·40· 福 建 建 筑 2023 年

表2 混合結(jié)構(gòu)以上房屋占比與農(nóng)村住宅質(zhì)量對應(yīng)表

混合結(jié)構(gòu)以上

房屋占比(%)

0 ~25 25 ~50 50 ~75 75 ~100

農(nóng)村住宅質(zhì)量 差 中等 良好 優(yōu)秀

注:混合結(jié)構(gòu)以上指結(jié)構(gòu)形式為混合結(jié)構(gòu)及其以上(如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、

磚混結(jié)構(gòu))的房屋建筑[2]

。

根據(jù)我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的城鄉(xiāng)建設(shè)年鑒,

對各省份混合結(jié)構(gòu)以上房屋占比進(jìn)行計算,得到不同省

份的農(nóng)村住宅質(zhì)量。 同時,對不同省份農(nóng)村居民年純收

入進(jìn)行區(qū)間劃分,得到不同年純收入?yún)^(qū)間省份的住宅質(zhì)

量分布情況。 對 2007 年的農(nóng)村住宅質(zhì)量和居民年純收

入進(jìn)行分類和計算,計算結(jié)果如圖 2 所示。 農(nóng)村居民年

純收入 <3500 元的省份中,25% 的省份農(nóng)村住宅質(zhì)量為

差,住宅質(zhì)量為中等和良好的省份均為 37. 5%,同時,沒

有住宅質(zhì)量為優(yōu)秀的省份;農(nóng)村居民年純收入位于 3500

元 ~5000 元的省份中,僅有 6. 7% 的省份農(nóng)村住宅質(zhì)量

為差,住宅質(zhì)量為中等、良好和優(yōu)秀的省份各占 13. 3%、

73. 3%、6. 7%。 與農(nóng)村居民年純收入 <3500 元的省份相

比,住宅質(zhì)量為良好和優(yōu)秀的比例顯著上升;農(nóng)村居民年

純收入 > 5000 元的省份住宅質(zhì)量較高,均為良好或優(yōu)

秀,占比分別為 85. 7%、14. 3%。 與年純收入位于 3500

元 ~5000 元的省份相比,住宅質(zhì)量仍然呈現(xiàn)上升趨勢。

2007 年,農(nóng)村居民純收入 > 5000 元的地區(qū)包括北京、上

海、天津、浙江等 7 個省市,該 7 個省市的平均農(nóng)村居民

純收入為 7768 元。 以 2007 年的數(shù)據(jù)為例,5000 元可作

為民居質(zhì)量保證資金,因此,當(dāng)民居資金為農(nóng)村居民純收

入的64%時,其住宅質(zhì)量可以得到保證,結(jié)構(gòu)類型以混

合結(jié)構(gòu)為主。

為進(jìn)一步驗證農(nóng)村居民收入水平和住宅質(zhì)量之間

的關(guān)系,本文對2012 年的農(nóng)村住宅質(zhì)量和居民年純收入

進(jìn)行分類和計算。 隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村居民的純

收入不斷上漲,2012 年所有省份的農(nóng)村居民純收入均已

超過3500 元。 同時,我國農(nóng)村住宅的質(zhì)量也在不斷上

升,2012 年僅有寧夏的混合結(jié)構(gòu)以上房屋占比沒有超過

25%。 為了更好的反映農(nóng)村居民純收入與農(nóng)村住宅質(zhì)量

之間的關(guān)系,對2012 年的農(nóng)村居民純收入重新劃分分類

區(qū)間,計算結(jié)果如圖3 所示,僅有農(nóng)村居民純收入 <7000

元的地區(qū)仍存在住宅質(zhì)量為差的省份,且不存在質(zhì)量為

優(yōu)秀的省份;年收入位于7000 元 ~9500 元和 >9500 元的

地區(qū)的住宅質(zhì)量達(dá)良好及以上等級的比例,分別為

78. 6%和100%。 這表明,農(nóng)村住宅的整體質(zhì)量與當(dāng)?shù)氐?/p>

經(jīng)濟(jì)呈正相關(guān)的關(guān)系。 2012 年,農(nóng)村居民純收入 > 9500

元的省份包括北京、福建、廣東、江蘇等 7 個省市,該 7 個

省市的平均農(nóng)村居民純收入為 13 525 元。 依據(jù) 2012 年

的數(shù)據(jù),9500 元可作為民居質(zhì)量保證資金,因此,當(dāng)民居

資金為農(nóng)村居民純收入的 70%時,其住宅質(zhì)量可以得到

保證,結(jié)構(gòu)類型可靠,具備一定的抗震能力和安全性。

圖2 2007 年不同農(nóng)村居民人均純收入省份的民居質(zhì)量

圖3 2012 年不同農(nóng)村居民人均純收入省份的民居質(zhì)量

2 農(nóng)村住宅的安全性

本文通過對各地區(qū)有關(guān)鄉(xiāng)村住宅安全性的文獻(xiàn)進(jìn)

行調(diào)研,對農(nóng)村住宅的安全性問題,進(jìn)行分類整理,將農(nóng)

村住宅的安全性問題分為全國農(nóng)村住宅的共性問題和局

部地區(qū)農(nóng)村住宅的兩類個性化問題。

2. 1 全國農(nóng)村住宅的共性問題

我國農(nóng)村住宅由于長期處于村民自建,建造方式混

亂,在安全性方面存在大量的普遍性問題。 共性問題如

表3 所示,包括住宅設(shè)計和施工質(zhì)量兩個方面。

表3 全國農(nóng)村住宅的共性問題

類別 共性問題

住宅設(shè)計

未經(jīng)正規(guī)設(shè)計;

墻體開洞過大;

場地選址不合理;

缺乏有效的構(gòu)造措施;

房屋布局不合理。

施工質(zhì)量

建筑材料質(zhì)量不合格;

節(jié)點連接薄弱;

基礎(chǔ)施工不當(dāng);

衛(wèi)生間、屋面滲漏;

房屋表面風(fēng)化。

2023 年08 期 總第302 期 李垂帥,唐貞云,高曉明,等·農(nóng)村住宅安全性現(xiàn)狀及加固方法探究 ·41·

2. 1. 1 住宅設(shè)計

(1)未經(jīng)正規(guī)設(shè)計

對于城鎮(zhèn)住宅,住宅在建造前,通常進(jìn)行相應(yīng)的地

質(zhì)勘探,掌握相關(guān)的地質(zhì)勘探資料,并由專業(yè)的設(shè)計師對

住宅進(jìn)行專業(yè)設(shè)計,再由施工單位、監(jiān)理單位等進(jìn)行施工

建造。 但是對于農(nóng)村住宅,大多數(shù)農(nóng)村住宅都是自行建

造,或施工隊根據(jù)經(jīng)驗建造,同時也沒有相關(guān)的地質(zhì)勘探

資料和設(shè)計圖紙。 部分學(xué)者調(diào)研發(fā)現(xiàn),湖北地區(qū)[13]

98%

的住宅由工匠設(shè)計,2% 的住宅由村民自行設(shè)計,幾乎沒

有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計的房屋;四川省[14]

76%的農(nóng)村住宅無設(shè)

計資料;寧波地區(qū)[15]

64%的農(nóng)房沒有設(shè)計圖紙。 這導(dǎo)致

了農(nóng)村住宅在源頭上存在嚴(yán)重的安全隱患,建成的房屋

缺乏抗震安全性的保障。 2005 年江西九江地震震害結(jié)

果表明,經(jīng)正規(guī)設(shè)計施工的住宅、辦公樓和學(xué)校建筑等磚

混結(jié)構(gòu)房屋,在地震中無一例倒塌[16]

,由此可見對住宅

進(jìn)行正規(guī)設(shè)計的重要性。

(2)墻體開洞過大

農(nóng)村住宅為了增加采光面積,前縱墻門窗開洞面積

普遍較大,部分地區(qū)農(nóng)村住宅的前縱墻開洞面積,甚至占

前縱墻總面積的60%以上[5]

。 而后縱墻幾乎不開門窗,

導(dǎo)致房屋前后剛度的差異。 結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心

不一致,會導(dǎo)致房屋在地震作用下發(fā)生平面扭轉(zhuǎn),加重震

害[3]

。 另外,部分地區(qū)的居民抗震意識淡薄,為方便日常

生活,在承重墻體上隨意開設(shè)通道,并表示不會封堵洞口

來補(bǔ)充墻體[17]

。

(3)場地選址不合理

農(nóng)村住宅的選址,在一定程度上決定了未來建成的

農(nóng)村住宅的安全性,但是,部分山區(qū)和河流邊緣地區(qū)的農(nóng)

村住宅選址存在一定的問題。 對于山嶺地區(qū),普遍存在

農(nóng)村住宅建在半山腰、山頂、比較平坦的山坡或者緊鄰山

崖的現(xiàn)象,其原因是居民為方便耕種農(nóng)作物[18]

,抗震意

識淡薄,不了解本地的地震活動情況和地基工程地質(zhì)情

況。 對于河流邊緣地區(qū),河流會影響邊緣地區(qū)農(nóng)村住宅

的地基,這種軟土地基在地震時可能會發(fā)生不均勻沉降,

造成房屋傾斜、倒塌[17]

,嚴(yán)重影響農(nóng)村住宅的安全性。

部分地區(qū)的民居選址情況如表 4 所示,陜西省和漢中地

區(qū)分布在有利地段的住宅均未超過 40%,需要引起足夠

的重視,對已建或擬建在不利位置的住宅采取相應(yīng)的

措施。

表4 部分地區(qū)的民居選址分布

調(diào)研地點 調(diào)研數(shù)量

民居選址

有利地段 不利地段 危險地段

陜西省[19] 1350 28. 63% 46. 62% 24. 75%

漢中地區(qū)[20] 833 36. 63% 36. 95% 26. 53%

(4)缺乏有效的構(gòu)造措施

圈梁、構(gòu)造柱,是為了提高房屋整體性、減輕房屋的

破壞程度的重要構(gòu)造措施,設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁能夠大幅

提高磚混、磚木房屋的變形能力和抗震性能,試驗表明圈

梁、構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施是影響墻體抗剪能力的重要

因素。 但是由于農(nóng)村住宅建造年代較早,沒有經(jīng)過專業(yè)

設(shè)計,施工人員和住戶抗震意識淡薄等原因,農(nóng)村住宅不

設(shè)圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施的現(xiàn)象普遍存在,導(dǎo)致房屋整

體性的下降。 農(nóng)村住宅的門窗洞口處不設(shè)過梁的現(xiàn)象也

經(jīng)常存在,導(dǎo)致房屋傳力的不合理,在地震作用下極易發(fā)

生破壞,降低了農(nóng)村住宅的安全性。 部分地區(qū)的構(gòu)造措

施設(shè)置情況如表5 所示,陜西省、西南地區(qū)和漢中地區(qū)構(gòu)

造措施設(shè)置齊全的比例均未超過 30%,且西南地區(qū)和常

德市無任何構(gòu)造措施的房屋均超過了 50%。 由此可見,

農(nóng)村地區(qū)圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置情況仍然較差。

表5 部分地區(qū)的構(gòu)造措施設(shè)置情況

調(diào)研地點 調(diào)研數(shù)量

構(gòu)造措施(%)

設(shè)置齊全 設(shè)置部分 無任何措施

陜西省[19] 1350 26 44 30

西南地區(qū)[21] 199 30 17 53

漢中地區(qū)[20] 833 22 44 34

湖南省常德市[22] 515 - - 54

(5)房屋布局不合理

農(nóng)村住宅普遍存在開間較大的問題。 大開間會

讓房屋在縱向上抗側(cè)剛度差異變大,屋蓋面內(nèi)剛度

小,整體性變差。 對于多層住宅,其樓梯經(jīng)常布置在

房屋的端部,導(dǎo)致房屋的平面剛度偏心,在地震時易

發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞;另外,多層住宅的設(shè)計存在平立面凹

凸曲折的問題,如片面追求立面效果,豎向布置采用

底層收進(jìn),上面挑出的立面形式,形成外推墻結(jié)構(gòu),將

造成墻體不連續(xù),頭重腳輕,上下層剛度和質(zhì)量變化

大。 湖北省民居的不規(guī)則性統(tǒng)計如圖 4 所示,平面凹

凸、門窗過大和 2 層挑出等布局問題的占比均超

過 50% 。

圖 4 湖北省不規(guī)則性統(tǒng)計[13]

·42· 福 建 建 筑 2023 年

為了解鄉(xiāng)村住宅建設(shè)現(xiàn)狀,確定共性問題的占

比,本文對各地區(qū)鄉(xiāng)村住宅安全性文獻(xiàn)進(jìn)行了廣泛調(diào)

研,調(diào)研結(jié)果如圖 5 所示。 71% 的文獻(xiàn)在調(diào)研過程

中,發(fā)現(xiàn)農(nóng)村住宅未經(jīng)正規(guī)設(shè)計,36% 的文獻(xiàn)提及農(nóng)

村住宅的墻體開洞面積不合理,45% 的文獻(xiàn)在住宅選

址上存在問題,68% 的文獻(xiàn)均對鄉(xiāng)村住宅缺乏設(shè)置圈

梁、構(gòu)造柱的問題進(jìn)行了描述,50% 的文獻(xiàn)存在開間

尺寸設(shè)置、樓梯分布等房屋布局問題。 因此,住宅設(shè)

計方面的問題具有普遍性。

圖 5 住宅設(shè)計共性問題占比

2. 1. 2 施工質(zhì)量

(1)建筑材料質(zhì)量不合格

砌體塊材和砂漿的質(zhì)量,直接影響了結(jié)構(gòu)的抗

剪、抗彎能力[23]

。 但農(nóng)村住宅的砂漿強(qiáng)度不合格是

普遍存在的問題,砂漿在制作過程中,各材料的拌和

比例由施工人員依據(jù)經(jīng)驗確定,沒有嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)

定的拌和比例施工,導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度下降[5]

。 既有農(nóng)村

住宅砌筑砂漿類型的分布情況見表 6,約有 20% 的住

宅仍在采用泥漿或草泥漿,其抗震性能不佳,需要予

以加固。

混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中,也同樣存在混凝土拌

合不均勻、凝固期不到就提前拆模的問題[18]

,導(dǎo)致混

凝土工程質(zhì)量的下降。 建筑材料質(zhì)量不合格不僅體

現(xiàn)在砂漿、混凝土等拌合類的建筑材料上,在施工過

程中采購的鋼筋、模板等材料,也同樣會出現(xiàn)質(zhì)量不

合格的現(xiàn)象[24]

,原因是居民考慮到經(jīng)濟(jì)因素而購買

質(zhì)量不合格的材料。 針對這種現(xiàn)象,政府部門應(yīng)該加

強(qiáng)市場監(jiān)管,防止質(zhì)量不合格的材料流入市場。

表 6 既有農(nóng)村住宅砌筑砂漿類型[23]

砂漿類型 水泥砂漿 石灰砂漿 泥漿 草泥漿

比例(% ) 45. 37 35. 24 18. 94 0. 45

(2)節(jié)點連接薄弱

地震作用下,節(jié)點要承受水平力和拉扭作用。

震害調(diào)查表明,梁與柱的節(jié)點及柱的根部,是房屋結(jié)

構(gòu)受力較大的部位,這些部位的牢固程度和結(jié)構(gòu)整

體的強(qiáng)度,決定了房屋的抗震性能。 但農(nóng)村住宅中

卻存在大量的節(jié)點連接薄弱的問題,連接點主要體

現(xiàn)在墻和梁的連接、柱和梁的連接、縱橫墻之間的連

接、屋蓋系統(tǒng)和墻體的連接等方面。 我國南方地區(qū)

采用預(yù)制樓板的農(nóng)村住宅較多,但預(yù)制樓板往往與

墻體連接不佳,在地震時容易出現(xiàn)預(yù)制樓板被甩出

的情況[17]

。 鑒于節(jié)點連接是保證房屋整體性的重

要因素,因此,做好房屋的節(jié)點連接,是改善農(nóng)村住

宅抗震性能的重要一步。

(3)基礎(chǔ)施工不當(dāng)

一些河流邊緣、山地丘陵地區(qū)的場地,本不適合

用來做基礎(chǔ)地基,但是在施工過程中,施工人員對這

類場地沒有進(jìn)行換填土處理,從而導(dǎo)致該類農(nóng)村住宅

存在一定的安全隱患[17]

。 此外,農(nóng)村住宅還存在基

礎(chǔ)開挖埋深淺的現(xiàn)象,有些地區(qū)的農(nóng)村住宅的地基的

開挖深度過淺,導(dǎo)致基礎(chǔ)直接暴露在地面上[18]

。

(4)衛(wèi)生間、屋面滲漏

農(nóng)村住宅建成后,很少進(jìn)行維護(hù),所以,農(nóng)村住宅

經(jīng)常會出現(xiàn)屋頂瓦面的損壞,甚至?xí)霈F(xiàn)漏雨的問

題,既有農(nóng)村住宅中,44. 05% 的住宅存在屋面滲漏問

題[23]

;農(nóng)村地區(qū)在安裝衛(wèi)生間等設(shè)施時,沒有提前進(jìn)

行預(yù)留管道,而是在安裝過程中隨意開洞,這容易導(dǎo)

致滲漏問題。

(5)房屋表面風(fēng)化

農(nóng)村住宅的外墻不涂抹砂漿面層的現(xiàn)象十分普

遍,往往直接將砌筑材料直接暴露在房屋表面,經(jīng)過

長時間的雨雪沖刷,造成房屋表面風(fēng)化[6]

,建筑材料

的耐久性會降低,使房屋的建筑壽命縮短。

2. 2 農(nóng)村住宅的個性化問題

我國幅員遼闊,不同地區(qū)的地理環(huán)境、氣候、建造

習(xí)慣等具有一定的差異性[25]

。 因此,各地區(qū)的農(nóng)村

住宅在安全性方面,存在地域性問題。 農(nóng)村住宅的個

性化問題如表 7 所示,包含夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖

地區(qū)和沿海地區(qū)三部分。

表 7 局部地區(qū)農(nóng)村住宅的個性化問題

地區(qū) 個性化問題

夏熱冬冷地區(qū) 空斗墻降低房屋整體性

夏熱冬暖地區(qū)

石結(jié)構(gòu)抗震能力差;

加建房屋抗震能力弱;

首層層高超限;

木屋架腐蝕嚴(yán)重;

內(nèi)承重墻厚度低

沿海地區(qū) 海砂降低鋼筋混凝土的耐久性

2023 年08 期 總第302 期 李垂帥,唐貞云,高曉明,等·農(nóng)村住宅安全性現(xiàn)狀及加固方法探究 ·43·

(1)夏熱冬冷地區(qū)

夏熱冬冷地區(qū)主要包含湖北、湖南、江西、上海

等省市,該地區(qū)空斗墻的應(yīng)用廣泛,這與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)

等因素相關(guān),許多住戶為了降低住宅的造價而使用

空斗墻。 例如,湖北省[13] 空斗墻使用率為 87% ,湖

南省常德市[22] 空斗墻占有率達(dá) 90% 。 但是在工程

抗震的角度上,空斗墻房屋在樓、屋蓋的整體性和縱

橫墻的連接上很差,抗剪強(qiáng)度僅有實砌體墻的一半

左右,抗震能力不強(qiáng)。 九江地震中,實心墻房屋破壞

較輕,但空斗墻房屋破壞嚴(yán)重。一旦發(fā)生地震,空斗

墻房屋容易導(dǎo)致墻倒屋塌,造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)

損失。

(2)夏熱冬暖地區(qū)

夏熱冬暖地區(qū)位于我國南部,包括海南全域和福

建、廣東、廣西、云南的局部區(qū)域,一月份平均氣溫 >

10℃ ,七月份平均氣溫 25 ~ 29℃

[26]

。 由于夏熱冬暖

地區(qū)溫度高且雨季多,其農(nóng)村住宅以多層為主,為了

增加住宅的通風(fēng)性能,降低潮濕帶來的不便,該地區(qū)

的農(nóng)村住宅首層高度過高,大于 3. 6 m;且墻體偏薄,

甚至承重墻小于 240 mm

[27]

。 此外,夏熱冬暖地區(qū)由

于白蟻、雨季多等原因[4]

,農(nóng)村住宅的木結(jié)構(gòu)部分會

出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象。

石結(jié)構(gòu)房屋是福建地區(qū)的特色建筑,歷史悠久且

在省內(nèi)分布廣泛。 但是石結(jié)構(gòu)房屋同樣存在一些特

色性的問題,由于石材的自重大、剛度大、地震反應(yīng)

大、變形能力很小,抗拉、抗剪、抗扭的受力性能也很

差,所以,石結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力先天不足。 同時,隨

著家庭人口的增加和生活的需要,石結(jié)構(gòu)房屋存在加

建層數(shù)的現(xiàn)象,但加建的結(jié)構(gòu)和原石結(jié)構(gòu)的連接薄

弱[4]

,且傳力路徑不合理,因此,石結(jié)構(gòu)加建房屋抗震

能力同樣薄弱。

(3)沿海地區(qū)

沿海地區(qū)部分居民使用海砂來建造房屋[4]

,海

砂內(nèi)含有氯離子,氯離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,會

和混凝土中的氫氧化鈣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),使氫氧根濃

度降低,導(dǎo)致鋼筋的銹蝕,進(jìn)而降低鋼筋混凝土的耐

久性。

3 農(nóng)村住宅加固方法

針對存在安全性問題的農(nóng)村住宅,拆除重建的成

本高、周期長,對居民的生活影響大,可以通過對既有

住宅加固的方法提高其抗震能力。 目前既有農(nóng)村住

宅的加固方法如表 8 所示,主要集中在圈梁、墻體和

屋架三個方面。

表 8 既有農(nóng)村住宅的加固方法

加固位置 加固方法

圈梁 配筋砂漿帶圈梁;鋼板圈梁

墻體 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層;預(yù)應(yīng)力筋加固

屋架 增設(shè)鋼剪刀撐;鋼箍加固

3. 1 圈梁加固

為防止地基的不均勻沉降或較大振動荷載等對

房屋的不利影響,一般在墻體中設(shè)置鋼筋混凝土圈梁

或鋼筋磚圈梁,以增強(qiáng)房屋的整體剛度。 圈梁可以增

加房屋的整體性,避免在地震時發(fā)生山墻外閃等現(xiàn)

象,通常設(shè)置在基礎(chǔ)墻、檐口和樓板處,其數(shù)量和位置

與建筑物的高度、層數(shù)、地基狀況和地震強(qiáng)度有關(guān)。

針對既有農(nóng)村住宅在建造時沒有設(shè)置圈梁或者

圈梁質(zhì)量不合格的問題,可以對其進(jìn)行圈梁的加固處

理。 目前常用的圈梁加固方法,有配筋砂漿帶圈梁和

鋼板圈梁兩種,鋼板圈梁加固的示意圖如圖 6 所示。

將山墻與后縱墻的鋼板圈梁上的鋼筋與前檐的木臥

檁相連,形成閉合的整體圈梁,以提高房屋的抗震性

能。 與配筋砂漿帶圈梁相比,鋼板圈梁施工方便且施

工周期短。 北京市房地產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究所對配筋砂

漿帶圈梁和鋼板圈梁的加固方法進(jìn)行了研究,對加固

效果進(jìn)行了試驗驗證,并將施工工藝寫入了《北京市

既有農(nóng)村住宅建筑(平房)綜合改造技術(shù)導(dǎo)則》。

圖 6 鋼板圈梁加固山墻[28]

3. 2 墻體加固

針對農(nóng)村住宅的墻體砌筑質(zhì)量差,砂漿強(qiáng)度低,承

載力不足的問題,通常采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固,

鋼筋網(wǎng)可以增加墻體抗剪能力和整體性[29]

,進(jìn)而提升

房屋的安全性和抗震能力。 除鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加

固外,劉航等[8] 對預(yù)應(yīng)力筋加固墻體的方法進(jìn)行了研

究,并分析其加固效果。 預(yù)應(yīng)力加固法在提高房屋安

全性和抗震能力的同時,房間使用面積不減少,建筑外

觀也基本沒有改變,全面滿足加固改造需求。

·44· 福 建 建 筑 2023 年

3. 3 屋架加固

對于采用木屋架的房屋,可以通過在木屋架間設(shè)

置鋼剪刀撐的方法對木屋架進(jìn)行加固,加固原理圖如

圖 7 所示。 鋼剪刀撐起到木屋架間的連接作用,可以

增強(qiáng)房屋的整體性,提高抗震能力。 這種方法在提高

房屋安全性和抗震能力的同時,不會改變房屋的使用

面積。 對于木屋架開裂的問題,應(yīng)該通過鋼箍及時進(jìn)

行加固,避免造成人財損傷。 如果因漏雨、白蟻等造

成木屋架嚴(yán)重腐蝕,應(yīng)對木屋架及時進(jìn)行更換。

圖 7 鋼剪刀撐加固屋架[30]

4 其他問題與應(yīng)對措施

除結(jié)構(gòu)方面的弊端外,農(nóng)村住宅在居民意識、住

宅維護(hù)和農(nóng)村住宅規(guī)范方面還存在諸多問題,應(yīng)當(dāng)予

以重視。

(1)住戶和施工人員的抗震意識普遍較差

與農(nóng)村住宅的抗震性和安全性相比,農(nóng)村地區(qū)的

住戶通常更加關(guān)注住宅的外觀,在一定程度上導(dǎo)致了

住宅建造過程中,資金在安全性上花費的比例較低,

反而將大量資金用于房屋的外觀[27]

。

政府部門應(yīng)該加強(qiáng)抗震安全知識的普及,讓居民

和施工人員充分意識到房屋抗震措施的重要性,引導(dǎo)

居民把建造資金更多的花費在房屋的質(zhì)量上,合理分

配建造資金的使用,同時,針對居民的建造資金不足

等問題,政府應(yīng)設(shè)立相應(yīng)的建房補(bǔ)貼,幫助居民建造

質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的房屋。

房屋的建造過程,應(yīng)該包含前期的地質(zhì)檢測和

建筑圖的設(shè)計;房屋的設(shè)計是整個建造過程中的關(guān)

鍵一步。 正確的房屋設(shè)計可以從根源上提高房屋質(zhì)

量,避免房屋在建成后存在一系列的質(zhì)量問題。 政

府部門應(yīng)該幫助住戶和施工人員進(jìn)行合理建造,針

對鄉(xiāng)村施工人員施工技術(shù)不過關(guān)的問題,政府可以

組織工程師,對鄉(xiāng)村施工人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)并進(jìn)行

考核。 如果居民缺乏對設(shè)計圖的了解,當(dāng)?shù)卣?/p>

門可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、地勢等條件,制定符合當(dāng)?shù)?/p>

風(fēng)俗及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計圖圖集,供居民選擇使

用,另外,設(shè)計師下鄉(xiāng)也是一個值得推廣的解決措

施。 設(shè)計師下鄉(xiāng)后,可以與農(nóng)村居民深入溝通,了解

農(nóng)村居民的訴求,設(shè)計出符合居民要求和相關(guān)技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)村住宅圖紙。

(2)政府部門缺乏對建筑材料市場、房屋建造過

程的監(jiān)管

針對售賣劣質(zhì)建筑材料的問題,政府部門應(yīng)該加

強(qiáng)對市場和企業(yè)的監(jiān)管,杜絕不合格的材料流入市

場。 同時,對購買和使用不合格建筑材料的單位和個

人,一旦發(fā)現(xiàn),政府部門可以進(jìn)行一定的處罰。

除建筑材料問題,政府部門應(yīng)加強(qiáng)對施工過程的

監(jiān)管,選擇有相關(guān)資質(zhì)的人員和單位進(jìn)行施工,避免

發(fā)生本文上述的施工質(zhì)量問題。

(3)農(nóng)村住宅建成后缺乏維護(hù)

農(nóng)村住宅在建成后基本不進(jìn)行維護(hù),而如果對農(nóng)

村住宅進(jìn)行合理的維護(hù),可以提高房屋的耐久性和使

用壽命,從而延長住宅拆除重建的周期,降低重建頻

率,節(jié)省人力物力。 因此,農(nóng)村住宅要定期檢查住宅

有無結(jié)構(gòu)破損并及時進(jìn)行修護(hù)。

(4)缺乏針對農(nóng)村住宅的規(guī)范

目前,大多數(shù)的建筑規(guī)范僅能適用于城鎮(zhèn)地區(qū)。

雖然已有少數(shù)針對農(nóng)村住宅的規(guī)范,但還未形成體

系,不能涵蓋農(nóng)村住宅的各個方面。 因此,國家還要

針對農(nóng)村住宅的現(xiàn)狀和抗震要求制定相應(yīng)的規(guī)范,完

善農(nóng)村住宅的抗震體系。

5 結(jié)論

本文通過對既有農(nóng)村住宅相關(guān)文獻(xiàn)的分析、對

比,對全國農(nóng)村住宅的結(jié)構(gòu)類型、安全性問題和加固

方法進(jìn)行了分類總結(jié),得出以下結(jié)論:

(1)我國南北方地區(qū)的農(nóng)村住宅在層數(shù)上存在

差異,北方地區(qū)的農(nóng)村住宅以單層住宅為主,南方地

區(qū)的農(nóng)村住宅以兩層及以上住宅為主。

(2)我國農(nóng)村住宅的質(zhì)量呈現(xiàn)不斷提升的趨勢。

各省份的農(nóng)村住宅質(zhì)量具有差異性,農(nóng)村住宅的質(zhì)量

和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)狀況呈正相關(guān)性,當(dāng)民居質(zhì)量保證資金

為居民純收入的 64% ~ 70% 時,農(nóng)村住宅質(zhì)量可以得

到保證,結(jié)構(gòu)類型以混合結(jié)構(gòu)為主,具備符合抗震要

求的安全性能。

(3)我國農(nóng)村住宅存在大量普遍性問題。 如住

宅設(shè)計方面包括未經(jīng)正規(guī)設(shè)計、墻體開洞過大、場地

選址不合理、缺乏有效的構(gòu)造措施、房屋布局不合理;

2023 年08 期 總第302 期 李垂帥,唐貞云,高曉明,等·農(nóng)村住宅安全性現(xiàn)狀及加固方法探究 ·45·

施工質(zhì)量方面包括建筑材料質(zhì)量不合格、節(jié)點連接薄

弱、基礎(chǔ)施工不當(dāng)、 衛(wèi)生間和屋面滲漏、 房屋表面

風(fēng)化。

(4)局部地區(qū)存在地域性問題,夏熱冬冷地區(qū)空

斗墻使用廣泛;夏熱冬暖地區(qū)石結(jié)構(gòu)抗震能力不足、

石結(jié)構(gòu)加建房屋結(jié)構(gòu)不合理、首層層高超限、木屋架

腐蝕嚴(yán)重、內(nèi)承重墻厚度低;沿海地區(qū)存在使用海砂

的問題。

(5)既有農(nóng)村住宅的加固方法主要集中在圈梁、

墻體和屋架三個位置,圈梁的加固方法包括配筋砂漿

帶圈梁和鋼板圈梁;墻體的加固方法包括鋼筋網(wǎng)水泥

砂漿面層加固和預(yù)應(yīng)力筋加固;屋架的加固方法包括

木屋架間增設(shè)鋼剪刀撐和鋼箍加固。

(6)農(nóng)村居民需加強(qiáng)抗震意識,建造滿足抗震構(gòu)

造措施的房屋,并注重后期維護(hù);政府部門宜加強(qiáng)市

場監(jiān)管,制定鄉(xiāng)村住宅相關(guān)的建筑規(guī)范。

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2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

某超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

徐 毅

(福州市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

摘 要:某高層辦公樓高度約 93 m,主體塔樓偏置于建筑底部四層大底盤平面的西北角部,主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土

框架核心筒結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)存在尺寸突變、樓板不連續(xù)、穿層柱、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等多項不規(guī)則等問題,屬于特別不規(guī)則超限高

層建筑。 建筑結(jié)構(gòu)按照抗震三水準(zhǔn)原則確定設(shè)防目標(biāo),通過對整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行小震彈性分析、中震性能化驗算和大

震動力彈塑性分析,明確結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位,并采取針對性的抗震加強(qiáng)措施,減少超限帶來的不利影響。 相應(yīng)的關(guān)鍵問題

分析,包括樓板應(yīng)力分析、穿層柱屈曲分析和大震下結(jié)構(gòu)的變形和損傷情況等。 分析結(jié)果表明,設(shè)計采取的抗震措施

充分有效,整體結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠的性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞: 超限高層結(jié)構(gòu);塔樓偏置;框架核心筒;穿層柱;抗震性能化設(shè)計

中圖分類號:TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0046 - 08

Design of an out - of - code high - rise office building

XU Yi

(Fuzhou Architectural Design Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350011)

Abstract:The high - rise office building is about 93 meters heigh,the main tower is offset to the northwest of the four story large podium,and

it is a reinforced concrete frame - core tube structure. There are multiple irregular structure items in the project including sudden change in

size、discontinuous floor slab、cross - floor column and torsional deflection exceeded limiting value,therefore it is a special irregular out - of -

code high - raise building. The corresponding fortification goal is decided on the principle of three levels of earthquake resistance,on the basis

of clarifying the elastic analysis of frequently - occurred earthquake,performance based seismic design of fortification earthquake and the dynamic elastic - plastic analysis of rarely - occurred earthquake,the key parts of the structure are clarified through overall performance analysis,and targeted scismic strengthening measures were taken to reduce the seismic adverse effects caused by structure irregularities. Special targeted analysis were carried out for the structure,including floor stress analysis,buckling analysis of cross - floor columns,the deformation and

damage of the structure under rarely - occurred earthquake. The analysis results show that the strengthening measures taken in the design are

effective enough to make the structure reach the expected performance goal of safety,reliability and economy.

