（3）剖面图——与PC相关的建筑各部位剖面图，反映PC与主体结构的相对关系；（4）预制构件制作图——构件厂生产构件用图纸，须清晰表达单个构件全面信息；（5）预制构件装配图——施工现场安装PC用图纸，反映每个构件的装配方式与相互关系。废而不得不重新开模的话就得不偿失了。不同的模具设计师为同一预制构件设计出的模具在用料、精度、耐用度、操作性等方面可能会相差很多，这需要模具设计师有丰富的经验和全面的考虑。比如对于模具的易磨损部位应设计为可拆卸替换式；对于外形相似而仅仅长短尺寸不同的构件尽量以大裁小一模多用。

模具拆分与固定为使模具方便加工与拆装，需将整套钢模拆分为若干单件后拼装。但为保证整体性，拆分的单件也不宜过多。单件的拼装方法可根据构件的精度要求分为插销加限位固定、铰链加定位销固定、螺丝加定位销固定。为防止变形走样，一般固定间距不大于500mm。（1）插销加限位固定主要用于精度要求不高的简单大型构件，边模拆装需起重设备配合。（2）铰链加定位销固定主要用于精度要求不高的简单小型构件，边模可采用人工翻转。（3）螺丝加定位销固定主要用于精度要求较高的大、小型构件。（图略）预埋门窗预制构件附带门窗时一般只预埋窗框，带玻璃的窗扇由现场安装。窗框在模具内固定时可用内模钢框辅助定位，以防止振捣混凝土时跑位门窗框料本身材料也必须有一定的强度，在预制构件养护、翻身、运输、吊装过程中不至于因变形而影响后期窗扇安装。预埋金属件预埋件固定主要采用螺丝固定，需注意以下事项：（1）按图纸准确定位；（2）在钢模上的固定要牢靠，以免浇筑混凝土时跑偏或掉落；（3）紧固方式要便于拆装；（4）注意对预埋件工作面的保护，不要被砂浆污染而影响正常使用。模具制作流程模具设计放样落料材料加工焊接组装冷作校正拼装测试满足要求涂装养护5、预制构件生产由于预制构件类型不同，其生产流程和控制项目也不同，且各厂家对于生产方式和质量控制都有自己的模式。这里以外墙板为例，了解一下混凝土预制构件在工厂一般的生产流程。模具组装和清洁固定内窗框（附有预埋窗时）铺设外立面装饰材料（附有面砖石材等时）吊入钢筋笼预埋件定位隐蔽验收合格浇筑混凝土养护脱模外观修补质量检测保护措施存放堆置装车运送模具组装和清洁模具组装完成后需进行去毛、除锈、清渣等工作，若有前次孔洞修补处还需打磨抛光处理，尤其针对清水表面的预制构件，钢模修补痕迹会在预制构件表面留下纹理，在光照下显得较为明显。与构件混凝土直接接触的钢模表面需均匀涂抹脱模剂。脱模剂以水性高分子成膜物质为主，起隔离作用，使预制构件在脱模时顺利脱离模板，使外表光洁、棱角完整。对于外观要求较高的构件，在模板拼接处如侧模与底模的拼接处须以止水条做好密封处理以免漏浆影响外观。止水条多为橡胶材质，已成系列化产品，形状及规格可多选。窗框的固定窗框由窗厂家按要求规格提供，预制构件厂按图纸位置在窗框内侧附加钢框用以固定窗框。窗框一般需有25mm以上的混凝土埋深。另外，还需根据窗厂产品要求按间距埋设加强爪件。（图略）面砖和石材铺贴（1）面砖。在模具内摆放面砖时并非一块一块摆放，而是必须先制作面砖模具格，由砖模格制作出较大片的面砖板，然后将面砖板铺贴在预制构件钢模内。砖模格材料多为木+钢，首先根据面砖与砖缝的模数确定砖模格的外尺寸，一般400mmx600mm左右，不宜太大。(见图16)制作面砖模具的步骤：制作砖模格表面朝上摆放面砖嵌入砖缝条张贴薄膜胶布倒出整张面砖板双面薄胶带铺贴在钢模内（2）石材。不同于传统的石材干挂，预制构件的石材都采用湿式作业，无需粘结材料，提前24小时在石材背面涂刷防返碱处理剂，待浇筑混凝土凝结后与构件形成一体。