预制构件深化设计技术研究及案例分析

  【摘 要】预制构件深化设计应在方案设计阶段和建设单位积极配合，根据建筑、结构、设备、装修等专业设计要求，结合构件生产和施工安装条件，采用标准化定型技术进行构件的拆分和节点设计，最终输出用构件装配施工图和构件加工图。深化设计过程中会对项目的设计方案从经济性、合理性、可实施性等方面进行多方案对比研究，采用三维设计软件和BIM技术等手段审核验证设计成果，保证深化图纸的准确性和可实施性。通过对几个典型项目案例分析，简要介绍预制建筑项目深化设计的特点和要求。

  关键词：预制构件 清水混凝土挂板  清水混凝土看台 产业化住宅构件

  1  前言

  预制建筑项目的设计重点是研究预制混凝土构件拆分方案和标准化定型，该工作涉及建筑、结构、水、暖、电气、设备以及装修等各个专业的协调，设计人员需要结合工程项目的内容、特点、要求等作相应的专题研究，通过建筑方案优化，采取三维协同设计技术，完成项目预制构件深化设计。

  结合四个深化设计项目的实施案例进行分析，案例涉及到公共建筑外墙挂板系统、体育建筑预制看台系统、居住建筑预制构件系统。

  2  清水混凝土外墙挂板建筑方案优化设计研究

  2.1案例一

  项目名称：软通动力研发楼

  项目信息：

  (1) 项目位于北京市海淀区中关村软件园；

  (2) 建筑高度为20.7m，地上5层地下2层；

  (3) 首层层高4.2m，二至五层层高3.9m；

  (4) 建筑平面为矩形布置，轴网间距8.4m，主体结构为钢筋混凝土框架剪力墙；

  (5) 外墙采用清水混凝土挂板系统。

图2-1软通动力研发楼外景

图2-2软通动力研发楼细部

  2.1.1外墙建筑方案比较

  此建筑外墙原设计方案拟采用石材幕墙系统，经过预制研究院和业主、设计协调，咨询方提出可采用预制混凝土外墙挂板系统方案，饰面为清水混凝土效果。两种方案优缺点比较结果详见表1。

  通过对两种幕墙方案优缺点比较，综合考虑外墙立面效果、墙身做法和性能、工程造价等方面的因素，业主和设计单位一致认同咨询方的预制外墙方案。

  2.1.2外墙挂板分块方案优化

  立面分格方案的优化有利于提高预制建筑项目的技术经济性和实施效果，所以外墙挂板立面分格方案优化研究很有必要。依据此项目立面造型特点我们对立面分格方案进行了对比研究。

  方案1见图2-3，以一个窗口为预制单元的分格方案。

  方案2见图2-4，以两个窗口为预制单元的分格方案。

  两个方案比较见表2，从立面效果、原方案设计改动量、结构埋件预留数量、生产效率和安装效率等五个方面，方案2优于方案1，优化方案得到了业主和设计方的一致认同。

  2.1.3外墙挂板建筑构造设计

  本项目建筑构造设计主要包括防水、防火、保温等，由于混凝土板厚度为230mm，外挂板自身的防水、防火性能优越，关键是做好接缝防水构造、节点防火和层间防火构造。

  (1)所有接缝防水构造采用材料防水和构造防水相结合的方式，外挂板水平缝防水构造是在外挂板上下口预留启口，外挂板安装完成后外侧填塞背衬材料并用建筑密封胶封闭，如图2-5(a)。

  (2) 挂板竖缝为“L”型接缝，具有构造防水特点，外层用填塞背衬材料并嵌固建筑密封胶封闭，如图2-5(b)。

  (3) 窗口周边做防水企口，窗框与挂板接缝用密封胶封闭，上口做滴水槽，下口做坡水设计，如图2-5(c)。

  (4)外挂板与现浇结构之间安装拼缝用岩棉保温板填塞，女儿墙处外挂板与现浇墙之间的安装间隙采用金属铝扣板压顶封闭，可有效解决朝天缝得防水问题。如图2-5(d)。

  (5) 外挂板水平接缝处于结构梁中间，所以水平接缝防火重点是做好层间防火，在外挂板与主体结构之间预留的50mm的施工安装缝内填塞岩棉并用弹性砂浆封闭接缝外口，这样兼顾保温和防火构造，如图2-5(b)。

