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神奇的建造技术—干式连接

    国家大力推广装配式建筑,但目前装配式建筑相比常规现浇方式普遍存在造价偏高、建造工期无明显减少、甚至由于操作工人不熟练或碰撞问题导致工期加长等情况.造成该现象的重要原因之一是预制构件安装现场存在大量湿作业,如节点连接处、叠合层、边缘构件等现浇施工、以及灌浆作业;另一方面原因是预制构件出筋导致生产不便,安装碰撞等问题.

 

    装配式建筑施工现场效果图

 

    有没有办法来改变这种状况呢?答案是肯定的,这就是本文将介绍的神奇的智造技术干式连接.先给大家看一段视频,让大家对干式连接技术有一定的感性认识.

 

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    "筑友家"乡村别墅·纯干法施工

 

    干式连接技术发展现状

 

    干式连接技术发展由来已久,在许多大型复杂公建项目中都有大显身手,最有代表性的项目有着名的悉尼歌剧院,最漂亮的帆船的外壳就是采用预制混凝土构件干式连接技术完成的.由建造者Hornibrook公司在工厂中制成了2400件预制肋骨和4000件屋顶面板,利用预制混凝土构件从而避免了建造昂贵的模具费用,并利用干式连接技术加快了工程的进度.

 

    悉尼歌剧院

 

    悉尼歌剧院施工现场

 

    苹果总部大楼也是采用预制混凝土材料,干式连接方式建造.

 

    苹果总部建筑效果图

 

    苹果总部施工现场

 

    除此之外,干式连接技术在许多普通建筑中都有大规模应用,如美国停车库、办公楼、医院、学校等.

 

    干式连接在世界建筑工业化发展悠久的国家都有大规模应用,我国一些高校也进行了一些干式连接技术的研究,但鲜有项目应用.

 

    干式连接技术原理

 

    这么多漂亮的建筑都应用干式连接技术,是不是它的技术比较复杂呢?其实,原理很简单,主要是应用预应力、钢结构的理论.

 

    为方便理解,先介绍两个概念:湿式连接和干式连接.所谓湿式连接就是预制构件之间的节点区域钢筋相互连接,然后现浇混凝土或灌浆材料将预制构件连为整体,以此达到节点等同现浇;干式连接就是预制构件之间采用预应力或型钢直接连接,无需再进行现浇或灌浆作业,该方式可实现承载力及刚度与现浇结构类似,但其延性及恢复力性能与现浇节点不同,设计方法与现浇有所区别.

 

    我国结构体系主要有两大类:剪力墙结构和框架结构.目前绝大多数项目都是应用灌浆套筒或浆锚搭接技术,并形成规范,而干式连接技术尚无明确的装配式规范.型钢连接包括螺栓连接、焊接,以及一些专利连接件.预应力连接则用预应力钢筋将构件之间连接.

 

    装配式框架结构中螺栓连接

 

    装配式剪力墙结构中螺栓连接

 

    (已纳入上海市装配式地方规范)

 

    装配式框架结构中预应力连接

 

    装配式剪力墙结构中预应力连接

 

    芬兰某公司框架柱专利连接件

 

    德国某公司墙板专利连接件

 

    在我国,大家很关心建筑物的抗震抗风性能、防水效果、建筑品质、建造成本,那采用干式连接的装配式建筑在这些方面表现如何呢?

 

    (1)抗震抗风性能.地震作用、风荷载等主要是作用于建筑上的水平力,装配式建筑的承载力性能主要体现在节点连接的受力性能.美国将干式连接划分为强、韧性、变形等三种形式,通常干式连接装配式建筑比现浇结构有更多的柔性,通俗的可以理解为,若将传统现浇结构比如为参天大树,那采用干式连接技术的装配式建筑就是竹子,竹子变形能力强,可在地震、风载作用下充分耗能,抗震抗风性能丝毫不比大树差,甚至优于大树,根据研究试验成果也是如此结论.2008年美国加州的圣地亚哥大学在美国国家科学基金会及预制预应力协会支持下完成了一个三层楼的振动台实验,整栋建筑采用全干式连接.实验结果很成功的,证明了采用干式连接在强震作用下的可靠性.