为了不造成脱落保证安全性，石材背面必须按强度计算要求布置金属钩或锚栓。钢筋（1）按图纸要求排布钢筋，并控制保护层厚度；（2）如有叠合筋，应按设计要求露出高度设置；（3）如有预应力钢筋，应依据设计要求计算所需的张拉控制力和张拉伸长值，放张顺序应符合结构设计与生产工艺要求；（4）如有钢筋接驳套筒，应严格控制其中心定位偏差。各类预埋件、预埋管线、预埋电气盒的固定可用垫块、卡件、螺丝、铁丝绑扎等方法固定预埋件，关键是定位准确、紧固牢靠。混凝土振捣（1）电动振捣棒。根据实际情况选用直径适宜的插入式振捣棒逐排均匀振捣。振捣时应避开钢筋、埋件、管线、面砖等，对于重要勿碰部位提前做好标记。（2）振动台。钢模台下部设有振动装置，虽然设备费用较高，但振动均匀密实，效率高。（3）振动器。小型振动器，在模具适宜部位安装振动器，若构件为长条型如柱梁，在侧模的一侧或两侧间隔设置振动器。毛面处理设计图纸指定某处需做毛面时，一般有以下方式：（1）在混凝土未完全凝结时用铁耙在构件表面平行拉毛，一般要求间距5cm左右，深度4~6mm。（2）待混凝土凝结后用铁钎人工凿毛，但需注意不可用力过猛以免造成裂缝损伤构件。（3）在钢模上涂抹缓凝剂（也称露骨剂），待脱模后用高压水枪冲掉涂剂露出骨料形成自然毛面。但需注意的是必须将涂剂冲刷干净无残留。养护（1）自然养护。有覆盖草帘浇水养护和覆盖塑料薄膜养护，按国家混凝土养护的规定操作。优点是成本低，缺点是设备周转利用率低。（2）蒸汽养护。预制构件厂为了满足工程进度需求和加快设备的周转，常采用蒸汽养护来缩短混凝土养护周期。常压下蒸汽恒温段以45~55度为宜，一般24小时后可达脱模强度。蒸汽养护需锅炉等配套设施，运作成本较高。

脱模预制构件达到混凝土抗压强度设计值的75%，且不小于15N/mm2时即可脱模。脱模分平法脱模、翻转脱模。（1）平法脱模。钢模台基固定不动，先拆卸侧模，平板构件采用四点脱模，长条构件采用二点脱模。由于平板构件与钢模台基的接触面积较大，有相当的吸附力作用，所以脱模时先起吊一端使一侧略离地释放吸附力，再起吊另一端使整体脱离。平法脱模的重心平衡是关键，脱模点应尽量按重心对称分布，起吊时为使各吊点受力均衡，常用滑轮来调整钢索长短。脱模用金属吊具的形式与规格应按强度计算结果取用，且吊点间距离也应满足计算要求，若间距过大会造成跨中正弯矩过大而产生裂缝，间距过小又会出现反弯矩同样容易产生裂缝。（2）翻转脱模。钢模台下安装有顶升设备，将平板类预制构件连同钢模翻身立起80度左右，再由构件侧端预埋的吊装金属件起吊脱模。这种脱模方式对构件不易造成损伤，但设备投入成本较高。质量检测（1）混凝土强度应按现行国家标准《混凝土强度检验评定标准》GBJ107的规定分批检验评定。（2）预埋连接件、插筋、孔洞等应应核对图纸全数检查，主要项目有：数量、规格、定位。（3）外观质量检查。主要内容有：饰面（石材面砖）、崩角、蜂窝、露筋、裂缝、门窗框、埋件松动。（4）外形尺寸检查。用钢直尺、直角尺、卷尺、吊锤等工具，核对图纸进行复核。修补和保护（1）对缺角、蜂窝等修补时，水泥砂浆应嵌入密实，且表面打磨平整；（2）面砖石材等饰面有沾污时须及时清洗，并糊上蜡纸等加以保护；（3）门窗框应做木套等加以保护；（4）预埋金属连接板的板面如有沾污应处理干净。螺母预埋件的螺纹孔应塞海绵棒防护、外露预埋螺纹杆应套塑料帽来保护螺纹。（5）对每块成品构件进行编号标识。装车运输预制混凝土构件出厂后运输至施工现场途中必须对构件采取专项防护措施避免因颠簸造成构件的损坏。