Keywords:Out - of - code high - raise building; Offset tower; Frame - core tube; Cross - floor column; Performance - based seismic design

作者簡介:徐毅(1971. 1 - ),男,高級工程師。

E-mail:312410545@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 26

0 引言

框架 - 核心筒結(jié)構(gòu),是由外圍梁柱構(gòu)成的框架結(jié)

構(gòu)與中心筒體共同組成的結(jié)構(gòu)體系。 合理布置的框

架 - 核心筒結(jié)構(gòu),具有良好的受力性能,能較好適應(yīng)

建筑營造大尺度辦公空間和內(nèi)部空間使用靈活的要

求,因此在當(dāng)前的高層辦公建筑得到廣泛應(yīng)用。 某高

層辦公建筑主樓采用框架 - 核心筒結(jié)構(gòu),因受建筑形

體限制,主樓偏置于裙房大底盤平面的一角。 同時,

因建筑大堂的功能需要,存在較多穿層柱,結(jié)構(gòu)不規(guī)

則類型較多,形成超限高層建筑。 本文通過結(jié)構(gòu)概念

設(shè)計、抗震性能化設(shè)計及穿層柱、樓板應(yīng)力等專項分

析,研究該超限高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中遇到的問

題,提出相應(yīng)的解決方法和針對性加強(qiáng)措施,以供類

似工程參考。

1 工程概述

某高層辦公樓位于福州市臺江區(qū)閩江北側(cè)的海

峽金融商務(wù)區(qū),地上二十一層,地下二層,建筑高度

92. 95 m,總建筑面積 66 843 m

2

。 其中,地上建筑面

積 47 605 m

2

,地下建筑面積19 238 m

2

,底部四層裙房

高度約 19m,五至二十一層為主體塔樓,層高 4. 40 m,

主要建筑功能為辦公;地下二層全埋式地下室埋深約

10. 60 m,建筑功能為停車及相關(guān)設(shè)備配套用房,人防

單元設(shè)在地下二層,建筑效果及剖面圖如圖 1 ~ 圖 2

所示。

2023 年 08 期 總第 302 期 徐 毅·某超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 ·47·

圖 1 建筑效果圖

圖 2 剖面圖

建筑主體采用鋼筋混凝土框架 - 核心筒結(jié)構(gòu),抗

震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類),抗震設(shè)防烈度 7

度。 設(shè)計基本地震加速度 0. 10g,設(shè)計地震分組為第

三組,場地類別Ⅲ類,特征周期 0. 65 s,50 年一遇基本

風(fēng)壓 0. 70 kPa,地面粗糙度 B 類,風(fēng)荷載體型系數(shù)

1. 36,裙房內(nèi)天井部位按實際受風(fēng)情況考慮雙迎風(fēng)面

和雙背風(fēng)面。 工程采用沖鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基持力

層為第(8)層卵石,樁長約 35 m ~ 45 m,單樁豎向特

征值 6500 kN(Φ1000)和 3500 kN(Φ800),Φ800 沖鉆

孔樁單樁抗拔承載力 1100 kN;抗拔樁采用預(yù)應(yīng)力高

強(qiáng)混凝土管樁( PHC500 - 125 - AB),樁基持力層為

第(6)層含泥中砂,樁長約 21 m ~ 23 m,單樁抗拔承

載力 550 kN。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2. 1 主體結(jié)構(gòu)體系

為營造大尺度的辦公空間,建筑采用大跨度的柱

網(wǎng)布置,裙房部分基本為框架結(jié)構(gòu),塔樓部分沿周邊布

置框架柱,在平面中央的豎向交通核區(qū)域布置鋼筋混

凝土核心筒,主要的開間方向柱跨為 8. 1 m ~ 9. 4 m,

進(jìn)深方向柱跨為8. 1 m ~ 12. 0 m。 剪力墻基本布置在

樓梯、電梯井周邊,以保證各類使用空間的完整性和

舒適性,也能適應(yīng)使用期間辦公區(qū)域自由分隔的需

要。一至四層大底盤結(jié)構(gòu)的平面尺寸為 80. 6 m ×

61. 2 m,四層裙房內(nèi)的上空內(nèi)庭院平面尺寸為 25. 1 m

× 24. 6 m,五層以上塔樓結(jié)構(gòu)位于底部大底盤平面的

西北角部,平面尺寸為 50. 0 m × 38. 8 m,如圖 3 所示。

圖 3 建筑平面示意圖

由于主體塔樓偏置于建筑底部四層大底盤平面的

西北角部,塔樓質(zhì)心與大底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心之間的偏心距較

大,同時受建筑功能和平面的限制,上部結(jié)構(gòu)布置難以使

塔樓剛心和底部大底盤剛心相互接近,結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程

度較大。 塔樓與底部裙房結(jié)構(gòu)之間是否設(shè)置抗震縫,是

否將地面以上建筑劃分為兩個獨立的結(jié)構(gòu)單元,是尋求

建筑合理的結(jié)構(gòu)布置首先需要解決的問題。

當(dāng)塔樓與裙房之間設(shè)置抗震縫,劃分為兩個獨立

的結(jié)構(gòu)單元時,高層主樓為形體方正的平面規(guī)則結(jié)

構(gòu)。 作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的鋼筋混凝土核心筒位于

樓層結(jié)構(gòu)平面的中央,外圍框架柱與核心筒基本對齊

布置,結(jié)構(gòu)平面的質(zhì)量分布與剛度分布較均勻,樓層

質(zhì)心與剛心基本重合,結(jié)構(gòu)平面的布置較為規(guī)則對

稱;剪力墻、柱等豎向構(gòu)件連續(xù)不間斷,構(gòu)件截面尺寸

沿高度逐漸減小,結(jié)構(gòu)豎向剛度變化較均勻,不存在

剛度突變,高層主樓的總體結(jié)構(gòu)布置基本規(guī)則,具有良

好的抵御地震、風(fēng)等水平作用的能力。 塔樓與裙房之

間設(shè)置抗震縫時,裙房為不規(guī)則的 U 字型平面(圖 3 的

非陰影部分,缺少右上角的開口“回”字型平面),樓層

平面的凹凸不規(guī)則程度較大,結(jié)構(gòu)整體性較差;左上角

30. 6 m ×25. 6 m 板塊和右下角 36. 35 m × 24. 45 m 的

相對較大板塊的樓板,通過缺角回字型的左側(cè)和下邊

樓板相連;左側(cè)和下邊樓板有效寬度分別為 7. 55 m

和 11. 0 m,遠(yuǎn)小于對應(yīng)的裙房平面寬度 69. 0 m 和

61. 2 m。 樓板連接薄弱,即使對左側(cè)和下邊樓板采取

加強(qiáng)措施,也難以實現(xiàn)剛性樓板假定所需要的足夠樓

板剛度,在地震、風(fēng)等水平作用下,各豎向構(gòu)件不容易

協(xié)同一致抵御外界水平作用。 受限于嚴(yán)重不規(guī)則的建

·48· 福 建 建 筑 2023 年

筑平面,裙房難以實現(xiàn)簡潔規(guī)則高效的結(jié)構(gòu)布置,兩個

主軸方向的結(jié)構(gòu)動力特性差異較大,樓層質(zhì)心與剛心

的偏離程度較嚴(yán)重,水平作用下,結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較嚴(yán)重

的平扭耦聯(lián)振動,構(gòu)件的變形和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變,需

要針對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)行充分的抗震性能

化設(shè)計。 同時,大量的震害結(jié)果及理論研究數(shù)據(jù)表示,

在遇到強(qiáng)烈地震時,由于地面運動變化、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、地震

變形等復(fù)雜因素,設(shè)有抗震縫的相鄰結(jié)構(gòu)單元仍有可能

因局部碰撞而損壞。 實際建筑的許多震害,就是由于撞

擊破壞造成的。 為減少撞擊損害而增設(shè)的防撞墻,對建

筑內(nèi)部空間會有一定的約束。 如在裙房左側(cè)、下邊樓板

與上方、右側(cè)樓面板塊間各增設(shè)一道抗震縫,外立面和內(nèi)

部使用功能會受到較大影響,更加難以接受。

不設(shè)置抗震縫時,建筑塔樓與底部裙房連為一

體,大底盤部分形成“回”字形平面, 在水平作用下,

樓板類似于一道水平深梁,可將風(fēng)或地震產(chǎn)生的力傳

遞至各種抗側(cè)力構(gòu)件。 “回”字形平面的洞口位于樓

蓋的中部,相當(dāng)于在深梁的中部開有洞口。 本工程樓

板的洞口尺寸有限,對樓板作為水平放置深梁的承載

力影響不大,樓蓋的實際剛度較好,能夠有效地傳遞

和分配水平力至豎向抗側(cè)力體系,使整個建筑能整體

變形與轉(zhuǎn)動。 裙房和塔樓連成一體時,塔樓偏置于建

筑底部四層大底盤平面的西北角部(圖 3),塔樓質(zhì)

心、剛心與大底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心、剛心之間的偏離較大,同

時由于作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的剪力墻基本布置于塔

樓內(nèi),大底盤結(jié)構(gòu)的剛心和自身質(zhì)心的偏心距較大,

在水平作用下,大底盤部位存在較明顯的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

由于裙房高度超過總高度的 20% ,豎向構(gòu)件(塔樓)

位置縮進(jìn)大于 25% ,結(jié)構(gòu)具有豎向尺寸突變的不規(guī)

則性;同時因建筑功能需要,二層樓面局部開洞導(dǎo)致

樓板有效寬度 < 50% 、一 ~ 四層局部存在穿層柱以及

扭轉(zhuǎn)位移比超限帶來的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,裙房和塔樓連成

一體時,辦公樓屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)。 此類復(fù)雜結(jié)

構(gòu)需采用充分可靠的計算模型,分析判明結(jié)構(gòu)應(yīng)力集

中、變形集中部位及地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等導(dǎo)致的易損部

位,有針對性地采取加強(qiáng)措施。 裙房和塔樓連成一體

時,建筑外觀整體統(tǒng)一,內(nèi)部空間完整,可避免建筑、設(shè)

備設(shè)計上的許多困難,有利于增強(qiáng)建筑形體表現(xiàn)力和

日常使用的舒適感。 雖然建筑屬于超限高層結(jié)構(gòu),但

結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度尚可控制,采取有效抗震措施后,可

以保證結(jié)構(gòu)的合理性。 經(jīng)各方面的對比分析,辦公樓

最終選擇裙房和塔樓連成一體的超限結(jié)構(gòu)布置方案。

建筑采用鋼筋混凝土框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)體系(圖

4),塔樓主要辦公區(qū)域的柱網(wǎng)為 9. 0 m × 12. 0 m。 主

要在平面中央豎向交通核區(qū)域的樓梯、電梯井周邊布

置剪力墻形成鋼筋混凝土核心筒,裙房的部分樓梯、

電梯位置適當(dāng)布置剪力墻,以提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛

度;其它位置均采用大跨度柱網(wǎng)布置,適應(yīng)大空間辦

公及使用期間靈活分隔的需要。 裙房三層報告廳柱

跨 24. 6 m,報告廳屋頂框架梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土

梁。 剪力墻和框架柱從底層到上部截面逐漸收小,普

通樓板厚度 120 mm,裙房和塔樓屋面板厚度 130 mm,

柱墻混凝土強(qiáng)度等級 C60 ~ C30,梁板混凝土強(qiáng)度等

級 C35、C30。 各主要構(gòu)件截面尺寸如表 1 所示。

(a)二層結(jié)構(gòu)平面 (b)三層結(jié)構(gòu)平面 (c)四層結(jié)構(gòu)平面

(d)五層結(jié)構(gòu)平面 (e)六層屋面結(jié)構(gòu)平面 (f)構(gòu)架層結(jié)構(gòu)平面

圖 4 主要樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2023 年 08 期 總第 302 期 徐 毅·某超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 ·49·

表 1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

構(gòu)件類型 主要截面尺寸

剪力墻

塔樓:500 mm→300 mm(核心筒),300 mm ~ 200 mm(核心筒內(nèi)部)

裙房:300 mm

框架柱

塔樓:1300 × 1500 mm→1000 × 1000 mm

裙房:800 × 800 mm→500 × 600 mm,1000 × 1000 mm(裙房 24. 6 m 跨)

框架梁

塔樓:500 × 900 mm(外圈框架梁),600 × 800 mm(外框架和核心筒之間),300 × 800 ~ 500 × 800 mm(核心筒內(nèi))

裙房:300 × 700 ~ 300 × 800 mm,600 × 1800 mm(24. 6 m 跨預(yù)應(yīng)力框架梁)

2. 2 結(jié)構(gòu)超限情況及對策

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要

點》

[1]

,該高層辦公樓屬于超限高層結(jié)構(gòu)。 基于確保建

筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、適用的目標(biāo),在滿足建筑功能的基礎(chǔ)

上,應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,降低建筑形體對結(jié)構(gòu)

抗震性能的不利影響[2]

。 實際高層塔樓的結(jié)構(gòu)布置,基

本規(guī)則對稱,平面質(zhì)量分布與剛度分布較均勻,樓層質(zhì)心

與剛心基本重合。 考慮該建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)的整體抗

側(cè)力剛度適中,位移角小于規(guī)范限值不多,而外圍框架柱

跨度9. 0 m ~12. 0 m 較大,為增強(qiáng)塔樓的整體抗扭轉(zhuǎn)剛

度,塔樓外圈框架梁截面加大至 500 mm × 900 mm,使地

震作用下塔樓的各層扭轉(zhuǎn)位移均不大于1. 20;同時,裙房

平面的左側(cè)及左下側(cè)局部布置剪力墻,以提高大底盤部

分的抗扭轉(zhuǎn)剛度,減小質(zhì)心與剛心的偏心距,盡量降低塔

樓核心筒相對大底盤平面偏置而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 針對

層高變化較大的底部各樓層及建筑五層以上的豎向尺寸

縮進(jìn),合理選擇剪力墻、框架柱梁的截面尺寸,消除抗側(cè)

剛度軟弱層和抗剪承載力薄弱層的結(jié)構(gòu)不規(guī)則。 實際存

在的四個不規(guī)則項如表 2 所示,基本屬于建筑形體和建

筑功能需要而無法避免的結(jié)構(gòu)不規(guī)則。

表 2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型

不規(guī)則類型 實際情況

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

裙房四層 Y 向地震作用下扭轉(zhuǎn)位移比 1. 26 超過限值

1. 20

樓板不連續(xù) 二層樓面開洞,樓板有效寬度 < 50%

尺寸突變

裙房高度 19m 超過總高度 92. 95m 的 20% ,豎向縮進(jìn)

41% (X 向)和 39. 8% (Y 向)均大于 25%

其它不規(guī)則 一 ~ 四層局部存在 14 根穿層柱

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》

[3]第 3. 11

章及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》

[4] 附錄 M,超限高層辦公

樓采用抗震性能設(shè)計法,采取的抗震措施主要有:

(1)主樓剪力墻的底部加強(qiáng)部位的正截面承載

力,按中震不屈服、斜截面承載力按中震彈性復(fù)核,并

滿足大震作用下的受剪截面控制條件,底部加強(qiáng)區(qū)高

度取至裙房屋面往上一層;大跨度梁柱(跨度 18 m 以

上)及穿層柱的強(qiáng)度按中震彈性復(fù)核;裙房屋面層上

下各兩層的塔樓周邊框架柱抗震等級提為一級。

(2)風(fēng)荷載和中震工況下,豎向構(gòu)件出現(xiàn)小偏心

受拉時,應(yīng)按抗震等級特一級構(gòu)造。 風(fēng)荷載和中震

時,雙向水平地震作用下,混凝土豎向構(gòu)件全截面由

軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)值時,應(yīng)設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力,型鋼采用 Q345 且拉

應(yīng)力不應(yīng)大于 200 MPa。

(3)穿層柱按實際計算長度進(jìn)行構(gòu)件承載力和

穩(wěn)定性驗算,柱端地震剪力按不小于相鄰非穿層框架

柱的 1. 0 倍驗算;大跨度梁柱的抗震等級為一級;抗

震等級為一級。

(4) 局部連接薄弱的二層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。

按照小震工況下樓板應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

值、對中震工況下樓板鋼筋不屈服的目標(biāo)進(jìn)行加強(qiáng)。

(5)屋面女兒墻應(yīng)考慮雙迎風(fēng)面、雙背風(fēng)面影

響,加大風(fēng)荷載體型系數(shù)。

2. 3 多遇地震(小震)計算分析

首先采用力學(xué)模型不同的兩種軟件盈建科及

PMSAP(2010)進(jìn)行多遇地震(小震) 下的計算分析,

主要指標(biāo)如表 3 所示。

從表 3 可以看出,對于結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、自振周期、

基底剪力、傾覆力矩、風(fēng)載和地震作用下層間位移角

等主要指標(biāo),兩種軟件的計算結(jié)果基本一致, 且都能

滿足小震下的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。 兩者計算結(jié)果的相互

驗證,保證了力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的可靠性。 第一扭轉(zhuǎn)周期

與第一平動周期之比均不超過0. 80,偶然偏心地震作

用下,扭轉(zhuǎn)位移比最大值 1. 26,表明結(jié)構(gòu)具備足夠的

抗扭轉(zhuǎn)剛度。 規(guī)定水平力下辦公樓底層剪力墻承擔(dān)

的地震剪力約占樓層總剪力的 73. 5% ( X 向) 和

66. 1% (Y 向),可形成結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線,框架

部分作為結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線;五層以上塔樓的框

架柱較四層大底盤結(jié)構(gòu)的框架柱減少較多,其剪力調(diào)

整按塔樓段考慮,以充分保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的強(qiáng)

度、變形和耗能能力。

·50· 福 建 建 筑 2023 年

表 3 小震下的結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果

計算程序 盈建科 PMSAP

樓層自由度 剛性樓板(局部彈性樓板)

總重量(不含地下室)(萬噸) 7. 76 7. 72

平均重量(不含地下室)(噸/ m

2

) 1. 70 1. 69

地震力放大系數(shù) 1. 0 1. 0

計算振型數(shù) 64 30

結(jié)構(gòu)自振周期 T1 = 2. 985,T2 = 2. 579,T3 = 2. 381 T1 = 2. 826,T2 = 2. 422,T3 = 2. 214

第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比 T3

/ T1 = 0. 80 T3

/ T1 = 0. 78

振型質(zhì)量參與系數(shù)

0 度方向 95. 13% 93. 61%

90 度方向 95. 26% 93. 76%

底層地震力 Q0 (kN)

0 度方向 18681 Q0X

/ Ge = 2. 407% > 1. 6% 20290 Q0X

/ Ge = 2. 63% > 1. 6%

90 度方向 16955 Q0Y

/ Ge = 2. 184% > 1. 6% 18344 Q0Y

/ Ge = 2. 38% > 1. 6%

地震力傾覆力矩

(kN·m)

0 度方向 1. 10 × 10

6

1. 12 × 10

6

90 度方向 9. 4 × 10

5

9. 6 × 10

5

最大層間

位移角 < 所

在樓層 >

0 度方向

90 度方向

風(fēng) 1 / 2292 < 10 > 1 / 2578 < 10 >

地震 1 / 1036 < 11 > 1 / 1089 < 10 >

± 5% 偶然偏心地震作用下扭轉(zhuǎn)位移比 1. 15 < 6 > 1. 18 < 2 >

風(fēng) 1 / 1193 < 10 > 1 / 1359 < 10 >

地震 1 / 838 < 18 > 1 / 848 < 15 >

± 5% 偶然偏心地震作用下扭轉(zhuǎn)位移比 1. 19 < 5 > 1. 26 < 4 >

穩(wěn)定性

剛重比

0 度方向 EJd

/ GH

2 = 4. 678 EJd

/ GH

2 = 5. 4

90 度方向 EJd

/ GH

2 = 3. 674 EJd

/ GH

2 = 4. 05

剛重比大于 2. 7,滿足穩(wěn)定驗算要求,可以不考慮重力二階效應(yīng)

2. 4 彈性時程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》

[3]

《建筑

抗震設(shè)計規(guī)范》

[4] 的要求,選取五組天然波(Coalinga

- 01_NO_339,Tg(0. 62),Chi - Chi,Taiwan - 04_NO_

2720,Tg(0. 64),Big Bear - 01 _NO_933,Tg(0. 69),

Chalfant Valley - 02_NO_557,Tg(0. 63),TH1TG065)

及兩組人工波(RH2TG065,RH3TG065)進(jìn)行多遇地震

下的彈性動力時程分析,場地地面最大加速度取為

35 cm/ s

2

。計算結(jié)果表明,每組地震波下,結(jié)構(gòu) X、Y 向

底部剪力均不小于 CQC 法結(jié)果的 65% ,平均底部剪力

均不小于 CQC 法結(jié)果的 80% ,滿足規(guī)范對時程分析地

震波的要求。 各地震波下的樓層剪力、彎矩、最大位移

及層間位移角等時程分析結(jié)果均正常,結(jié)構(gòu)剛度變化

較均勻,對比結(jié)果如圖 5 所示。 彈性時程計算時,部分

樓層剪力平均值稍大于 CQC 法計算結(jié)果,這些樓層按

CQC 法計算時相應(yīng)進(jìn)行了 1. 025 ~ 1. 052 倍的地震作

用放大,此時結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形均能滿足規(guī)范的要求。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

圖 5 樓層剪力、彎矩、最大位移及最大層間位移角曲線

2023 年 08 期 總第 302 期 徐 毅·某超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 ·51·

2. 5 設(shè)防地震(中震)計算分析

關(guān)鍵構(gòu)件按照中震彈性或中震不屈服設(shè)計。 穿層

柱由于在部分樓層無約束,其自由長度一般較長。 而

規(guī)范中的計算長度系數(shù)并沒有考慮結(jié)構(gòu)側(cè)移帶來的影

響。 因此,對結(jié)構(gòu)以線彈性屈曲分析計算臨界荷載,并

結(jié)合歐拉公式,反算穿層柱的計算長度系數(shù),更為合

理。 同時,為保證穿層柱承擔(dān)的剪力不小于樓層其他

類似受力狀態(tài)的普通框架柱,通過剪力放大系數(shù)對穿

層柱剪力按比例放大,放大系數(shù)取普通框架柱剪力包

絡(luò)值與穿層柱剪力值之比。 中震計算結(jié)果表明:穿層

柱和 24. 6 m 跨框架梁柱能滿足彈性工作要求,剪力墻

底部加強(qiáng)區(qū)可達(dá)到抗剪彈性、抗彎不屈服要求,可以實

現(xiàn)設(shè)防地震下局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)。

2. 6 罕遇地震(大震)下結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析

罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件會產(chǎn)生屈服、甚

至破壞而最后退出工作,結(jié)構(gòu)也相應(yīng)逐漸從彈性進(jìn)入

彈塑性的工作狀態(tài)。 隨著構(gòu)件損傷的逐步發(fā)展,結(jié)構(gòu)

剛度不斷退化,阻尼比逐漸加大。 查明復(fù)雜高層建筑

在罕遇地震下的宏觀變形程度、構(gòu)件應(yīng)力和損傷情

況,找到并分析受力復(fù)雜或關(guān)鍵構(gòu)件的受力特征,可

以更好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“大震不倒”的抗震目標(biāo)。 項目采

用基于顯式積分的結(jié)構(gòu)動力彈塑性計算軟件 YJK -

PACO,軟件的梁柱構(gòu)件非線性模型采用可考慮剪切

變形的 Timoshenko 梁單元,墻板采用縮減積分彈塑性

分層殼單元,可考慮多個鋼筋/ 鋼板層和任意布置的單

根鋼筋;計算時直接將大震地震波輸入進(jìn)行彈塑性時

程分析,計算出結(jié)構(gòu)在真實地震動荷載下的響應(yīng),計算

結(jié)果未進(jìn)行理論簡化,可以較好反映各類構(gòu)件的內(nèi)力

分布和性能水平。 為與小震作用下彈性時程分析的基

底剪力比較,大震作用下彈塑性時程分析選用的兩組

天然波和一組人工波與小震情況下彈性時程分析選用

的波一致,彈塑性時程分析采用雙向地震輸入,主次向

峰值按比例調(diào)整為 220 cm/ s

2和 187 cm/ s

2

。

2. 6. 1 基本結(jié)果

各組地震波按 X、Y 向分別輸入計算,結(jié)果表明:

大震與小震的 X、Y 向基底剪力比分別為 4. 43 和

4. 21,比值基本合理;從結(jié)構(gòu)能量圖(圖 6)可以看出,

總輸入能量主要由結(jié)構(gòu)動能 + 總內(nèi)能平衡(大震彈塑

性時程分析一般不考慮摩擦和蠕變,即不考慮摩擦耗

能和蠕變耗能)

[5]

。 地震開始后,初期結(jié)構(gòu)尚處于彈

性階段,動能、阻尼耗能、應(yīng)變能均隨時間增加而較均

勻增大;隨著時間增加,動能較早達(dá)到最大值。 地震

結(jié)束時,動能在總輸入能量占比基本趨于 0,輸入能

量主要由阻尼耗能和應(yīng)變能平衡。 隨著結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)

入塑性階段,阻尼耗能和應(yīng)變能的增長逐漸趨緩,反

映了部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同程度的塑性變形和剛度退化

帶來的大震作用削弱的影響;建筑結(jié)構(gòu)在各組地震波

作用下的最大彈塑性層間位移角:1 / 156(X 向,21F)

和 1 / 147(Y 向,19F),均能滿足小于 1 / 100 的限值要

求;從結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角曲線可以看出,最大層

間位移角出現(xiàn)在主體塔樓中部,曲線總體較為光滑,

無明顯剛度突變,無明顯薄弱層,結(jié)構(gòu)整體性較好;結(jié)

構(gòu)在各組地震波作用下均處于穩(wěn)定狀態(tài),可實現(xiàn)“大

震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(a)X 向 (b)Y 向

圖 6 典型地震波下結(jié)構(gòu)能量圖

2. 6. 2 損傷情況

大震各類構(gòu)件的損傷情況和性能水平如圖 7

示,達(dá)到重度破壞及以上的框架柱、剪力墻、連梁、框

架梁占比分別為 3. 2% 、1. 9% 、76. 4% 、1. 5% 。 大

部分框架柱和剪力墻性能水平處于輕度破壞以下,

主樓剪力墻的底部加強(qiáng)部位、大跨度梁柱、穿層柱、

裙房屋面層上下各兩層的塔樓周邊框架柱等關(guān)鍵構(gòu)

件均未出現(xiàn)塑性鉸,基本為輕微破壞或無損壞。 重

度破壞及以上的框架柱,主要位于塔樓大屋面以上

的構(gòu)架層;連梁大部分處于重度破壞及以上,反映連

梁形成了較為充分的鉸機(jī)制,在大震下屈服耗能,起

到了結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線作用;框架柱無損壞 ~

輕度破壞占比 88. 1% ,框架梁無損壞 ~ 輕度破壞占

比 82. 8% ,框架的破壞程度不大,且梁損傷大于柱

損傷,滿足二道防線的要求,較好地實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗震

概念設(shè)計的思想。

·52· 福 建 建 筑 2023 年

(a)框架柱混凝土受壓損傷圖 (b)框架柱鋼筋損傷圖 (c)框架柱性能水平圖

(d)剪力墻及連梁混凝土受壓損傷圖 (e)剪力墻及連梁鋼筋損傷圖 (f)剪力墻及連梁性能水平圖

(g)框架梁混凝土受壓損傷圖 (h)框架梁鋼材損傷圖 (i)框架梁性能水平圖

圖 7 框架梁、柱、剪力墻及連梁的多工況包絡(luò)損傷情況及性能水平圖

2. 7 樓板應(yīng)力分析

建筑大底盤部分為“回”字形平面,部分樓面局

部開洞較大,樓板有效寬度不足。 為使樓蓋能夠有

效地傳遞和分配水平力至豎向抗側(cè)力體系,協(xié)調(diào)豎

向抗側(cè)力構(gòu)件共同工作,樓板需要具備足夠的剛度

和強(qiáng)度。 實際對局部連接薄弱的二層樓板,按性能

化設(shè)計目標(biāo)的要求進(jìn)行應(yīng)力分析。 經(jīng)計算,小震作

用下樓板的最大拉應(yīng)力 1. 975 MPa,小于混凝土抗拉

強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 2. 20 MPa,即小震下樓板不會開裂;中震

作用下樓板的最大拉應(yīng)力基本上小于 3. 6 MPa,僅

局部柱墻邊樓板應(yīng)力達(dá)到 5. 317 MPa( 圖 8) ,實際

配置雙層雙向 Φ12@ 200 鋼筋網(wǎng),局部應(yīng)力較大位

置附加 Φ12@ 200 鋼筋,即能滿足中震下鋼筋不屈

服的要求。

(a)X 向(小震) (b)Y 向(小震) (c)X 向(中震) (d)Y 向(中震)

圖 8 框架梁、柱、剪力墻及連梁的多工況包絡(luò)損傷情況及性能水平圖

2023 年 08 期 總第 302 期 徐 毅·某超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 ·53·

3 結(jié)論

(1)公共建筑由于功能空間和外觀形體的要求,

會帶來結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則性,需尤其重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)

計,保證豎向荷載和水平荷載傳遞的明確性和可靠

性。 本工程在建筑使用要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)構(gòu)變形

控制,合理選取了框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)體系。

(2)主體塔樓相對建筑底部四層大底盤偏心設(shè)

置,結(jié)構(gòu)存在尺寸突變、樓板不連續(xù)、穿層柱、扭轉(zhuǎn)不

規(guī)則等多項不規(guī)則,屬于超限高層建筑。 以基于性能

的抗震設(shè)計方法進(jìn)行三階段計算分析,同時采取針對

性的抗震措施,使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和延性,

保證了結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的

抗震設(shè)防目標(biāo)。

(3)通過兩個不同力學(xué)模型軟件的小震計算分析

對比,驗證了結(jié)構(gòu)布置的合理性和可靠性,保證了結(jié)構(gòu)

整體指標(biāo)控制在合理范圍內(nèi);中震設(shè)計驗證了結(jié)構(gòu)關(guān)

鍵構(gòu)件的安全度,實現(xiàn)了關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo);大震彈

塑性計算分析了結(jié)構(gòu)的破壞模式、層間變形分布、結(jié)構(gòu)

損傷部位和損傷程度,驗證了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的實

現(xiàn),保證了結(jié)構(gòu)具備良好整體承載能力和變形能力。

(4)穿層柱由于在部分樓層無約束或僅受到有

限約束,應(yīng)按其實際計算長度進(jìn)行構(gòu)件承載力和穩(wěn)定

性驗算,并通過剪力放大系數(shù),保證穿層柱剪力不小

于相鄰非穿層框架柱。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 建質(zhì)〔2015〕67 號 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查

技術(shù)要點[Z]. 2015.

