组合框架-钢筋混凝土核心筒技术体系应用研究——基于中科大厦项目的工程示范

1.工程概况

中科大厦是中科大业建筑科技有限公司EPC总承包建设的装配式建筑试点项目，位于重庆市涪陵区西部新城区太白大道，为一类高层公共建筑，包含办公、商业、酒店式公寓等功能，其总建筑面积约3.8万平方米，建筑高度99.75米。项目区位邑枕长江乌江两江，设计灵感源于浩瀚江水，以波澜的乌江水为主要元素赋予大厦外立面以动态的肌理美感，打破传统的外立面处理方式，外墙板采用预制清水混凝土，以质朴的饰面材料演绎现代风格的简洁大气。

图1.1中科大厦外立面效果

2.技术应用介绍

中科大厦按照鲁班奖工程质量标准建设，是重庆市建筑产业现代化示范工程项目，整体预制率达51%，装配率达61%。采用钢管约束混凝土组合结构体系，比同等条件的装配式混凝土结构重量更轻、连接更方便，而且具有更高的承载能力及抗震性能。项目采用EPC总承包模式，运用了系列新型建材及预制部品部件、高抛不离析微膨胀混凝土、装配式同层排水卫生间、后复合三明治外墙板、CCA轻质灌浆内墙板等10余项由中科大业牵头，联合重庆大学钢结构工程研究中心、中国建筑材料科学研究总院、山东大学等研发的新技术、新产品，具有很好的示范引领作用。

在项目管理方面，创新项目管理方式，采用数字信息化管理，打造全过程BIM管控平台，运用BIM、VR、3D测量仪等先进技术和仪器，实现项目精细化管理。同时，由台湾润泰对项目管理提供全过程指导，确保实现新工法新工艺的落地。具有品质更优、成本更低、工期更快、建造过程更绿色环保、抗震性能更好等特点，在粉尘、噪音、废水和建筑垃圾等方面都能降低污染80%以上，具有巨大的社会效益。

2.1结构体系优势分析

中科大厦采用新型装配整体式混合结构体系，主楼为“组合框架-钢筋混凝土核心筒”体系，外框架以“钢管约束型钢混凝土柱”和H型钢梁组成。该新型结构体系创新性的将预制装配式结构的先进工业化生产理念应用到钢-混凝土组合结构中，进一步缩短施工工期，提升建筑产品质量，具有显著的经济效益和环境效益，符合我国绿色可持的建筑发展理念。装配整体式组合结构与装配式混凝土结构相比，具有以下优势：

（1）装配整体式组合结构体系具有更好的力学性能。在可靠的建造和安装技术保证下，装配整体式组合结构可完全继承传统现浇式组合结构的优越力学性能，将比同等条件的钢筋混凝土结构具有更高的承载能力和更好的变形及抗震性能。

（2）装配整体式组合结构构件的吊装重量更轻。与钢筋混凝土构件相比，组合构件的往往具有更轻的吊装重量，比如钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁、钢板剪力墙等都比同条件的钢筋混凝土构件轻，因此可较大程度的降低施工的措施费。

（3）装配整体式组合结构构件的连接更方便。在装配式混凝土结构中存在大量的钢筋连接，且连接处一般需要浇筑混凝土，安装效率较低。而在装配整体式组合结构中，预制组合构件可设置钢接头，方便安装与连接。

图2.1 中科大厦结构平面图

传统组合结构中通常采用型钢混凝土或钢管混凝土这两种结构形式以改善高强混凝土柱的延性。但是近年来的研究结果表明，型钢高强混凝土柱中的高强混凝土难以受到有效约束作用，柱子延性改善不明显，当轴压比较大（＞0.4）时，柱子抗震性能明显降低。故型钢高强混凝土柱在工程中的应用受到限制。

钢管混凝土的延性优于钢筋混凝土，然而钢管混凝土柱中钢管在进入弹塑性阶段后才对核心混凝土产生有效的约束作用，约束效果不强，且钢管与混凝土共同承担竖向荷载易引起钢管板件屈曲，导致柱子抗震性能下降。同时，由于钢管直接承载，其防火性能要求高，防火保护费用高。

