[分享]预制混凝土的魅力

发表于2021-04-14     107人浏览     1人跟帖     总热度:382  

何为PC建筑?PC为 precast concrete的英文缩写,也即预制混凝土。混凝土最大的魅力在于可塑性,现场可以浇筑成自由的曲面结构,但是工厂预制混凝土结构强度高,质量更为可控,结合预应力技术也可有效的提高RC的抗开裂能力,对于人工相对较贵的地区也是个不错的选择。由于PC建筑对模数化要求很高,所以高效且美观对设计便有了更高的要求,本期的案例分享希望能缓解大家对PC建筑的一些刻板印象。

01 L-mark工厂(1964 意大利米兰)
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▲L-mark 工厂
L-mark工厂由3种构件单元(柱、梁和屋面板)组成。结构体系非常简单,首先是悬臂柱,柱头放大设置凹槽,预制梁伸出一个挑耳用于抗剪,插入柱头凹槽内,梁间再架设1.6mx8m的预制板。
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▲构件拆解
梁上表面中部的凹槽兼做排水沟。混凝土构件单元采用聚酯模板制作,表面比较光滑。构件长度也都控制在20m以内,方便运输。
 
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02 有卡丽文化幼儿园(1967 东京)
有卡丽文化幼儿园建造于1967年,建筑师为丹下健三,结构师为川口卫,位于东京都世田谷区。由于是幼儿园,如果建筑做的太大太空的话,就会与小朋友们小小的身体不协调,尺度的把控成为关键要素。 
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▲有卡丽文化幼儿园
构件的断面酷似飞翔的海鸥,由于场地的限制,道路狭窄,没有采用工厂预制,而是采用现场预制的方式,一方面考验施工水平,另一方面需要尽量减少开模量。
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▲断面放大示意
出于这个考量,建筑平面按照放射状展开,每个折板都是同心圆中切出的扇形按照角度等分的一部分。
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▲结构拆解
折板最大跨度为16m,高度为630mm,板厚悬挑根部为130mm,其余大面为65mm。折板上覆预制楼板,中间的空腔用于走管。每个折板的中部和端部均有肋梁,用于放置预应力钢筋,两端的肋宽130mm,高200mm。中央肋宽200mm,高为 250~300mm不等。
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折板预应力钢筋
跨度方向,折板单元与下方的短墙连接,由于第一层的力较大,所以设计的时候,在楼板单元上与柱头对应的位置上设置了横向肋,以形成框架。

03 千叶县立图书馆(1968 千叶市)
图书馆位于千叶市,建于1968年,建筑师为大高正人,结构师为木村俊彦。这个建筑算是“预制网格体系”较早的作品。
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▲千叶县立图书馆
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▲网格分布
网格梁单元为一十字形梁,断面呈V形,梁高600mm,长2.4m。通过控制V形断面的开槽率以及配筋量来适应不同的跨度,从而能保证外观上网格梁都是同样的尺寸。工厂中通过先张法沿着一个方向串联十字梁,现场再通过后张法串连另外一个方向。
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▲预制十字梁
柱头处的设计小 i 觉得比较有意思,柱子为变截面十字柱,柱头没有顶在十字梁的中心,这样柱头梁端会有较大的弯矩,比较难控制网格梁尺寸的标准化。于是柱头顶在网格的中心,通过一个预制的柱头挂起四边的网格,交接处解决抗剪问题即可。结构体系也从框架体系变成由柱子和楼板组成的平板体系,有点像离散化的无梁楼盖,但是没有柱头冲切问题。
 
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▲柱头交接
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▲变截面十字柱
主结构完工后,网格可选择预制板覆盖,开天窗或者是放置灯具,比较灵活自由,由于室内外分界一定要卡在十字梁轴线上才能形成封闭空间,于是端部会有一截短V梁突出,也是获得了有趣的空间体验。
 
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▲预制楼板吊装
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▲室内外分界

04 标准银行总部(1970 南非)
标准银行于1959年决定将其南非总部从比勒陀利亚迁至约翰内斯堡,其是南非历史上最悠久的标准银行总部。建筑总高度为139m, 平面为边长34.3m的正方形的4角切掉4.7m的正方形后得到的一个粗大的十字形。其地上34层,地下5层,建筑师为Hentrich,项目于1970年完工。 
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▲标准银行总部
作为标准银行的总部,脑门上就写着不差钱,需要打造一个令人影响深刻的地标建筑。通过挂在芯筒上的三个伸臂层悬吊楼面,悬臂长度约为9.75m,形成室内及底部的无柱空间。每层的外圈梁为槽型预制混凝土构件,长24.8m,高152cm,宽 56cm,内侧用来铺设空调管道。
 