[2] 徐培福,傅學(xué)怡,王翠坤,等. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] JGJ3 - 2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[ S]. 北京:

中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4] GB50011 - 2010(2016 版)建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:

中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[5] 溫凌燕,婁宇,聶建國. 結(jié)構(gòu)大震彈塑性時程分析中的能

量反應(yīng)分析[J]. 土木工程學(xué)報,2014,47(5):1 - 8.

(上接第 33 頁)

以底層 2 交 B 軸處框架柱 KZ6 為例,按上述 4 個

計算模型,抗彎及抗剪承載力配筋要求指標(biāo)如表 3 所

示。 構(gòu)件包絡(luò)加固設(shè)計后,可滿足加固后重要部位薄

弱構(gòu)件接近或達(dá)到新建工程的承載力要求。

表 3 典型薄弱構(gòu)件配筋參數(shù)對比

參數(shù) X 向縱筋 Y 向縱筋 抗剪箍筋

竣工圖 15(既有) 13(既有) 3. 2(既有)

模型 1 19 12 2. 8

模型 2 11 8 3. 2

模型 3 18 9 3. 2

模型 4 19 12 4. 8(核心箍)

3 結(jié)語

綜上,針對通用規(guī)范中相應(yīng)條款在既有工業(yè)建筑

加層改造的落實,既有結(jié)構(gòu)合理加固設(shè)計的分析

如下:

(1)結(jié)構(gòu)加固的檢測鑒定應(yīng)由結(jié)構(gòu)設(shè)計單位主

導(dǎo),按改造后使用工況,結(jié)合結(jié)構(gòu)加固驗算進(jìn)行;既有

結(jié)構(gòu)安全性驗算按現(xiàn)行規(guī)范,抗震驗算地震作用可依

據(jù)后續(xù)使用年限折減。

(2)既有結(jié)構(gòu)加固設(shè)計驗算可按構(gòu)件安全性驗

算 - 整體抗震性能評估 - 薄弱構(gòu)件抗震加強(qiáng)驗算的

步驟進(jìn)行,三階段設(shè)計方法可保證改造后建筑不低于

原設(shè)計設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),且原結(jié)構(gòu)設(shè)計不足之處有明顯的

改善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GB50021 - 2021 既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范[ S]. 北

京:中國建筑工業(yè)出版社,2021.

[2] GB50144 - 2008 工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[ S]. 北京:中

國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] JGJ125 - 99(2004 版)危險性房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)[ S]. 北京:

中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[4] 蔣利學(xué),王卓琳. 基于評估使用年限的既有結(jié)構(gòu)可靠度

評定實用方法[J]. 結(jié)構(gòu)工程師,2020(6):11 - 17.

[5] 程凱凱. 基于不同目標(biāo)使用期的既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠指標(biāo)

研究[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2020(4):889 - 892.

[6] 白雪霜,程紹革. 現(xiàn)有建筑抗震鑒定地震動參數(shù)取值研

究[J]. 建筑科學(xué),2014,30(5):1 - 5.

[7] 程紹革. 大型公共建筑加固改造若干問題的思考[ J]. 建

筑結(jié)構(gòu),2021(09):91 - 95.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接與安裝施工技術(shù)研究

鄭志翔

(福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司 福建福州 350007)

摘 要:通過結(jié)合工程實際案例,研究主樓鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接位置設(shè)置于負(fù)一層樓板處,存在模板加固、鋼柱安裝、混凝

土澆筑質(zhì)量、成本造價等問題。 通過深度剖析具體施工細(xì)節(jié)及控制要點,探討采用首層鋼結(jié)構(gòu)柱外包式柱腳和精準(zhǔn)定

位預(yù)埋錨桿螺栓的方式將上部鋼結(jié)構(gòu)柱與地下室頂板混凝土進(jìn)行連接,可以降低施工難度,提前工期和節(jié)約造價。

關(guān)鍵詞: 鋼結(jié)構(gòu);外包式柱腳連接;錨桿螺栓;BIM 技術(shù)

中圖分類號:TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0054 - 05

Research on Steel Column Base Connection and Installation Construction Technology

ZHENG Zhixiang

(Fuzhou urban and rural construction general group Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350007)

Abstract:This paper studies the problems of template reinforcement, steel column installation, concrete pouring quality, and cost in setting

the connection position of themain building's steel structure column base at the negative first floor level through the combination of practical

engineering cases. By deeply analyzing specific construction details and control points, this paper explores the use of external column bases

for the first - floor steel structure columns and accurately positioned embedded anchor bolt screws to connect the upper steel structure columns with the basement roof concrete. This method can reduce construction difficulty, shorten construction period, and save costs.

Keywords:Steel structure; Externalized column base connection; Anchor bolt; BIM technology

作者簡介:鄭志翔(1988. 2 - ),男,工程師。

E-mail:490517172@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 12

0 引言

近年來,福州市大力推進(jìn)學(xué)校、醫(yī)院等大型公共

建筑的項目生成,福州市各級醫(yī)院均進(jìn)行了擴(kuò)建及新

院建設(shè)。 因此,福州市出現(xiàn)了大量的公共建筑,而公

共建筑項目根據(jù)相關(guān)文件要求必須采用裝配式進(jìn)行

建造,目前滿足裝配式建造的結(jié)構(gòu)體系主要有 PC 預(yù)

制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)體系兩種。 隨著城市建設(shè)用

地越來越少,人口密集度越來越高,車輛的數(shù)量與日

俱增,導(dǎo)致新建項目必須配建二至三層地下室,才可

滿足日益增長的停車需求。 由此地下室加上部鋼構(gòu)

的項目越來越普及,故上部鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接位置如何

選擇,以及柱腳與基礎(chǔ)和混凝土結(jié)構(gòu)如何有效錨固是

本文主要研究探討的目的。

1 鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接不同類型

經(jīng)查閱資料,鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接有以下幾種類型:

(1)直接與地下室基礎(chǔ)承臺進(jìn)行連接,受力通過

承臺向樁基礎(chǔ)傳遞。

(2)如有地下室兩層的建筑,鋼結(jié)構(gòu)柱腳在負(fù)一

層樓板處進(jìn)行連接,通過負(fù)二層混凝土柱傳導(dǎo)向

基礎(chǔ)。

(3)鋼結(jié)構(gòu)柱腳在地下室頂板處進(jìn)行連接,通過

地下室混凝土柱傳導(dǎo)至基礎(chǔ)[1]

。 鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接方

式需綜合考慮施工安全、施工質(zhì)量、造價、工期、可實

施性等因素。 需要對項目整體方案,使用功能,現(xiàn)場

施工工藝十分的熟悉,并且對兩種材料的物理性能有

深刻的認(rèn)知,才能尋找到最合適的方案。

2 福州市中醫(yī)院五四北分院鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接

方案優(yōu)化

2. 1 項目概況和難點

本項目用地位于福建省福州市晉安區(qū),北臨戰(zhàn)峰

雅苑,西臨福建省婦產(chǎn)醫(yī)院,東側(cè)與青少年活動中心僅

一河之隔,南面為坂中路,建設(shè)用地面積51 236 m

2

。 總

建筑面積為 136 400 m

2

,其中地上建筑面積 75 076 m

2

,

地下建筑面積 61 335 m

2

,地上最高 5 層,地下 2 層,如

圖 1 所示。 容積率要求在 1. 5 以下,綠地率要求為

35. 26% ,共設(shè)置停車位 1100 個。 主要建設(shè) 8 棟建

筑:門急診綜合樓、醫(yī)技樓、住院樓(包含病房樓 1#、

病房樓 2#、病房樓 3 #、出入院辦理大廳) 、感染樓、

2023 年 08 期 總第 302 期 鄭志翔·鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接與安裝施工技術(shù)研究 ·55·

制劑樓,共設(shè)置床位 600 張。 項目采用 EPC 模式組

織建設(shè),資金控制上限為合同價封頂。 本項目上部

結(jié)構(gòu)全部采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系施工,鋼結(jié)構(gòu)柱首

層柱累計達(dá)到 451 根,安裝數(shù)量多,操作空間狹小

復(fù)雜、質(zhì)量要求高,且首層柱腳安裝為施工進(jìn)度關(guān)鍵

節(jié)點,對施工進(jìn)度影響大。

圖 1 福州市中醫(yī)院五四北分院鳥瞰圖

經(jīng)查閱該項目結(jié)構(gòu)專業(yè)初步設(shè)計圖紙,初設(shè)單

位將主樓鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接位置設(shè)置在負(fù)一層樓板

處,負(fù)二層仍采用混凝土柱與樁基進(jìn)行連接,負(fù)一層

及地上一層柱采用 SRC 柱做法,柱截面尺寸詳 SRC

柱構(gòu)件表,內(nèi)置鋼骨外包 C35 混凝土(表 1) ,未有具

體節(jié)點大樣做法。

表 1 SRC 柱構(gòu)件表

柱號 截面尺寸 材質(zhì) 型鋼類型

SRC -KZ1 900 ×900(內(nèi)置鋼骨同首層鋼柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ2 700 ×700(內(nèi)置鋼骨同首層鋼柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ3 1000 ×1000(內(nèi)置鋼骨同首層鋼柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ4 900 ×1100(內(nèi)置鋼骨同首層鋼柱截面) Q355 焊接箱型截面

注:①未注明柱截面尺寸為 800 × 800,板厚 h = 350,地下外墻厚度為

400。 ②柱混凝土標(biāo)號為 C35,梁板混凝土標(biāo)號為 C35。 ③首層框架柱

需要延伸至地下一層地面標(biāo)高。

在施工圖設(shè)計階段,需進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計。

經(jīng)項目團(tuán)隊深度溝通,大家認(rèn)為若按初設(shè)做法將鋼結(jié)

構(gòu)柱腳連接在負(fù)一層樓面,可能存在以下難點:

(1)柱模板加固問題

采用 SRC 柱形式的柱模板加固時,對拉螺栓受

到中心鋼骨影響無法穿越將影響整體柱模的固定,當(dāng)

柱截面較大時,難以保障整體柱模的穩(wěn)定性,易造成

爆模,漏漿等質(zhì)量問題。

(2)鋼結(jié)構(gòu)安裝垂直問題

鋼結(jié)構(gòu)柱在負(fù)一層連接必然跟鋼筋混凝土梁有

交接節(jié)點,該節(jié)點部位各方向均有梁錨固導(dǎo)致該部位

空間狹小,操作難度大,鋼柱吊裝后難以進(jìn)行調(diào)整,鋼

柱的垂直度無法保障,對施工效率及整體工程進(jìn)度都

有影響。

(3)混凝土澆筑質(zhì)量問題

受制于鋼骨架和密集鋼筋的影響,振動棒振搗的

難度極大,基本無法振搗,從而無法保障周邊混凝土

的密實度,容易造成骨料沉積,振搗不密實,拆模后觀

感較差等問題。

(4)成本造價問題

本項目為 EPC 項目,合同價為封頂價合同,在施

工圖設(shè)計階段應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)的造價,將主要資金用

于后續(xù)與使用功能相關(guān)的部分。 SRC 柱木工模板用

量大,人工與材料成本高,混凝土澆筑經(jīng)多次完成,人

機(jī)降效,整體造價比傳統(tǒng)混凝土柱高出許多,不利于

成本控制。

(5)鋼結(jié)構(gòu)柱與鋼筋混凝土梁連接問題

初設(shè)中未明確鋼柱在負(fù)一層與混凝土梁鋼筋連

接的具體大樣做法,本次需進(jìn)行深化設(shè)計。 鋼筋混

凝土梁與鋼結(jié)構(gòu)柱連接的方式多種多樣,首先是直

螺紋套筒連接和型鋼開洞的方式。 施工人員在現(xiàn)場

做了類似的實物模型,根據(jù)梁主筋的排布在型鋼上

標(biāo)出每根主筋的位置,然后在型鋼上焊接直螺紋接

頭,鋼筋如果太密排布不開,則采取型鋼上開洞穿入

的形式。

現(xiàn)場實物模型的試驗結(jié)果表明,采用直螺紋連接

實際操作很難實現(xiàn),因為直螺紋接頭和梁主筋如果不

在同一直線上,則梁鋼筋上絲難度較大,這就要求接

頭的角度必須控制得十分精確。 所以必須采用另外

切實有效的連接方法,經(jīng)過咨詢相關(guān)專家并同設(shè)計院

溝通后,考慮使用在型鋼上焊接一圈環(huán)形連接板,采

用梁鋼筋與連接板焊接的方式進(jìn)行連接。 每根鋼構(gòu)

柱根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖中相對應(yīng)的梁標(biāo)高、高度、位置在

工廠內(nèi)直接焊接環(huán)形連接板。 環(huán)形連接板厚 25 mm,

寬 400 mm,同時在環(huán)形連接板上焊接厚 20 mm,寬

350 mm 的加勁肋[2]

,如圖 2 所示。

圖 2 環(huán)形連接板示意圖

·56· 福 建 建 筑 2023 年

通常與型鋼柱連接的梁不止一根,根據(jù)梁的高

度、標(biāo)高、位置可分為以下幾種形式:①梁頂標(biāo)高及梁

高都相同;②梁頂標(biāo)高相同,梁高不同;③梁頂標(biāo)高不

同,梁高不同;具體大樣做法如圖 3 ~ 圖 5 所示。

圖 3 梁頂標(biāo)高、梁高都相同做法示意圖

圖 4 梁頂標(biāo)高相同,梁高不同做法示意圖

圖 5 梁頂標(biāo)高、梁高均不同做法示意圖

安裝時,先進(jìn)行型鋼柱吊裝定位再進(jìn)行框架梁鋼

筋綁扎安裝,最后進(jìn)行主筋與環(huán)形連接板的焊接施

工,框架梁側(cè)模待焊接完成并驗收合格后再進(jìn)行封

閉。 框架梁上部主筋圖紙若設(shè)計有兩排鋼筋,第一排

鋼筋與環(huán)形連接板上表面焊接,第二排鋼筋與環(huán)形連

接板的下表面進(jìn)行焊接(圖 6)。 鋼筋與連接板焊接

采用 E50 焊條,單面焊,焊接長度不小于 16 d;鋼筋直

徑大于 25 mm 時采用雙面焊,焊接長度不小于 8 d。

焊接過程中采用對稱焊法,應(yīng)使焊接變形收縮量最

小,加熱量平衡,收縮量大的部位先焊,收縮量小的部

位后焊,焊接完成后按圖紙和規(guī)范進(jìn)行無損檢測。

經(jīng)分析,按以上做法,可解決鋼構(gòu)柱和鋼筋混凝

土梁的連接問題,但是該方案仍然存在部分難點,例

如:①鋼筋綁扎須一次成優(yōu),待主筋與連接板焊接完

成后不宜整改,一旦出現(xiàn)綁扎問題難以返工;②木工、

鋼筋工、焊工必需同步配合施工,無法提前封閉框架

梁側(cè)模板,施工效率較低;③焊接的質(zhì)量直接影響鋼

筋混凝土梁與型鋼混凝土柱連接質(zhì)量,對焊工電焊技

術(shù)要求較高、難度大,不便于施工質(zhì)量的常態(tài)化管控;

④若遇到梁鋼筋為三排筋時,需再增加連接板并且第

三排鋼筋與連接板焊接已無操作空間,難以焊接,存

在質(zhì)量隱患。

圖 6 鋼構(gòu)柱與梁采用環(huán)形連接板連接

2. 2 解決思路

經(jīng)梳理原初設(shè)方案的設(shè)計思路存在以上五大難

點,施工方項目團(tuán)隊再次對施工方案進(jìn)行優(yōu)化,深度

配合設(shè)計單位進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析,提出是否能將鋼結(jié)

構(gòu)柱連接部位提升至地面首層,地下室部分采用傳統(tǒng)

混凝土工藝進(jìn)行建造。 將原來初步設(shè)計的 SRC 柱改

為首層鋼結(jié)構(gòu)柱外包式柱腳,采用預(yù)埋錨桿螺栓的方

式將上部鋼結(jié)構(gòu)柱與地下室頂板混凝土進(jìn)行連接。

隨著該思路的提出,團(tuán)隊人員開始針對該方案可行性

進(jìn)行論證,整理出需要解決的問題。

2. 3 柱腳連接與安裝施工的控制要點

(1)首層鋼構(gòu)柱抗剪問題

將鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接部位提升至地面首層,上部建

筑結(jié)構(gòu)柱抗剪能力將存在較大風(fēng)險。 經(jīng)研究,在地下

室結(jié)構(gòu)澆筑前采用大直徑鋼筋倒插回地下室結(jié)構(gòu)柱

內(nèi),上端預(yù)留至地面,待鋼構(gòu)柱定位吊裝安裝完成后,

外部采用箍筋間隔 10 cm 一道進(jìn)行設(shè)置,最后支模澆

筑混凝土將鋼筋與鋼構(gòu)柱進(jìn)行包裹,從而增強(qiáng)柱腳的

抗剪性能。 插筋具體布置方案為沿著柱截面周邊一

圈進(jìn)行倒插,插筋長度根據(jù)計算為外包混凝土高度的

2 倍,具體柱腳混凝土外包高度根據(jù)項目實際情況由

設(shè)計院進(jìn)行計算。 經(jīng)設(shè)計院復(fù)核,該方案可以滿足該

建筑的結(jié)構(gòu)受力要求,從而解決抗剪問題。

(2)鋼結(jié)構(gòu)柱首層柱腳安裝施工一次合格率問題

根據(jù)以往施工經(jīng)驗鋼結(jié)構(gòu)柱腳安裝施工一次合

2023 年 08 期 總第 302 期 鄭志翔·鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接與安裝施工技術(shù)研究 ·57·

格率并不高,合格率約 80% ~ 85% ,本項目又全部采

用鋼結(jié)構(gòu)建造,若在柱腳安裝環(huán)節(jié)浪費大量返工時間

將嚴(yán)重制約整體結(jié)構(gòu)封頂?shù)乃俣?甚至影響項目總進(jìn)

度計劃。 經(jīng)過調(diào)研,影響一次合格率問題的原因有四

點:①錨桿安裝困難影響;②螺栓預(yù)埋位置偏位過大;

③混凝土澆筑困難;④構(gòu)建加工尺寸偏差。 其中第

一、二兩點為主要影響因素,若需切實有效提高柱腳

施工一次合格率必須對應(yīng)著重解決。 錨桿與節(jié)點鋼

筋沖突無法安裝的主要原因是梁柱鋼筋密集導(dǎo)致,螺

栓預(yù)埋精度不足主要原因是操作空間狹小,很難準(zhǔn)確

定位導(dǎo)致。

針對錨桿與節(jié)點鋼筋沖突無法安裝問題。 首先

是熟悉施工圖紙,匯總梁柱節(jié)點位置的鋼筋安裝情

況,對圖紙進(jìn)行分析確保后續(xù)梁柱節(jié)點建模準(zhǔn)確性。

利用 BIM 技術(shù)進(jìn)行深化檢查碰撞,對梁柱節(jié)點的鋼筋

及預(yù)埋件進(jìn)行建模排布。 目標(biāo)為保證無碰撞,不影響

錨桿預(yù)埋施工[3]

。 3D 模型的建立具有直觀性,不僅

能較好的檢查布局合理性,還能直觀將問題反饋給設(shè)

計單位,由設(shè)計單位調(diào)整鋼筋的布置,同時派專人進(jìn)

行現(xiàn)場指導(dǎo)錨桿安裝,降低工人施工難度。

現(xiàn)場利用 BIM 建模技術(shù)進(jìn)行模擬安裝施工,定形

安裝流程,工人可在軟件中進(jìn)行模擬施工學(xué)習(xí)安裝流

程技術(shù),并制作施工教學(xué)視頻對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行視

頻交底。 經(jīng)檢查現(xiàn)場施工無沖突情況發(fā)生,銜接緊

密,大大提高施工速度,錨桿螺栓三維碰撞及施工效

果圖如圖 7 所示。

圖 7 錨桿螺栓三維碰撞及施工效果圖

針對螺栓預(yù)埋精度不足問題。 考慮采用 BIM 技

術(shù)對螺栓預(yù)埋位置進(jìn)行 3D 建模,建立高精度螺栓預(yù)

埋定位孔板模型,廠家根據(jù)模型數(shù)據(jù)精加工制造定位

孔板,現(xiàn)場只需對孔板進(jìn)行軸線定位。 經(jīng)過對高精定

位孔板的使用,現(xiàn)場施工成功解決在狹小空間內(nèi)對單

個螺栓及螺栓整體相對位置預(yù)埋精度不足的問題,如

圖 8 所示。 因只需對整塊定位板進(jìn)行軸線、標(biāo)高及水

平定位固定后鎖入預(yù)埋螺栓即可完成定位,可大大提

高螺栓預(yù)埋施工速度及精度。 后續(xù)可直接吊裝鋼結(jié)

構(gòu)柱與定位孔板進(jìn)行連接,周邊縫隙采用 C40 微膨脹

細(xì)石混凝土二次澆灌。

圖 8 螺栓定位孔板現(xiàn)場應(yīng)用圖

2. 4 柱腳連接與安裝施工的工藝流程

(1)首節(jié)柱柱腳安裝工藝

鋼構(gòu)柱安裝前,先對地腳螺栓進(jìn)行軸線、標(biāo)高復(fù)

測,檢查絲扣是否損傷,提交復(fù)測數(shù)據(jù)與監(jiān)理單位。

復(fù)測核實無誤后清除表面污物,用清水沖洗干凈柱底

板下部,再次檢查首節(jié)鋼柱構(gòu)件質(zhì)量,測量工對螺栓

螺母進(jìn)行安裝定位,定位完成后進(jìn)行吊裝。 吊裝至柱

底板距離螺栓頂部 200 cm 時,停止落鉤,待安裝工用

攬繩將鋼柱底板柱孔對準(zhǔn)后,緩慢落鉤,直至鋼柱就

位后停鉤,鉚工安裝螺母及墊片,安裝完成后摘鉤,調(diào)

整鋼柱垂直度。

(2)鋼柱安裝工藝

安裝前,對建筑物的定位軸線、平面封閉角、底

層柱的位置線、鋼筋混凝土面的標(biāo)高等進(jìn)行復(fù)查,合

格后開始安裝工作。 每節(jié)柱的定位軸線應(yīng)從地面控

制軸線引上來,不得從下層柱軸線引出。 鋼柱就位

后,用全站儀進(jìn)行邊吊邊校,校正完后臨時固定,松

鉤。 每安裝一節(jié)鋼柱后,應(yīng)對柱頂做一次標(biāo)高實測,

根據(jù)實測標(biāo)高的偏差值來確定調(diào)整與否。 標(biāo)高偏差

值≤5 mm 合格,超過 5 mm 需進(jìn)行校正調(diào)整[4]

。

2. 5 柱腳連接與安裝施工質(zhì)量控制要求

(1)根據(jù)工程具體情況,編寫質(zhì)量手冊及各工序

的施工工藝指導(dǎo)書,以明確具體的方式,對施工中的

各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程控制。

(2)把好原材料質(zhì)量關(guān),所有進(jìn)場材料,必須有

符合工程規(guī)范的質(zhì)量證明文件。 材料進(jìn)場后,要按產(chǎn)

品說明書和安裝規(guī)范的規(guī)定,妥善保管和使用,防止

變質(zhì)損壞。 按規(guī)程應(yīng)進(jìn)行檢驗的,堅決取樣檢驗,杜

絕不合格產(chǎn)品進(jìn)入本工程,影響安裝質(zhì)量。

(3)配齊、配全施工中需要的機(jī)具、量具、儀器和

其它檢測設(shè)備,并始終保持其完善、準(zhǔn)確、可靠。 儀

器、檢測設(shè)備均應(yīng)經(jīng)過有關(guān)權(quán)威方面檢測認(rèn)證。

(下轉(zhuǎn)第 63 頁)

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽研究

陳金盛1,2 徐茂龍3 張必勝1,2 王壇華1,2 程沛媛1,2 何森凱1,2 吳文達(dá)2,3

(1. 福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司 福建福州 350004;

2. 近海公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 福建福州 350004;

3. 福州大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院 福建泉州 362251)

摘 要:堿激發(fā)膠凝材料是一種新型綠色膠凝材料,堿激發(fā)混凝土以環(huán)保、強(qiáng)度高、耐久性好等一系列特點得到國內(nèi)外

學(xué)者的廣泛關(guān)注,因此,對其力學(xué)性能和耐久性的研究逐漸成為熱點。 為此綜述硫酸鹽對堿激發(fā)混凝土的侵蝕機(jī)理,

比較堿激發(fā)材料與普通硅酸鹽混凝土面對硫酸鹽侵蝕的不同侵蝕產(chǎn)物,以及堿激發(fā)膠凝材料硫酸鹽侵蝕的影響因素,

提出堿激發(fā)膠材混凝土抗硫酸鹽耐久性研究存在的問題和今后研究的方向。

關(guān)鍵詞: 堿激發(fā)膠凝材料;抗硫酸鹽;侵蝕機(jī)理;影響因素

中圖分類號:TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0058 - 06

Study on Sulfate Resistance of Alkali Activated Cementitious Materials

CHEN Jinsheng

1,2 XU Maolong

3 ZHANG Bisheng

1,2 WANG Tanhua

1,2 CHENG Peiyuan

1,2

HE Senkai

1,2 WU Wenda

2,3

(1. Fujian Communication Planning&Design Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350004;2. Research and Development Center of Transport

Industry of New Materials,Technologies Application for Highway Construction and Maintenance of Offshore Areas Ministry of

Transport,PRC. ,Fuzhou 350004;3. School of Advanced Manufacturing,Fuzhou University,Quanzhou 362251)

Abstract:Alkali activated cementitious material is a new type of green cementitious material. Alkali activated concrete has been widely concerned by scholars at home and abroad for its environmental protection,high strength,good durability and a series of other characteristics.

The research on its mechanical properties and durability has gradually become a hot spot. This paper summarizes the corrosion mechanism of

sulfate on alkali activated concrete,compares the different corrosion products of alkali activated materials and ordinary silicate concrete exposed to sulfate corrosion,and the influencing factors of sulfate corrosion of alkali activated cementitious materials,and puts forward the existing problems and future research directions of sulfate resistance durability of alkali activated cementitious materials concrete.

