PEC,结构体系在装配式建筑工程中的应用分析

唐 宏

（浙江天和建筑设计有限公司，浙江 湖州 313000）

2016 年国家提出大力推广装配式建筑，推动建筑产业结构调整升级，在国家政策的大力支持下，近年来，装配式建筑得到快速发展[1]。钢- 混凝土组合结构在装配式建筑中的应用与发展得到广泛关注和认可，兼具钢结构和混凝土结构体系的优点。目前市场上比较常用的钢- 混凝土组合结构包括钢管束组合结构体系、部分包覆钢- 混凝土组合结构体系、捷约预制装配框架系统、型钢混凝土结构体系等[2]，其中，部分包覆钢- 混凝土组合结构体系具有刚度更大、承载力更高、防火性能更好等诸多优点，而且柱子翼缘比较窄，增大了建筑的使用面积，在近些年来得到更广泛的关注和应用[3]。以湖州市第二中学的食堂重建工程为例，对部分包覆钢- 混凝土组合结构体系在装配式建筑工程中的应用进行了深入分析，以期能为部分包覆钢- 混凝土组合结构的推广应用提供借鉴。

1.1 PEC 结构体系介绍

部分包覆钢- 混凝土组合结构（Partially Encased Composite structures of steel and concrete，简称PEC）最早诞生于20 世纪80 年代的欧洲地区，其主要思想是在H 型钢腔体内焊接钢筋或扁钢，然后再在H 型钢开口截面轮廓中（工字钢腹腔内）预制浇筑对应强度等级的混凝土，从而形成一种新型的钢- 混混凝土组合构件体系[4-5]。

1.2 PEC 结构技术优势

与常规装配式结构相比，PEC 结构具有如下技术优势：（1） 解决了装配式结构可靠性问题，具体表现在：栓焊连接，节点可靠；
钢混组合，抗震优越；
工艺成熟，质控简单。（2） 解决了钢结构的耐火问题，具体表现在：混凝土包覆，钢混组合；
免刷防火涂料，抗火3h 以上；
永久抗火，避免二次装修涂刷。（3） 解决了钢结构的防腐问题，具体表现在：混凝土包覆，永久防腐；
免刷防腐涂料，避免二次涂刷；
结构防腐同主体结构（＞70 年）。（4） 解决了钢结构建筑的隔音降噪问题，具体表现在：钢混组合结构，隔音优越；
解决纯钢梁隔音填充的“音桥”问题；
隔墙隔音性能提升10 dB，相比纯钢梁隔音效果提升约30%。（5） 解决了钢结构楼面震颤问题，具体表现在：相比纯钢结构，刚度提升50%以上；
楼面刚度与传统混凝土结构保持一致；
解决钢梁楼面的刚度偏弱的震颤感。（6） 缩短了施工工期，全面提升了装配式建筑的施工效率，减少了噪音污染和建筑垃圾的产生，同时还有效降低了工程造价。

2.1 工程概况

湖州市第二中学的食堂重建工程共四层，分别为地上三层，地下一层，建筑占地面积为2 391.16 m2，实际总建筑面积8 196.64 m2，地上建筑面积6 153.76 m2，地下室建筑面积2 042.88 m2，结构高度整体为17.3 m。工程采用部分包覆钢- 混凝土组合框架结构体系，其中楼面采用叠合楼板、钢筋桁架叠合板，卫生间采用钢筋桁架楼承板，屋面采用钢筋桁架叠合板，设计使用年限为50 年，抗震设防类别为重点（乙类），工程抗震设防烈度为6 度，主体结构抗震等级为三级。

2.2 装配结构设计

2.2.1 材料选择

基础垫层混凝土为C15，砌体隔墙中的构造柱、过梁、圈梁或腰梁和设备基础混凝土为C25，承台、地梁、底板混凝土为C30；
钢筋采用HPB300 和HRB400，框架柱、框架梁、次梁及以上构件相应节点处加劲板及连接板等采用Q355B，锚栓、楼梯花纹钢板、角钢、槽钢采用Q235；
地下部分填充墙采用混凝土多孔砖，地上部分外墙采用200 厚(B07 级,A5.0)陶粒加气混凝土砌块,内墙采用200(100)厚(B06 级,A3.5)ALC 轻质隔墙板。

2.2.2 主体结构设计

（1） 建筑二层主要包括预制楼梯、叠合楼板、钢筋桁架楼承板、预制钢梁、现浇梁、后浇带、现浇板、雨棚等多种结构，水平投影面积分别为187.83 m2、1 381.35 m2、56.4 m2、252.48 m2、26.91 m2、35.13 m2、58.32 m2和66.25 m2；
（2） 建筑三层主要包括预制楼梯、钢筋桁架叠合板、钢筋桁架楼承板、现浇板、预制钢梁、现浇梁等结构，水平投影面积分别为100.7 m2、1 517.42 m2、28.78 m2、60.53 m2、266.11 m2、24.6 m2、40.71 m2；
（3） 13.500 标高层主要结构包括预制楼梯、钢筋桁架叠合楼板、预制钢梁、现浇梁、现浇板和后浇带，水平投影面积分别为33.94 m2、577.47 m2、135.33 m2、24.6 m2、64.35 m2、7.62 m2；
（4） 屋面层主要包括、钢筋桁架叠合楼板、预制钢梁、现浇梁、现浇板、后浇带等结构，水平投影面积分别为1 066.63 m2、280.79 m2、28.6 m2、38.08 m2、66.01 m2。