此外，型钢混凝土柱和钢管混凝土柱与钢梁或钢筋混凝土梁的连接节点构造很复杂，施工难度大，节点耗材成为了困扰工程应用的主要问题。

图2.2 型钢混凝土柱-钢梁节点

（a）纵筋贯通节点

（b）纵筋焊接或搭接节点

图2.3 型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁节点

钢管约束混凝土柱是在钢管内填充混凝土，但钢管不直接承担纵向荷载，且只对核心混凝土起约束作用的一种组合柱。实际工程中将钢管约束混凝土应用于框架柱时需配置纵筋或型钢，形成钢管约束钢筋混凝土柱（图2.4（a））或钢管约束型钢混凝土柱（图2.4（b））。相比传统的型钢混凝土和钢管混凝土具有以下明显的优势：

（1）与钢筋混凝土梁连接方便。钢管约束钢筋混凝土柱在框架节点区域钢管断开，梁柱节点相当于钢筋混凝土节点，可以借鉴钢筋混凝土结构梁柱节点的设计方法。

（2）约束效果好，轴压承载力高，抗震性能优越，轴压比限值高

（3）抗火性能好

（4）钢管无屈曲问题，充分利用高强混凝土和高强钢材的强度

（5）抗剪承载力高，层间变形能力强

图2.4 钢管约束混凝土柱常见式

2.2 方案阶段的参数化设计

中科大厦前期方案构思中，考虑到外立面设计为扭曲的线条来模拟动态的水面效果（如图2.5所示），其异型的立面效果给传统设计模式带来了诸多不变，立面的更改会增加很多工作量，使得设计效率低下。中科大厦在方案设计阶段引入了先进的参数化设计理念，基于Rhino和Grasshopper参数化设计软件，高效的完成了建筑立面的构建与设计。

设计的参数化并不是某一款软件的学习，而是一门新的研究领域，有助于解决设计中出现的各类问题，例如构建设计形态间的逻辑关系，将设计形式视为一个由参数控制、互相关联的有机体。

参数化的目的是构建几何间联动的逻辑关系，从而更加易于控制各形体之间的关联，这个关联正是几何构建的逻辑。

2.2.1基于Rhino与Grasshopper的外墙参数化设计

（1）中科大厦外墙板规律分析

图2.5 中科大厦里面BIM模型截图

中科大厦立面BIM模型截图，可以发现外挂墙板的排布与造型虽看似复杂，但细细思考可以发现一定的规律。从横向上看，转角处的外挂墙板左右镜像对称，立面上的外挂墙板可从左至右编号为1至16，奇数的外挂墙板对称，偶数编号的外挂墙板对称。从竖向上看，转角处的外挂墙板左右镜像对称和立面上的外挂墙板都存在奇数编号造型一致，偶数编号造型一致的规律。经分析，可以发现主要有4种类型的外挂墙板，转角处有两种，立面上有两种。由此启发我们能否用具有逻辑性的程序来描述这一规律，以实现前期方案的快速修改与变动。