Keywords:Alkali activated cementitious materials; Sulfate resistance; Erosion mechanism; Influence factor

基金項目:國家自然科學(xué)基金青年項目(51808124);近海公路建設(shè)與養(yǎng)

護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心開放基金課題;綠色建筑材

料國家重點實驗室開放基金 ( 2021GBM07 ); 泉州市科技計劃項目

(2021C026R)。

作者簡介:陳金盛(1977 - ),男,高級工程師。

通訊作者:徐茂龍(1999 - )。

E-mail:786530317@ qq. com

收稿日期:2023 - 01 - 19

0 引言

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土復(fù)合而成,兼具了

鋼筋的抗彎性能和混凝土的抗壓性能,成為一種優(yōu)異

的建筑材料。 其憑借經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性,在建筑工

程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速

發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)建筑和民用建筑正在快速建設(shè)

中,對混凝土的需求量屢創(chuàng)新高。 根據(jù) CCPA 調(diào)查的

數(shù)據(jù)顯示[1]

,2011 年 ~ 2019 年,中國預(yù)拌混凝土的年

產(chǎn)量從 7. 43 × 108 m

3 增長到 25. 54 × 108 m

3

。 在

2011 年,中國的水泥年產(chǎn)量占世界水泥年產(chǎn)量的

58. 8% ,達(dá)到 20 × 108 t 之多[2]

。 由于水泥的生產(chǎn)過

程會釋放大量的 CO2 ,水泥的廣泛應(yīng)用會造成嚴(yán)重的

環(huán)境問題。 據(jù)統(tǒng)計,每生產(chǎn) 1 kg 硅酸鹽水泥,將釋放

0. 85 ~ 1kg 的 CO2

[3]

。 根據(jù)中國統(tǒng)計的數(shù)據(jù)預(yù)測,中

國的 CO2年排放量的峰值會在 2030 年到來將達(dá)到峰

值。 我國積極面對 CO2排放問題,提出了節(jié)能減排的

政策,具有深遠(yuǎn)的環(huán)境和政治意義。 因此,尋找可代

替的綠色建筑膠凝材料的任務(wù),變得迫在眉睫。

堿激發(fā)膠凝材料作為一種新型綠色建筑膠凝材

料,引起了科研人員的注意。 與普通硅酸鹽水泥相

比,生產(chǎn)相同單位質(zhì)量堿激發(fā)膠凝材料,其 CO2 排放

量和 耗 能 量, 分 別 是 普 通 硅 酸 鹽 水 泥 的 20% 和

40%

[4]

。 并且,堿激發(fā)膠凝材料具有優(yōu)良性能,例如

固化有毒金屬[5]

,力學(xué)性能好[6]

,耐酸腐蝕[7]

,耐高

2023 年 08 期 總第 302 期 陳金盛,徐茂龍,張必勝,等·堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽研究 ·59·

溫[8]等。 另外,其使用工業(yè)廢渣作為原料,既解決了

廢渣的處置問題,又實現(xiàn)了綠色建筑膠凝材料的生

產(chǎn)。 由此可見,堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用,具有顯著的

環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著科學(xué)的發(fā)展以及實際工程的驗證,混凝土結(jié)

構(gòu)早期承載力的強(qiáng)弱,并不能決定其服役壽命的長

短,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,對結(jié)構(gòu)服役年限有直接的

聯(lián)系。 建筑物在服役年限內(nèi)所處的外界環(huán)境會對建

筑物的材料產(chǎn)生破壞,材料的耐久性越好,建筑物在

使用年限內(nèi)破壞的概率越小。 材料的耐久性不足,將

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力降低,這會造成后期的維修成

本激增。 而在耐久性方面,抗硫酸鹽侵蝕性能是尤為

重要的一項指標(biāo)[9]

。 普通硅酸鹽混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸

鹽侵蝕,會使 C - S - H 凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膠結(jié)能力的物

質(zhì)、生成膨脹性侵蝕產(chǎn)物,引起混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、

膨脹變形和剝落起皮等現(xiàn)象,使結(jié)構(gòu)喪失強(qiáng)度和穩(wěn)定

性。 我國的硫酸鹽侵蝕具有地域性,主要發(fā)生在東南

沿海以及西北鹽湖地區(qū)(圖 1)。 《中國腐蝕調(diào)查報

告》顯示,在對中國東部和南部的 27 座海港和引橋進(jìn)

行調(diào)查時發(fā)現(xiàn),其中有 74% 發(fā)生了侵蝕破壞;此外,

在使用年限 25 年內(nèi),22 座水閘的 56% 發(fā)生腐蝕破

壞[10]

。 在 2013 年,海洋腐蝕造成的損失達(dá)到對中國

經(jīng)濟(jì)造成巨大危害的程度[11]

。 西寧鹽澤土地區(qū)的硫

酸鹽,使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部生成硫酸鹽結(jié)合水晶體和

石膏,對混凝土結(jié)構(gòu)造成了物理結(jié)晶破壞和化學(xué)侵蝕

破壞[12]

。 對建筑結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕性能的研究,

有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命,減輕侵蝕造成的經(jīng)

濟(jì)損失,具有重大意義。

(a)海洋環(huán)境 (b)鹽堿地環(huán)境

圖 1 混凝土結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境下的腐蝕情況[13]

當(dāng)?shù)鼐酆衔锘炷猎馐芰蛩猁}侵蝕時,由于材料

化學(xué)成分以及微觀結(jié)構(gòu)之間的顯著差異,材料的表現(xiàn)

及反應(yīng)機(jī)理將完全改變。 到目前為止,國內(nèi)外已經(jīng)針

對地聚合物與硫酸鹽之間可能存在的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行

了大量的研究,整體上來說,地聚合物混凝土表現(xiàn)了

強(qiáng)大的抗硫酸鹽侵蝕能力。

1 硫酸鹽侵蝕機(jī)理

1. 1 普通硅酸鹽侵蝕機(jī)理

環(huán)境中的硫酸鹽溶液通過混凝土中的毛細(xì)孔進(jìn)

入內(nèi)部,造成混凝土發(fā)生兩方面的破壞[13 - 14]

。一方

面為化學(xué)侵蝕破壞,混凝土內(nèi)部的有效成分與硫酸鹽

反應(yīng),生成侵蝕產(chǎn)物。 另一方面為物理侵蝕破壞,侵

蝕環(huán)境發(fā)生干濕交替、溫度等變化也會造成混凝土內(nèi)

部的硫酸鹽發(fā)生吸水結(jié)晶,體積發(fā)生膨脹。 這些因素

會造成孔隙中的應(yīng)力變大,混凝土開裂破壞。

1. 1. 1 物理侵蝕機(jī)理

物理侵蝕機(jī)理[15] 包含 3 種理論:硫酸鈉固相體

積變化理論、結(jié)晶水壓力理論和鹽結(jié)晶壓力理論。

(1)硫酸鈉固相體積變化理論

侵蝕溶液中的硫酸鹽在孔隙中析出,并吸收水分

轉(zhuǎn)化為結(jié)合水晶體,體積發(fā)生膨脹。 例如 Na2 SO4 晶

體吸水結(jié)晶為 Na2 SO4·10H2O 晶體、MgSO4晶體吸水

結(jié)晶為 MgSO4·7H2O 晶體。

(2)結(jié)晶水壓力理論[16]

無水硫酸鹽晶體與結(jié)合水硫酸鹽晶體進(jìn)行轉(zhuǎn)換,

兩者之間會存在結(jié)晶平衡。 材料內(nèi)部的水分會隨著

內(nèi)外界環(huán)境發(fā)生變化而移動,在水分運輸?shù)倪^程中,

會對孔壁產(chǎn)生水壓力。

(3)鹽結(jié)晶壓力理論

混凝土內(nèi)部的孔隙,會使得環(huán)境中的鹽溶液進(jìn)入

內(nèi)部,環(huán)境溫度和濕度的變化會造成孔結(jié)構(gòu)中的鹽溶

液結(jié)晶,對孔隙產(chǎn)生結(jié)晶壓力。 當(dāng)壓力過大時,孔結(jié)

構(gòu)被破壞,混凝土開裂,加快了硫酸鹽溶液的侵蝕速

度,使得混凝土的宏觀性能繼續(xù)惡化。

1. 1. 2 化學(xué)侵蝕機(jī)理

根據(jù)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物的不同,化學(xué)侵蝕機(jī)理可以

分成 3 種理論:鈣礬石型侵蝕、石膏型侵蝕和碳硫硅

鈣石型侵蝕。

(1)鈣礬石型侵蝕

鈣礬石的晶體呈現(xiàn)針狀或片狀,其在在結(jié)晶的過

程中會吸收大量的水,造成體積發(fā)生膨脹。 晶體體積

的增大會對孔隙產(chǎn)生應(yīng)力,造成混凝土產(chǎn)生裂縫。 硫

酸鹽侵蝕普通硅酸鹽混凝土產(chǎn)生鈣礬石的化學(xué)式

如下:

SO

2 -

4 + H2

o + Ca(OH)2 = CaSO4·2H2O + 2OH

-

3(CaSO·2H2O) +4CaO·Al

2O3·12H2O +14H2O

·60· 福 建 建 筑 2023 年

= 3CaO·Al

2O3·3CaSO4·32H2O + Ca(OH)2

(2)石膏型侵蝕

石膏晶體呈柱狀,相對較大,會造成混凝土內(nèi)部

產(chǎn)生應(yīng)力。 同時,二水石膏的形成過程中,消耗大量

的 Ca(OH)2 ,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散,孔隙增多,混凝

土的強(qiáng)度和耐久性減弱。 混凝土在干濕循環(huán)作用下,

由于溶液的傳輸和水分的蒸發(fā)作用,會導(dǎo)致在干濕交

替界面出現(xiàn) SO

2 -

4 和 Ca

2 + 濃度增大,使得二水石膏

產(chǎn)生[17]

。

Ca ( OH )2 + SO

2 -

4 + 2H2O = CaSO4 · 2H2O

+ 2OH

-

(3)碳硫硅鈣石型侵蝕

在低溫環(huán)境下,硫酸鹽、碳酸鹽和大量水分的共

同作用,會生成碳硫硅鈣石,其晶體為針狀[18]

。 碳硫

硅鈣石的形成過程,會使得水化反應(yīng)得到的凝膠體轉(zhuǎn)

變?yōu)檎辰Y(jié)性低的白色泥狀物質(zhì),造成材料由表及里剝

落,最終使其失去強(qiáng)度[19]

。 其化學(xué)反應(yīng)式如下:

3CA

2 +

SO

2 -

4 + CO

2 -

3 + [Si(OH)6 ]

2 -

+ 12H2O

= Ca3 [Si(OH)6 ](CO3 )(SO4 )·12H2O

1. 2 堿激發(fā)膠凝材料硫酸鹽侵蝕機(jī)理

堿激發(fā)膠凝材料受硫酸鹽侵蝕較為復(fù)雜。 眾多

因素影響下,其侵蝕產(chǎn)物和侵蝕方式存在差異。 硫酸

鹽溶液在材料內(nèi)部結(jié)晶產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,造成試件開

裂。 Na2 SO4 溶液[20] 進(jìn)入堿激發(fā)砂漿試件內(nèi)部后,在

孔隙內(nèi)結(jié)晶膨脹,是造成試件破壞的主要原因,有學(xué)

者[21]的研究結(jié)果也證實了這一觀點。 其通過掃描電

鏡試驗,發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)粉煤灰砂漿的孔隙中存在 Na2

SO4晶體。 物理侵蝕破壞,是堿激發(fā)材料發(fā)生侵蝕破

壞的一項重要原因。

堿激發(fā)膠凝材料在硫酸鹽侵蝕作用下,會生成侵

蝕產(chǎn)物造成化學(xué)侵蝕破壞。 堿激發(fā)材料在硫酸鹽侵

蝕作用下,出現(xiàn)石膏和鈣礬石晶體。 Bakharev 等[22]

觀察堿激發(fā)粉煤灰砂漿在硫酸鈉侵蝕作用下,生成鈣

礬石晶體。 然而,也有學(xué)者[23] 在經(jīng)硫酸鹽侵蝕的堿

激發(fā)礦渣砂漿中,沒有觀察到鈣礬石晶體。 他們認(rèn)

為,石膏型侵蝕是堿激發(fā)礦渣混凝土的主要破壞機(jī)

理[24 - 25]

。 然而,以往的研究表明,堿激發(fā)材料的火山

灰反應(yīng)過程中,不生成 Ca(OH)2 ,堿激發(fā)材料的石膏

型侵蝕破壞機(jī)理應(yīng)與普通硅酸鹽水泥不同。 通過對

MgSO4溶液侵蝕堿激發(fā)礦渣凈漿試件的石膏型侵蝕

機(jī)理做解釋,認(rèn)為試件中含有苛性堿,堿性遠(yuǎn)高于普

通硅酸鹽水泥中的 Ca(OH)2 ,更加容易和 Mg

2 + 離子

結(jié)合形成 Mg(OH)2 沉淀[26]

。 這會使得火山灰反應(yīng)

產(chǎn)物的堿性降低,進(jìn)一步造成 C - S - H 與 MgSO4 反

應(yīng),造成 C - S - H 凝膠的分解,同時釋放出石膏。

2 堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽影響因素

2. 1 前驅(qū)體

堿激發(fā)膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能,受前驅(qū)體

種類的影響較大。 根據(jù)前驅(qū)體中 CaO 含量高低,將堿

激發(fā)膠凝材料分為高鈣體系和低鈣體系。 粉煤灰、偏

高嶺土、鎳渣等為低鈣體系,礦渣等為高鈣體系。 高

反應(yīng)活性的礦渣雖然能夠制備高強(qiáng)度的堿激發(fā)材料。

但是,其產(chǎn)物膠凝體中 Ca

2 + 離子的溶出,為生成膨脹

性物質(zhì)創(chuàng)造了條件。 通過研究礦渣摻量對堿激發(fā)粉

煤灰礦渣混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響[27]

,結(jié)果

表明,提高礦渣摻量,有助于提高堿激發(fā)粉煤灰礦渣

混凝土的殘余抗壓強(qiáng)度。 然而,一些學(xué)者[28] 發(fā)現(xiàn)高

爐礦渣摻量越高,堿激發(fā)鉻鐵礦渣 - 高爐礦渣混凝土

在硫酸鹽侵蝕下,強(qiáng)度損失越大,并認(rèn)為是礦渣中多

余的 Ca

2 + 離子與硫酸鹽反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)。 礦渣

摻量的增加,會使堿激發(fā)粉煤灰礦渣砂漿試件的殘余

抗壓強(qiáng)度快速減小,并出現(xiàn)較大的體積膨脹[29]

。 在

試件侵蝕 6 個月后,通過 XRD 分析,發(fā)現(xiàn)試件中存在

大量的二水石膏晶體,認(rèn)為這是導(dǎo)致試件強(qiáng)度破壞的

主要原因。 礦物摻合料[30]

(粉煤灰、礦粉)能夠提高

水泥凈漿鍛燒產(chǎn)物漿體的工作性,其中礦渣粉對再生

膠凝材料漿體強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)影響。 建筑垃圾中,

磨細(xì)的廢紅磚粉與廢混凝土粉按比例 2∶ 1 摻和一定

比例礦渣制備礦渣再生微粉基膠凝材料,通過試驗研

究發(fā)現(xiàn),制備出的堿激發(fā)膠凝材料中的混凝土都有較

好 的 抗 凍 性 能 和 抗 滲 性 能 以 及 抗 硫 酸 鹽 侵 蝕

能力[31]

。

2. 2 堿激發(fā)劑

堿激發(fā)劑的種類,對堿激發(fā)材料的抗硫酸鹽侵蝕

性能具有顯著的影響。一方面,堿激發(fā)劑種類對堿激

發(fā)膠凝材料的激發(fā)效果存在差異,水泥基體的結(jié)構(gòu)密

實程度不同。 另一方面,堿激發(fā)劑對堿激發(fā)試件,在

硫酸鹽溶液中發(fā)生離子交換。 NaOH 作為堿激發(fā)劑,

能夠有效提高堿激發(fā)粉煤灰凈漿的抗硫酸鹽侵蝕性

能,主要因為材料中生成了少量的沸石類晶體,結(jié)構(gòu)

更加密實[32]

。 然而,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[33]

,采用將堿激發(fā)

粉煤 灰 砂 漿 浸 泡 在 硫 酸 鹽 溶 液 中 侵 蝕 12 個 月,

Na2 SiO3和 NaOH 兩種堿激發(fā)劑對試樣抗硫酸鹽侵蝕

性能的影響小。

堿激發(fā)劑摻量對堿激發(fā)膠凝材料的火山灰反應(yīng)

產(chǎn)生顯著的影響。 增大堿摻量改善了火山灰反應(yīng),有

利于孔結(jié)構(gòu)的發(fā)展,對堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕

2023 年 08 期 總第 302 期 陳金盛,徐茂龍,張必勝,等·堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽研究 ·61·

性能的提升具有積極作用。 用不同 Na2 O 當(dāng)量的

NaOH 和 Na2 SiO3 溶液(Na2 O 占膠凝材料質(zhì)量比為

5. 0% 、6. 5% 和 8. 0% )制備堿激發(fā)粉煤灰凈漿,發(fā)現(xiàn)

8% Na2O 當(dāng)量制備的試件孔隙結(jié)構(gòu)更加優(yōu)良,其抗硫

酸鹽侵蝕性能更好[34]

。 使用純 NaOH 對粉煤灰進(jìn)行

堿激發(fā),發(fā)現(xiàn)堿摻量為 10M、12M、14M 和 16M 的堿激

發(fā)粉煤灰砂漿試件在 MgSO4侵蝕 48 周之后,剩余強(qiáng)

度分別為 72. 7% 、76. 0% 、77. 8% 和 80. 6%

[35]

。 以往

的試驗研究的是雙組分堿激發(fā)材料,其水膠比是按照

膠凝材料的質(zhì)量進(jìn)行換算。

堿模數(shù)對堿激發(fā)膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能

的影響尚不明確。 使用堿模數(shù)為 1. 0、1. 5 和 2. 0 的

試件在硫酸鹽溶液中浸泡半年,發(fā)現(xiàn)堿模數(shù)較大的堿

激發(fā)粉 煤 灰 礦 渣 砂 漿 試 件 的 強(qiáng) 度 損 失 和 膨 脹 較

大[29]

。 用 MgSO4溶液干濕循環(huán)對堿激發(fā)粉煤灰礦渣

砂漿進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在模數(shù) 0 ~ 1. 5 范圍內(nèi),水玻璃模

數(shù)的增加能夠增強(qiáng)試件的抗侵蝕性能[36]

。

2. 3 環(huán)境影響因素

(1)硫酸鹽

不同陽離子的硫酸鹽,對堿激發(fā)材料的侵蝕作用

存在差異。 Mg

2 + 離子的存在會造成具有粘結(jié)性的 C

- S - H 凝膠中的 Ca

2 + 離子脫出,形成無粘結(jié)性的 M

- S - H 凝膠[30]

。 周煥海和唐明述[26] 也得到了相同

的結(jié)論。 對比堿激發(fā)粉煤灰礦渣凈漿在 5% Na2 SO4

和 5% MgSO4溶液中浸泡 3 個月后的侵蝕情況,MgSO4

溶液侵蝕會造成堿激發(fā)粉煤灰礦渣凈漿試件發(fā)生膨

脹和剝落,而在 Na2 SO4溶液中的試件,沒有觀察到明

顯的劣變[37]

。 Na2 SO4溶液和 MgSO4溶液分別使得堿

激發(fā)礦渣混凝土強(qiáng)度降低 17. 0% 和 23. 0% ,這與生

成石膏和 C - A - S - H 脫鈣有關(guān)[38]

。 浸泡在 MgSO4

溶液中的堿激發(fā)礦渣混凝土表面被白色的 Mg(OH)2

沉淀覆蓋,而浸泡在 Na2 SO4 溶液中的試件表觀無明

顯變化[39]

。

硫酸鹽濃度的增加,會加劇堿激發(fā)膠凝材料的侵

蝕程度。 研究堿激發(fā)珍珠巖凈漿的抗硫酸鹽侵蝕性

能時發(fā)現(xiàn),MgSO4 濃度的增加,會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度顯

著降低[40]

。 Na2 SO4 和 MgSO4 硫酸鹽濃度的增加,都

會造成堿激發(fā)粉煤灰礦渣凈漿的強(qiáng)度損失加劇[41]

。

(2)侵蝕方式

建筑結(jié)構(gòu)處在多樣的硫酸鹽侵蝕方式中,例如干

濕循環(huán)、半浸泡和全浸泡等。 不同硫酸鹽侵蝕方式對

堿激發(fā)材料產(chǎn)生不同的破壞機(jī)理。 有學(xué)者[42] 將堿激

發(fā)粉煤灰混凝土試件在 MgSO4溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)

侵蝕,發(fā)現(xiàn)材料的劣化程度加深,并將其歸咎于 N - A

- S - H 凝膠與 MgSO4發(fā)生反應(yīng),生成了低強(qiáng)度的 M

- A - S - H 凝膠。 其他一些學(xué)者[43]也觀察到相似的

結(jié)果。 也有學(xué)者發(fā)現(xiàn),硫酸鹽干濕循環(huán)反而對堿激發(fā)

粉煤灰再生混凝土試件的強(qiáng)度具有促進(jìn)作用[44]

。 采

用 5% Na2 SO4溶液,對堿激發(fā)礦渣砂漿和普通硅酸鹽

水泥砂漿進(jìn)行 90 d 的侵蝕,發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥砂

漿的侵蝕破壞嚴(yán)重。 其認(rèn)為堿激發(fā)材料中不存在

Ca(OH)2 ,破壞機(jī)理與普通硅酸鹽水泥的不同,可能

是 C - A - S - H 中的 Al 元素被取代或者生成了水滑

石[45]

。 全浸泡有利于煅燒黏土石灰石堿激發(fā)砂漿試

件結(jié)構(gòu)密實性的進(jìn)一步發(fā)展,半浸泡侵蝕方式會造成

試件在結(jié)晶區(qū)出現(xiàn)剝落的情況[46]

。

3 結(jié)論

雖然國內(nèi)外研究人員研究了堿激發(fā)膠凝材料抗

硫酸鹽侵蝕性能,但是堿激發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕

的性能和機(jī)理尚沒有統(tǒng)一的定論。 這阻礙了堿激發(fā)

材料在海洋、鹽湖等硫酸鹽含量高的環(huán)境中的使用。

(1)堿激發(fā)膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能受到

多方面因素的影響。 其原材料來源廣、種類繁多,不

同配合比制備的堿激發(fā)膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性

能差異性大。 并且,其抗硫酸鹽侵蝕性能受到侵蝕環(huán)

境的影響,例如硫酸鹽種類、硫酸鹽濃度和侵蝕方

式等。

(2)堿激發(fā)劑在種類、摻量和模數(shù)等方面,影響

著堿激發(fā)膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能。 不同因素

對侵蝕破壞程度的作用效果存在差異,探究其對堿激

發(fā)膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響機(jī)理,有利于堿

激發(fā)材料在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的應(yīng)用。

(3)堿激發(fā)膠凝材料在不同種類、不同濃度的硫

酸鹽溶液的侵蝕作用下,其侵蝕破壞的程度和機(jī)理存

在差異。 因此,研究不同硫酸鹽環(huán)境對材料抗硫酸鹽

侵蝕性能的影響,有助于材料開展硫酸鹽侵蝕的防治

工作。

(4)堿激發(fā)膠凝材料在不同侵蝕方式下,其侵蝕

破壞的程度和機(jī)理存在差異。 因此,探究不同侵蝕方

式下對材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響,有助于材料開

展硫酸鹽侵蝕的防治工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 中國混凝土與水泥制品協(xié)會官方網(wǎng)站 2021 - 2022 行業(yè)

大會,中國預(yù)拌混凝土打造出完整的綠色智能產(chǎn)業(yè)鏈 -

2022 中國混凝土展精彩回眸之二[EB/ OL] http: / / www.

ccpa. com. cn / site / content / 10776. html. 2022.

·62· 福 建 建 筑 2023 年

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(上接第 57 頁)

(4)設(shè)置專門的驗收班對進(jìn)場構(gòu)件進(jìn)行嚴(yán)格的

檢查驗收,特別是影響鋼結(jié)構(gòu)安裝的構(gòu)件外形尺寸偏

差以及連接方式等進(jìn)行檢查。 對于超過設(shè)計及有關(guān)

規(guī)范的構(gòu)件必須處理后再予以安裝,保證順利安裝及

安裝質(zhì)量。

(5)在焊接部位搭設(shè)防護(hù)棚,風(fēng)速對焊接質(zhì)量影

響較大,必須保證良好的焊接環(huán)境。 盡量減少在成品

鋼構(gòu)件上焊接臨時設(shè)施,避免傷害母材。 減少構(gòu)件分

段,盡量在工廠進(jìn)行加工制作,必須要進(jìn)行分段的盡

量避免高空組裝焊接,而采取在地面進(jìn)行拼裝。

3 工程實施效果

最終,福州市中醫(yī)院五四北分院項目施工圖設(shè)計

階段采用以上方案,經(jīng)設(shè)計單位確認(rèn)同意后調(diào)整結(jié)構(gòu)

施工圖,并順利通過施工圖審查。 現(xiàn)場嚴(yán)格按照圖審

后的圖紙及專項柱腳安裝施工方案進(jìn)行施工,在施工

的過程中嚴(yán)格按照質(zhì)量控制要求,對該方案的控制要

點、工藝流程進(jìn)行重點專人負(fù)責(zé),專人跟蹤。 在項目

團(tuán)隊共同努力下,目前該項目已順利完成所有樓棟的

結(jié)構(gòu)封頂任務(wù),轉(zhuǎn)入室內(nèi)外裝飾裝修階段,比原計劃

結(jié)構(gòu)施工節(jié)點提前 3 個月,節(jié)約造價約 500 萬元。

4 結(jié)語

回頭反思,初設(shè)圖紙柱腳連接在負(fù)一層產(chǎn)生的許

多問題,可以通過采用首層外包式柱腳方案有效解

決,讓地下室回到傳統(tǒng)施工工藝,工人熟練度就更高,

效率更快。 現(xiàn)場管理團(tuán)隊按照上述解決策略重點管

控錨桿螺栓的預(yù)埋施工。 綜上所述,遇到有地下室的

鋼結(jié)構(gòu)施工項目采用首層外包式柱腳連接方案可以

明顯降低施工難度,加快施工進(jìn)度,節(jié)約鋼材造價,希

望對業(yè)內(nèi)人士有所借鑒并共同探討研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

C40 自密實鋼管混凝土配合比設(shè)計及其應(yīng)用

林也堅

(漳州城投建工集團(tuán)有限公司 福建漳州 363000)

摘 要:為解決普通鋼管混凝土中澆筑振搗困難、混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等問題,以礦物摻合料、水膠比及膨脹劑為參數(shù),

對自密實混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并從中選取最優(yōu)配合比,應(yīng)用于漳州市行政服務(wù)中心建設(shè)項目鋼管混凝土柱。

結(jié)果表明,復(fù)摻 10% 粉煤灰和 15% 礦粉,能明顯改善自密實混凝土的和易性,并降低自密實混凝土的干縮率;而摻入膨

脹劑會降低自密實混凝土的和易性,但摻入 6% 膨脹劑,能夠明顯改善自密實混凝土的干縮率;選用 S34M6F10K15 作

為鋼管混凝土中自密實混凝土的配合比,能夠滿足漳州市行政服務(wù)中心建設(shè)項目工程需求。

關(guān)鍵詞: 自密實混凝土;和易性;抗壓強(qiáng)度;干縮率

中圖分類號:TU52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0064 - 04

Mix Proportion Design and Application of C40 Self Compacting Concrete Filled Steel Tube

LIN Yejian

(Zhangzhou Investment Construction Group Co. , Ltd. , Zhangzhou 363000)

Abstract:In order to solve the problems of difficult pouring and vibrating in ordinary concrete - filled steel tube and substandard concrete

strength,the mix proportion of self compacting concrete is optimized with mineral admixture,water binder ratio and expansion agent as parameters,and the optimal mix proportion is selected and applied to the concrete - filled steel tube column of Zhangzhou administrative service center construction project. The results show that adding 10% fly ash and 15% mineral powder can significantly improve the workability

of self compacting concrete and reduce the dry shrinkage of self compacting concrete; The workability of self compacting concrete will be reduced by adding expansion agent,but the dry shrinkage of self compacting concrete can be significantly improved by adding 6% expansion

agent; Selecting S34M6F10K15 as the mix proportion of self compacting concrete in concrete - filled steel tubes can meet the engineering

needs of the construction project of Zhangzhou administrative service center.

Keywords:Self compacting concrete; Workability; Compressive strength; Drying shrinkage

作者簡介:林也堅(1978. 09 - ),男,高級工程師。

E-mail:lyj20220815@ 163. com

收稿日期:2022 - 08 - 16

0 引言

鋼管混凝土是一種將混凝土注入封閉的薄壁鋼管

內(nèi),形成的鋼混組合結(jié)構(gòu)[1]

。 相比于鋼柱,鋼管混凝土

具有更好的穩(wěn)定性。 因為鋼管內(nèi)部混凝土有效地解決

了薄壁鋼管受力屈曲失穩(wěn)問題;而相比于鋼筋混凝土

柱,外層鋼管使混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而大幅度

提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力[2 - 4]

。 因此,鋼管

混凝土在建筑工程及橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。

但是,常規(guī)鋼管混凝土中多采用普通混凝土,在

施工中存在振搗困難,極易出現(xiàn)鋼管內(nèi)澆混凝土不密

實、不勻質(zhì)的現(xiàn)象,再加上混凝土收縮的影響,使得混

凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、混凝土與鋼管粘接性能差等缺陷極

為常見[5 - 6]

。 此外,在澆筑過程中,混凝土極易與薄

壁鋼管產(chǎn)生脫空,形成間隙,進(jìn)而造成內(nèi)部混凝土與

外部型鋼不能組合受力,降低結(jié)構(gòu)的承載力,影響著

建筑物的使用功能。 而自密實混凝土具有良好的工

作性能和抗離析性能,采用自密實混凝土澆筑的構(gòu)件

或結(jié)構(gòu)密實性好,不會出現(xiàn)蜂窩麻面等現(xiàn)象,特別適

用于 結(jié) 構(gòu) 或 構(gòu) 件 中 難 以 澆 筑 甚 至 無 法 澆 筑 的 部

位[7 - 8]

。 將自密實混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土中,能夠

有效解決鋼管中澆筑普通混凝土所帶來的問題。 朱正

國和彭修寧[9]研究認(rèn)為,在 C50 自密實鋼管混凝土中

摻入 10% HCSA 膨脹劑,能夠?qū)崿F(xiàn)在維持較好流動性

及抗離析性的同時,降低自密實混凝土的收縮,解決鋼

管混凝土脫空問題。 但肖凱成等[10] 研究發(fā)現(xiàn),若自密

實鋼管混凝土摻入過多的膨脹劑,將導(dǎo)致鋼管壁過早

發(fā)生屈曲,進(jìn)而使得鋼管混凝土的抗壓承載力降低。

本文結(jié)合漳州市行政服務(wù)中心建設(shè)項目自密

實鋼管混凝土柱的施工實例展開研究,以礦物摻

合料、水膠比及膨脹劑為參數(shù),通過對配合比的優(yōu)

化設(shè)計,在保證混凝土力學(xué)性能的前提下,分析各

參數(shù)對自密實混凝土工作性能及干縮率的影響,

并選用一個最優(yōu)配合比,用于澆筑實際工程中鋼

管混凝土柱。

1 工程概況

漳州市行政服務(wù)中心建設(shè)項目總用地面積為

33 505. 11 m

2

,建筑高度為 37. 9 m,是一棟地下 1 層,

地上 7 層的用鋼框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。 根據(jù)設(shè)計

2023 年 08 期 總第 302 期 林也堅·C40 自密實鋼管混凝土配合比設(shè)計及其應(yīng)用 ·65·

要求,本工程中擬采用 205 根鋼管混凝土柱,截面尺

寸分別為 600 mm ×600 mm 和 700 mm × 700 mm,混凝

土強(qiáng)度等級為 C40,考慮到漳州市混凝土供應(yīng)單位輸

送泵無法滿足泵送頂升法施工要求,因此,本工程鋼

管混凝土柱采用自密實混凝土澆筑。

2 試驗概況

2. 1 原材料

制備 C40 自密實混凝土的膠凝材料,包括 P. O

42. 5 硅酸鹽水泥、F 類Ⅱ級粉煤灰和 S95 礦粉,水泥的密

度和比表面積分別為3. 15 g / cm

3和334. 2 m

2

/ kg,粉煤灰

的密度和比表面積分別為2. 28 g / cm

3和413. 2 m

2

/ kg,礦

粉的密度和比表面積分別為2. 95 g / cm

3和434. 0 m

2

/ kg,

各膠凝材料化學(xué)成分如表 1 所示;C40 自密實鋼管混

凝土的骨料包含有細(xì)度模數(shù)為 2. 7 - 2. 9 的機(jī)制砂和

粒徑為 5 mm ~ 20 mm 的碎石;膨脹劑為廈門懷霖鎂

質(zhì)高性能膨脹劑 MAC;減水劑為廈門科之杰高性能

緩凝減水劑,減水率為 30% 。

表 1 膠凝材料化學(xué)成分 %

材料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O Cl

- SO3

水泥 68. 05 22. 44 2. 76 2. 24 1. 15 0. 19 0. 11 0. 032 2. 43

粉煤灰 4. 68 54. 50 28. 78 5. 44 1. 23 0. 22 - - 0. 63

礦粉 38. 35 33. 06 16. 32 0. 77 9. 23 0. 07 0. 22 - 0. 06

2. 2 配合比

自密實混凝土配合比參照《自密實混凝土應(yīng)用技

術(shù)規(guī)程》(JGJ/ T283 - 2012)

[11]和《自密實混凝土設(shè)計

與施工指南》(CCES 02 - 2004)

[12]

