·40· 福 建 建 筑 2023 年

表2 混合结构以上房屋占比与农村住宅质量对应表

混合结构以上

房屋占比(%)

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

农村住宅质量 差 中等 良好 优秀

注:混合结构以上指结构形式为混合结构及其以上(如钢筋混凝土结构、

砖混结构)的房屋建筑[2]

。

根据我国住房和城乡建设部公布的城乡建设年鉴,

对各省份混合结构以上房屋占比进行计算,得到不同省

份的农村住宅质量。 同时,对不同省份农村居民年纯收

入进行区间划分,得到不同年纯收入区间省份的住宅质

量分布情况。 对 2007 年的农村住宅质量和居民年纯收

入进行分类和计算,计算结果如图 2 所示。 农村居民年

纯收入 <3500 元的省份中,25% 的省份农村住宅质量为

差,住宅质量为中等和良好的省份均为 37. 5%,同时,没

有住宅质量为优秀的省份;农村居民年纯收入位于 3500

元 ~5000 元的省份中,仅有 6. 7% 的省份农村住宅质量

为差,住宅质量为中等、良好和优秀的省份各占 13. 3%、

73. 3%、6. 7%。 与农村居民年纯收入 <3500 元的省份相

比,住宅质量为良好和优秀的比例显著上升;农村居民年

纯收入 > 5000 元的省份住宅质量较高,均为良好或优

秀,占比分别为 85. 7%、14. 3%。 与年纯收入位于 3500

元 ~5000 元的省份相比,住宅质量仍然呈现上升趋势。

2007 年,农村居民纯收入 > 5000 元的地区包括北京、上

海、天津、浙江等 7 个省市,该 7 个省市的平均农村居民

纯收入为 7768 元。 以 2007 年的数据为例,5000 元可作

为民居质量保证资金,因此,当民居资金为农村居民纯收

入的64%时,其住宅质量可以得到保证,结构类型以混

合结构为主。

为进一步验证农村居民收入水平和住宅质量之间

的关系,本文对2012 年的农村住宅质量和居民年纯收入

进行分类和计算。 随着国家经济的发展,农村居民的纯

收入不断上涨,2012 年所有省份的农村居民纯收入均已

超过3500 元。 同时,我国农村住宅的质量也在不断上

升,2012 年仅有宁夏的混合结构以上房屋占比没有超过

25%。 为了更好的反映农村居民纯收入与农村住宅质量

之间的关系,对2012 年的农村居民纯收入重新划分分类

区间,计算结果如图3 所示,仅有农村居民纯收入 <7000

元的地区仍存在住宅质量为差的省份,且不存在质量为

优秀的省份;年收入位于7000 元 ~9500 元和 >9500 元的

地区的住宅质量达良好及以上等级的比例,分别为

78. 6%和100%。 这表明,农村住宅的整体质量与当地的

经济呈正相关的关系。 2012 年,农村居民纯收入 > 9500

元的省份包括北京、福建、广东、江苏等 7 个省市,该 7 个

省市的平均农村居民纯收入为 13 525 元。 依据 2012 年

的数据,9500 元可作为民居质量保证资金,因此,当民居

资金为农村居民纯收入的 70%时,其住宅质量可以得到

保证,结构类型可靠,具备一定的抗震能力和安全性。

图2 2007 年不同农村居民人均纯收入省份的民居质量

图3 2012 年不同农村居民人均纯收入省份的民居质量

2 农村住宅的安全性

本文通过对各地区有关乡村住宅安全性的文献进

行调研,对农村住宅的安全性问题,进行分类整理,将农

村住宅的安全性问题分为全国农村住宅的共性问题和局

部地区农村住宅的两类个性化问题。

2. 1 全国农村住宅的共性问题

我国农村住宅由于长期处于村民自建,建造方式混

乱,在安全性方面存在大量的普遍性问题。 共性问题如

表3 所示,包括住宅设计和施工质量两个方面。

表3 全国农村住宅的共性问题

类别 共性问题

住宅设计

未经正规设计;