  (6) 主体结构梁上下口均有挂板安装节点，作为防火的重点我们采用半湿法喷涂岩棉的方式将安装节点封闭。

  (7) 此项目外围护采用内保温构造做法，符合项目自身设计要求，所有内保温采用50mm厚自熄型挤塑聚苯板，配合外挂板与主体结构的间隙采用岩棉保温填缝形成完整的保温体系。

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  2.1.4外墙挂板连接构造设计

  混凝土外挂板的自重较大，在考虑地震设计工况的情况下，每块外挂板设两个牛腿支撑点，外挂板竖向荷载可通过结构挑出钢牛腿将自重传递给主体结构。水平荷载主要考虑外挂板自身重心偏移造成的水平力、水平地震效应和风荷载效应值的组合，每块外挂板设置了四个用于水平限位的拉压节点，用以承受平面外的荷载作用。当外挂板承受外力时节点能够自由滑动，较好满足挂板在温度或地震作用下产生的变位要求。经过设计优化和论证，外挂板节点连接构造设计如图2-6所示。

  由于该项目建筑平面尺寸较大，墙板均水平和竖向均采用企口接缝，外挂板的安装顺序非常关键，设计阶段应考虑挂板安装顺序，竖向要求从低到高逐层安装，水平应从四个角点向中间安装，经过反复研究和优化，制订平面安装动线如图2-7所示。

  2.2案例二

  项目名称：中建技术中心试验楼改扩建工程

  项目信息：

  (1) 项目位于北京市顺义区林河开发区；

  (2) 建筑高度为35.3m，地上7层，地下1层；首层层高5.1m，二层层高3.9m，三层层高5.7m，四至七层层高4.5m；

  (3) 建筑平面为矩形布置，轴网间距10m，主体结构为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构；

  (4) 外墙采用预制清水混凝土挂板系统。

  2.2.1方案比对

  该项目建筑方案的外饰面效果初期考虑石材和清水混凝土两种风格，项目方案建筑效果图见图2-7，经过调研和方案比较，业主最终确认采用清水混凝土实施方案。

  2.2.2外墙挂板分块方案优化

  建筑师确定的标准挂板尺寸为3.7米长，1.6米高。深化设计时发现立面分格线与主体结构的轴线、标高没有对应关系，带来一个问题是预制外墙挂板与主体结构的连接比较复杂，龙骨体系的布置与主体结构发生冲突，挂板型号与节点类型很多，给生产和安装带来诸多不便，造价较高。为此我们做了分块方案优化。

  水平方向调整分格方案，让板缝分割线和轴线建立定位关系,适当调整挂板的宽度尺寸；标高方向增设竖向龙骨，预制外墙挂板与钢龙骨或混凝土结构梁连接。调整后的立面细部见图2-7，细部效果可以较好满足建筑设计要求。

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  参考 《金属与石材幕墙工程技术规范》的设计方法进行预制混凝土挂板的龙骨系统设计，主龙骨受力以拉弯杆件设计，上下节点均按铰接连接设计，下端节点做成上下可滑移节点构造。挂板与龙骨、龙骨与主体结构的连接构造详见图2-8、图2-9。

  3  三维协同设计技术在预制建筑构件深化设计中应用

  3.1案例一

  项目名称：鄂尔多斯市体育中心体育场

  项目信息：

  (1) 项目位于内蒙古自治区鄂尔多斯市；

  (2) 结构类型：主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系；

  (3) 看台坐席数6万座，分低区、高区看台,其中所有看台采用清水混凝土预制看台系统。

  图3-1为鄂尔多斯市体育中心体育场效果图。

  3.1.1项目背景

  此项目工期短、难度大，从设计、施工到构件加工、现场装配都有难度，再加上设计院前期提供的图纸不是很完善，只能提供体育场整体模型如图3-2，尤其是二层看台现浇阶梯梁平面布置复杂，平面投影呈折线型布置，设计院结构专业没有定位图，提供的计算模型导出如图3-2作为参考，但不能作为指导深化设计的依据，所以此现浇阶梯型折线梁的空间定位设计是此项目进展的关键节点。这样导致预制看台的平面分块无法确定，与之相关联的工作不能往前推进，给深化设计带来很大阻碍。