（2）外墙板预制构件参数化

首先对单个转角处的外挂墙板编写参数化程序，以下图为具体过程：

图2.6 转角处外挂墙板参数化程序编写过程

同理，按照相同的程序创建4种主要类型的外挂墙板。

图2.7 外墙板造型归类

2.2.2参数化模型建立

通过建筑进深、开间以及建筑高度与地下室埋深，建立大厦的参数化模型，便于后续外挂墙板定位点的确定。

根据中科大厦转角外挂墙板划分高度，通过对高度进行累加以及奇偶划分，确定转角外挂墙板的定位高度以及预制构件的本身高度，并把奇偶对应的外挂墙板根据定位点进行创建。

图2.8 中科大厦转角外挂墙板划分高度

根据立面外挂墙板横向与竖向间距，通过累加以及奇偶划分，确定立面外挂墙板的定位高度以及预制构件的本身高度，并把奇偶对应的外挂墙板根据定位点进行创建。

图2.9 中科大厦外墙板定位

最后，由楼层高度表定位横向围墙并创建横向围墙，完成整体建筑外墙参数化模型的创建。

2.3结构设计

2.2.1结构整体分析

根据《钢管约束混凝土结构技术规程》（征求意见稿）4.2节规定，结构整体弹性分析中，一般的框架、框架-剪力墙或框架-筒体结构中，框架柱以水平变形为主，柱的轴压刚度对结构体系的影响较小，因此钢筋和钢管的轴压刚度部分可不考虑。在超高层结构中，结构抗侧时常利用框架柱的轴向刚度（如框架-核心筒结构中，核心筒与外框架通过伸臂桁架连接，以保证外框架通过轴向受力与核心筒共同抗侧），此时框架柱的轴压刚度计算中常需计入钢筋和钢管部分。

中科大厦在弹性阶段结构的整体内力和变形分析中，不考虑钢筋和钢管的轴压刚度部分，采用结构设计软件PKPM建立的整体模型中以型钢混凝土柱替代钢管约束型钢混凝土柱进行结构的整体分析。

图2.10 PKPM计算模型

2.2.2构件设计

整体结构分析完成后提取出柱子的控制内力，根据《钢管约束混凝土结构设计规程》（征求意见稿）进行截面设计与校核。

中科大夏的柱子中采用钢管约束型钢混凝土，其设计要点如下：

（1）钢管约束混凝土柱的钢管应在柱上下两端断开，断开处的钢管留缝高度不应小于10mm，不宜大于20mm；钢管断开处距柱顶部梁底、底部梁顶的距离不宜超过0.5D，D为钢管直径或边长；钢管可直接伸至基础顶或地下室顶，但需留缝，缝高度不应小于10mm，不宜大于20mm。

图2.11 钢管约束混凝土柱构造示意图

1—梁柱节点区；2—框架梁；3—柱钢管；4—柱混凝土；5—基础顶面；6—钢管断开处

（2）圆形截面钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土柱，钢管外径不宜小于300mm，壁厚不宜小于3mm。钢管外径与壁厚之比D/t不宜小于100，且不宜大于200，钢管中一般不需设受力加劲肋。

（3）钢管约束型钢混凝土柱的型钢含钢率不宜小于4%，不宜大于15%，宜采用H型钢、十字型钢等实腹式型钢；不配置纵向钢筋与箍筋的钢管约束型钢混凝土偏压构件，宜采用十字型钢。

钢管约束型钢混凝土柱中的型钢板件宽厚比限值，对于翼缘板和腹板，分别不宜超过现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017规定的1.5倍和2倍。

钢管约束型钢混凝土柱中一般可不设置钢筋笼；设置钢筋笼时，纵筋和箍筋的配置宜满足现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010对非抗震柱的构造要求，但复合箍筋配置时应考虑型钢板件在截面上的分布，可采用多边形复合箍筋。

（4）钢管约束混凝土柱中的钢管和型钢，宜采用不低于345MPa的较高强度钢材。

（5）钢管约束型钢混凝土柱中的型钢翼缘外侧可按构造设置抗剪连接件，但对于过渡层、过渡段及型钢与混凝土间有较大的传力要求时，宜按计算设置抗剪连接件。抗剪连接件可采用栓钉，栓钉的直径规格宜选用16、19和22mm。栓钉直径ds不应超过与其焊接板材厚度的2.5倍，长度不应小于3倍栓钉直径。栓钉间距不应小于6倍栓钉，且不宜大于300mm。栓钉顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm。

图2.12 栓钉构造示意图

2.2.3节点设计

中科大厦项目中的圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁框架节点采用环板贯通式节点（图2.8~图2.9），其设计按照《钢管约束混凝土结构技术规程》（征求意见版）中有关章节进行。