,通過預(yù)先確定水

膠比、機(jī)制砂及碎石摻量,采用以公式體積法確定。

其中,減水劑摻量固定為膠凝材料質(zhì)量的 2% ,膨脹

劑分別為膠凝材料質(zhì)量的 0% 、3% 、6% 和 9% ,設(shè)計

所得到的 C40 自密實混凝土配合比如表 2 所示。

mc

ρc

+

mf

ρf

+

mk

ρk

+

mj

ρj

+

ms

ρs

+

mw

ρw

+ 0. 01α = 1

式中: mc、mf、mk、mj、ms、mw 分別為 1m

3 自密實混

凝土中水泥、粉煤灰、礦粉、機(jī)制砂、碎石及水的質(zhì)量,

kg; ρc、ρf、ρk、ρj、ρs、ρw 水泥、粉煤灰、礦粉、機(jī)制砂、碎石

及水的密度,kg / m

3

;α 為自密實混凝土的含氣量,% 。

表 2 C40 自密實混凝土配合比 kg / m

3

組別 水泥 粉煤灰 礦粉 機(jī)制砂 碎石 減水劑 膨脹劑 水

S34M0 504

S34M0F25 378

S34M0K25 378

S34M0F10K15 378

S30M0F10K15 378

S38M0F10K15 378

S34M3F10K15 378

S34M6F10K15 378

S34M9F10K15 378

0 0

126 0

0 126

50 76

876 908 10. 08

0

15. 1

30. 2

45. 3

171

150

191

171

注:在 S34M0F10K15 中,S34 表示水膠比為 0. 34,M0 表示膨脹劑摻量為 0% ,F10 表示粉煤灰摻量為膠凝材料質(zhì)量的 10% ,K15 表示礦粉摻量為

膠凝材料質(zhì)量的 15% 。

2. 3 試驗方法

自密實混凝土和易性及間歇通過性試驗,按照文

獻(xiàn)[11]和[12]有關(guān)要求進(jìn)行;自密實混凝土干縮率按

《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/ T 50081 -

2019)

[13]有關(guān)要求測定,試件尺寸為 100 mm × 100 mm

×300 mm,測定標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù) 7 d 和 28 d 的干燥收

縮值;自密實混凝土抗壓強(qiáng)度按照文獻(xiàn)[13]有關(guān)要求

測定,試件尺寸為 150 mm × 150 mm × 150 mm,測定標(biāo)

準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù) 7 d 和 28 d 的強(qiáng)度。

3 試驗結(jié)果與分析

3. 1 礦物摻合料對自密實混凝土性能的影響

礦物摻合料對自密實混凝土工作性能的影響如

表 3 所示。 從表中可知,單摻粉煤灰、礦粉及復(fù)摻粉

煤灰和礦粉,均能改善自密實混凝土的和易性,單摻

25% 粉 煤 灰 時, 坍 落 擴(kuò) 展 度 增 加 了 30 mm, 單 摻

25% 礦粉時,坍落擴(kuò)展度增加了 75 mm,復(fù)摻 10%

粉煤灰和 15% 礦粉時,坍落擴(kuò)展度增加了 95 mm。

產(chǎn)生上述試驗結(jié)果,與膠凝材料的比表面積有關(guān),由

2. 1 節(jié)可知,粉煤灰和礦粉的比表面積均大于水泥

的比表面積,需水量小,能夠有效地填充在骨料和砂

漿之間,將混凝土中的自由水置換出來,進(jìn)而提高混

凝土的流動性。 而復(fù)摻粉煤灰和礦粉時,能夠起到

“疊加效應(yīng)” ,進(jìn)一步提高自密實混凝土的流動性。

此外,由表中可知,單摻礦粉,使得自密實混凝土的

離析率增大;而單摻粉煤灰或復(fù)摻粉煤灰和礦粉時,

·66· 福 建 建 筑 2023 年

自密實混凝土的離析率基本不受影響。 這可能是因

為礦粉顆粒表面較為粗糙,保水性能較差,使得自密

實混凝土離析率增大,具體表現(xiàn)為混凝土拌合物出

現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

表 3 礦物摻合料對自密實混凝土工作性能的影響

組別

和易性

T50(s) 坍落擴(kuò)展度(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度

(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度與坍落

擴(kuò)展度差值(mm)

離析率

(% )

S34M0 13 505 500 5 10. 3

S34M0F25 11 535 510 25 9. 9

S34M0K25 8 580 540 40 13. 5

S34M0F10K15 7 600 565 35 9. 8

圖 1 和圖 2 分別為礦物摻合料對自密實混凝土抗

壓強(qiáng)度和干縮率的影響。 由圖 1 可知, 相比于 S34M0

組,單摻粉煤灰或者礦粉時,各齡期下自密實混凝土抗

壓強(qiáng)度均降低,而復(fù)摻粉煤灰和礦粉時,7 d 的抗壓強(qiáng)

度降低 4. 4 MPa,28 d 的抗壓強(qiáng)度增大了 2. 9 MPa。 由

圖 2 可知,單摻粉煤灰、礦粉及復(fù)摻粉煤灰和礦粉均能

降低各齡期下自密實混凝土的干縮率。 但復(fù)摻粉煤灰

和礦粉時,降低效果更為明顯,相比于 S34M0 組,7 d 和

28 d 的干縮率,分別降低了 44%和 61% 。

3. 2 水膠比對自密實混凝土性能的影響

水膠比對自密實混凝土工作性能的影響如表 4 所

示。 從表中可知,自密實混凝土的坍落擴(kuò)展度對著水膠

比的增大而增大,相比于 0. 30 水膠比,0. 34 和 0. 38 水膠

比的坍落擴(kuò)展度分別增加了75 mm 和180 mm。 此外,從

表中可知,水膠比降低,混凝土拌合物的離析率降低。

圖 1 礦物摻合料對抗壓

強(qiáng)度的影響

圖 2 礦物摻合料對干縮

率的影響

表 4 水膠比對自密實混凝土工作性能的影響

組別

和易性

T50(s) 坍落擴(kuò)展度(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度

(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度與坍落

擴(kuò)展度差值(mm)

離析率

(% )

S30M0F10K15 11 525 505 20 7. 3

S34M0F10K15 7 600 565 35 9. 8

S38M0F10K15 4 705 660 45 9. 6

水膠比對自密實混凝土抗壓強(qiáng)度和干縮率的影

響分別如圖 3、圖 4 所示。 從圖 3 可知,隨著水膠比的

增大,自密實混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低,相比于 0. 30

水膠比,0. 38 水膠比 7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度分別降低

了 19. 7% 、22. 8% 。 由圖 4 可知,自密實混凝土干縮

率隨著水膠比的增大而增大,這是因為水膠比增大,

混凝土內(nèi)部孔隙水占比增加,干燥過程中水分散失較

多,進(jìn)而使得混凝土的收縮率增大[14]

。

3. 3 膨脹劑對自密實混凝土性能的影響

膨脹劑對自密實混凝土工作性能的影響如表 5

所示。 從表中可知,自密實混凝土的坍落擴(kuò)展度,隨

著膨脹劑摻量的增大而減小,相比于 0% ,摻入 3% 、

6% 和 9% 膨脹劑自密實混凝土坍落擴(kuò)展度分別降低

了 15 mm、40 mm 和 85 mm。 這是因為水泥和膨脹劑

會同時發(fā)生水化反應(yīng),消耗混凝土內(nèi)部的自由水,進(jìn)

而使得混凝土和易性降低。 此外,從表中可以得到,

自密實混凝土的離析率,隨著膨脹劑摻量的增大而減

小,但當(dāng)減水劑摻量超過 6% 時,減小效果不再明顯。

圖 3 水膠比對抗壓強(qiáng)度

的影響

圖 4 水膠比料對干縮率

的影響

表 5 礦物摻合料對自密實混凝土工作性能的影響

組別

和易性

T50(s) 坍落擴(kuò)展度(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度

(mm)

J 環(huán)擴(kuò)展度與坍落

擴(kuò)展度差值(mm)

離析率

(% )

S34M0F10K15 7 600 565 35 9. 8

S34M3F10K15 8 585 550 35 9. 3

S34M6F10K15 8 560 530 30 8. 5

S34M9F10K15 10 515 505 10 8. 4

2023 年 08 期 總第 302 期 林也堅·C40 自密實鋼管混凝土配合比設(shè)計及其應(yīng)用 ·67·

圖 5 和圖 6 分別為膨脹劑對自密實混凝土抗壓強(qiáng)

度和干縮率的影響。 從圖 5 可知,相同齡期下,自密實

混凝土抗壓強(qiáng)度基本不受膨脹劑摻量的影響。 從圖 6

可知,自密實混凝土干縮率隨著膨脹劑摻量的增加而

降低,28d 齡期時,摻入 3% 、6% 和 9% 膨脹劑的收縮

值,較0%時分別減少了24. 5% 、70. 8%和77. 5% ,表明

當(dāng)摻量超過一定值時,膨脹劑改善自密實混凝土干縮

率的效果不再明顯,這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)論一致。

圖 5 膨脹劑對抗壓強(qiáng)度

的影響

圖 6 膨脹劑對干縮率

的影響

4 工程應(yīng)用

根據(jù)漳州市行政服務(wù)中心建設(shè)項目現(xiàn)場實際施工

條 件 及 自 密 實 混 凝 土 工 作 性 能 要 求, 選 用

S34M6F10K15 作為鋼管混凝土柱中自密實混凝土的配

合比。 7 d 齡期時,對試灌柱節(jié)自密實混凝土試塊,取

芯測得其抗壓強(qiáng)度為 35. 2 MPa,滿足設(shè)計要求;對試灌

柱節(jié)鋼板切割,如圖 7 所示,發(fā)現(xiàn)自密實混凝土與鋼管

的貼合良好,自密實混凝土的無收縮性滿足設(shè)計要求。

(a) (b)

圖 7 試灌柱節(jié)貼合度檢查

5 結(jié)論

(1)單摻 25% 粉煤灰或 25% 礦粉及復(fù)摻 10% 粉

煤灰和 15% 礦粉,均能改善自密實混凝土的和易性。

但復(fù)摻 10% 粉煤灰和 15% 礦粉的改善效果最為明

顯,其坍落擴(kuò)展度增加了 95 mm。

(2)自密實混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而

減小,但干縮率隨水膠比的增大而增大。

(3)摻入膨脹劑將降低自密實混凝土的和易性,

但摻入 6% 的膨脹劑,能夠明顯改善自密實混凝土的

干縮率。

(4)以 S34M6F10K15 作為鋼管混凝土柱中自密

實混凝土的配合比,能夠滿足實際工程需求。

參 考 文 獻(xiàn)

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2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于 CIM 的新型智慧社區(qū)全生命期數(shù)字底板架構(gòu)分析

張瀚文 王文超 謝丹鳳

(山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 山東淄博 255000)

摘 要:隨著建筑行業(yè)信息化的不斷發(fā)展,城市信息模型(CIM)不斷受到人們的重視,但實際應(yīng)用起來還并不成熟。

中國在推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)的過程中,大部分城市中存在的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)信息化基礎(chǔ)薄弱的問題,在工作中彼此獨

立分離,信息無法交互。 因此,城市管理平臺的運維系統(tǒng)缺乏可視化、數(shù)字化,管理難度較大,且管理體系不夠完善。

為此,以建設(shè)智慧社區(qū)為目標(biāo),搭建以 CIM 平臺為基礎(chǔ)的新型智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)。 文章梳理了 CIM 智慧平臺數(shù)字

底板的架構(gòu)以及其特點,分析 CIM 智慧平臺在社區(qū)全生命周期的運用,同時分析了 CIM 建設(shè)方案,并且提出結(jié)合實際

應(yīng)用的建議,為建設(shè)新型社區(qū)提供參考。

關(guān)鍵詞: 城市信息模型(CIM);智慧社區(qū);全生命周期;數(shù)字底板架構(gòu)

中圖分類號:TU 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0068 - 05

Analysis of the architecture of a new Intelligent community full life digital baseboard based on CIM

ZHANG Hanwen WANG Wenchao XIE Danfeng

(School of architectural engineering, Shandong University of technology,Zibo 255000)

Abstract:With the continuous development of construction industry informatization, urban information model (CIM) has been paid more

and more attention, but its practical application is not mature. In the process of promoting the construction of new smart cities in China,

the weak information foundation of infrastructure systems in most cities is independent from each other in the work, and information cannot

be exchanged. Therefore, the operation and maintenance system of the urban management platform lacks visualization and digitalization,

and the management is more difficult, and the management system is not perfect. To this end, with the goal of building smart community,

a new smart community digital baseboard architecture based on CIM platform is built. This paper reviews the architecture and characteristics of the digital baseboard of CIM smart platform, analyzes the application of CIM smart platform in the whole life cycle of the community,

analyzes the construction scheme of CIM, and puts forward suggestions combined with practical application to provide reference for the construction of new communities.

Keywords:City Information Modeling;Intelligent community; Full life cycle; Digital baseboard architecture

基金項目:山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃重點項目(S220210433050);

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目 (202002233030) ;山東理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

教育改革項目(202025)。

作者簡介:張瀚文(2002 - ),男。

通訊作者:謝丹鳳(1981 - ),女

E-mail:xiedanfeng2001@ 126. com

收稿日期:2023 - 02 - 20

0 引言

20 世紀(jì) 90 年代提出的智慧城市概念,意在促進(jìn)

城市的智能化、科學(xué)化和創(chuàng)新化發(fā)展。 中國政府積極

推動新型智慧城市建設(shè),以求實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)

展。 通過構(gòu)建一個在時間維度上的 CIM 系統(tǒng),可以協(xié)

助我們建立新型智能社區(qū),也為實現(xiàn)智能社會以及建

設(shè)信息化的建設(shè)策略方案的快速實施提供技術(shù)幫助,

應(yīng)用數(shù)字孿生科技、大數(shù)據(jù)分析、以及云計算技術(shù),架

構(gòu)從 BIM 到 CIM 的全生命周期智慧社區(qū)數(shù)字底板,

以“BIM + 智慧工地數(shù)據(jù)決策、數(shù)字工地 BIM 指揮中

心”作為建設(shè)施工過程中的“項目大腦”;項目建成

后,形成社區(qū),將前期的 BIM 信息數(shù)據(jù)傳遞到運營維

護(hù)階段,構(gòu)建 BIM 數(shù)字運維平臺;在平臺中運用物聯(lián)

網(wǎng)技術(shù)搭建新的系統(tǒng)功能,將真實社區(qū)映射到 CIM 平

臺上,形成智慧社區(qū)數(shù)字底板;實現(xiàn)智慧社區(qū)的精細(xì)

化和動態(tài)化管理。

1 CIM 和智慧社區(qū)發(fā)展背景及趨勢

1. 1 CIM 的概念及發(fā)展背景

城市信息模型(City Information Modeling,CIM)以

建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)、

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、

物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things,IoT) 等技術(shù)為基礎(chǔ),整合

地上地下、室內(nèi)室外、歷史、 現(xiàn)狀和未來的多維多尺

度模型數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù),構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市

信息有機(jī)綜合體[1]

。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷深入發(fā)展,新型城市化進(jìn)程

加快,建筑行業(yè)向著信息化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級,充分利用

信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)融合社會各方完成交互管理,實現(xiàn)

智慧城市管理,推動城市化建設(shè),以小場景的建筑信息模

型 BIM +大場景地理信息系統(tǒng) GIS 數(shù)據(jù) + 物聯(lián)網(wǎng) IOT

的有機(jī)結(jié)合的城市信息模型(CIM)應(yīng)運而生。

2023 年 08 期 總第 302 期 張瀚文,王文超,謝丹鳳·基于 CIM 的新型智慧社區(qū)全生命期數(shù)字底板架構(gòu)分析 ·69·

1. 2 智慧社區(qū)的發(fā)展趨勢

智慧社區(qū)概念起源于美國,是將社區(qū)信息化作

為電子政務(wù)的一個重要組成部分,通過社區(qū)的信息

化建設(shè)改善和提高城市管理水平[2]

。 隨著我國經(jīng)

濟(jì)建設(shè)不斷深入發(fā)展,居民生活水平的不斷提高,居

民需求和社區(qū)管理方式多元化,利用數(shù)字化技術(shù),通

過對社區(qū)內(nèi),人員、建筑、物業(yè)、家居數(shù)據(jù)化處理,在

數(shù)字平臺中進(jìn)行社區(qū)級孿生還原、萬物互聯(lián)以及 AI

賦能,構(gòu)建智慧服務(wù)與信息管理系統(tǒng)和智慧物業(yè)服

務(wù)系統(tǒng),最終通過數(shù)據(jù)分析,預(yù)測社區(qū)發(fā)展趨勢,發(fā)

現(xiàn)社區(qū)存在的問題,提高基層服務(wù)水平,提高居民幸

福感。

2 CIM 智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)步驟及其相應(yīng)

內(nèi)容

在決策階段和施工階段,搭建 BIM + 智慧工地決

策系統(tǒng)和 BIM 數(shù)字建筑管控平臺,進(jìn)行三維空間規(guī)劃

和施工運營管理,實現(xiàn)建設(shè)智慧化。 在運維階段,搭

建 CIM 運維平臺,通過 3D + GIS 技術(shù)掌握社區(qū)運行

狀態(tài),為社區(qū)運維提供保障。 最終各平臺數(shù)據(jù)集成,

構(gòu)建數(shù)字空間孿生映射智慧社區(qū)數(shù)字底板,實現(xiàn)未來

社區(qū)建設(shè)全過程咨詢決策支持、社區(qū)智慧服務(wù)應(yīng)用、

社區(qū)精細(xì)化、可視化管理、降低社區(qū)運營成本,達(dá)到社

區(qū)高效辦公,保障居民日常安全。

以 CIM 技術(shù)為核心搭建的 CIM 平臺,以此作為

新型智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)的基礎(chǔ),可以滿足社區(qū)全

生命周期中空間規(guī)劃,施工管控,后期運維的需求,使

決策智慧化,施工智慧化,運維智慧化,實現(xiàn)打造新型

智慧社會目標(biāo),如圖 1 所示。

圖 1 CIM 智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)流程

2. 1 基于 BIM 的項目大腦:BIM +智慧工地決策系統(tǒng)

在工作空間功能規(guī)劃方面,運用 BIM 技術(shù),為項

目做三維的空間規(guī)劃,使團(tuán)隊可以準(zhǔn)確地定位、分析、

保存重要參數(shù),通過參數(shù)分析,進(jìn)行施工方式以及智

能設(shè)備的選擇。 在場地總體規(guī)劃方面,分析和理解項

目所在地及項目總體規(guī)劃方面,確保設(shè)計方向符合當(dāng)

地的政府規(guī)范要求;在空間強(qiáng)度方面,首先對場地和

位置做初步的了解,開發(fā)三維空間體量模型,以此為基

礎(chǔ)進(jìn)行建筑高度、層次和整體形式的研究。 施工現(xiàn)場

“人員、機(jī)器、材料、施工方法、環(huán)境”五大要素的信息進(jìn)

行采集和管理,依靠交互、感知、決策、執(zhí)行和反饋,將

信息技術(shù)與施工技術(shù)深度融合與集成,實現(xiàn)建造過程

的真實環(huán)境、數(shù)據(jù)、行為 3 個透明,推進(jìn)施工現(xiàn)場的管

理智慧化、生產(chǎn)智慧化、監(jiān)控智慧化、服務(wù)智慧化[3]

。

2. 2 BIM 數(shù)字建筑管控平臺的構(gòu)建

將 BIM 模型、智慧工地、施工管理平臺和后期運

維管控平臺融合到一起,打通各方數(shù)據(jù),形成數(shù)字管

理平臺,避免信息傳遞延遲、權(quán)責(zé)不清的問題。

基于現(xiàn)代 BIM 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的企業(yè)數(shù)字經(jīng)營管理信

息系統(tǒng)的整體架構(gòu)內(nèi)容,主要包括以下五方面:生產(chǎn)

技術(shù)管理、質(zhì)量監(jiān)控管理、現(xiàn)場安全管理、生產(chǎn)施工管

理和成本使用管理,5 個模塊的主要功能設(shè)想:技術(shù)

模塊可以將實體化操作進(jìn)行虛擬化模擬,對資料數(shù)據(jù)

進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析整合,構(gòu)建可視化模型。 質(zhì)量模塊是

通過綜合比較各個 BIM 工程模型設(shè)計和工程現(xiàn)場的實

際施工,可以進(jìn)行實時對比驗證每個工程項目的真實

施工作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù);現(xiàn)場安全模塊通過運用多種 BIM

識別技術(shù)快速識別出各個危險模塊,在可視化平臺界

面上集中展示危險隱患點、隱患等級標(biāo)識和各種隱患

狀態(tài),并能夠進(jìn)行實時三維安全可視化,確保作業(yè)現(xiàn)場

的安全;生產(chǎn)施工管理模塊主要工作,是進(jìn)行對生產(chǎn)項

目總體上的前期策劃調(diào)研和生產(chǎn)施工的模擬,建立一

整套以 CIM 平臺為理論基礎(chǔ)上的生產(chǎn)施工總體策劃體

系和整體生產(chǎn)項目計劃方案庫;成本模塊運用 BIM 模

型來掌握成本變動的各種因素,規(guī)范化的管理使工程

投資在設(shè)計、施工和后期運維方面更加合理。

2. 3 基于 3D + GIS 技術(shù)的 CIM 社區(qū)運維平臺

運用 3D + GIS 技術(shù),通過實時更新、匯總的社區(qū)

時空數(shù)據(jù),整合社區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源,運用 VR 技術(shù)和

AR 技術(shù),借助二維碼和 VR 攝像機(jī)等新方法,以第三

視角,準(zhǔn)確直觀地將時間與空間中的具體信息形象表

現(xiàn),利用計算機(jī)信息技術(shù),實現(xiàn)數(shù)字化的表達(dá)形式,建

設(shè)數(shù)字化智能城市。 對社區(qū)監(jiān)控、時間應(yīng)急、社區(qū)部

件設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行可視化管理,實現(xiàn)社區(qū)內(nèi)“人、車、物、

地、事”的全面監(jiān)控,做到智能門禁管理、電梯監(jiān)測管

理、消防管理、智能安防監(jiān)控、設(shè)備可視化管理等的實

現(xiàn)。 同時利用 CIM 運維系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控功能不僅

可以準(zhǔn)確定位監(jiān)控設(shè)備位置,還可以實時查看視頻數(shù)

據(jù),通過與社區(qū)內(nèi)監(jiān)控數(shù)據(jù)互聯(lián)互通,將監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)

·70· 福 建 建 筑 2023 年

一集成至 CIM + 3D 可視化平臺,實時展示社區(qū)內(nèi)監(jiān)

控運行情況,輔助社區(qū)管理者更好地處理問題,掌控

社區(qū)運行狀態(tài),通過云計算技術(shù)、以及信息服務(wù)中心,

對平臺的運維提供保證。

建設(shè) GIS 共享平臺,其中包含設(shè)計應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)

平臺層、大數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)基礎(chǔ)層。 設(shè)計應(yīng)用層的對象

是所有使用者,開發(fā)者通過設(shè)計智慧終端、應(yīng)用系統(tǒng),

就可以通過地理信息公共系統(tǒng),為用戶提供各項服

務(wù)。 而設(shè)計服務(wù)層的對象,則是所有開發(fā)人員,其功

能主要是向所有開發(fā)人員提供服務(wù)接口,使之能夠迅

速地構(gòu)建綜合的服務(wù)體系。 而在設(shè)計數(shù)據(jù)處理層,一

般情況下,需要建立公共地域架構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),并通

過地域架構(gòu)建立了多元信息庫,具體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中包

含矢量、地名地址以及三維場景信息。 設(shè)計基礎(chǔ)層面

對 GIS 共享系統(tǒng)的安全運營十分關(guān)鍵,由云計算中

心、安全服務(wù)中心聯(lián)合承擔(dān)軟硬件產(chǎn)品、安全維護(hù)和

信息管理等一系列業(yè)務(wù)。

2. 4 數(shù)字孿生技術(shù)下的 CIM 智慧社區(qū)數(shù)字底板構(gòu)建

通過構(gòu)建數(shù)字空間孿生映射智慧社區(qū)數(shù)字底板,

可直接實現(xiàn)傳統(tǒng)物理社區(qū)功能在虛擬數(shù)字空間網(wǎng)絡(luò)

中實現(xiàn)的孿生空間映射,將虛擬數(shù)字化的建設(shè)及成果

有機(jī)集成整合到虛擬數(shù)字的孿生空間社區(qū)平臺中來,

進(jìn)行區(qū)域一體化管理,達(dá)到全方位運營生態(tài)支撐、多

主體協(xié)同的共享服務(wù)、社區(qū)級孿生還原、萬物互聯(lián)、AI

賦能,構(gòu)建智慧服務(wù)與信息管理系統(tǒng)和智慧物業(yè)服務(wù)

系統(tǒng),實現(xiàn)未來社區(qū)建設(shè)全過程咨詢決策支持、社區(qū)

智慧服務(wù)應(yīng)用、社區(qū)精細(xì)化、可視化管理、社區(qū)疫情防

控部署,降低社區(qū)運營成本及達(dá)到社區(qū)高效辦公,保

障居民日常安全。 各個領(lǐng)域的行業(yè)決策、仿真模型等

各有不同,CIM 的產(chǎn)品搭載、推廣服務(wù)等,都需要建立

針對性的使用場合,以人民群體、部門和行業(yè)為樣本,

進(jìn)行實際問題的解決方案,實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)部的協(xié)作互

動,這有助于化解城市規(guī)劃管理、智能城市構(gòu)建中的

問題,如圖 2 所示。

圖 2 基于 CIM 的智慧社區(qū)的整體框架

3 CIM 智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)特點

3. 1 技術(shù)路線特點

本論文基于 BIM 技術(shù)、CIM 技術(shù)、CIM + 3DGIS

技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)等技術(shù),對管控平臺和運維平臺

進(jìn)行架構(gòu),研究智慧社區(qū)的運行和管控機(jī)制。

(1)針對項目前期的建筑建造階段,本項目運用

BIM + CIM 技術(shù)構(gòu)建項目建筑管理平臺,對施工階段

的運維進(jìn)行管理和監(jiān)控。

(2)針對項目建成后形成社區(qū)階段,本項目運用

數(shù)字孿生 + CIM 技術(shù),將前期的 BIM 信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

平臺,形成 CIM + 社區(qū)運維管控平臺,從而探索研究

“數(shù)字孿生” 社區(qū),對社區(qū)的運行和管控實現(xiàn)數(shù)字化

管理。

3. 2 CIM +3DGIS 技術(shù)應(yīng)用特點

(1)針對真實社區(qū)的管控及復(fù)雜性,建立“數(shù)字

孿生社區(qū)”模型。 基于 CIM + 3DGIS 架構(gòu)開發(fā)的智能

化社區(qū)的數(shù)字化綜合管理技術(shù)平臺,作為 CIM 運維平

2023 年 08 期 總第 302 期 張瀚文,王文超,謝丹鳳·基于 CIM 的新型智慧社區(qū)全生命期數(shù)字底板架構(gòu)分析 ·71·

臺的一部分,是指在社區(qū)三維模型數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程在

線動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的技術(shù)基礎(chǔ)框架上,通過軟件,

將現(xiàn)實物理空間網(wǎng)絡(luò)中虛擬的真實的社區(qū)場景全面

地一一地映射應(yīng)用到這個虛擬真實的 CIM 運維平臺

內(nèi)的三維數(shù)字空間,從而全面探索并建設(shè)每一座“數(shù)

字孿生”智能社區(qū)。 通過 CIM 平臺打造一個智能化

的社區(qū)管理的精細(xì)化、綜合管理服務(wù)方式網(wǎng)絡(luò)化和綜

合管理組織單位數(shù)字化的社區(qū)管理模式。

(2)基于 CIM + 3DGIS 技術(shù),充分考慮社區(qū)的安

全運行與物業(yè)服務(wù)的實際作用,展示社區(qū)未來發(fā)展規(guī)

劃的成果,通過 CIM 運維平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)運算,智能規(guī)

劃,包括周邊配套、生態(tài)環(huán)境、社區(qū)布局、功能區(qū)劃分、

規(guī)劃指標(biāo)等,綜合體現(xiàn)社區(qū)的可發(fā)展價值。

3. 3 BIM 到 CIM 全生命周期智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)

技術(shù)路線

建筑項目全生命周期包涵了規(guī)劃、設(shè)計、施工和

運維四個階段。 對 BIM 技術(shù)在項目全生命周期應(yīng)用

的分析,在規(guī)劃階段,總結(jié)出 BIM 技術(shù)在智能設(shè)備選

取及點位規(guī)劃、構(gòu)建 BIM 數(shù)字建筑管控平臺和智慧工

地決策系統(tǒng),在項目設(shè)計階段和施工階段的應(yīng)用現(xiàn)

狀,提出 BIM 技術(shù)在結(jié)合層次分析法和集成測繪地

理信息新技術(shù)等方面應(yīng)用的新思路[4]

。 依托 CIM 平

臺,按照“共建、共用、共享、互聯(lián)” 的原則,為智慧社

區(qū)一體化形成智慧城市打下基礎(chǔ),如圖 3 所示。

圖 3 從 BIM 到 CIM 的全生命周期智慧社區(qū)技術(shù)路線

3. 3. 1 智能設(shè)備選取及點位規(guī)劃設(shè)計

在規(guī)劃階段進(jìn)行實地考察記錄數(shù)據(jù),并建立數(shù)據(jù)

庫,以此為基礎(chǔ)建立 BIM + 智慧工地決策系統(tǒng)。 通過

數(shù)據(jù),進(jìn)行實時分析,選擇最優(yōu)的人員、機(jī)器、材料、方

法和環(huán)境。 在此基礎(chǔ)上,對設(shè)備的點位進(jìn)行智能規(guī)

劃,打造智慧工地,完成智能設(shè)備選取及點位規(guī)劃。

3. 3. 2 BIM + 數(shù)字建筑項目管理平臺

搭建 BIM + 數(shù)字建筑項目管理平臺,將智能設(shè)備

選取級點位規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)上傳 BIM + 數(shù)字建筑項目

管理平臺;錄入數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)行大數(shù)據(jù)計算再通過

BIM 技術(shù)建立 BIM 模型,掛接到 BIM + 數(shù)字建筑項目

管理平臺;后續(xù)可以傳遞到運維管控平臺。 以此為基

礎(chǔ),結(jié)合工地的實際情況,進(jìn)行設(shè)計、施工模擬,以研

究在實際情況下出現(xiàn)的安全、質(zhì)量、成本問題,通過以

上途徑,最終得出最優(yōu)的設(shè)計方案和施工方案。

3. 3. 3 基于 3D + GIS 的 CIM 運維平臺和智慧社區(qū)

數(shù)字底板架構(gòu)

承接從 BIM 平臺 + 數(shù)字項目管理管理平臺傳遞

過來的三維數(shù)據(jù)模型,基于三維 3D + GIS 技術(shù),在

CIM 數(shù)據(jù)運維平臺建立三維可視化的社區(qū)數(shù)字管理

立體化,通過實時的更新、匯總海量的三維社區(qū)時空

數(shù)據(jù),整合三維社區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源,將數(shù)據(jù)資源上傳

到 CIM 運維平臺數(shù)據(jù)庫中。 其次在運用數(shù)字孿生技

術(shù),將數(shù)字化建設(shè)成果集成到 CIM 運維平臺,形成數(shù)

字孿生社區(qū)進(jìn)行一體化管理,最終達(dá)到 CIM 運維平臺

和智慧社區(qū)數(shù)字底板的架構(gòu)。

4 智慧社區(qū)數(shù)字底板架構(gòu)運維應(yīng)用建議

(1)多主體協(xié)同的共享服務(wù)———提升未來社區(qū)

智慧服務(wù)

應(yīng)用 MxDATA 數(shù)字孿生架構(gòu)平臺,通過構(gòu)建基于

現(xiàn)實社區(qū)的數(shù)字孿生社區(qū),接入 CIM 平臺,采用“1 +

N”總體架構(gòu),以一個平臺匯聚核心數(shù)據(jù),充分運用 CIM

空間治理優(yōu)勢,提升未來社區(qū)智慧服務(wù)應(yīng)用。 CIM 平

臺作為綜合信息集群管理平臺,平臺數(shù)據(jù)庫匯總社區(qū)全

生命周期數(shù)據(jù),構(gòu)建公眾參與、政務(wù)服務(wù)、社會化服務(wù)、公

共服務(wù)一體化的平臺,促進(jìn)智慧社區(qū)可持續(xù)化發(fā)展。

(2)萬物互聯(lián)———實現(xiàn)對未來的社區(qū)進(jìn)行防控

的部署

通過智慧物聯(lián)的傳感交互設(shè)備,對增強(qiáng)的社會運

動生活等數(shù)據(jù)的收集上傳 CIM 平臺。 同時,進(jìn)行智能

感知,包括對道路安全和監(jiān)測等設(shè)備數(shù)據(jù)信息的實時

感知、對能源實時控制等設(shè)備數(shù)據(jù)信息的智能感知、

(下轉(zhuǎn)第 104 頁)

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于 BIM 技術(shù)在工科大樓裝配式建筑

成本中的優(yōu)化研究

汪 蘇1 洪開茂2

(1. 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建福州 350018; 2. 福建越眾日盛建設(shè)咨詢有限公司 福建漳州 363000)

摘 要:BIM 技術(shù)具有提高裝配式建筑設(shè)計效率、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率、運行維護(hù)管理水平,以及模擬現(xiàn)場施工活動等優(yōu)

勢。 為此,以福建省某高校工科大樓建設(shè)項目為具體實例,運用對比分析法和定量分析法,基于 BIM 模型,將裝配式建筑

成本與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑成本進(jìn)行對比分析,得到裝配式建筑成本增量主要體現(xiàn)在土建工程中預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸和安裝

環(huán)節(jié)的結(jié)果。 通過分析,提出裝配式建筑要大力推廣并發(fā)展,必須降低預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本、優(yōu)化裝配式構(gòu)件運輸成本、優(yōu)

化裝配階段機(jī)械設(shè)備成本,并從這三方面對裝配式建筑進(jìn)行分析及管控,以期達(dá)到縮短工期、降低成本的目的。

關(guān)鍵詞: BIM 建模;裝配式建筑;成本優(yōu)化;現(xiàn)澆建筑

中圖分類號:TU723. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0072 - 05

Optimization Research in Construction Cost of Prefabricated Engineering

Building Based on BIM technology

WANG Su

1 HONG Kaimao

2

(1. Fuzhou Polytechnic,Fuzhou 350018;2. Fujian Yuezhong Risheng Construction Consulting Co Ltd,Zhangzhou 363000)

Abstract:BIM technology has the advantages of improving the design efficiency of prefabricated building,production efficiency of prefabricated components,operation and maintenance management level,and simulating on - site construction activities. Taking the engineering

building construction project of a university in Fujian Province as a specific example,by using the comparative analysis method and quantitative analysis method,based on the BIM model,the cost of prefabricated building is compared with the cost of traditional cast - in - place

buildings. It is concluded that the cost increment of prefabricated building is mainly reflected in the production,transportation and installation of prefabricated components in civil engineering. Through analysis,it is proposed that in order to vigorously promote and develop prefabricated building,it is necessary to analyze and control prefabricated building from three aspects : reduce the production cost of prefabricated

components,optimize the transportation cost of prefabricated components,and optimize the cost of mechanical equipment in the assembly

stage,so as to shorten the duration and reduce the cost.

