鋼—混凝土—磷石膏綠色裝配式建筑設(shè)計應(yīng)用

陳 海

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001)

國務(wù)院總理李克強2016年9月14日主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，提出大力發(fā)展裝配式建筑，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，以京津冀、長三角、珠三角城市群和常住人口超過300萬的其他城市為重點，加快提高裝配式建筑占新建建筑面積的比例。

2018年8月21日為貫徹省委、省政府“以渣定產(chǎn)”的重要部署，根據(jù)《省人民政府關(guān)于加快磷石膏資源綜合利用的意見》，省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳等七部門制定了《貴州省磷石膏建材推廣應(yīng)用工作方案》，傳達(dá)到了各市、自治州人民政府、各縣人民政府，省政府各部門、各直屬機構(gòu)。

結(jié)合國家裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)政策和貴州省的磷石膏綠色建材大力推廣的產(chǎn)業(yè)政策，有機融合了鋼—混凝土—磷石膏的物理特性，我們創(chuàng)新了一種新型的裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式。

在闡述這種裝配式結(jié)構(gòu)體系前有必要先將磷石膏的物理特點及我省的磷石膏作為建材產(chǎn)品的性能作一個初步的介紹和闡述：

磷石膏是指在磷酸生產(chǎn)過程中，當(dāng)用硫酸來處理磷礦時產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物，它的主要成分為二水硫酸鈣，并含有少量的磷礦、磷酸、氟化物以及鉀、鈉等成分。我國的磷石膏年約有7 500萬t的產(chǎn)量，具有40%左右綜合利用率，綜合利用成本高，如果大量磷石膏長期堆存，不僅占用土地，而且會帶來較大的環(huán)境安全隱患。2018年，貴州省對磷石膏提出“以渣定產(chǎn)”的政策，貴州磷化(集團(tuán))有限責(zé)任公司，在磷石膏綜合利用上將磷石膏固體廢料資源化、產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)水洗凈化處理和高溫改性，得到優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)的輕質(zhì)、防火、保溫、隔熱、隔聲、環(huán)保的磷石膏建材產(chǎn)品。

這種裝配式結(jié)構(gòu)體系的特點和與磷石膏有機結(jié)合的案例如圖1所示。

1)此體系是豎向承重體系與抗側(cè)力體系相分離的新型裝配式板柱鋼結(jié)構(gòu)體系，梁端采用鉸接連接，只承受豎向重力荷載，便于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計;水平抗側(cè)力體系采用鋼支撐和混凝土核心筒，實現(xiàn)了豎向承重體系和水平抗側(cè)力體系分離。

2)采用與墻板一體化的鋼管混凝土聯(lián)肢柱，提高了鋼柱抗側(cè)能力，避免了鋼柱外露，又解決了鋼結(jié)構(gòu)防火防腐的難題，現(xiàn)場施工三層一個模塊，施工速度快。采用預(yù)制疊合密肋樓板，增加了樓層凈空高度，提升了樓蓋剛度和使用舒適度，并解決了建筑中鋼梁外露的難題。

3)基于鋼管柱、H型鋼梁、鋼管支撐等鋼結(jié)構(gòu)體系，綜合考慮混凝土墻連接構(gòu)造及施工技術(shù)，研發(fā)出結(jié)構(gòu)受力、外墻保溫、內(nèi)墻裝飾一體化磷石膏圍護(hù)墻板，既解決了外掛板與鋼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的問題，又解決了鋼構(gòu)件冷橋問題。

4)基于剛性、半剛性及鉸接節(jié)點連接構(gòu)造，研發(fā)出連接剛度可調(diào)的且可快速裝配的梁柱連接節(jié)點，避免了現(xiàn)場全熔透焊接作業(yè)，加快現(xiàn)場連接的速度，提高了連接質(zhì)量。

5)形成了鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合圍護(hù)材料即磷石膏、混凝土相結(jié)合的整體部品模塊，控制了鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作、安裝偏差小，形成了綠色裝配式建筑部品制造、安裝工藝。