 

    干式连接抗震试验

 

    (2)防水效果.根据防水要求,可采取企口构造防水、灌浆防水、预应力防水、防水材料防水,也可采取多种方法相结合的多道防线来实现耐久性.用手工的木桶来说明干式技术的做法,预应力技术好比桶外围的铁箍筋,构件好比木片,通过收紧铁箍筋来达到防水目的,但仅此还不够,为实现长久防水,再在木桶涂刷桐油,这就类似于防水材料.

 

    木桶理论

 

    (3)建筑品质.建筑大师勒 柯布西耶提出房子像汽车制造一样工业化生产,这是我们一直追求的目标,现代机械制造工艺结合信息化管理技术,让建造房子走向批量、高效、高质,更为重要的是低碳环保、节约资源.干式连接就是装配式建筑实现这一目标的一条道路.房屋建造过程更多地在工厂内完成,在现场进行组装;甚至整座建筑根据客户需求,在工厂内菜单式的批量定制完成,然后运输至指定地点直接供应使用.

 

    由于装配式建筑工业化生产,质量更好,未来的装配式建筑趋向百年建筑甚至两百年建筑以及再生建筑发展.尽管装配式建筑批量生产,但建筑风格如同汽车一样可以个性化选择,并且室内布局还可以根据客户自身爱好而随意调整.未来,装配式建筑不再是冰冷死气,脆弱短寿,而是跟随客户的意愿更加多姿多彩,坚固耐用.

 

    像造汽车一样建造房子

 

    (4)建造成本.目前装配式建筑由于比现浇多一个工厂生产环节,由此带来的直接建造成本偏高,但若采用大跨度预应力技术,现场螺栓、焊接等干式连接,从材料节省、人工节省、工期缩短等方面,减低成本与现浇方式在成本方面一较高下成为可能.目前一些装配式建筑发展较早的国家如美国、德国、日本…等已成功发展出一套完整的设计、生产、施工的干式连接体系,在市场上能以质量及造价上,与其他建筑材料及建造方式自由竞争的格局.

 

    干式连接实施方案

 

    干式连接从原理上不难理解,但落实到项目中,还有许多需要解决的问题.如生产工艺、运输要求、安装流程等一系列具体操作方法.下面结合实际工程案例说明干式连接实施方案.

 

    (1)国内某市厂房改造住宅项目.保留原有框架结构的梁、板、柱,拆除砌体,改建外立面.若采用传统现浇方式,外墙与原有混凝土的梁柱连接困难且施工非常复杂,防水问题也难以解决.若采用干式连接技术,将能比较理想的解决该问题,同时造价也能控制在一定范围.

 

    工厂仅生产不出筋的混凝土板,平板标准构件,生产简单.现场通过混凝土构件预埋件与钢构件采用螺栓连接,再将组装好的盒式外挂墙板采用汽车吊整体吊装.将外墙的钢构件与框架柱提前植入的化学螺栓相连,全过程无湿作业,高效、简单.钢构件可调剂螺丝孔为安装提供了容错空间,降低了工人的安装要求.受力方面,螺栓连接安全可靠.防水方面,采用阳台外低内高构造措施,以及外墙与原有框架柱之间放置膨胀止水胶带,通过螺丝预施压力,达到了构造防水与材料止水双重保障.

 

    某厂房改造项目(改造前后对比)

 

    外墙实施方案

 

    外墙连接与防水方案

 

    (2)国外某立体停车库项目.框架结构, 采用牛腿通高预制柱、倒T型预制梁,梁柱采用铰接形式角钢固定.楼板和墙板采用预应力空心板,与梁柱螺栓连接或焊接.核心筒采用预制剪力墙板,上下层之间采用螺栓连接.由于采用全干式连接,上下层可同时进行安装,也可穿插作业进行装修.

 

    梁板柱连接方案

 

    核心筒连接大样

 

    穿插作业

 

    总结

 

    干式连接技术在国外装配式建筑发展较好的国家大量应用,但目前在我国应用案例极少,究其原因主要是理论研究和实践经验欠缺.相比传统现浇结构,以及基于"等同现浇"理论的现有装配式技术,干式连接技术具有生产、安装效率更快,抗震防水效果优秀,成本更具竞争力的优势.

 

    随着国内高等院校的研究深入,我国干式连接技术必将迎来美好的未来.

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