2.2.3 连接节点设计

装配式建筑预制节点设计应保证被连接钢筋的连续性，结构构造易于传递拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩，传力路线简捷、清晰；
装配整体式混凝土结构中，节点及接缝处的纵向钢筋连接宜根据接头受力、施工工艺等要求选用盲孔灌浆连接、机械连接、焊接连接、绑扎连接等连接方式，预制构件坚向受力钢筋的连接，宜优先选用套筒灌浆连接接头；
异形构件深化设计时应考虑临时加固措施及生产、吊装、运输等要求，构件内凹角处增加附加钢筋以增强构件抗裂性能。装配式建筑的构件节点较多，但主要分为以下四类：钢筋桁架楼承板节点、叠合板节点、梁柱节点和预制楼梯节点。各种节点的部分设计示意见图1。

图1 部分连接节点设计示意

2.3 装配建筑评价

根据《湖州市绿色建筑和绿色建材政府采购基本要求（试行）》2021-02 规定：医院、学校、办公楼、综合体、保障性公租房及人才房应采用混凝土结构或钢结构装配率不低于50%。另外根据浙江省住建厅批准《装配式建筑评价标准（DB33/T1165-2019）中相关规定：公共建筑的装配率不低于60%，居住建筑的装配率不低于50%。因此，对装配置建筑评价，首先要计算建筑的整体装配率，装配率的计算公式为

式中：P 表示建筑的整体装配率；
Q1表示主体结构指标实际评价分值，Q2表示围护墙和内隔墙指标实际评价分值；
Q3表示装修和设备管线指标实际评价分值；
Q4表示评价项目中缺少的评价项分值总和。

根据主体结构设计指标，可分别计算得到梁、板、楼梯、阳台、空调板等构件中预制部件的应用比例（q1b）、内隔墙中非砌筑墙体的应用比例（q2c）、集成卫生间干式工法应用比例（q3c）、围护墙采用墙体与保温隔热一体化的应用比例（q2bc），对应的比值分别为95.02%、50.4%、83.01%和69.18%，根据装配置建筑评分规则，对应的得分分别为20、5、4.9 和2.4。另外，本项目内墙均采用管线、装修一体化设计，应用比例达到100%，故得分为5。本项目为装配式钢结构建筑，采用部分包覆钢——混凝土组合框架结构体系，采用全装修模式，水平向布置管线与楼板和湿作业楼面垫层分离，故项目并无缺少项，即Q4=0。

通过上述分析，对本项目装配式建筑的装配率进行计算，结果显示：本项目主体结构（Q1）得分为50，围护墙和内隔墙指标（Q2）得分为12.4，装修和设备管线（Q3）得分为13.9，故根据式（1）计算得到的本项目装配率为76.3%，经评定，本项目满足《湖州市绿色建筑和绿色建材政府采购基本要求（试行）》与《装配式建筑评价标准》。综上：该项目评价为AA 级装配式建筑。

本项目在设计过程中，充分运用了BIM技术，发挥BIM 技术的三维可视性、优化性、模拟性、协调性等优势。项目基于Autodesk Revit 软件中的Dynamo可视化编程平台，通过Dynamo 的设置固定代码，自动计算出预制率，提高工作效率，同时能够直观、高效、全面地展示管线综合与洞口预留预埋情况。通过BIM还能实现PC 构件深化，过程更新与实时查看构件安装情况，实时沟通协调与线上填写质量验收报告。BIM结构三维模型示意见图2。

图2 结构三维模型示意

本文对PEC 结构体系在装配式建筑工程中的应用进行了探索和分析，得出如下结论：

（1） PEC 结构相较于传统钢结构，结构可靠性、耐火性、耐腐蚀性、隔音降噪性更好，刚度更大，震颤感更弱，同时明显缩短了施工工期，提高了施工效率，降低了工程造价。

（2） 以湖州市第二中学的食堂重建工程为例，对部分包覆钢- 混凝土组合框架结构体系的材料选择、主体结构设计、连接节点设计等进行详细分析。

（3） 工程案例的总体装配率为76.3%，满足相关标准要求，评价结果为AA 级装配式建筑。

（4） 本工程在设计过程中采用了BIM 技术，实现了构件的标准化设计、减小了设计误差，优化了工程量，提高了项目的建设质量和综合管理水平。