  3.1.2结构模型校核

  现浇阶梯型折线梁空间定位设计最好的解决方案是采用三维协同设计，通过建立三维模型复核结构尺寸，准确定位折线梁的空间位置，之后请设计院设计师复核确认，作为今后设计、施工的重要依据。此步工作的重要性在于能够推动整个项目进展，减轻深化设计的经济成本和工期压力。

  深化设计前我院分别建立现浇主体结构模型和预制看台模型，将两个建好模型进行组合套图，查找预制看台系统和现浇主体结构有无相碰或不较圈的部位，该方法对于出入口等空间结构复杂的位置检查非常必要。

  图3-4为体育场现浇主体结构模型，图3-5为体育场预制看台模型，图3-6为组合模型。

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  3.2案例二

  项目名称：中粮万科长阳半岛5#地块

  项目信息：

  (1) 项目位于北京市长阳镇；

  (2) 结构类型：主体地下部分采用现浇钢筋

  混凝土剪力墙结构，地上部分采用预制混凝土装配整体式剪力墙结构；

  (3) 产业化楼建筑面积约9万平方米，最高楼栋建筑地上11层，建筑高度为31.9米。

  图3-10为中粮万科长阳半岛工业化住宅。

  3.2.1项目概

  此项目是住宅产业化项目，工业化预制率达到了61%，预制构件种类较多，有外墙、内墙、阳台、叠合、挑板、防火隔板、外挂板、楼梯、梯梁、女儿墙十种类型。

  该项目建筑设计采用了业内较为先进的设计理念如24小时新风负压系统、横向排烟系统等内装部品化集成技术，SI内装分离与线管集成技术等，这些设计手法对于深化设计而言将增加更多的工作量和难度，如何将这些复杂繁多的预留预埋在深化设计阶段完成是非常困难的事情，并且如何检验设计图纸是否准确也是一项重要工作，我们通过三维协同设计来完成这些艰巨的任务，首先建立每块预制构件的三维模型，让后将所有预制构件组建标准单元或典型楼栋的三维模型，这个过程相当于在虚拟环境下拼装建筑，用模型检查建筑构造和构建外形是否正确。

  该项目深化设计最大阻碍在于基础条件图纸不能在深化设计阶段提供，这样后期设计变更较多，加大了深化设计的工作量，也给图纸的准确性带来隐患，我们只能通过修改三维模型消化改动量，再由三维变为平面三视图完成变更。

  3.2.2深化设计

  依据该项目的特点，我们在做产业化预制构件深化设计时采取先做施工图集成设计研究，再做加工图拆分详图设计，将所有预留预埋、构件分块等内容在施工图中集中体现，综合考虑构件连接处的细部构造，再将每块构件从整体装配图中拆分出来。

  (1) 施工图集成设计最大的问题是水电、预留、洞口等集成，任何一项都要保证不能有交叉、碰撞、漏项的情况发生，并且每块构件都有自己的编号，它的空间位置关系，与相邻板块的连接构造都必须十分清晰，需要根据平面布置图(如图3-11)建立三维透视图校验(如图3-12)，对于楼梯间部位及室内典型部位也需要分别采用局部透视图校验。（如图3-13、图3-14）。

图3-11 平面布置图

  (2) 产业化预制构件加工图设计不但要求绘图人能够准确绘制出构件外形外，还要了解每种类型构件的加工成型工艺和预制构件装配方案，将加工技术要求在构件加工图中整体表达出来，设计深度必须满足构件现场生产要求，以下是几种典型预制构件三维模型。

  图3-14 为复合保温外墙板；图3-15 为预制内墙板；图3-16 为预制叠合阳台；图3-17 预制楼板叠合底板。

  4 结论

  预制建筑深化设计工作是保证项目实施的关键环节，该工作不但涉及建筑方案研究、各专业施工图配合等，还需要和预制公司和施工安装单位密切配合，充分研究项目实施过程的细节问题，做到预制建筑实施的技术经济性统一。

  深化设计人员应具备建筑和结构专业的系统培训，熟练应用各种绘图软件及三维协同设计等工具，掌握构件预制和施工安装的基本要领并取得预制建筑工程实施经验，才能使深化设计工作有序开展，从而保证预制项目的实施质量。

  预制建筑深化设计工作可由精通预制技术的专业公司完成，设计成果需得到工程设计单位的审核确认后方可实施。