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▲结构图解
预制混凝土悬吊构件总长35m,为变高度矩形截面,悬吊根部高度为127cm,最下端高度为76cm,宽度为53cm。每两根为一组,悬吊住其他9层的外圈梁,并且通过11根预应力索将各层的外环梁连接在一起。11根索中,有9 根分别锚固在各层外圈梁下端,其余2根锚固在悬吊构件的下端。
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▲结构图解
井字形伸臂釆用现浇钢筋混凝土制成,梁截面为I形,梁高沿长度变化,在核心筒两侧为559cm,两端则减小到305cm,梁宽为122cm,腹板厚为61cm,算是一个巨型的伸臂大梁,梁截面上部沿梁全长分布有12根预应力索。
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▲伸臂大梁
核心筒采用现浇钢筋混凝土制成,由4个筒组合而成。外皮的尺寸为14.2mxl4.2m。墙厚由61cm过渡到19cm,基础为4根直径5m的混凝土嵌岩桩。
 
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▲现浇伸臂大梁(左)/芯筒爬模(右)
这种纯混凝土制的悬挑超高层还是比较少见,材料的选择以及高空现场作业的难度也注定吊杆以及内部梁板采用PC构件,可能不太需要考虑地震,才有了这个“挑扁担”的混凝土巨构,结构总归有办法,也就是代价的问题了。

05 海之博物馆-库房(1992 鸟羽市)
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▲库房
这个建筑位于伊势志摩湾内,用来收藏渔民使用过的传统生活用具以及渔船等,由于地处海边,考虑到台风、盐碱腐蚀以及地震,混凝土相较于钢结构来说更为合适。由于形态也是单榀的韵律,采用PC构件比较经济。建筑师为内藤广,结构师为渡边邦夫,项目于1992年完工
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▲结构拆解
预制双坡屋盖梁形成三铰拱,底部推力会比较大,如果设置一个水平系杆平衡推力,对室内空间会有较大影响,于是结构师采用一个半腰的“联系拱“去异化水平系杆。联系拱与屋面梁错开半格,通过纵向的系梁相互连接,在方便节点构造的同时也形成了特殊的空间韵律。
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▲库房实景
联系拱与屋面梁均为预应力混凝土梁,保证基本处于受压状态,从底部看,像是船体的构造,也是契合了建筑的用途,周边还有个房子采用了木结构,结构的形成策略也基本一致,简洁且合理。
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▲海之博物馆-木构

06 岐阜VR中心(1998 各务原市)
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▲VR 技术中心
岐阜VR中心并非全PC结构,采用了是现浇混凝土柱+PC梁+钢结构轻质屋面,跨度约25m,PC拱梁架设在6m的悬臂柱上,拱梁分成3段,由两侧往中间分别吊装合龙,之后再进行后张拉形成整体,建筑师为罗杰斯,结构师为梅泽良三。
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▲结构剖面
拱梁柱头通过传统的预留套筒连接,并且增设钢板补强,这种组合的钢混预制结构比纯PC自重减低约60%,截面减小约40%,从而使得制作、运输以及施工费用大大降低。
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▲柱头节点
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▲内部
07 写在最后
我国PC建筑自50年代开始发展以来,一波三折,市政工程应用居多,公建这些年因为政策要求也逐渐多了起来,但主要还是集中在钢结构或者混合结构。单调缺少变化会令人感到乏味,如果在单纯的构件集合中创造出新的秩序,依靠工厂的高品质构件、节点完成度构建成丰富多彩的空间,这或许就是PC建筑的初衷与魅力。
关于“等同现浇”的说法似乎容易让设计师产生惰性,让节点就是铰接,假想都是木构件通过设置耗能单元或者斜撑等提高结构的安全冗余度,让PC构件受力简洁而清晰或许也可以额外激发灵感。

来源: iStructure
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 发表于2021-04-14   |  只看该作者      

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长虹虹老师

  | 结构设计

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