2.13 中科大厦标准梁柱框架节点图

图2.14 中科大厦典型钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点

2.4 预制部品部件

中科大厦建设过程大量采用了新型预制部品部件生产技术，包括新型挤压成型预应力混凝土叠合板、新型预制夹芯保温外挂墙板、轻型装配式楼梯及装配式同层排水卫生间。预制构件由工厂生产加工完成，大量减少现场现浇作业，减少工地材料堆放及建筑废料的产生，符合节能环保的要求；外观质量优良，避免防火施工，减少脚手架搭设，整体工期速度加快，有利于节约成本；预制构件的安装采用装配式工法，大大减少现场用工量。

2.4.1外墙板

采用预制清水混凝土外墙板，其保温形式为夹芯保温，通过预埋铁件与主体结构进行可靠连接。该预制外墙板具有如下优势：

1）通过工厂化生产的预制外墙板，质量稳定，精度高，同时具有优异的外观性能

2）外叶造型板、保温层及内叶墙一次成型，通过可靠的连接件进行连接形成一个整体，无需再做外墙保温，并且保温层与结构同寿命，几乎不用不用维修。

3）采用外墙装配式的方式进行施工，可大大缩短施工周期，预埋窗框、线管以及钢筋绑扎等复杂工序都在工厂内完成，现场只需拼装、连接即可，减少人工。

4）外层为钢筋混凝土，防火性能好。

5）成本方面：采用预制方式可大量减少现场支模，减少现场作业人工；可实现无外加施工，节约脚手架成本。

图2.15 预制外墙板

图2.16 预制外墙板模具

2.4.2内墙板

采用轻质灌浆墙，是用优质轻钢龙骨作为框架，用水泥纤维板作为覆面板，在龙骨框架与水泥纤维板板所形成的隔墙空腔中灌入轻质混凝土而形成的实心轻质墙体，是一种新型的、非承重的墙体。广泛应用于对防火、耐撞击有较高要求的建筑物的外墙及非承重内隔墙中。该内墙板具有以下特点：

1）环保。100%不含石棉，在使用过程中不会产生有毒气体或辐射。

2）轻质高强。轻质泡沫混凝土填充，轻质高强，降低建筑物荷载。

3）抗震性能好。与主体结构柔性连接，并预留层间变形空间，整体性好，强度高，可有效防震，无倒塌的危险。

4）良好的隔声性能。柔性墙体与轻质泡沫混凝土的组合，隔音效果显著。

5）良好的抗撞击性能。水泥纤维板与轻质泡沫混凝土结成一体，墙体的耐撞击性能卓越。

6）管线敷设方便。水泥纤维板隔墙内部空腔可便于各种管线、管道的铺设。

7）可吊挂重物。实心复合墙体，握钉力强，解决了轻质墙体不能挂物的问题。

8）防水、防潮、防霉。水泥基面板与轻质混凝土的结合，防水性能良好，防潮、防霉佳。

2.4.3楼板

采用预制预应力叠合和板钢筋桁架楼承板。其中预制预应力叠预制叠合楼板具有以下优势：

1）经济节能，减少模板使用量，利于节能环保及控制成本；

2）施工方便，减少现场用工量和传统现浇作业量；

3）布置灵活，适用于多种跨度及户型；

4）整体性好，预制层和现浇层结合为一体，刚度大，抗裂性好；

5、节约工期，可与其他预制构件穿插施工，可以大幅减少工期，进一步控制成本；

6、装修方便，薄板底面光滑平整，板缝经处理后，顶棚可以不再抹灰，减少装修工程量；

2.17 预制叠合楼板模型

图2.18 叠合板挤压成型过程

2.4.4预制卫生间

采用装配式同层排水卫生间解决传统同层排水需要降板产生的施工繁琐、占用净空、积水等问题；配合装配式楼板解决装配式楼板在局部异形区域装配组装困难的问题；满足功能需求，一次性吊装等施工方便可行性。针对中科大厦项目，设计装配式卫生间底板，避免了传统卫生间降板的做法，同时解决管线预埋问题。归纳起来，中科大厦采用的预制卫生间具备以下优势：