墙体开洞过大;

场地选址不合理;

缺乏有效的构造措施;

房屋布局不合理。

施工质量

建筑材料质量不合格;

节点连接薄弱;

基础施工不当;

卫生间、屋面渗漏;

房屋表面风化。

2023 年08 期 总第302 期 李垂帅,唐贞云,高晓明,等·农村住宅安全性现状及加固方法探究 ·41·

2. 1. 1 住宅设计

(1)未经正规设计

对于城镇住宅,住宅在建造前,通常进行相应的地

质勘探,掌握相关的地质勘探资料,并由专业的设计师对

住宅进行专业设计,再由施工单位、监理单位等进行施工

建造。 但是对于农村住宅,大多数农村住宅都是自行建

造,或施工队根据经验建造,同时也没有相关的地质勘探

资料和设计图纸。 部分学者调研发现,湖北地区[13]

98%

的住宅由工匠设计,2% 的住宅由村民自行设计,几乎没

有经过正规设计的房屋;四川省[14]

76%的农村住宅无设

计资料;宁波地区[15]

64%的农房没有设计图纸。 这导致

了农村住宅在源头上存在严重的安全隐患,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结

果表明,经正规设计施工的住宅、办公楼和学校建筑等砖

混结构房屋,在地震中无一例倒塌[16]

,由此可见对住宅

进行正规设计的重要性。

(2)墙体开洞过大

农村住宅为了增加采光面积,前纵墙门窗开洞面积

普遍较大,部分地区农村住宅的前纵墙开洞面积,甚至占

前纵墙总面积的60%以上[5]

。 而后纵墙几乎不开门窗,

导致房屋前后刚度的差异。 结构的质量中心和刚度中心

不一致,会导致房屋在地震作用下发生平面扭转,加重震

害[3]

。 另外,部分地区的居民抗震意识淡薄,为方便日常

生活,在承重墙体上随意开设通道,并表示不会封堵洞口

来补充墙体[17]

。

(3)场地选址不合理

农村住宅的选址,在一定程度上决定了未来建成的

农村住宅的安全性,但是,部分山区和河流边缘地区的农

村住宅选址存在一定的问题。 对于山岭地区,普遍存在

农村住宅建在半山腰、山顶、比较平坦的山坡或者紧邻山

崖的现象,其原因是居民为方便耕种农作物[18]

,抗震意

识淡薄,不了解本地的地震活动情况和地基工程地质情

况。 对于河流边缘地区,河流会影响边缘地区农村住宅

的地基,这种软土地基在地震时可能会发生不均匀沉降,

造成房屋倾斜、倒塌[17]

,严重影响农村住宅的安全性。

部分地区的民居选址情况如表 4 所示,陕西省和汉中地

区分布在有利地段的住宅均未超过 40%,需要引起足够

的重视,对已建或拟建在不利位置的住宅采取相应的

措施。

表4 部分地区的民居选址分布

调研地点 调研数量

民居选址

有利地段 不利地段 危险地段

陕西省[19] 1350 28. 63% 46. 62% 24. 75%

汉中地区[20] 833 36. 63% 36. 95% 26. 53%

(4)缺乏有效的构造措施

圈梁、构造柱,是为了提高房屋整体性、减轻房屋的

破坏程度的重要构造措施,设置构造柱和圈梁能够大幅

提高砖混、砖木房屋的变形能力和抗震性能,试验表明圈

梁、构造柱等抗震构造措施是影响墙体抗剪能力的重要

因素。 但是由于农村住宅建造年代较早,没有经过专业

设计,施工人员和住户抗震意识淡薄等原因,农村住宅不

设圈梁、构造柱等构造措施的现象普遍存在,导致房屋整

体性的下降。 农村住宅的门窗洞口处不设过梁的现象也

经常存在,导致房屋传力的不合理,在地震作用下极易发

生破坏,降低了农村住宅的安全性。 部分地区的构造措

施设置情况如表5 所示,陕西省、西南地区和汉中地区构

造措施设置齐全的比例均未超过 30%,且西南地区和常

德市无任何构造措施的房屋均超过了 50%。 由此可见,

农村地区圈梁和构造柱的设置情况仍然较差。

表5 部分地区的构造措施设置情况

调研地点 调研数量

构造措施(%)