Keywords:BIM; Prefabricated building; Cost optimization; Cast - in - place building

基金項目:福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技研究開發(fā)項目(2022 -K -282)

作者簡介:汪蘇(1981 - ),女,高級工程師。

通訊作者:洪開茂(1966 - ),男,高級工程師。

E-mail:84619808@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 10

0 引言

隨著我國人口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,社會已趨于老齡化

狀態(tài),為應(yīng)對未來的用工荒,2017 年,從可持續(xù)性發(fā)

展的角度,前瞻性地提出推廣裝配式建筑,要求至

2020 年年末,新建住宅裝配化率達(dá) 30% ~ 40% 。 在

過去的 20 年中,傳統(tǒng)建筑業(yè)的高速發(fā)展,加劇了能源

危機(jī)、污染危機(jī),習(xí)近平總書記提出的“綠水青山就是

金山銀山”的口號,將生態(tài)文明、綠色發(fā)展納入了我國

的基本國策。 建筑業(yè)輝煌的 20 年已經(jīng)過去,疫情之

后是建筑業(yè)走向生態(tài)化、產(chǎn)業(yè)化、精細(xì)化及綠色節(jié)能

方向的發(fā)展階段,裝配式建筑,則是國家基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)

展到一定階段的大勢所趨。

與傳統(tǒng)建筑相比,裝配式建筑具有施工周期短、

建筑質(zhì)量高、綠色環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點,得到政府部門的

認(rèn)可。 但是,由于裝配式建筑前期一次性成本高、產(chǎn)

業(yè)鏈不完備、技術(shù)水平要求高、專業(yè)協(xié)作性強(qiáng)、相關(guān)政

策不完善、信息化管理不足等原因,造成我國裝配式

建筑發(fā)展較為緩慢。 要快速發(fā)展裝配式建筑,不僅要

摒棄原有不合理的項目管理模式,而且還要降低投入

成本,并且在信息數(shù)字化理念上進(jìn)行創(chuàng)新,實現(xiàn)裝配

式建筑的高度集成化[1]

。

BIM 建模技術(shù)解決了項目信息數(shù)字化管理的問

題[2]

。 BIM 技術(shù)具有提高裝配式建筑設(shè)計的效率、預(yù)

制構(gòu)件生產(chǎn)效率、運行維護(hù)管理水平、優(yōu)化項目成本

進(jìn)度,還能模擬現(xiàn)場施工活動,進(jìn)而促進(jìn)裝配式建筑

發(fā)展等優(yōu)勢[3]

。 根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部規(guī)定,2020 年

末,國有資金投資為主的大中型建筑申報綠色生態(tài)示

范小區(qū)和綠色建筑的公共建筑,建設(shè)過程中,集成應(yīng)

用 BIM 的項目比率應(yīng)達(dá)到 90%

[4]

。 因此,BIM 建模

技術(shù)與裝配式建筑的發(fā)展目標(biāo)不謀而合。

2023 年 08 期 總第 302 期 汪 蘇,洪開茂·基于 BIM 技術(shù)在工科大樓裝配式建筑成本中的優(yōu)化研究 ·73·

1 工程概況

福建省某高校工科大樓建設(shè)項目位于福州市閩

侯縣上街鎮(zhèn) “福州大學(xué)城新區(qū)”,學(xué)校東側(cè)緊靠溪源

江,被溪源江環(huán)繞,南臨城市道路源陽路,西側(cè)為未開

發(fā)綠地,整個地勢較為平坦,依山伴水,荔樹成蔭。 項

目規(guī)劃用地面積為12 380 m

2

,總建筑面積40 500 m

2

,

其中地下 1 層,建筑面積 6202. 31 m

2

(框架結(jié)構(gòu)),地

上 5 層,建筑面積 34 297. 69 m

2

(鋼框架結(jié)構(gòu)),建筑

高度 23. 5 m。 本工程響應(yīng)市政府號召采用裝配式建

造,主體結(jié)構(gòu)柱、梁、板為裝配式鋼結(jié)構(gòu),內(nèi)隔墻為裝

配式 ALC 板(150 厚蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土隔墻板),其

余構(gòu)件采用現(xiàn)澆方式建造。 根據(jù)裝配率的計算公式:

P =

Q1 + Q2 + Q3 + Q4

100%

式中:P———裝配率;Q1———主體結(jié)構(gòu)指標(biāo)實際

得分值;Q2———圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻指標(biāo)實際得分值;

Q3———裝修和設(shè)備管線指標(biāo)實際得分值;Q4———技

術(shù)創(chuàng)新指標(biāo)實際得分值。

計算得到工科大樓裝配率為 53% ,如表 1 所示,

符合福建省對裝配式建筑的要求。

表 1 工科大樓裝配率匯總

評價項 評價要求 評價分值 工科大樓分值 備注

主體結(jié)構(gòu) Q1

(最高 50 分)

梁、板、樓梯、空調(diào)板等

水平構(gòu)件 Q1b

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化 Q1d

70% ≤比例≤90% 20 ~ 40 40

存在不符合 1M 基本模數(shù)整倍數(shù)的

軸線尺寸

- 2 - 2

存在不符合擴(kuò)大模數(shù) 2M、3M 整倍數(shù)

的樓梯間開間及進(jìn)深的軸線尺寸

- 2 - 2

存在不符合 1M 基本模數(shù)整倍數(shù)

的層高

- 2 - 2

不低于 30 分

圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻 Q2

(最高 20 分)

內(nèi)隔墻 內(nèi)隔墻非砌筑 Q2a 比例≥80% 10 10 不低于 10 分

技術(shù)創(chuàng)新 Q4

(最高 10 分)

BIM 技術(shù)應(yīng)用

可追溯管理系統(tǒng) Q4c

項目組織方式

設(shè)計階段 Q4a1M 3 3

施工階段 Q4b 3 3

/ 2 2

采用工程總承包模式 1 1

不低于 5 分

總得分 53 /

裝配率(% ) 53 不低于 50%

工科大樓采用的是設(shè)計 - 施工一體化設(shè)計,住房

城鄉(xiāng)建設(shè)部制定了《裝配式住宅設(shè)計選型標(biāo)準(zhǔn)》,為裝

配式建筑提供了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[5]

。 裝配式建筑在設(shè)計過程

中,需要關(guān)注預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場安裝過程中搭接的節(jié)點、

與現(xiàn)澆構(gòu)件銜接的部位、水電管線預(yù)埋分布情況等其

他專業(yè)交叉的設(shè)計沖突[6]

。 而 BIM 建模技術(shù),可以很

好地在裝配式建筑的設(shè)計階段,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)建設(shè)項目的

各專業(yè)工程協(xié)同設(shè)計作業(yè),組建信息模型,實現(xiàn)信息共

享。 要摸排出現(xiàn)問題交錯搭接的位置,提前進(jìn)行設(shè)計

優(yōu)化,通過可視化的三維信息模型,模擬施工現(xiàn)場活

動,為裝配式建筑精準(zhǔn)化施工提供保障。

工科大樓在設(shè)計階段,應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行裝配式

建筑施工圖設(shè)計,提供符合國家《建筑信息模型設(shè)計交

付標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求、建模細(xì)度達(dá)到 LOD3. 0 的主體結(jié)構(gòu)

全專業(yè) BIM 模型;提供包含詳細(xì)節(jié)點設(shè)計的 BIM 模型,

及碰撞檢查報告采用的 BIM 技術(shù)應(yīng)用,如圖 1 所示。

圖 1 工科大樓設(shè)計階段 BIM 模型

2 基于 BIM 模型的裝配式建筑成本與傳統(tǒng)現(xiàn)

澆建筑成本對比分析

由于裝配式建筑的建造模式與生產(chǎn)方式與傳統(tǒng)

現(xiàn)澆建筑存在很大區(qū)別,因此,兩者成本構(gòu)成也不同。

為分析兩者建筑成本的區(qū)別,工科大樓項目使用 Revit 軟件建模,精度達(dá)到 LOD400。 如圖 2 工科大樓

BIM 結(jié)構(gòu)模型所示,在建模階段就將裝配式預(yù)制構(gòu)件

劃分歸類,此時,裝配式建筑 BIM 模型就可以按照傳

·74· 福 建 建 筑 2023 年

統(tǒng)現(xiàn)澆建筑方式進(jìn)行工程量計算。 二者分別采用《福

建省房屋建筑與裝飾預(yù)算定額(2017)版》和《福建省

裝配式建筑工程預(yù)算定額(2017) 版》 進(jìn)行計量及計

價。 通過二者建筑成本的對比,分析裝配式建筑的成

本差異構(gòu)成。

圖 2 工科大樓 BIM 結(jié)構(gòu)模型

2. 1 傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑模型工程量及成本計算

運用 Revit 創(chuàng)建的工科大樓 BIM 模型,參照傳統(tǒng)

現(xiàn)澆建筑的建造方法進(jìn)行工程設(shè)置,套用《福建省房

屋建筑與裝飾預(yù)算定額(2017) 版》,進(jìn)行模型映射,

運行匯總計算工程量,把工程量及對應(yīng)的項目特征導(dǎo)

入到晨曦計價軟件,信息價選用 2021 年 9 月份,進(jìn)行

套價,得到傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的工程造價,如圖 3 所示。

2. 2 裝配式建筑模型工程量及成本計算

運用 Revit 創(chuàng)建的工科大樓 BIM 模型,參照裝配

式建筑的建造方法進(jìn)行工程設(shè)置,套用《福建省裝配

式建筑工程預(yù)算定額(2017) 版》,進(jìn)行模型映射,運

行匯總計算工程量,把工程量及對應(yīng)的項目特征導(dǎo)入

到晨曦計價軟件,信息價選用 2021 年 9 月份,進(jìn)行套

價,得到裝配式建筑的工程造價,如圖 4 所示。

圖 3 工科大樓采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式的計算結(jié)果

圖 4 工科大樓采用裝配式建造方式的計算結(jié)果

2. 3 BIM 模型下裝配式建筑成本與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑成

本對比分析

在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量品質(zhì)相同的前提下,運用 BIM

模型對比裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑這兩種不同的

施工方式下的建設(shè)成本,得到造價對比如表 2 所示。

表 2 BIM 模型下工科大樓采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式與裝配式模式的造價對比表

序號 分部工程

裝配式建筑 傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑 造價對比

造價(元)

平米指標(biāo)

(元/ m

2

)

造價(元)

平米指標(biāo)

(元/ m

2

)

造價增減

(元)

平米指標(biāo)增減

(元/ m

2

)

1 土建工程 125 097 598 3088. 83 100 781 888 2488. 44 24 315 710 600. 39

2 裝飾工程 34 547 807 853. 03 35 168 267 868. 35 620 460 - 15. 32

3 給排水 2 476 445 61. 15 2 985 125 73. 71 508 680 - 12. 56

4 電氣工程 20 661 153 510. 15 21 206 688 523. 62 545 535 - 13. 47

5 暖通工程 6 265 726 154. 71 6 993 916 172. 69 728 190 - 17. 98

合計 189 048 729 4667. 87 167 135 884 4126. 81 21 912 845 541. 06

由表2 可以看出,工科大樓采用裝配式建筑建造方

法的造價,比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑造價高出541. 06 元/ m

2

,成本

增量主要集中在土建工程,造價高出600. 39 元/ m

2

。

其他分部工程,如裝飾、給排水、電氣和暖通工程

成本增量都是負(fù)數(shù),說明 BIM 建模技術(shù)在裝配式建筑

中,發(fā)揮著信息系統(tǒng)交互平臺協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的作用。

要實現(xiàn)裝配式建筑的 BIM 平臺協(xié)同工作,就要進(jìn)行

三維可視化協(xié)同與專業(yè)工程碰撞檢查,如圖 5 ~ 圖 6

所示。 通過 BIM 三維可視化模型,不同專業(yè)工程可以

在 BIM 平臺下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計,裝飾、水電、暖通專業(yè)可

以在建筑信息成果模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)管線布置的提前

預(yù)埋預(yù)演、碰撞檢查,從而減少傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在施工

階段才能發(fā)現(xiàn)并糾正的不同專業(yè)工程的管線沖突[7]

。

為了明確土建工程成本增量是由哪些分項工程

引起的,需要對土建部分的成本增量進(jìn)行分解,得到

土建工程造價對比,如表 3 所示。

2023 年 08 期 總第 302 期 汪 蘇,洪開茂·基于 BIM 技術(shù)在工科大樓裝配式建筑成本中的優(yōu)化研究 ·75·

圖 5 工科大樓局部 BIM 管線模型(LOD4. 0) 圖 6 碰撞檢查調(diào)整

表 3 工科大樓采用裝配式模式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式下土建工程造價對比表

序號 分項工程

裝配式建筑 傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑 造價對比

造價

(元)

平米指標(biāo)

(元/ m

2

)

造價

(元)

平米指標(biāo)

(元/ m

2

)

造價增減

(元)

平米指標(biāo)增減

(元/ m

2

)

1 地基工程 9 452 854 233. 40 18 009 955 444. 69 - 8 557 101 - 211. 29

2 鋼筋混凝土工程 18 889 845 466. 42 67 978 925 1678. 49 49 089 080 - 1212. 07

3 預(yù)制構(gòu)件生生產(chǎn)運輸及安裝 87 963 461 2171. 94 — — 87 963 461 2171. 94

4 砌筑工程 820 306 20. 54 3 045 938 75. 21 - 2 225 632 - 54. 96

5 屋面及防水工程 1 213 725 29. 97 2 089 252 51. 59 - 875 527 - 21. 62

6 措施項目及其他 6 757 407 166. 85 9 657 818 238. 46 - 2 900 411 - 71. 61

合計 125 097 598 3088. 83 100 781 888 2488. 44 24 315 710 600. 39

從表 3 可以看出,工科大樓采用裝配式建筑模

式,鋼筋砼工程、砌筑工程、屋面及防水工程等分項工

程,和措施項目與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑模式成本相比,是減

少的。 因為本項目主體采用裝配式鋼結(jié)構(gòu),其預(yù)制過

程在工廠完成,生產(chǎn)過程受氣候環(huán)境影響較小、機(jī)械

化程度高、工人勞動效率提高、建造速度加快,預(yù)制件

的規(guī)范化、規(guī)?；a(chǎn),使得生產(chǎn)成本和質(zhì)量更容易

把控[8]

。 加之現(xiàn)場施工中減少了大量的支模和拆模

工作量,降低了模板使用費以及人工費,勞動力需求

更少,機(jī)械化程度更高,施工工期更短[9]

;內(nèi)隔墻采用

ALC 板,由工廠預(yù)制后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行拼裝,減

少了砌筑及抹灰等工序,節(jié)約了砌筑工程費用和人工

費用。 同時,主體鋼結(jié)構(gòu)及內(nèi)隔墻板在拼裝過程中,

可以與樓地面工程等其他工序有序搭接,不僅縮短了

工期、也節(jié)約了成本。 所以,綜合以上數(shù)據(jù),預(yù)制構(gòu)件

生產(chǎn)、運輸及安裝,是整個工程造價成本上升的因素,

也是裝配式建筑相比較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑成本偏高的

主要原因。

3 工科大樓裝配式建筑成本的優(yōu)化措施

通過將 BIM 建模技術(shù)運用到工科大樓裝配式建

筑中的成本分析對比,我們可以清晰地看出,裝配式

建筑成本增量,主要集中在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸及

安裝階段。 因此,要想對工科大樓裝配式建筑進(jìn)行成

本優(yōu)化,就需要從這三方面入手,合理采用優(yōu)化措施,

降低裝配式建筑的成本。

3. 1 標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)降低預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本

工科大樓項目采取的是設(shè)計 - 采購 - 施工一體

化的 EPC 工程總承包模式,施工總包方與預(yù)制構(gòu)件

承包方是聯(lián)合體投標(biāo)。 在 EPC 模式為統(tǒng)領(lǐng)的一體化

管理系統(tǒng)下,總承包商能夠統(tǒng)籌調(diào)度建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)

電、安裝、設(shè)備等各專業(yè)部門,使各階段、各環(huán)節(jié)銜接

更為順暢,杜絕了中間環(huán)節(jié)的浪費,裝配效率得以提

升,從而體現(xiàn)了壓縮工期、降低成本的優(yōu)勢[10]

。

工科大樓預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè),是首批國家裝配式

建筑產(chǎn)業(yè)基地、福建省首家裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)基

地,地理位置位于福州市臨海的郊區(qū),克服了傳統(tǒng)工

廠噪聲大、灰塵多的缺陷,為本項目建設(shè)提供了高效

有序、綠色節(jié)能的作業(yè)環(huán)境,如圖 7 所示。 同時,裝配

式建筑的鋼梁、鋼板、鋼柱等構(gòu)件實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊

化、產(chǎn)業(yè)化的工廠流水線生產(chǎn)模式,減少了勞動力需

求,降低了現(xiàn)場施工強(qiáng)度,降低預(yù)制構(gòu)件成本,有利于

生態(tài)環(huán)境保護(hù)和縮短工期。

圖 7 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)基地

·76· 福 建 建 筑 2023 年

3. 2 優(yōu)化裝配式預(yù)制構(gòu)件運輸成本

裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件體型大、噸位重,生產(chǎn)基

地往往位置偏遠(yuǎn),要控制預(yù)制構(gòu)件運輸成本,首先要

選擇地理位置離項目現(xiàn)場距離適中的工廠。 其次,在

運輸過程中,要制定科學(xué)合理的運輸計劃,在增加運

輸量的情況下,還能保證構(gòu)件的完整性。 工科大樓項

目的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)基地位于福州市臨海的郊區(qū),距離

項目工地約 74 km,運輸耗時約 2 h。 在 BIM 技術(shù)的

信息化平臺和 EPC 施工總承包模式的協(xié)同管理下,

設(shè)置運輸預(yù)制構(gòu)件的重量、長度和寬度等基本屬性信

息,安排構(gòu)件及車輛編碼,制定詳細(xì)合理的配送方案。

因此,工科大樓的預(yù)制構(gòu)件在運輸過程中,不但保證

了構(gòu)件的質(zhì)量合格、整體完整,而且還節(jié)約了運輸

成本。

3. 3 優(yōu)化裝配階段的機(jī)械設(shè)備成本

我國裝配式建筑的發(fā)展,離不開裝配式機(jī)械的精

準(zhǔn)裝配以及產(chǎn)業(yè)工人的工種熟練程度。 如果沒有直

觀的三維模擬施工,機(jī)械吊裝過程中,極易發(fā)生構(gòu)件

的匹配不精確、尺寸偏差而造成構(gòu)件搭接相互碰撞的

情況,極大程度影響施工安全、施工質(zhì)量,并造成工程

成本的浪費。 工科大樓項目鋼結(jié)構(gòu)運輸?shù)浆F(xiàn)場后,需

要用大型起重機(jī)械吊裝就位,然后由工人進(jìn)行構(gòu)件連

接部位的錨固和焊接。 通過 BIM 建模技術(shù),在鋼結(jié)構(gòu)

吊裝前,先對載重汽車進(jìn)場、鋼結(jié)構(gòu)堆放位置和鋼結(jié)

構(gòu)吊裝施工等進(jìn)行提前模擬,如圖 8 所示,預(yù)演并預(yù)

判施工中可能遇到的風(fēng)險,再利用 BIM 碰撞點位置,

并出具詳細(xì)的碰撞檢查報告,然后再進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,

完成碰撞避讓處理[11]

。 在實際施工過程中, 通過

BIM 模型的有效指引,實時監(jiān)測實際完成工程量與計

劃工程量之間的偏差,順利排除了吊裝施工的隱患,

優(yōu)化了施工工序,最大程度地利用施工機(jī)械設(shè)備,達(dá)

到工期管控和降低成本的目的。

圖 8 工科大樓鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場吊裝

4 結(jié)論

工科大樓建設(shè)項目運用 Revit 軟件創(chuàng)建 BIM 模

型,分別按照傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑模型和裝配式建筑模型進(jìn)

行計量和計價,得到裝配式建筑造價與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑

造價相比,具有減輕現(xiàn)場施工的勞動強(qiáng)度、節(jié)約勞動

力、縮短工期、綠色環(huán)保又節(jié)能的優(yōu)勢。 裝配式建筑

成本增量主要體現(xiàn)在土建工程中預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運

輸和安裝環(huán)節(jié),通過這三方面,對裝配式建筑進(jìn)行分

析及管控,可以有效降低成本并縮短工期。

根據(jù)項目前期的立項和規(guī)劃,工科大樓建設(shè)項目

僅設(shè)計主體鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)隔墻 ALC 板部分為裝配式。

鑒于施工技術(shù)的局限性,尚未涉及圍護(hù)墻與保溫隔

熱、預(yù)制樓梯、預(yù)制外掛板、標(biāo)準(zhǔn)化外窗和集成衛(wèi)生間

等一體化的裝配式施工模式。 隨著 BIM、大數(shù)據(jù)、物

聯(lián)網(wǎng)、云計算等一系列信息技術(shù)的深入發(fā)展,以及建

筑信息化和 EPC 總承包模式的融合,可以預(yù)見,在不

久的將來,通過建造模式的革新突破、管理手段的創(chuàng)

新升級,能夠為裝配式建筑向綠色和可持續(xù)發(fā)展方向

提供有力保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王錚. 裝配式 PC 構(gòu)件生產(chǎn)加工階段增量成本控制[C].

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2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

房屋建筑工程結(jié)算誤區(qū)探析及應(yīng)對策略

劉 薇

(福州城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

摘 要:結(jié)合福州某建筑工程項目結(jié)算案例,分析、歸納計量、計價、合同三個維度的常見問題及結(jié)算誤區(qū),同時探討應(yīng)

對策略。 通過強(qiáng)化施工過程中的管理手段、規(guī)范結(jié)算管理、提升造價人員專業(yè)素養(yǎng)等方式,有效提高了工程結(jié)算水平。

關(guān)鍵詞: 工程結(jié)算;常見問題;結(jié)算誤區(qū);應(yīng)對技巧

中圖分類號:TU723. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0077 - 04

Analysis and countermeasures of settlement errors of housing construction projects

LIU Wei

(Fuzhou Construction Investment Co. ,Ltd,Fuzhou 350001)

Abstract:Based on the settlement case of a construction project in Fuzhou, this paper analyzes and summarizes the common problems and

settlement misunderstandings of measurement, valuation and contract, and discusses the countermeasures. Through strengthening the management means in the construction process, standardizing the settlement management, and improving the professional quality of cost personnel, the level of project settlement is effectively improved.

Keywords:Construction project settlement; Common problems; Settlement misunderstanding; Coping skills

作者簡介:劉薇(1988. 09 - ),女,工程師。

E-mail:916242556@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 06

0 引言

目前,我國建筑工程結(jié)算周期普遍較長,其中,普

通房地產(chǎn)項目結(jié)算時長基本在半年及以上,涉及財政

審核項目,則更長。 項目結(jié)算過程中,完整性和準(zhǔn)確

性不高的結(jié)算資料,成為建設(shè)單位與施工單位結(jié)算拉

鋸賽的關(guān)鍵點,影響結(jié)算進(jìn)程,無形中增加了建筑施

工企業(yè)的經(jīng)營成本。 本文著眼工程結(jié)算中的常見問

題,并針對問題探討可行的應(yīng)對策略,以提高結(jié)算的

準(zhǔn)確性,加快結(jié)算進(jìn)程,以期為有關(guān)工程人員提供參

考,促進(jìn)建筑施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的良性循環(huán)。

1 項目概況

福州市某工程,位于福州市倉山區(qū),工程總造價為

11 499 萬元,總建筑面積約為 80 511 m

2

,地下室 1 層,

地上有 8#棟 5 層住宅,1 棟 14 層住宅以及一棟 3 層幼

兒園。 該項目為按實結(jié)算,工程竣工結(jié)算總價 = (工程

造價 - 不可競爭費用) × (1 - K) + 不可競爭費用,項

目結(jié)算計價方式,采用工程量清單計價。

2 結(jié)算中常見的問題

2. 1 工程量計算不準(zhǔn)確

2. 1. 1 工程量的重復(fù)計取

在整個項目施工過程中,不可避免涉及到許多的

設(shè)計變更、做法變更,均可能引起工程量的變動。 在

此情況下,經(jīng)常會出現(xiàn)在未扣除舊圖做法工程量的情

況下,又按新的設(shè)計變更或者新的做法疊加計量,導(dǎo)

致工程量的“膨脹”。

除此之外,在計量過程中,各項工程量之間是存

在工程量增減的聯(lián)動性。 在計量中常出現(xiàn)零星二次

構(gòu)件過梁、門洞邊預(yù)制塊等已計取混凝土工程量,但

在砌體工程量中并未扣減。 工程量累加后,造成的工

程量誤差也是較大的。

2. 1. 2 簽證項目計量依據(jù)缺失及計量不實

實際結(jié)算過程中發(fā)現(xiàn),大部分現(xiàn)場簽證管理不到

位,簽證內(nèi)容不詳盡,缺少計價計量依據(jù)等,極大影響

其工程造價真實性及結(jié)算進(jìn)程。

在該項目結(jié)算中,發(fā)現(xiàn)外架使用時長異常。 正常

情況下,15 層的普通住宅使用外架的時長普遍在 10

個月左右,而該項目外架使用時長達(dá) 15 個月。 但項

目結(jié)算資料上,未能提供相關(guān)簽證資料佐證,腳手架

方案上也并未體現(xiàn)使用時長。 像此類建筑工程中外

·78· 福 建 建 筑 2023 年

架、垂直運輸機(jī)械作為措施項,隨著施工進(jìn)程會被拆

除,其工程量均按使用時長進(jìn)行計量,未提供安裝及

拆除的簽證資料作為佐證,或者未按照施工組織設(shè)

計、專項方案明確的使用時長計算,缺少計量的依據(jù)。

在該項目結(jié)算中發(fā)現(xiàn),樁基引孔簽證不僅簽證單

蓋章缺失、未留存現(xiàn)場施工照片、未明確機(jī)械型號、引

孔參數(shù)不完整等問題。 在涉及隱蔽工程施工的簽證

內(nèi)容中,未及時留存影像資料并記錄具體施工參數(shù)信

息,結(jié)算中,工程量的計算無法閉環(huán)。

2. 2 計價問題

2. 2. 1 定額套用的正確性

一個工程結(jié)算使用到的定額子目是非常多的,定

額子目套用錯誤也十分常見。 如圖 1 和表 1 所示,該

項目地下室做法:100 mm 厚 C20 細(xì)石混凝土找平層做

法,造價人員僅換算找平層厚度進(jìn)行套價。 但根據(jù)閩

建價〔2015〕9 號問題解答(三十四):樓地面(含屋面)

細(xì)石砼超過60 mm 的,面層30 mm 的部分,根據(jù)做法套

用細(xì)石砼找平層或細(xì)石砼整體面層定額,余下套用混

凝土墊層定額[1]

。 發(fā)生這種定額套用錯誤的原因,可

能是造價人員對于定額子目理解不夠,又或是為爭取

更高的結(jié)算金額,高套取定額子目而導(dǎo)致的。

圖 1 地下室底板做法圖

表 1 100 厚 C20 細(xì)石混凝土找平層不同套價方式的造價金額比對

第一種套價方式

項目編碼 項目名稱 單位 工程量 綜合單價 合計

10111013 C20 預(yù)拌非泵送細(xì)石混凝土找平層(在硬基層面上 100 mm 厚) m

2 7983 100. 01 798 379. 83

分部小計 元 798 379. 83

第二種套價方式

項目編碼 項目名稱 單位 工程量 綜合單價 合計

10111013 C20 預(yù)拌非泵送細(xì)石混凝土找平層(在硬基層面上 30 mm 厚) m

2 7983 37. 16 296 648. 28

10105001 C20 預(yù)拌非泵送細(xì)石混凝土墊層(70 mm 厚) m

3 558. 81 531. 79 297 169. 57

分部小計 元 593 817. 85

第一種套價方式比第二種套價方式費用合計金額增加了 202 435. 13 元,第一種套價方式比第二種套價方式合計費用提高了 34. 45% 。

2. 2. 2 定額中的工作內(nèi)容重復(fù)列項計取

項目結(jié)算涉及定額的子目多且復(fù)雜,要靈活套

用定額,并進(jìn)行正確換算,必須建立在對定額的工

作內(nèi)容以及規(guī)則相當(dāng)熟悉的基礎(chǔ)之上。 近年建設(shè)