這種鋼—混凝土—磷石膏形成的裝配式建筑同時需要如下生產(chǎn)工藝：

1)鋼梁支撐復(fù)合墻板生產(chǎn)工藝，先進(jìn)行外葉生產(chǎn)即外框模板的制作和鋪設(shè)磷石膏保溫板，放置鋼梁和鋼支撐，然后在鋼梁和鋼支撐之間放置填充砌塊，最后綁扎鋼筋、澆筑混凝土、進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)后，拆除模具后形成鋼梁支撐磷石膏復(fù)合墻板。

2)鋼管柱復(fù)合墻板生產(chǎn)工藝，先進(jìn)行構(gòu)件外葉生產(chǎn)即外模板的制作，然后放置鋼柱，在鋼柱間放置磷石膏填充砌塊，進(jìn)行混凝土澆筑即內(nèi)葉生產(chǎn)，最后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。

3)疊合密肋樓板生產(chǎn)工藝，首先進(jìn)行模具組裝，然后進(jìn)行鋼筋綁扎，最后是混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)，預(yù)制構(gòu)件拆模后形成疊合密肋樓板。

這種鋼—混凝土—磷石膏形成的裝配式建筑的安裝步驟有：

1)鋼管柱復(fù)合墻板安裝工藝，首先要進(jìn)行的是鋼柱復(fù)合墻板吊裝，垂直安裝采用預(yù)埋的螺栓孔進(jìn)行鋼柱固定，安裝就位形成這種裝配式結(jié)構(gòu)的垂直結(jié)構(gòu)體系。

2)鋼梁支撐復(fù)合墻板安裝工藝，首先是在已經(jīng)固定了的鋼管柱復(fù)合墻板間進(jìn)行外墻板吊裝和墻板固定，然后進(jìn)行墻板勾縫，最后形成建筑外墻板的圍護(hù)體系。

3)疊合密肋樓板的安裝工藝，先在預(yù)制的鋼梁上進(jìn)行疊合樓板的吊裝，然后進(jìn)行鋼筋綁扎放置磷石膏填充塊，并進(jìn)行混凝土澆筑形成疊合密肋樓板的水平體系。

該建筑的用材情況以一個高66.9 m，地上22層，地下2層，10 850 m2板式住宅綠色建材用料估算：

鋼結(jié)構(gòu)含鋼量為：76 kg/m2,鋼筋含量為42 kg/m2,總體含鋼量為118 kg/m2，總體鋼結(jié)構(gòu)用鋼量為800 t,磷石膏填充砌塊用量約為100 kg/m2，磷石膏填充砌塊用量約為1 085 t。

PC單位成本增(減)量由以下4部分組成：

1)主材成本增量。2)輔材及PC吊裝成本增量。3)施工措施成本增量。4)模板施工人工及材料成本減少。

以上海某項目為例，據(jù)統(tǒng)計計算得出PC單位成本增量為：

(主材成本增量+輔材及PC吊裝成本增量+施工措施費增量)-模板人工及材料減少。

(164.9+111.75+61.02)-29.7=307.97元/m2。

本數(shù)據(jù)直接來源于施工企業(yè)，具有參考價值。

成本增量分析見圖2。

以上海地區(qū)預(yù)制裝配率與單位成本增量的關(guān)系可知:

1)成本增量隨預(yù)制率的提高而逐漸增加；

2)目前上海常見預(yù)制率(15%～25%)情況下的成本增量約為300元/m2～400元/m2；

3)預(yù)制率超過30%以后預(yù)制構(gòu)件主要為內(nèi)部構(gòu)件(如內(nèi)墻、疊合樓板等)，綜合單價比降低，成本增量曲線變緩。

通過上面的敘述我們可以看到，鋼結(jié)構(gòu)、磷石膏、混凝土三種材料能有效融合，有效解決了鋼結(jié)構(gòu)防腐、防火難題，也解決了三種材料線性膨脹差異造成外墻裂縫滲水問題，而且保溫隔熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，且綠色環(huán)保節(jié)能，現(xiàn)場每次拼裝2層～3層，加快了施工進(jìn)度，并能到達(dá)現(xiàn)場綠色環(huán)保施工。建筑空間可靈活分隔，可按客戶要求個性化定制，制作加工可實現(xiàn)游牧式生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場加工部分PC板，解決了PC板運輸難題。