设置齐全 设置部分 无任何措施

陕西省[19] 1350 26 44 30

西南地区[21] 199 30 17 53

汉中地区[20] 833 22 44 34

湖南省常德市[22] 515 - - 54

(5)房屋布局不合理

农村住宅普遍存在开间较大的问题。 大开间会

让房屋在纵向上抗侧刚度差异变大,屋盖面内刚度

小,整体性变差。 对于多层住宅,其楼梯经常布置在

房屋的端部,导致房屋的平面刚度偏心,在地震时易

发生扭转破坏;另外,多层住宅的设计存在平立面凹

凸曲折的问题,如片面追求立面效果,竖向布置采用

底层收进,上面挑出的立面形式,形成外推墙结构,将

造成墙体不连续,头重脚轻,上下层刚度和质量变化

大。 湖北省民居的不规则性统计如图 4 所示,平面凹

凸、门窗过大和 2 层挑出等布局问题的占比均超

过 50% 。

图 4 湖北省不规则性统计[13]

·42· 福 建 建 筑 2023 年

为了解乡村住宅建设现状,确定共性问题的占

比,本文对各地区乡村住宅安全性文献进行了广泛调

研,调研结果如图 5 所示。 71% 的文献在调研过程

中,发现农村住宅未经正规设计,36% 的文献提及农

村住宅的墙体开洞面积不合理,45% 的文献在住宅选

址上存在问题,68% 的文献均对乡村住宅缺乏设置圈

梁、构造柱的问题进行了描述,50% 的文献存在开间

尺寸设置、楼梯分布等房屋布局问题。 因此,住宅设

计方面的问题具有普遍性。

图 5 住宅设计共性问题占比

2. 1. 2 施工质量

(1)建筑材料质量不合格

砌体块材和砂浆的质量,直接影响了结构的抗

剪、抗弯能力[23]

。 但农村住宅的砂浆强度不合格是

普遍存在的问题,砂浆在制作过程中,各材料的拌和

比例由施工人员依据经验确定,没有严格按照规范规

定的拌和比例施工,导致砂浆强度下降[5]

。 既有农村

住宅砌筑砂浆类型的分布情况见表 6,约有 20% 的住

宅仍在采用泥浆或草泥浆,其抗震性能不佳,需要予

以加固。

混凝土结构在施工过程中,也同样存在混凝土拌

合不均匀、凝固期不到就提前拆模的问题[18]

,导致混

凝土工程质量的下降。 建筑材料质量不合格不仅体

现在砂浆、混凝土等拌合类的建筑材料上,在施工过

程中采购的钢筋、模板等材料,也同样会出现质量不

合格的现象[24]

,原因是居民考虑到经济因素而购买

质量不合格的材料。 针对这种现象,政府部门应该加

强市场监管,防止质量不合格的材料流入市场。

表 6 既有农村住宅砌筑砂浆类型[23]

砂浆类型 水泥砂浆 石灰砂浆 泥浆 草泥浆

比例(% ) 45. 37 35. 24 18. 94 0. 45

(2)节点连接薄弱

地震作用下,节点要承受水平力和拉扭作用。

震害调查表明,梁与柱的节点及柱的根部,是房屋结

构受力较大的部位,这些部位的牢固程度和结构整

体的强度,决定了房屋的抗震性能。 但农村住宅中

却存在大量的节点连接薄弱的问题,连接点主要体

现在墙和梁的连接、柱和梁的连接、纵横墙之间的连

接、屋盖系统和墙体的连接等方面。 我国南方地区

采用预制楼板的农村住宅较多,但预制楼板往往与

墙体连接不佳,在地震时容易出现预制楼板被甩出

的情况[17]