1）抗渗极佳，整个卫生间于工厂内一体成型，减少渗漏隐患，更有三重防渗措施，进一步杜绝渗漏；

2）节约层高，采用同层排水技术，减少了卫生间沉箱高度，提高了房屋的使用高度；

3）检修便利，采用模块化施工技术，故障检修更为便利；

4）装修方便，卫生间预留接口，业主只需购买相应洁具即可快捷安装，大量减少传统装修中所需工序以及装修成本。

图2.19 同层排水预制卫生间模型

图2.20 预制卫生间底板

2.4.5装配式轻质楼梯

中科大厦采用装配式轻质楼梯，在工厂内预制，标准化作业，通过在混凝土材料中加入轻质高强骨料提高构件强度高，减轻构件重量。装配式轻质楼梯性能稳定，成型质量好，安装便捷，与普通钢筋混凝土楼梯相比，模板使用减少80%以上，基本无现场湿作业，施工速度提高200%以上。

图2.21 预制楼梯模型

图2.22 预制楼梯成品

2.5 BIM技术应用

中科大厦项目作为装配式建筑的示范工程，采用预制外墙板、预制楼梯及预制叠合板，装配率达到50%以上，相对传统建筑模式，中科大厦项目在设计、施工及运行阶段的要求更严格，对预制构件生产质量、现场施工质量及构件安装精度等方面需要严格把控。因此，中科大厦项目从方案阶段就开始应用BIM技术，对项目施工全过程进行模拟，涉及建筑、结构、机电安装及预制构件等专业，通过BIM模型可以达到各专业协同工作，避免传统工作模式错误的产生，并且通过BIM模型的可视化及碰撞检测，提前纠正图纸及施工中不合理之处。

图2.23 中科大厦建筑模型

图2.24 中科大厦结构模型

图2.25 机电管综模型

预制装配式建筑项目传统的建设模式是设计→工厂制造→现场安装，相较于设计→现场施工模式来说，已经节约了时间，但这种模式推广起来仍有困难，从技术和管理层面来看，一方面是因为设计、工厂制造、现场安装三个阶段相分离，设计成果可能不合理，在安装过程才发现不能用或者不经济，造成变更和浪费，甚至影响质量;另一方面，工厂统一加工的产品比较死板，缺乏多样性，不能满足不同客户的需求。在中科大厦项目中将BIM技术在装配式建筑中贯通运用，具体有以下几点：预制构件模型及加工出图、埋件检查、钢结构深化和三维扫描误差核查及虚拟现实模拟。

2.5.1预制构件模型及加工

在目前工业化建筑或者装配式建筑中，预制构件一般是根据设计单位提供的预制构件加工图进行生产，这类加工图还是传统的平立剖加大样详图的二维图纸，信息化程度低。BIM技术相关软件中，通过“族”的概念，对构件进行划分，结合构件生产厂家生产工艺，建立模块化预制构件库，在不同建筑项目设计过程中，只需从构件库中提取各类构件，再进行组装，即可建立最终整体建筑模型。构件库的构件种类也可以在其他项目的设计过程中进行应用，并且不断扩充，不断完善。

图2.26 中科大厦外墙版构件库

2.5.2埋件检查

BIM模型可以进行土建结构部分的深化设计，包括预留洞口、预埋件位置及各复杂部位等施工图纸深化，三维模型便于核查预制埋件能否与主体结构埋件相衔接，以及埋件之间是否相互碰撞减少返工造成的成本、人工、机械、材料等的增加。