項目在短時間增量較大,且建設(shè)項目都存在至少

2 ~ 3 年的建設(shè)周期。 因此,有經(jīng)驗、專業(yè)性強(qiáng)的造

價人員儲備不足。 目前很多基礎(chǔ)的套價工作都是

由新手造價人員進(jìn)行編制的,對于定額的工作內(nèi)

容不熟悉、理解不充分。 因此,經(jīng)常會重復(fù)列項計

取定額中已包含的工作內(nèi)容。 例如在石材、塊料

樓地面分項定額的工作內(nèi)容中,已經(jīng)涵蓋了部分

砂漿結(jié)合層的厚度,但新手造價人員套用定額時,

未扣減石材、塊料樓地面定額中已包含的結(jié)合層

的厚度,導(dǎo)致重復(fù)計量問題。

2. 2. 3 信息價套用的及時性

項目建設(shè)周期較長,受市場大環(huán)境的作用,材料

及機(jī)械的價格不免存在波動,建設(shè)期間價格的漲跌情

況難以提前預(yù)料。

目前,大部分建設(shè)工程施工合同,在合同中約定

部分材料的價格,以及機(jī)械的價格按照信息價進(jìn)行套

用。 為了保證造價的準(zhǔn)確性,材料及機(jī)械的單價須隨

項目進(jìn)程,按信息價的變化進(jìn)行調(diào)差。 但是在結(jié)算過

2023 年 08 期 總第 302 期 劉 薇·房屋建筑工程結(jié)算誤區(qū)探析及應(yīng)對策略 ·79·

程中,經(jīng)常出現(xiàn)材料及機(jī)械的單價未按照施工實際進(jìn)

程進(jìn)行單價調(diào)整,致使造價準(zhǔn)確性降低,同時耽誤結(jié)

算進(jìn)程。

2. 2. 4 費用計取不準(zhǔn)確

項目結(jié)算采用工程量清單計價方式的,會涉及建

筑工程項目的分項費用、規(guī)費、稅金等。 這些費用基

本上都是嚴(yán)格按照統(tǒng)一的計價原則、項目在建設(shè)時的

實際情況、項目的特征以及具體內(nèi)容等,進(jìn)行有效

結(jié)合[2]

。

在該項目結(jié)算中,發(fā)現(xiàn)費用計取未執(zhí)行合同約定

的費率,以及取費就高計取的情況[3]

。 該項目 2021

年 4 月份施工的幼兒園工程,人工費指數(shù)直接套用榕

建價〔2021〕 8 號(該發(fā)文中人工費調(diào)整從 2021 年 10

月 15 日起開始執(zhí)行),結(jié)算并未按實際施工時間節(jié)點

套用人工費調(diào)整文件執(zhí)行。 該項目的地下室安裝工

程計取地下室施工增加費,但根據(jù)施工合同約定,項

目費用定額按 《 福建省建筑安裝工程費用定額》

(2017 版)執(zhí)行。 根據(jù) 2017 版安裝定額說明,地下室

施工增加費已綜合考慮,不再另行計算。

2. 3 合同問題

在該項目招標(biāo)文件約定工程結(jié)算依據(jù)為“材料價

格參照《福建工程造價信息》2019 年 8 月份(綜合)建

設(shè)工程材料信息價格,機(jī)械單價參照《2019 年第三季

度福建省施工機(jī)械臺班單價》”。 當(dāng)上述期刊中無約

定材料品牌價格的,由中標(biāo)人與招標(biāo)人派出的代表或

監(jiān)理工程師協(xié)商確定,報招標(biāo)人會同有關(guān)部門確定單

價,最后以福州市財政投資評審中心審核為準(zhǔn)。 而施

工合同約定本工程結(jié)算依據(jù)為“材料價格按照施工當(dāng)

月《福建工程造價信息》(綜合)建設(shè)工程材料信息價

格,機(jī)械臺班按照施工當(dāng)月實行的《福建省施工機(jī)械

臺班單價》”

[4]

。 招標(biāo)文件與施工合同口徑存在矛

盾。 根據(jù)合同協(xié)議書及其合同附件在法律解釋,順序

上居于第一位,其次為投標(biāo)函和招標(biāo)文件。 按解釋順

序先后,當(dāng)施工項目合同與招標(biāo)文件規(guī)定不一致時,

應(yīng)優(yōu)先合同協(xié)議書規(guī)定。 但依據(jù)《福建省房屋建筑和

市政基礎(chǔ)設(shè)施工程價款計算暫行辦法》,招標(biāo)方與中

標(biāo)方訂立的施工合同不能背離招投標(biāo)文件的實質(zhì)性

內(nèi)容[5]

。

合同條款約束與招標(biāo)文件不一致的情況,或者技

術(shù)標(biāo)與商務(wù)標(biāo)矛盾不一致的情況、合同條款存在歧

義。 發(fā)承包雙方理解不一致等情況,都是結(jié)算過程中

建設(shè)單位與施工單位爭論的焦點,其直接影響結(jié)算造

價的結(jié)果。

3 結(jié)算中常見問題的應(yīng)對措施

3. 1 提高造價人員的專業(yè)素養(yǎng)

造價人員的專業(yè)素養(yǎng),極大程度上,影響著結(jié)算

的質(zhì)量。 建筑工程項目管理應(yīng)該加強(qiáng)造價人員的專

業(yè)技能,通過定期對造價管理人員開展系統(tǒng)性的專業(yè)

知識培訓(xùn)以及重點、難點專題培訓(xùn),精通工程量計算

規(guī)則,加深造價管理人員對計量、計價、取費規(guī)則的

理解。

造價工作也并非閉門造車。 造價人員在施工過

程中,應(yīng)深入施工一線,了解施工工藝及施工成果,加

強(qiáng)與項目技術(shù)人員的聯(lián)動,加深對設(shè)計圖紙的理解,

提高結(jié)算的準(zhǔn)確性。

3. 2 規(guī)范簽證管理

工程簽證是建筑工程施工中的重要憑證。 在施

工管理過程中,必須以書面方式進(jìn)行認(rèn)定,并保證簽

證簽字及蓋章手續(xù)的完善,重視簽證的合理性以及時

效性。 在日常項目管理中做到:

(1)“一事一單”。一個簽證單對應(yīng)一個變更或

一個事項,避免重復(fù)計費和分拆簽證;

(2)“一單一算”。一個簽證單對應(yīng)一個結(jié)算單,

資料需體現(xiàn)簽證依據(jù)、工程內(nèi)容、機(jī)械使用型號、數(shù)量

以及使用時長、施工具體部位、尺寸標(biāo)注、照片或影像

留存等以滿足計量、計價要求;

(3)“一月一清”。 簽證是具有時效性的,不能積

攢簽證,應(yīng)及時收集資料報送資料,跟蹤流程,閉合手

續(xù),做到日清月結(jié)。

(4)“專人管理”。 簽證資料原件須由專人管理,

登記借閱,以免簽證資料丟失。

簽證管理的規(guī)范化能有效地避免或減少結(jié)算中

糾紛的產(chǎn)生,提高工程量準(zhǔn)確性,高效推進(jìn)結(jié)算進(jìn)程。

3. 3 規(guī)范信息價收集的及時性

明確合同中可變動單價的材料及機(jī)械。 在日常

施工管理中,重視該部分材料及機(jī)械單價的變化情

況,編制材料及機(jī)械單價臺賬,動態(tài)追蹤,及時更新材

料單價。 在結(jié)算編制過程中,根據(jù)不同時期的材料及

機(jī)械使用情況,對應(yīng)不同時期的材料及機(jī)械單價,保

證量價對應(yīng)的準(zhǔn)確性。

3. 4 提高合約管理水平

建設(shè)工程施工合同,是建設(shè)項目管理的核心。 其

明確了建設(shè)單位與施工單位雙方權(quán)力和義務(wù),并作為

處理施工過程以及結(jié)算過程中。 爭議和糾紛的法律

依據(jù)。

合同管理在項目建設(shè)過程中,沒有發(fā)揮應(yīng)有的作

·80· 福 建 建 筑 2023 年

用,合同流于形式,合同條款不全、不規(guī)范、不嚴(yán)密的

情況時有出現(xiàn)[6]

。 施工企業(yè)不僅要重視合同管理,還

要增強(qiáng)合同意識。 對招標(biāo)文件、合同文件等要進(jìn)行文

本深度分析和比對,確認(rèn)其招標(biāo)文件與合同文件無沖

突,確保招標(biāo)文件及合同文本內(nèi)容的合法性、合理性,

并對合約類文件的邏輯性、完備性、一致性等進(jìn)行

排查。

針對合同與招投標(biāo)文件的矛盾點、合同中的疏

漏、合同施工范圍不明確、含義不清晰、責(zé)任義務(wù)未明

晰等問題,及時提出書面反饋,發(fā)承包雙方在施工前

達(dá)成一致共識,減少履約過程中的糾紛,合理保護(hù)雙

方的權(quán)益。

在施工項目開始時,施工單位應(yīng)重點梳理合同條

款,并針對建設(shè)工程合同,對項目管理人員進(jìn)行詳細(xì)

合同交底,加深項目管理人員對合同條款的理解。 在

施工過程中,動態(tài)跟蹤合同履約情況,風(fēng)險量化處理,

保證雙方的權(quán)責(zé)劃分清楚。 在結(jié)算中,秉承實事求是

的精神,按合同條文約定踐行。

3. 5 施工企業(yè)強(qiáng)化結(jié)算管理

施工企業(yè)強(qiáng)化結(jié)算管理,在結(jié)算編制完整的基礎(chǔ)

上,增加結(jié)算自審,做好工程結(jié)算質(zhì)量把控。 施工企

業(yè)可根據(jù)實際結(jié)算時間的緊迫性以及人員投入產(chǎn)出

比等方面,決定自身結(jié)算自審的方式。 工程結(jié)算審核

方法有:全面審核法、分組計算審核法、對比審核法、

標(biāo)準(zhǔn)預(yù)算審核法等。 對于普通的住宅項目,可采用對

比審查法。 相似的建筑工程在各個環(huán)節(jié)都具有一定

的相似性,可以通過類比的方式對建筑工程進(jìn)行比

對,從而計算出建筑工程的各項指標(biāo)。 按照各項指標(biāo)

和信息數(shù)據(jù)內(nèi)容橫向比對結(jié)算項目的指標(biāo),減少結(jié)算

編制過程中常見的計量計價失誤問題[7]

。 同時,也可

以結(jié)合分組計算審核法,通過分別審核的方法確保整

體審核的精確度,將具有一定聯(lián)系的工程內(nèi)容劃分到

相同的小組,不同樓棟的相同分項可以統(tǒng)一計量、計

價方式,以此提高自審的效率。

4 結(jié)語

工程結(jié)算貫穿整個項目施工管理的過程,是項目

管理水平在經(jīng)濟(jì)價值上的體現(xiàn),更是對施工單位的經(jīng)

濟(jì)利益有著直接的影響。 要高效推進(jìn)結(jié)算工作,需要

不斷強(qiáng)化造價人員的專業(yè)素養(yǎng),構(gòu)建完善的施工單位

結(jié)算管理體系,規(guī)范造價工作日常管理。 充分利用信

息化手段帶來的便利,將結(jié)算工作在日常施工管理過

程中強(qiáng)化和細(xì)化,收集完整的結(jié)算證據(jù)鏈,讓管理行

為有跡可循,保證結(jié)算編制的完整性和準(zhǔn)確性,順利

推進(jìn)工程結(jié)算。 造價管理體系的規(guī)范化、科技化轉(zhuǎn)

變,必將推動建筑企業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

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2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于不同電纜土建通道型式的工程費用

敏感性及預(yù)測模型研究

繆勝光 黃建濤 羅福多 文 凱 劉其靈

(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350001)

摘 要:近年來,隨著線路走廊趨緊,纜化工程逐年增加,為了更好把握電纜建筑工程費用水平,通過理論分析和樣本

數(shù)據(jù)篩選,識別并確定影響土建通道費用的主要因素,進(jìn)而分析研究既定條件下不同電纜排布方式和支護(hù)方案對各類

通道費用的敏感性。 為此,在假定的設(shè)計條件下,改變通道尺寸,進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計算,構(gòu)建了不同電纜通道型式的費用

預(yù)測模型,并通過了有效性檢驗。

關(guān)鍵詞: 電纜通道;費用敏感性;預(yù)測模型

中圖分類號:TU723. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0081 - 05

Research on sensitivity and prediction model of engineering cost

based on different cable channel types

MIAO Shengguang HUANG Jiantao WEN Kai LIU Qiling

(China Power Construction Group Fujian Electric Power Survey and Design Institute Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350001)

Abstract:In recent years, with the tightening of line corridors, the number of cable construction projects has increased year by year. In order to better grasp the cost level of cable construction projects, theoretical analysis and sample data screening have been conducted to identify and determine the main factors affecting the cost of civil engineering channels. Furthermore, the sensitivity of different cable layout and

support schemes to various channel costs under established conditions has been analyzed and studied. Therefore, under assumed design

conditions, changing the channel size and conducting data simulation calculations, cost prediction models for different cable channel types

were constructed, and their effectiveness was tested.

Keywords:Cable channel; Cost sensitivity; Prediction model

作者簡介:繆勝光(1985. 11 - ),男,高級工程師。

E-mail:miaosg2022@ 126. com

收稿日期:2023 - 01 - 30

0 引言

步入 21 世紀(jì)以來,隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的跨越式

發(fā)展,纜化工程越來越多,而電纜通道建筑工程費用

占比較高,它的造價高低,是纜化項目可行性的重要

影響因素。 本文針對不同電纜通道型式的造價主要

敏感因素研究,有以下幾個方面的重要意義:第一,可

以為投資決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),讓投資者能夠在沒有詳

細(xì)設(shè)計方案的時候,對主要影響投資的因素進(jìn)行合理

判斷和控制,也能夠依據(jù)主要敏感因素進(jìn)行初步的估

算,對方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較或篩選。 第二,通過不同電

纜通道型式的造價影響因素對應(yīng)造價水平分析,研究

制定不同技術(shù)條件下工程造價預(yù)測模型,從而合理管

控設(shè)計工程量,為項目提高各階段造價精益化水平。

1 研究思路

35 kV -500 kV 電纜工程中,占比最大的是 110 kV,

且其他電壓等級受各類條件限制,其通道型式種類較

少,不夠齊全,因此,本文只針對 110 kV 電纜工程的

通道型式進(jìn)行研究。 以國家的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及電

網(wǎng)工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定(2018 版) 為基礎(chǔ),

首先根據(jù)專家經(jīng)驗,采用魚骨圖分析、過程分析等方

法理論,分析遴選出排管、電纜溝、隧道、頂管四種不

同通道型式的造價影響因素,再依托案例工程數(shù)據(jù),

分析影響因素的敏感性。 借助系統(tǒng)分解 - 集成理論,

分別構(gòu)建排管、電纜溝、隧道、頂管四種通道型式的費

用模型。

2 電纜通道造價敏感因素識別

2. 1 理論分析

地下高壓電纜的土建通道型式有許多種,常見的

排管、電纜溝、電纜隧道、頂管。 電纜周圍媒質(zhì)的熱阻

·82· 福 建 建 筑 2023 年

會直接影響電纜的載流量,電纜通道型式不同,其載

流量不同。 載流量過大,電纜導(dǎo)體會因為超溫而加速

老化,甚至熱擊穿;如果載流量過小,會造成投資成本

過大,帶來極大浪費。 因此,通過對電纜工程技術(shù)及

經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理分析,有利于指導(dǎo)電纜工程投資方案

的決策,充分地發(fā)揮電力電纜線路的輸電潛能。

工程實踐中,采用哪種通道型式,需要根據(jù)工程

實際現(xiàn)場施工地下管線的復(fù)雜程度、地質(zhì)條件、技術(shù)

方案需求等方面來確定[1]

。 本文只研究在既定條件

下,各類通道型式工程造價的影響因素,通過了梳理

以往電纜工程的建設(shè)情況,結(jié)合專家經(jīng)驗,采用魚骨

圖分析、過程分析等方法,篩選電纜各通道型式的工

程費用影響因素。

2. 2 影響因素

電纜通道本體工程造價由四個分部工程構(gòu)成,包

括土石方費用、通道澆筑費用、井澆筑費用、支護(hù)費

用。 影響這些分部分項工程的因素,有以下幾點:

(1)土石方費用,影響土石方費用的因素主要是

土石方開挖費用、運輸費用、回填費用。 以上費用均

與工程量有直接關(guān)系。 假定工程量不變的情況下,再

探研土石方費用計價的影響因素。 土石方的開挖根

據(jù)施工工藝區(qū)分人工開挖和機(jī)械開挖,開挖的土質(zhì)區(qū)

分為普通土、堅土、松砂石、巖石、泥水、流沙、干砂、水

坑,不同的土質(zhì),不同的開挖方式費用均有差異。 運

輸費用與運輸方式、運輸距離有關(guān),人機(jī)配合運輸還

是純機(jī)械裝載卸,費用均由差異。 回填費用與回填的

材質(zhì)有關(guān),一般有回填原狀土和回填砂兩種。

(2)通道澆筑費用,影響電纜溝澆筑費用的影響

因素。 主要有主體砼的工程量、墊層工程量、鋼筋工

程量、預(yù)埋件工程量、防水工程量、保護(hù)管工程量。 主

體砼、墊層、鋼筋、預(yù)埋件,均按相應(yīng)工程量計價,工程

量越大,費用也就越大。 預(yù)埋件包括了接地扁鋼、鐵

件、電纜哈芬槽等工程量。 防水包括防水涂料和防水

卷材,防水面積越大,工程量也就越多,費用與其呈正

相關(guān)。 保護(hù)管是電纜敷設(shè)在排管中的保護(hù)材料,根據(jù)

排管中設(shè)計的孔數(shù)和大小來確定數(shù)量及孔徑,孔數(shù)越

多,保護(hù)管也就越多,每延米排管中保護(hù)管的數(shù)量也

就越多,費用相應(yīng)增加。

(3)工井費用,影響接頭井澆筑費用的影響因

素。 主要有工井主體砼的工程量、墊層工程量、鋼筋

工程量、預(yù)埋件工程量。 工井主體砼、墊層、鋼筋、預(yù)

埋件,均按相應(yīng)工程量計價,工程量越大,費用也就越

大。 防水包括防水涂料和防水卷材,防水面積越大,

工程量也就越多,費用與其呈正相關(guān)。

(4)支護(hù)費用,影響支護(hù)費用的因素主要和支護(hù)

方案有關(guān)系。 常用的支護(hù)方案,有拉森鋼板樁支護(hù)、

高壓水泥旋噴樁支護(hù)、灌注樁支護(hù)、混合支護(hù)。 拉森

鋼板樁支護(hù)費用包括打拔費用和鋼板樁租賃費用,費

用與鋼板樁重量呈正相關(guān)。 旋噴樁支護(hù)費用與樁長

和水泥含量呈正相關(guān)。 灌注樁支護(hù)費用包括鉆孔費

用和混凝土澆筑費用,費用與其工程量呈正相關(guān)。 混

合支護(hù)是以上支護(hù)方案的組合,其費用與各自方案工

程量有關(guān)。

3 影響因素造價敏感度分析

3. 1 不同通道型式的造價影響分析

電纜通道型式的選擇,應(yīng)視工程條件、環(huán)境特點、

負(fù)荷、電纜類型、數(shù)量等因素,且按滿足運行可靠、便

于維護(hù)的要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的原則來選擇。 通常

選擇的電纜通道類型有拉管、橋架、排管、電纜溝、電

纜隧道、頂管等。 本文主要針對 110 kV 典型線路工

程的常用的通道型式進(jìn)行研究,包括排管、電纜溝、電

纜隧道、頂管 4 種類型。

通過福建省 2019 - 2020 年 110 kV 線路 43 個樣

本工程,對比了 4 種電纜通道型式的造價情況,頂管

> 電纜隧道 > 電纜溝 > 排管。 4 種電纜通道型式的

綜合單價中,通道澆筑費用占比最大(34% ~ 62% ),

其次是通道支護(hù)費用(23% ~ 34% ),而后是土石方費

用(9% ~ 30% ),井澆筑占比較小(除排管工井外),排

管工井占比大的原因是假設(shè)研究路徑長度為 1000 m,

電纜溝、電纜隧道、電纜頂管在此范圍內(nèi)配置的井?dāng)?shù)量

少,占比僅2% ~5% 。 但是,排管一般需要每間隔50 m

設(shè)置一個,因此,井澆筑費用占排管綜合單價的比例

26%就比較突出。

3. 2 不同電纜排布方式的造價影響分析

根據(jù)上文的分析發(fā)現(xiàn),各類通道影響造價占比較

大的是通道澆筑費和支護(hù)費,通道尺寸是直接影響通

道澆筑費用的主要影響因素。 但是,影響尺寸的外在

因素有輸送容量、載流量、運維便利性等,于是假定在

既定的輸送容量和電纜截面前提下,滿足各種外在設(shè)

計條件情況下,分析不同的電纜排布方式對通道工程

造價的影響[2]

。

以福建某線路工程作為樣本,要求單回線路最大

輸送容量按不低于 94MVA 考慮。 利用新建電纜溝、

排管及頂管沿線下鉆排尾路、長樂路、光明港、長河

路。 沿線地層主要以第四系填土、沖淤積及坡殘積地

層為主,基底為燕山晚花崗巖。 在既定的設(shè)計條件

下,對比不同通道型式的造價影響情況。

2023 年 08 期 總第 302 期 繆勝光,黃建濤,羅福多,等·基于不同電纜土建通道型式的工程費用敏感性及預(yù)測模型研究 ·83·

電纜的常規(guī)布置方式主要有兩種:水平排列、三

角排列(品字形)、垂直排列。 不同的排布方式對通

道的尺寸大小也有影響。 由于排管通道沒有三角排

布,因此,下文只研究電纜溝、電纜隧道、電纜頂管三

種通道型式。 在計算通道尺寸時,需要根據(jù)《城市電

力電纜線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》 (DL / T 5221 - 2016)中的

相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3. 2. 1 電纜溝工程造價

(1)水平排列根據(jù)案例工程實際情況,電纜外徑約

為100 mm,相間距取130 mm,蛇形波幅取 100 mm,則所

需的支架凈長度為660 mm;另外側(cè)壁角鋼固定件也會占

用支架的凈空間。 按照 100 mm 考慮,考慮結(jié)構(gòu)的誤差,

因此,建議支架橫向總長度取800 mm。 電纜層間凈距按

要求不小于表1 的要求,最小為300 mm。 考慮電纜溝散

熱截面對電纜載流量影響,層間距增加到400 mm。

(2)三角排列時,在考慮電纜溝散熱截面對電纜

載流量影響后,三角排列比水平排列支架凈空間可縮

短一根電纜外徑的距離。 因此,建議支架橫向總長度

取 700 mm。 電纜層間凈距與水平排列一致。

(3)垂直排列時,110 kV 電纜外徑約為 100 mm,

蛇形波幅取 100 mm,則所需的支架凈長度為 400 mm;

由于支架承重較小,側(cè)壁角鋼固定件可適當(dāng)減小為

50 mm。因此,建議支架橫向總長度取 450 mm。

電纜層間凈距按要求不小于表 1 的要求,最小為

200mm。 考慮電纜溝散熱截面對電纜載流量影響,層

間距增加到 350 mm。

表 1 電纜溝不同排布方式下的費用敏感性

序號 排布方式 土石方費用(元/ m) 澆筑費用(元/ m) 支護(hù)費用(元/ m) 合計(元/ m)

1 水平 1. 4 m × 1. 2m 1587 3668 2861 8116

2 三角 1. 3 m × 1. 2 m 1465 3553 2819 7838

3 垂直 1. 6 m × 1. 4 m 2148 4115 3598 986

4

三角較水平減少值 - 122 - 115 - 42 - 278

敏感度 - 7. 69% - 3. 14% - 1. 47% - 3. 43%

5

三角較垂直減少值 - 683 - 562 - 779 - 2023

敏感度 - 31. 80% - 13. 66% - 21. 65% - 20. 52%

通過改變排布方式,通道的造價也隨之改變。 根

據(jù)上表的對比發(fā)現(xiàn),三角排布方式的造價 < 水平排布

方式的造價 < 垂直排布的造價。 三角排布的電纜溝

綜合單價為 7838 元/ m,經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),較水平排布的綜

合單價降低 3. 43% ,較垂直綜合單價降低 20. 52% 。

從變化幅度看,土石方的敏感性最大,而土石方的變

化,受尺寸變化后開挖及回填砂量的影響。

3. 2. 2 隧道通道工程造價

隧道敷設(shè)的水平排列方式下,考慮支架的水平凈

長度與電纜溝一致。 根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》

(GB50217)規(guī)定,隧道的凈高不宜小于 1900 mm。 考

慮到 燈 具 及 隧 道 內(nèi) 底 部 墊 層 的 影 響, 凈 高 取

2100 mm。三角排列和垂直排列同上考慮,各項費用

對比情況如表 2 所示。

表 2 隧道不同排布方式下的費用敏感性

序號 排布方式 土石方費用(元/ m) 澆筑費用(元/ m) 支護(hù)費用(元/ m) 合計(元/ m)

1 水平 1. 7 m × 2. 0m 1915 5525 5110 12550

2 三角 1. 6 m × 2. 0 m 1808 5381 5085 12275

3 垂直 1. 9 m × 2. 0 m 2097 5819 5031 12947

4

三角較水平減少值 - 107 - 144 - 25 - 275

敏感度 - 5. 59% - 2. 61% - 0. 49% - 2. 19%

5

三角較垂直減少值 - 289 - 438 54 - 672

敏感度 - 13. 78% - 7. 53% 1. 07% - 5. 19%

通過改變排布方式,通道的造價也隨之改變。 根

據(jù)上表的對比發(fā)現(xiàn),三角排布方式的造價 < 三角排布

方式的造價 < 垂直排布的造價。 三角排布較水平排布

的綜合單價降低 2. 19% ,較垂直綜合單價降低 5. 19% ,

從變化幅度看,也是土石方的敏感性最大,而土石方的

變化,受尺寸變化后開挖及回填砂量的影響。

·84· 福 建 建 筑 2023 年

3. 2. 3 頂管通道工程造價

頂管與隧道一樣,都有進(jìn)人的要求,對運維通道的

要求一致,人行通道凈高不小于1900 mm。 由于頂管形

狀為圓形,空間利用率不高[5]

,考慮燈具及運維通道墊

層的影響,確定頂管內(nèi)徑為 Φ2200 mm。 不同排布方式

下,頂管通道的尺寸未發(fā)生改變,因此在本案例工程條

件下,不同排布方式不改變頂管通道的造價。

3. 3 不同支護(hù)方式的造價影響分析

支護(hù)方式是影響通道造價的另一個重要因素。

同上,基于案例工程在既定的設(shè)計條件下,分析常用

的支護(hù)方式對造價影響的差異性[3]

。 由于排管埋深

較淺,采用支護(hù)的概率較小,若采用,一般也只是拉森

鋼板樁。 頂管一般也不采用支護(hù),只有電纜溝、電纜

隧道才有不同支護(hù)方案的對比。

基于上述工作常遇到的兩種支護(hù)方案,在假設(shè)

槽寬 2 m,槽深 6 m 的情況下,拉森鋼板樁方案:采

用 U400 × 170 型,型鋼圍檁采用 WH400 × 400 × 13

× 12 型鋼,鋼管撐采用 D380 × 12。 灌注樁與旋噴

樁組合方案:灌注樁直徑為 1000 mm,灌注樁樁頂

部,設(shè)置 1200 mm 寬 × 800 mm 高的冠梁,提高支護(hù)

整體性。 灌注樁支護(hù)中心距為 1. 3 m,灌注樁中間的

空隙采用直徑 800 mm 雙管法高壓旋噴樁,進(jìn)行止水

擋土,旋噴樁與灌注樁的咬合寬度不小于 150 m,減

小基坑周圍土體變形。 在對支護(hù)路徑長度為 50 m 范

圍進(jìn)行兩個方案的測算,發(fā)現(xiàn)灌注樁與旋噴樁組合方

案比拉森鋼板樁方案的造價費用高出了 3. 07 倍。 若

埋深每增加1 m,拉森鋼板樁方案綜合單價將增加約

673 元/ m,灌注樁與旋噴樁組合方案綜合單價將增加

約 2746 元/ m。

4 電纜通道費用模型構(gòu)建

將上文中各類通道型式的主要影響因素量化,并

進(jìn)行了數(shù)據(jù)初始化的模擬。 因各類通道配置的工井

需要,根據(jù)不同的設(shè)計條件來決定,且差異較大。 此

外,發(fā)現(xiàn)通過通道尺寸折算成凈空體積,它與土石方

和通道澆筑費用具有密切的相關(guān)性,支護(hù)與布置長度

有密切的相關(guān)性。 因此,在構(gòu)建費用模型時,引入兩

個自變量參數(shù) α(凈空體積)和 β(支護(hù)長度),因變量

通道費用 Y

[4]

。 基于在對 88 個樣本,構(gòu)建了如下數(shù)

據(jù)模型,并通過了有效性檢驗。

(1)設(shè)定排管通道費用 Y 為因變量,排管體積 α

和支護(hù)長度 β 為自變量,通過對 21 個樣本進(jìn)行多元

回歸數(shù)據(jù)分析,結(jié)果如表 3 所示。

排管通道綜合費用模型為: Y = 0. 5242 × α +

0. 9905 × β + 0. 0506。

(2)設(shè)定電纜溝通道費用 Y 為因變量,電纜溝凈

空體積 α 和支護(hù)長度 β 為自變量,通過對 27 個樣本

進(jìn)行多元回歸數(shù)據(jù)分析,結(jié)果如表 4 所示。

表 3 方差分析

df SS MS F Significance F

回歸分析 2 0. 056797 0. 028399 7827280 6. 53E - 14

殘差 19 1. 45E - 08 3. 63E - 09

總計 21 0. 056797

Coefficients 標(biāo)準(zhǔn)誤差 t Stat P - value Lower 95% Upper 95% 下限 95. 0% 上限 95. 0%

Intercept 0. 0506 0. 000 162. 93 0. 00 0. 05 0. 05 0. 05 0. 05

α 0. 5242 0. 000 3059. 78 0. 00 0. 52 0. 52 0. 52 0. 52

β 0. 9905 0. 003 379. 05 0. 00 0. 98 1. 00 0. 98 1. 00

表 4 方差分析

df SS MS F Significance F

回歸分析 2 0. 466706 0. 233353 77. 43244 5. 19E - 05

殘差 25 0. 018082 0. 003014

總計 27 0. 484787

Coefficients 標(biāo)準(zhǔn)誤差 t Stat P - value Lower 95% Upper 95% 下限 95. 0% 上限 95. 0%

Intercept 0. 2847 0. 0587 4. 8534 0. 0028 0. 1412 0. 4283 0. 1412 0. 4283

α 0. 0604 0. 0354 1. 7091 0. 1383 - 0. 0261 0. 1470 - 0. 0261 0. 1470

β 1. 4760 0. 2201 6. 7052 0. 0005 0. 9374 2. 0146 0. 9374 2. 0146

2023 年 08 期 總第 302 期 繆勝光,黃建濤,羅福多,等·基于不同電纜土建通道型式的工程費用敏感性及預(yù)測模型研究 ·85·

電纜溝通道綜合費用模型為:Y = 0. 0604 × α +

1. 476 × β + 0. 2847。

(3)設(shè)定電纜隧道通道費用 Y 為因變量,電纜隧

道凈空體積 α 和支護(hù)長度 β 為自變量,通過對 27 個

樣本進(jìn)行多元回歸數(shù)據(jù)分析,結(jié)果如表 5 所示。

電纜隧道通道綜合費用模型為:Y = 0. 0867 × α

+ 0. 8959 × β + 0. 5066。

(4)設(shè)定電纜頂管通道費用 Y 為因變量,頂管凈

空體積 α 為自變量,通過對 13 個樣本進(jìn)行多元回歸

數(shù)據(jù)分析,結(jié)果如表 6 所示。

表 5 方差分析

df SS MS F Significance F

回歸分析 2 0. 128428 0. 064214 1141. 907 1. 8E - 08

殘差 25 0. 000337 5. 62E - 05

總計 27 0. 128766

Coefficients 標(biāo)準(zhǔn)誤差 t Stat P - value Lower 95% Upper 95% 下限 95. 0% 上限 95. 0%

Intercept 0. 5066 0. 0430 11. 7933 0. 0000 0. 4015 0. 6117 0. 4015 0. 6117

α 0. 0867 0. 0071 12. 2516 0. 0000 0. 0694 0. 1040 0. 0694 0. 1040

β 0. 8959 0. 1201 7. 4573 0. 0003 0. 6019 1. 1899 0. 6019 1. 1899

表 6 方差分析

df SS MS F Significance F

回歸分析 1 1. 060307 1. 060307 6420. 43 1. 45E - 07

殘差 12 0. 000661 0. 000165

總計 13 1. 060968

Coefficients 標(biāo)準(zhǔn)誤差 t Stat P - value Lower 95% Upper 95% 下限 95. 0% 上限 95. 0%

Intercept 1. 2094 0. 0217 55. 7811 0. 0000 1. 1492 1. 2696 1. 1492 1. 2696

α 0. 2899 0. 0036 80. 1276 0. 0000 0. 2799 0. 3000 0. 2799 0. 3000

電纜頂管通道綜合費用模型為:Y = 0. 2899 × α

+ 1. 2094。

5 結(jié)論

針對電纜工程排管、溝、隧道、頂管四種不同通

道型式,通過理論分析通道造價的敏感影響因素土

石方、通道澆筑、井澆筑、支護(hù)等。 通過樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)

計,每延米綜合單價頂管 > 電纜隧道 > 電纜溝 > 排

管。 4 種通道的綜合單價中,通道澆筑費用占比最大

(34%~ 62% ),其次是通道支護(hù)費用(23% ~ 34% ),而

后是土石方費用(9%~ 30% ),井澆筑占比較小(與方

案相關(guān))。

通道澆筑與土石方主要受尺寸影響。 為此,研究

在既定設(shè)計條件下,電纜布置方式影響尺寸對造價的

影響。 在電纜溝通道內(nèi),三角排布綜合單價的經(jīng)濟(jì)性

最優(yōu), 較 水 平 排 布 降 低 3. 43% , 較 垂 直 排 布 降 低

20. 52% 。 若在電纜隧道通道內(nèi),三角排布的綜合單

價經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),較水平排布降低 2. 19% ,較垂直排布

降低 5. 19% 。 因此,頂管通道內(nèi)排布方式未改變尺寸

影響造價。

支護(hù)方案的差異,通過分析拉森鋼板樁較灌注樁

與旋噴樁組合更經(jīng)濟(jì)。 若埋深每增加 1 m,拉森鋼板

樁方案綜合單價將增加約 673 元/ m,灌注樁與旋噴樁

組合方案綜合單價將增加約 2746 元/ m。

根據(jù)不同技術(shù)方案,對應(yīng)通道的造價數(shù)據(jù)進(jìn)行了

數(shù)據(jù)初始化處理,然后利用數(shù)據(jù)分析軟件對提取的造

價影響因素指標(biāo)的對應(yīng)工程量、綜合造價進(jìn)行相關(guān)性

分析,建立了不同通道型式的工程費用預(yù)測模型,并

通過了有效性檢驗。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 賈凡. 基于空鐵聯(lián)運綜合交通樞紐預(yù)留工程的明挖隧道

造價體系差異性分析[ J]. 鐵路工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2022

(6):46 - 50.