运输方式是决定运输成本的很重要因素，只要能满足当地交通规则和不受施工场地限制尽量一运多载。构件的装车方式也需要进行专项方案讨论。构件的装车形式常有平躺式和竖立式。平躺式适用于大多数PC构件，途中不容易发生倾覆，但是构件下部支点的设置就比较重要，尤其对于预制楼板、墙板等扁平构件，支点距离较大时构件自重再加上路面颠簸产生的冲击荷载会对跨中产生较大弯矩，造成构件严重裂缝影响使用。同样，支点距离偏小时会因悬臂端过重使跨中产生较大反弯矩也造成裂缝等损坏。另有一点也需注意，谨慎采取二点以上支点的方式。除非有专门措施，否则很难保证每个支点同时受力，效果反而更差。所以在对预制构件进行配筋设计时必须考虑运输因素，并计算出最佳支点距离以指导运输方正确设置。（图略）为降低运输成本一般都会采用构件平躺叠加形式，支点与上下层构件的接触点必须设置减震措施，如垫橡胶块等，禁止硬碰硬方式。重叠不宜超过5层，且各层垫块必须在同一竖向位置。竖立式适用于PC构件较大且为不规则形状时，或高度不是很高的扁平PC构件可排列竖立。竖立式除了需注意超高限制外还要防止倾覆，必须制作专用钢排架，排架常有山形架和A字架。构件与排架之间须有限位措施并绑扎牢固，同时做好易碰部位的边角保护。也有时候，连同工厂堆置存放用的排架一起整体装车，待到施工现场也连同排架整体卸车，再将施工现场的空置排架运回构件工厂，如此循环反复使用。这么运作的好处在于省却了工厂与现场的PC构件装车和卸车环节，也避免了在此环节中构件碰撞破损。竖立式对于预制墙板、预制柱等竖向装配构件更方便施工现场直接吊运，省却了构件翻身环节。

堆置存放工厂存放为加快周转，PC构件脱模时一般只要求达到设计强度的75%即可脱模，在堆置场存放过程中缓慢达到100%设计强度。所以在构件还处于非标强度阶段时，若存放采取的措施不当，会造成构件弯曲裂缝等塑性变形而影响使用。存放注意点：（1）平置或竖置。由构件类型、堆场大小、排架形式、便于起吊等因素决定。（2）支点距离。需经计算确定。（3）平置叠放不宜过多，竖置须防止倾覆。现场存放施工现场存放受场地条件的影响较大，一般占地不小于600平方米，且根据施工进度分批运进PC构件。存放场地尽可能靠近施工点，以塔吊悬臂工作半径内为好。存放注意点：（1）场地须做硬化。有条件的话做混凝土地坪。若为土坪则需夯实后平行搁置长条枕木以防土坪不均匀沉降。（2）成品保护。饰面保护、边角保护、外伸钢筋和金属预埋件保护、窗框保护。（3）便于直拎吊装。构件堆置方式必须便于直接起吊装配，避免翻身。（4）平置叠放不宜过多，竖置须注意防止倾覆。现场施工PC施工与传统施工不同，PC施工强调预制构件精准定位，只有定位准确才能正确装配，才能使得施工顺利进行，才能保证建筑美观和结构安全。施工前应制定PC专项施工方案，包括塔吊选择、起吊器具、定位矫正工具、临时支撑固定件、吊装顺序、人员分派等。针对不同的构件如墙板、楼板、梁柱等，分别制定施工工序流程，对需重点把握的关键点进行充分的技术培训。PC专项施工方案中需特别注意：（1）塔吊的配置必须满足最远PC构件的荷重，并同时满足最重PC构件的荷重；（2）施工场地需满足运载最长PC构件的平板卡车转弯半径的要求；（3）PC构件卸载堆置场地尽量设置在施工吊装塔吊的有效操作半径内；PC的常规施工步骤：测量放线安装定位接驳件起吊入位初步就位校正微调紧固连接件镶嵌密封条排布支撑绑扎现浇部位钢筋固定现浇部位模板局部浇筑混凝土测量放线与定位标志测量放线的控制项目常以“3+1”的形式，即XYZ空间三向与垂直度。