图2.27 BIM核查

2.6 高精度自动测量控制技术

常规建筑工程结构施工控制，主要依靠经纬仪、水准仪、激光铅直仪、全站仪等光电测量技术设备施工测量控制和放样工作。在高层建筑施工中，主要采用吊锤法、激光铅直仪投点法和精密天顶基准法进行平面基准传递；这些方法对环境条件有特定要求，可以满足一般高层建筑结构的施工测量质量控制需求。但是，随着不规则结构的建筑总高度的升高其水平基准和高层基准的传递误差累计增加，作业难度加大，受施工环境影响和干扰较多，垂直度偏差控制的精度较低，完全依靠逐层传递的施工测量陈果精度无法进行科学的定量评价，很难保证超高层建筑、复杂结构形体的三维空间动态变形控制与实时性施工需求。

中科大厦项目作为先进的装配整体式建筑组合结构体系在实际工程中的运用，最大限度优化传统测量控制技术，采用高精度控制技术和自动化测量技术相结合的模式对中科大厦项目的钢结构施工进行测量质量控制。高精度控制技术主要体现在3D建筑测量控制，通过基准控制网和高水准测量手段保证建筑施工测量的传递误差；自动化测量技术主要运用Focus 3D X130三维扫描仪，利用高新测量扫描设备精准、快速地测量建筑物三维位置信息。

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中科大业建筑科技有限公司简介

1.发展背景

建筑业是我国的支柱产业，但我国建筑业仍粗放式发展，能耗高，资源与环境破坏严重，现代化程度低，建筑品质不高，转型升级迫在眉睫。中央及各级地方政府陆续出台系列措施，推进建筑业向绿色环保、品质高、成本可控的现代化方向转型升级，重庆市中科大业建筑科技有限公司应运而生。

重庆市中科大业建筑科技有限公司于2016年7月8日在重庆市雾都宾馆正式揭牌成立。通过跨界联盟，整合中科控股、大业新型建材集团、川东船舶重工等重要股东，与重庆大学钢结构工程研究中心、中国建材科学研究总院等进行产学研合作，主要围绕建筑产业化全生态圈的建设思路，打造集研发设计、BIM管理、绿色新型建材、钢结构及部件加工、装配施工于一体的全生态圈绿色建筑集成商，大力开展EPC总承包业务，立足重庆，依托长江黄金河道优势，面向长江中下游城市，辐射全国，力争在五年内成为全国领先的绿色建筑工程总承包商。

2.技术优势

中科大业集团研发设计中心针对建筑产业化发展现阶段存在的研发设计能力不足、建造全过程脱节、新型建材不配套及传统工艺工法不配套等技术瓶颈，重点在研发设计、建造一体化、新型建材、新工艺工法方面进行技术攻关和集成，并已取得突破性成果。

1、联合重庆大学钢结构工程研究中心推动六大新型装配式建筑体系的落地。六大装配式建筑体系包括：

1）冷弯薄壁型钢结构体系建筑，主要适用于低多层住宅、办公楼

2）框架及框架-支撑组合结构体系建筑，主要适用于多高层住宅、办公楼、商场、学校、医院、酒店

3）交错桁架钢框架组合结构体系建筑，主要适用于多高层住宅、办公楼、学校、酒店

4）大跨度框架组合结构体系建筑，主要适用于大跨度多层建筑，包括停车库、物流仓储、厂房、会展、体育馆

5）框架-剪力墙/筒体混合结构体系建筑，主要适用于高层住宅、办公楼、医院、酒店

6）装配整体式钢-混凝土组合结构桥梁，主要适用于市政桥梁、高架桥、立交桥等

2、研发应用新型预制部品部件生产技术，包括新型挤压成型预应力混凝土叠合板、新型夹芯保温外挂墙板、新型轻钢龙骨轻质化夹芯外墙板、轻型装配式楼梯及装配式同层排水卫生间。

3、新型建材成套技术，包括高抛自密实高强高性能混凝土技术、干混砂浆技术、高性能自流平混凝土技术、高性能自流平自防水混凝土技术。

4、BIM成套应用技术，包括基于BIM的预制装配式建筑体系集成管理系统、基于BIM高效机电设备安装技术及虚拟现实展示。

5、新型高效的检测技术，例如三维激光扫描技术，即项目中引入三维激光扫描技术，对关键部位施工质量进行扫描检测，提高工程质量管控。