[2] 徐晉卿,王瓊, 熊坤. 高壓電纜在不同敷設(shè)方式下經(jīng)濟(jì)

技術(shù)的比較[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2020(10):12 - 15.

[3] 彭永忠, 韓鵬輝. 水平旋噴樁技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[ J]. 鐵道建

筑技,2013(11):41 - 45.

[4] 胡本哲,翟樹軍,袁海洲, 等. 天津輸變電工程頂管項目造

價預(yù)測模型研究[J]. 中國電力企業(yè)管理,2016(6):48 -52.

[5] 劉燁華. 大口徑再生水輸水管頂管技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選及優(yōu)化

[J]. 北京水務(wù),2014(1):28 - 31.

2023 年第 08 期

總第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

人工智能(AI)在建筑物構(gòu)件損壞辨識中的應(yīng)用研究

陳宗珷1,4 許筠曼2 許舜翔2 張家銘2 陳俊仲3

(1. 廈門振敦工程咨詢有限公司 福建廈門 361000; 2. 臺灣大學(xué) 臺灣臺北 10617;

3. 臺灣地震工程研究中心 臺灣臺北 10617; 4. 福建省土木建筑學(xué)會 福建福州 350001)

摘 要:建筑物施工開挖常造成鄰房損害事件發(fā)生。 因此,須辦理現(xiàn)況鑒定、損鄰鑒定,以厘清建筑物是否為施工開挖

造成損壞或是其他原因,如耐久性損壞及震損。 常見之損壞,如混凝土剝落,造成鋼筋外露、滲漏水、白華壁癌、裂縫

等。 為此,研究目標(biāo)為利用人工智能中的深度學(xué)習(xí)模型,分別為對象偵測(YOLO - v5)與實例分割(Mask R - CNN)兩

種影像辨識模型,并以辨識常見之建筑物耐久性損壞,輔助現(xiàn)況鑒定人辨識并評估建物損壞程度。 除了分析介紹模型

訓(xùn)練的原理與方法,以及用來判斷訓(xùn)練結(jié)果的指標(biāo)意義外,亦說明本研究模型選擇的依據(jù)與訓(xùn)練策略。 研究將以桃園

市某小學(xué)之走廊作為實際案例,并以固定拍攝手法,以取得圖像映像場域之相對位置。 檢測區(qū)域紀(jì)錄完成后,再將拍

攝的影像分別輸入于訓(xùn)練好的 YOLO - v5 作對象偵測,以及 Mask R - CNN 作影像分割,成功研發(fā)了深度學(xué)習(xí)模型。 目

前,人工智能于建物損壞識別已能夠在特定檢測目標(biāo)達(dá)約八成之檢測精度。 具有偵測框之 YOLOv5 模型可應(yīng)用于辨

識壁癌滲水之耐久性損壞類型,而具屏蔽之 Mask R - CNN 模型可應(yīng)用于辨識裂縫。

關(guān)鍵詞: 耐久性損壞;人工智能;鋼筋外露;壁癌;滲水;裂縫

中圖分類號:TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 - 6135(2023)08 - 0086 - 07

Research on the Application of Artificial Intelligence (AI) in Damage Identification of Building Components

CHEN Zongwu

1,4 XU Yunman

2 XU Shunxiang

2 ZHANG Jiaming

2 CHEN Junzhong

3

(1. Xiamen Zhendun Engineering Consulting Co. ,Ltd. ,Xiamen 361000;2. National Taiwan University,Taipei 10617;

3. National Center for Research on Earthquake Engineering,Taipei 10617;4. Fujian Civil Engineering & Architechtural Society,Fuzhou 350001)

Abstract:Building would be damaged due to ongoing construction nearby. Thus,inspecting and evaluating building damage due to the construction or other reasons,e. g. ,deterioration of material durability and earthquake - induced damage,is of need. Commonly seen defects in

damaged buildings are concrete surface spalling,exposed rebar,efflorescence,wall mold,cracks,and so on. In this study,the objective is to

develop machine learning models for detection of aforementioned defects from artificial intelligence and to assist engineers for evaluation of

building damage. These machine learning models used in this study include the object recognition via YOLO - v5 and the instance segmentation via Mask R - CNN. Both models are briefly introduced in terms of machine learning background and training methods,and performance indices to evaluate the training outcomes are addressed. Moreover,the model selection and training strategies are also described. To

verify the proposed defect detection approach,a hallway in a Taoyuan elementary school is illustrated as a case study. First,images are taken

from a consumer - grade camera with a specific path to record the object positions in the hallway,while these images are input into the YOLO - v5 for object recognition and the Mask R - CNN for image segmentation. Because of these machine learning models,the success rate of

the defect detection can be achieved to roughly 80%. The YOLO - v5 model with a detection frame can be used to recognize the defects of

exposed rebar,efflorescence,and wall mold,while the masks in the Mask R - CNN inform concrete surface cracks and spalling.

Keywords:Deterioration of material durability; Artificial intelligence; Exposed rebar; Wall mold; Efflorescence; Cracks

基金項目:福建省科協(xié)服務(wù) “ 三創(chuàng)” 優(yōu)秀學(xué)會建設(shè)項目 ( 閩科協(xié)學(xué)

〔2019〕8 號)

作者簡介:陳宗珷(1978 - ),男,土木技師。

E-mail:alex@ kc. ctntu. com

收稿日期:2022 - 09 - 05

0 引言

在人口密度高及建筑物林立的都市區(qū),大型建筑

工程伴隨深開挖之施工工程情況,屢見不鮮。 因建物

緊鄰或棟距較近,施工開挖常造成鄰房損害之“ 損

鄰”事件發(fā)生。 因此,地方政府會要求施工單位出具,

由第三方公正單位調(diào)查的“鄰房現(xiàn)況鑒定報告”

[1]

。

此報告用以記錄開工前,周邊建物的狀況,一旦發(fā)生

損鄰事件,將依據(jù)報告內(nèi)容比對施工前后損害狀況,

借此判定責(zé)任之歸屬。 由于建筑物隨著屋齡增加,會

有耐久性損壞發(fā)生,如混凝土剝落造成鋼筋外露、滲

漏水、白華壁癌、裂縫等現(xiàn)象,或因地震造成裂縫等狀

況。 因此,鑒定技師于鑒定目標(biāo)物辦理現(xiàn)況調(diào)查及損

壞調(diào)查工作時,須詳實記錄開工前建筑物之損壞狀況,

以理清施工后造成建筑物損壞是否加劇。 同理,施工

后造成損鄰爭議事件時,須辦理損鄰調(diào)查及損壞調(diào)查

工作,以比對現(xiàn)況鑒定之損壞調(diào)查紀(jì)錄,分析鑒定目標(biāo)

物是否因鄰房施工而造成損壞。 然而,辦理鑒定工作時,

須進(jìn)入鑒定目標(biāo)物之屋內(nèi)進(jìn)行拍照存證。 為避免影響住

戶之生活,往往能夠停留之時間較短。 如何能夠有效率

且準(zhǔn)確地完成建筑物的現(xiàn)況調(diào)查,則為鑒定技師需面臨

2023 年 08 期 總第 302 期 陳宗珷,許筠曼,許舜翔,等·人工智能(AI)在建筑物構(gòu)件損壞辨識中的應(yīng)用研究 ·87·

的課題。 本文將分析介紹 AI 影像辨識能力及深度學(xué)習(xí)

能力如何提升鑒定工作之效率及準(zhǔn)確性。

AI 人工智能已于各行各業(yè)有實際的應(yīng)用案例,例

如醫(yī)療保健方面持續(xù)開發(fā)依賴 AI 技術(shù)幫助患者的設(shè)

備。 Cambio Health Care 是位于瑞典的醫(yī)療照護(hù)機(jī)構(gòu),

開發(fā)了應(yīng)用于預(yù)防中風(fēng)的臨床決策支持系統(tǒng),可以在

有患者有可能中風(fēng)風(fēng)險時,向醫(yī)生發(fā)出警告。 在汽車

工業(yè)方面的應(yīng)用,AI 技術(shù)在特斯拉的自駕車中實現(xiàn)了

計算機(jī)視覺、圖像檢測和深度學(xué)習(xí),以制造能夠自動識

別物體,并在無須駕駛干預(yù)的情況下自動行駛汽車。

相較于醫(yī)療、金融、汽車,營建工程導(dǎo)入 AI 技術(shù)的使用

則起步較晚。 在營建產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用,日本清水建設(shè)

(Shimizu)日前宣布,AI 建筑機(jī)器人,透過感知器的鏈

接與傳遞坐標(biāo)及訊息,可以在建筑工地工作,如“天花

板施工機(jī)器人”“焊接機(jī)器人”“建材搬運機(jī)器人”。 本

文將借由人工智能(AI)之影像辨識能力及深度學(xué)習(xí)能

力,透過耐久性損壞的案例進(jìn)行訓(xùn)練,并發(fā)展出能夠協(xié)

助鑒定技師進(jìn)行現(xiàn)況調(diào)查之 APP 系統(tǒng),不但可以提升

鑒定工作的效率,亦盡可能代替鑒定技師找出潛在損

壞的位置,進(jìn)一步更可能實現(xiàn)自動產(chǎn)出鑒定紀(jì)錄表及

損壞照片記錄與損壞數(shù)量。

1 文獻(xiàn)回顧

近年來,在平行運算實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的可能

性后,人工智能中的深度學(xué)習(xí)模型,因其突破性的效能

而逐漸受到重視,相關(guān)研究與方法如雨后春筍般出現(xiàn)

在各個領(lǐng)域,應(yīng)用層面包含數(shù)據(jù)預(yù)測、影像分析和自然

語言處理等。 本研究以發(fā)展影像辨識方法為目的,并

以建筑損壞為目標(biāo),根據(jù)預(yù)測的形式,又可以分為對象

偵測 (object detection)

[2]與影像分割 (image segmentation) 等方法,不同方法預(yù)測之結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1 影像辨識示意圖

以下將回顧整理過往深度學(xué)習(xí)于影像辨識之模

型,以及應(yīng)用于損傷辨識的相關(guān)研究。

1. 1 影像辨識

過往研究為了于影像中準(zhǔn)確地定位并分類目標(biāo)對

象,提出了不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 其中,以卷積神經(jīng)網(wǎng)

絡(luò) (Convolutional Neural Network,CNN) 對于影像特征

提取的能力最佳,能有效去除不必要的背景噪聲。 卷

積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般由卷積層、池化層與全連接層等組成,

訓(xùn)練的過程,為將輸入的影像以濾波器 (filter) 進(jìn)行卷

積運算,提高重要特征權(quán)重,再利用池化層濾除不重要

的信息,最后以全連接層,將原先三維的影像輸入對應(yīng)

至一維的類別預(yù)測輸出,預(yù)測的結(jié)果再與人工標(biāo)簽

(label) 比對,并由比對計算得到的損失結(jié)果,以反向

梯度傳播的方式更新模型各層之權(quán)重,借此訓(xùn)練模型

辨識目標(biāo)對象。 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同影像辨識任務(wù)皆

取得卓越的表現(xiàn),其中包含對象偵測與影像分割,故本

節(jié)主要以回顧卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究為主。

首先, 對象偵測方法大多由影像分類 ( image

classification) 與對象定位( object localization) 組成。

即對象偵測會先預(yù)測目標(biāo)于影像的范圍,并就范圍內(nèi)

的特征進(jìn)行分類,最終將兩者結(jié)合作為偵測的結(jié)果。

而對象偵測采用矩形的對象框 ( bounding box) 來定

義對象于影像中的位置,模型大多設(shè)計以預(yù)測中心坐

標(biāo)及長寬等對象框?qū)傩浴?而基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對

象偵測模型,較具指針的有以 R - CNN 為基礎(chǔ)的系列

模型,依提出時間的先后順序,有 R - CNN、Fast R -

CNN 與 Faster R - CNN,其為兩階段預(yù)測的模型架構(gòu);

另外,取名自 You Only Look Once 的 YOLO 也為代表

性方法,其方法特色,為能夠?qū)崟r地進(jìn)行偵測。 而從

2016 年提出至今,也有了第五代的改良研究,屬于一

階段的模型架構(gòu),可以實現(xiàn)端到端 ( end - to - end)

的訓(xùn)練。

相較于對象偵測以預(yù)測目標(biāo)的矩形框范圍為目

的,影像分割則是進(jìn)一步達(dá)到像素級的定位預(yù)測,其

中又分為語義分割 (semantic segmentation) 與實例分

割 (instance segmentation)。 前者為分類影像中的每

個像素,但并未區(qū)分同一類別的不同個體;而后者則

是除了像素分類外,也辨別其屬于的個體。 因此,方

法設(shè)計較為復(fù)雜,訓(xùn)練上也更具挑戰(zhàn)性。 由于對象偵

測已具備優(yōu)良的個體辨識能力,即預(yù)測的矩形框皆僅

有單一個體,若能利用這樣的特性,模型僅需對其預(yù)

測范圍內(nèi)進(jìn)行影像分割,提高訓(xùn)練成功率。 這樣的想

法,最終在 He et al.

[3] 提出的 Mask R - CNN 獲得較

完善的實踐。 研究于原先具備良好偵測能力的 Faster

R - CNN 模型上,另外增加影像分割的分支,由于該

分支輸入僅為偵測范圍的影像,而經(jīng)過卷積運算與池

·88· 福 建 建 筑 2023 年

化層后產(chǎn)出的特征圖,大小與原圖不同。 為整合該分

支預(yù)測結(jié)果與訓(xùn)練模型,作者提出 RoIAlign 的方式,

并取得良好的辨識成效,此一多任務(wù)學(xué)習(xí)的架構(gòu)也被

后來研究者廣泛采用。

1. 2 影像損壞辨識之應(yīng)用

影像損壞辨識大多用于結(jié)構(gòu)物營運維護(hù)階段之

巡檢,此階段和建筑壽命與結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)。 其

中,目視檢測為最常使用之手段,屬于非接觸式檢測

方式,檢測人員透過拍照來紀(jì)錄損壞的外觀。 因此,

每次檢測后,皆會有相當(dāng)多的影像紀(jì)錄數(shù)據(jù),后續(xù)仍

需再由人工進(jìn)行整理與判識。 隨著影像分析技術(shù)發(fā)

展,相關(guān)辨識方法的準(zhǔn)確性也大幅提升,有望自動化

取得影像重要信息,借此改善既有之檢測流程與工

具,輔助檢測人員內(nèi)外業(yè)的相關(guān)工作。

為評估損壞對結(jié)構(gòu)之影響,需要其所在位置與范

圍尺寸等數(shù)據(jù),其中損壞辨識旨為取得損壞于影像中

之位置,幫助檢測人員得以于陌生環(huán)境中快速定位可

能之損壞。 為實現(xiàn)此一目的,過往研究大多以傳統(tǒng)計

算機(jī)視覺方法或深度學(xué)習(xí)模型來分析影像。 舉例來

說,Liu et al.

[4]便是利用圖像處理將影像背景減去,

再將混凝土裂縫分解成主骨架和邊緣,而根據(jù)裂縫主

骨架方向繪制法線,以計算出裂縫寬度。 Ghanta et

al. ,

[5] 則是利用影像前處理預(yù)測高速公路鋼橋的銹

蝕位置,再將提取的特征向量,利用小波轉(zhuǎn)換 (wavelet transformation) 計算影像中含銹蝕的比例。 除此

之外,也有基于深度學(xué)習(xí)的辨識方法,如 Zhang et

al.

[6]提出一語義分割模型 - CrackNet,以識別道路鋪

面裂縫,并取得了約 9 成的精確率 ( Precision) 與召

回率 (Recall)。 Hoskere et al.

[7] 結(jié)合 DCNN 模型和

全卷積網(wǎng)絡(luò)辨識六種損傷,其中包含混凝土剝落、裂

縫與鋼筋外露等,利用影像分割預(yù)測損傷輪廓邊界至

像素等級,也達(dá)到良好的檢測成效。 上述研究皆利用

影像辨識方法以預(yù)測損壞位置和種類,并得到了不錯

的成效,證實相關(guān)技術(shù)已漸趨成熟,已具備應(yīng)用于實

務(wù)檢測之可行性。

除了損壞所在位置外,評估對結(jié)構(gòu)安全的影響

時,損壞尺寸也是必要的信息之一。 然而,現(xiàn)行做法

大多仍需額外藉由工具進(jìn)行量測(如卷尺),而搜集

到的數(shù)據(jù)也得額外進(jìn)行整合。 為提升檢測記錄的效

率,也有研究提出影像量測的相關(guān)方法,如此一來,便

能于拍照紀(jì)錄損壞的同時得到其范圍尺寸。 現(xiàn)行影

像量測以取得照片坐標(biāo)與真實世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

目的,若能得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換矩陣,便能計算出影像辨

識范圍的真實尺度。 因此,Sadreddini et al.

[8] 以透視

圖中建物室內(nèi)地板的消失線為基準(zhǔn),透過單相機(jī)連拍

影像,并以霍夫轉(zhuǎn)換 (Hough transform) 提取目標(biāo)物底

部的消失線,再以像素為坐標(biāo)單位,透過消失線方程

式,得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,計算出目標(biāo)物和相機(jī)間的距

離,可應(yīng)用于大多數(shù)建物室內(nèi)之影像。 另一方面,Pang

et al.

[9]同樣僅使用單相機(jī)拍攝,利用影像中已知事物

的合理尺度范圍,如人類雙眼瞳孔距離,并與其對應(yīng)相

片中的像素數(shù)量,回推得出人與相機(jī)間的距離。 然而,

單相機(jī)須滿足特定的拍攝手法或場景。 為降低影像量

測的限制,提高方法的泛用性,亦有研究基于雙相機(jī)系

統(tǒng)提出量測方法。 如謝承穎[10] 以雙相機(jī)拍攝混凝土

表面,先利用深度學(xué)習(xí)模型 - Faster R - CNN 辨識裂縫

位置,并利用影像校正與特征點匹配等方法,經(jīng)矩陣轉(zhuǎn)

換計算出裂縫的長度與寬度,方法實驗的誤差范圍小

于 5% 。 上述研究皆提出不同的影像量測方法,以獲得

目標(biāo)物之尺度信息。 惟現(xiàn)階段仍尚未有全面的解法,

各方法于應(yīng)用上皆有其自身的條件與限制。 因此,若

要進(jìn)一步結(jié)合影像辨識來輔助結(jié)構(gòu)檢測,因就檢測的

場域與設(shè)備,選擇適合的量測方法。

深度學(xué)習(xí)于影像辨識方法已漸趨成熟,不同研究

也證實其能應(yīng)用至損壞辨識的任務(wù)上。 因此,若能結(jié)

合相關(guān)影像量測的方法,進(jìn)一步整合應(yīng)用建物損壞的

檢測作業(yè),將能大幅提升檢測工作的效率,降低時間

成本與人力成本。 本文以開發(fā)一整合性系統(tǒng)為目標(biāo),

透過實際場域驗證損壞辨識之成效,探討可能遇到的

問題與挑戰(zhàn)。

2 人工智慧(AI)辨識耐久性損壞原理

技師于辦理現(xiàn)況鑒定、損鄰鑒定或是安全鑒定工

作時,常見之耐久性損壞包含“鋼筋外露” “壁癌滲

水”與“裂縫”等三種類型。 如遇有爭議性案件,如損

鄰鑒定時,對于損壞數(shù)量、位置及范圍之研判結(jié)果,將

影響關(guān)系人之權(quán)益[1]

。 而本研究目標(biāo)為利用人工智

慧中的深度學(xué)習(xí)模型,分別為物件偵測與實例分割兩

種影像辨識模型,并以辨識上述三種常見之建筑物耐

久性損壞,輔助現(xiàn)況鑒定人員辨識并評估建物損壞程

度。 本章節(jié)除了介紹模型訓(xùn)練的原理與方法,以及用

來判斷訓(xùn)練結(jié)果的指標(biāo)意義外,亦說明本研究模型選

擇的依據(jù)與訓(xùn)練策略。

2. 1 原理概述

本研究所使用的深度學(xué)習(xí)影像辨識模型,需經(jīng)過

訓(xùn)練來學(xué)習(xí)各種損壞的外觀特征,方能從影像中有效

辨識不同損壞類別。 而準(zhǔn)備影像資料為模型訓(xùn)練的

第一步,使用的資料來源,包含實際建物損壞案例、國

震中心勘災(zāi)資料庫、網(wǎng)路搜集的公開影像,以及作者

自行拍攝的相關(guān)影像。 這些多種資料來源,可確保訓(xùn)

練用資料的多樣性,有助于模型學(xué)習(xí)到更泛用的損壞

特征。 但各損壞類別比例不能差異過大,否則模型學(xué)

2023 年 08 期 總第 302 期 陳宗珷,許筠曼,許舜翔,等·人工智能(AI)在建筑物構(gòu)件損壞辨識中的應(yīng)用研究 ·89·

習(xí)時,容易忽略樣本數(shù)較少的類別,影響辨識成效。

搜集完的資料,再進(jìn)一步挑出品質(zhì)較好的影像作后續(xù)

標(biāo)注,即損壞外觀成像清晰與特征明確等,其馀則作

為測試資料集。 本文僅使用并標(biāo)注約六成的影像資

料,挑出的影像于標(biāo)注時應(yīng)確保原則一致,避免造成

模型學(xué)習(xí)混淆。 標(biāo)注完成后,再將標(biāo)注資料依 7 比 3

的比例,切分為訓(xùn)練與驗證資料集,且為依照各損壞

種類進(jìn)行切分,確保類別比例與原始資料相同,如表

1 所示。 為訓(xùn)練模型,除了需要前述的標(biāo)注資料以

外,也需設(shè)定相關(guān)的超參數(shù) ( hyperparameter)。一般

有學(xué)習(xí)率 ( learning rate)、批次數(shù)量 ( batch size)、迭

代次數(shù) (epoch) 等,超參數(shù)的數(shù)值一定程度影響模型

訓(xùn)練成效,其由人為任意設(shè)定,通常是研究者以自身經(jīng)

驗或利用試誤法來決定較適合模型的組合。 當(dāng)有了上

述的訓(xùn)練資料與超參數(shù)設(shè)定后,便能夠開始訓(xùn)練模型。

訓(xùn)練過程中,可以損失函數(shù)的變化觀察模型學(xué)習(xí)

情形,損失函數(shù)為真實值與模型預(yù)測值的殘差,即預(yù)

測的偵測框或分割結(jié)果與人工標(biāo)記范圍的差異。 若

模型分別于訓(xùn)練與驗證資料計算出的損失皆趨于一

近于零的最小值,表示模型有成功學(xué)習(xí),如圖 2 所示。

相反,若損失高居不下,則表示模型訓(xùn)練失敗,而此情

形根據(jù)發(fā)生在不同的資料集而有不同的意義。 首先,

若是訓(xùn)練資料的損失高居不下,則視為模型欠擬合

(underfitting),此時應(yīng)檢討模型超參數(shù)設(shè)定,視情況

調(diào)整學(xué)習(xí)率等;或是確認(rèn)資料標(biāo)注是否正確,也可能

是模型不足以應(yīng)付資料的複雜度小,惟前兩者較為常

見。 另外,若損失于訓(xùn)練資料集正常下降,反而驗證

損失仍維持在高點,則為過擬合 (overfitting) 現(xiàn)象,即

代表模型雖然在訓(xùn)練資料表現(xiàn)良好,但并未真正學(xué)習(xí)

到損壞的外觀特征。 此時,最有效作法,應(yīng)為增加資料

的數(shù)量與多元性,又或是可以進(jìn)一步區(qū)分簡單與困難

的資料樣本,并將較困難的樣本作為訓(xùn)練資料。 本研

究訓(xùn)練模型時,為避免過擬合情形發(fā)生,采用資料增強(qiáng)

手法擴(kuò)增訓(xùn)練資料,將現(xiàn)有資料經(jīng)翻轉(zhuǎn)、平移、裁切與

飽和度調(diào)整等方式產(chǎn)生新資料,采用遷移式學(xué)習(xí),將公

開資料集預(yù)訓(xùn)練的模型權(quán)重作為初始值。 除了加速模

型訓(xùn)練以外,確保模型泛用性與學(xué)習(xí)效果。

雖然透過損失變化能判斷模型是否成功收斂,但

實際模型辨識的表現(xiàn)仍須藉由其他指標(biāo)來評估。 常

用 于 影 像 辨 識 的 指 標(biāo) 為 mean Average Precision

(mAP),其綜合模型辨識的精確度與召回率,可用來

評斷模型預(yù)測表現(xiàn)和泛化程度,其值范圍介于 0 到 1

之間,越接近 1 表現(xiàn)越佳,而指標(biāo)都需要有人工標(biāo)記

進(jìn)行比對計算。 本研究亦有觀察模型對測試資料集

的辨識表現(xiàn),并綜合兩者進(jìn)行辨識成效的比較與討

論,如表 1 所示。

圖 2 模型訓(xùn)練不同損失變化代表意義[11]

表 1 訓(xùn)練/ 驗證資料集張數(shù)與各損壞類別比例

數(shù)據(jù)類型 訓(xùn)練張數(shù) 驗證張數(shù) 范例圖標(biāo)

鋼筋外露 56 20

壁癌滲水 89 31

裂縫裂紋 181 63

混合 20 7

總計 346 121

2. 2 對象偵測方法 - YOLO - v5

本研究實作的對象偵測模型為 YOLO - v5。 為提

升模型學(xué)習(xí)速度,YOLO - v5 使用了鑲嵌圖案 (mosaic) 的數(shù)據(jù)增強(qiáng)手法,由訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中隨機(jī)挑選 4 張

相同或相異損壞類別影像,將該四張影像的部分范圍

拼湊成一張圖片,使模型一次學(xué)習(xí)四張影像中的對象

特征。 此外,由于對象偵測目的為預(yù)測一矩形框,常

見的作法,為預(yù)先給定數(shù)個固定尺寸的 anchor boxes,

再利用模型進(jìn)行尺寸修正。 因此,設(shè)定的初始值與數(shù)

量,將很大程度影響模型辨識成效。一般為求準(zhǔn)確

性,大多保守地使用多種不同的尺寸,再由模型自行

決定是否保留,以涵蓋所有可能性。 而 YOLO - v5 則

是采取主動的作法,預(yù)先從數(shù)據(jù)集中計算合理的尺寸

組合,以省去計算冗余的 anchor boxes。 另外,對象偵

測需處理影像中不同大小的對象。 由于卷積神經(jīng)網(wǎng)

絡(luò)的特性,模型輸出的過程中,會逐步精煉特征圖,便

容易舍棄掉小對象的信息。 而為得到較準(zhǔn)確的矩形

框范圍,也會需要原圖的完整信息。 因此,為提高辨

識準(zhǔn)確性,相關(guān)偵測方法皆會融合高低階特征,再進(jìn)