摘 要：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在装配式建筑工程中的应用进行探讨，重点对材料选择、主体结构设计、连接节点设计进行了详细分析，并对该项目进行了评价。结果表明：本工程的总体装配率为76.3%，同时满足了《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》中的相关技术要求，项目评价结果为AA级装配式建筑；BIM技术的应用显著提升了项目的建设质量和综合管理水平。
关键词:部分包覆钢-混凝土组合框架结构;装配式建筑;装配率; BIM;
Application Analysis of PEC Structure System in Prefabricated Building Engineering
Tang Hong
Zhejiang Tianhe Architectural Design Co. ,Ltd.
Abstract：Taking the canteen reconstruction project of Huzhou No. 2 middle school as an example, this paper discusses the application of the partially clad steel-concrete composite frame structure system in the prefabricated building project, focusing on the detailed analysis of material selection, main structure design and connection node design, and evaluates the project. The results show that the overall assembly rate of the project is 76.3%, and it also meets the relevant technical requirements in the basic requirements for government procurement of green buildings and green building materials in Huzhou City(for Trial Implementation) and the evaluation standard for prefabricated buildings. The evaluation result of the project is AA level prefabricated buildings; The application of BIM Technology has significantly improved the construction quality and comprehensive management level of the project.
Keyword：partially clad steel-concrete composite frame structure; prefabricated buildings; assembly rate; BIM;
引言
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 PEC结构体系
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 d B，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 工程应用案例
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6153.76 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、1381.35 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100.7m2、1 517.42 m2、28.78 m2、60.53 m2、266.11 m2、24.6m2、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1 066.63m2、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。
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。
3 BIM技术应用
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。
4 结论
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。
[1] 段雷,王春瑞,李昱晓,等.型钢混凝土组合结构的梁柱节点施工质量控制[J].建筑技术,2022,53(8):1008-1010.
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