以预制外墙挂板为例，事先在PC墙板内侧弹出一米水平标高线（控制Z向）、板宽竖直中心线（控制X向），在施工层地面弹出板宽竖直中心线（控制X向）、内外进出边线（控制Y向）。垂直度大多用垂直靠尺紧贴初步就位后的PC墙板外侧墙面边检测边校正。定位接驳件定位接驳件多为成套组件，施工层楼面预埋相应的金属件与PC墙板预埋金属件配合使用。可作为校正调整后紧固连接，也可用于PC墙板安装时的限位作用。有些属于临时用，可拆卸反复使用。有些属于不可拆卸。起吊入位起吊后往往由于重心偏离，PC构件处于倾斜或高低肩状态，可用钢扁担再配备一个手拉葫芦来调节平衡。墙板下端两侧安装两根揽风绳，工人站在施工楼面边缘拉拽绳子将PC墙板慢慢对准入位。初步就位待PC墙板初步就位后安装定位接驳件，如底部角钢连接件、横向板板连接件、内侧斜撑杆等，此时可脱掉塔吊吊钩。校正微调（1）用水平仪测量PC墙板内侧的一米水平线，用底部顶撑来调整板块的绝对标高以及高低肩。（2）用垂直靠尺或线锤测量板块的垂直度，用内侧斜撑杆来调整倾斜。如有两根斜撑杆时，严禁一根在紧固状态下调动另一根，因为会使PC墙板内部产生应力造成损伤。（3）人站在5米外目测地面与PC墙板各自弹出的竖直中心线是否在一直线上，用撬棒或千斤顶来调整平行位移。（4）用硬尺测量PC墙板两侧端至地面弹出的内外进出边线的距离是否一致，用底部顶撑或撬棒来调整进出。紧固连接件待“3+1”校正调整完成后立刻紧固各处连接件，须循环均匀紧固。常会出现一端紧固时导致另一端走样的情况，所以在全部紧固之后还需再测量一遍定位。镶嵌密封条（1）对于半预制叠合墙板由于内侧还需现浇墙体，所以为防止跑浆，PC墙板间的接缝内侧必须先填堵，可用直径大于缝宽的泡沫圆棒镶嵌再填塞砂浆。待主体结构完成后，接缝外侧先塞泡沫棒作为背材，塞进深度按打胶要求的深度，然后再打密封胶做防水处理。（2）对于全预制墙板可在主体结构施工完成后进行接缝的内外侧处理，只是在装配墙板时必须在接缝内预先压紧空心密封条。接缝内侧必须填堵耐火材做防火处理，接缝外侧做法同半预制叠合板。排布支撑、绑扎钢筋、固定模板、浇筑混凝土PC墙板与现浇结合部的做法同传统现浇做法，可参见相关资料。

质量验收质量验收的项目有：模具允许偏差、预埋件和预留孔洞的允许偏差、钢筋成品允许偏差、饰面砖石材粘贴允许偏差、预埋窗框允许偏差、构件允许偏差、构件外观质量检测、吊装装配允许偏差、外伸钢筋锚固搭接、紧固件安装检测、接缝淋水检测。各项允许偏差值可参见相关的规程。工业化建筑虽然在国外已有数十年的发展经历，但在我国还处于刚起步阶段，相关的资料、文献和规范等还很不足。国外的经验和先进技术可以参考但不能不顾国情完全照搬，所以适用于我国的工业化建筑的设计、生产、施工等也是边实践边摸索。但是国家对工业化建筑的发展还是很关外墙密封胶图24接缝打胶预制构件装配式施工注的，也在陆续出台相关鼓励政策，国家住宅产业化促进中心也积极推广和促进这项事业的发展。可以看到有越来越多的企业和行业人士开始关注并投身参与。地方政府与高等院校、企业等联合成立研发中心或成立产业基地的事情也频频出现在报端。工业化建筑模式对传统模式是一种挑战也是发展的必然，百家争鸣是好事，可以随着成功或失败的经验积累而不断提高技术。但在这个过程中不能期望在国外经历数十年的历程到我们这里能一蹴而就。应该克服急功近利的心理，更不能认为实践了一两次就掌握了全部技术。建筑技术日新月异，我们要学的还很多，要以先投入慢回报的心态踏实做好基础工作，在不断、耐心地学习中精进成长。