。 鉴于节点连接是保证房屋整体性的重

要因素,因此,做好房屋的节点连接,是改善农村住

宅抗震性能的重要一步。

(3)基础施工不当

一些河流边缘、山地丘陵地区的场地,本不适合

用来做基础地基,但是在施工过程中,施工人员对这

类场地没有进行换填土处理,从而导致该类农村住宅

存在一定的安全隐患[17]

。 此外,农村住宅还存在基

础开挖埋深浅的现象,有些地区的农村住宅的地基的

开挖深度过浅,导致基础直接暴露在地面上[18]

。

(4)卫生间、屋面渗漏

农村住宅建成后,很少进行维护,所以,农村住宅

经常会出现屋顶瓦面的损坏,甚至会出现漏雨的问

题,既有农村住宅中,44. 05% 的住宅存在屋面渗漏问

题[23]

;农村地区在安装卫生间等设施时,没有提前进

行预留管道,而是在安装过程中随意开洞,这容易导

致渗漏问题。

(5)房屋表面风化

农村住宅的外墙不涂抹砂浆面层的现象十分普

遍,往往直接将砌筑材料直接暴露在房屋表面,经过

长时间的雨雪冲刷,造成房屋表面风化[6]

,建筑材料

的耐久性会降低,使房屋的建筑寿命缩短。

2. 2 农村住宅的个性化问题

我国幅员辽阔,不同地区的地理环境、气候、建造

习惯等具有一定的差异性[25]

。 因此,各地区的农村

住宅在安全性方面,存在地域性问题。 农村住宅的个

性化问题如表 7 所示,包含夏热冬冷地区、夏热冬暖

地区和沿海地区三部分。

表 7 局部地区农村住宅的个性化问题

地区 个性化问题

夏热冬冷地区 空斗墙降低房屋整体性

夏热冬暖地区

石结构抗震能力差;

加建房屋抗震能力弱;

首层层高超限;

木屋架腐蚀严重;

内承重墙厚度低

沿海地区 海砂降低钢筋混凝土的耐久性

2023 年08 期 总第302 期 李垂帅,唐贞云,高晓明,等·农村住宅安全性现状及加固方法探究 ·43·

(1)夏热冬冷地区

夏热冬冷地区主要包含湖北、湖南、江西、上海

等省市,该地区空斗墙的应用广泛,这与当地的经济

等因素相关,许多住户为了降低住宅的造价而使用

空斗墙。 例如,湖北省[13] 空斗墙使用率为 87% ,湖

南省常德市[22] 空斗墙占有率达 90% 。 但是在工程

抗震的角度上,空斗墙房屋在楼、屋盖的整体性和纵

横墙的连接上很差,抗剪强度仅有实砌体墙的一半

左右,抗震能力不强。 九江地震中,实心墙房屋破坏

较轻,但空斗墙房屋破坏严重。一旦发生地震,空斗

墙房屋容易导致墙倒屋塌,造成人员伤亡和经济

损失。

(2)夏热冬暖地区

夏热冬暖地区位于我国南部,包括海南全域和福

建、广东、广西、云南的局部区域,一月份平均气温 >

10℃ ,七月份平均气温 25 ~ 29℃

[26]

。 由于夏热冬暖

地区温度高且雨季多,其农村住宅以多层为主,为了

增加住宅的通风性能,降低潮湿带来的不便,该地区

的农村住宅首层高度过高,大于 3. 6 m;且墙体偏薄,

甚至承重墙小于 240 mm

[27]

。 此外,夏热冬暖地区由

于白蚁、雨季多等原因[4]

,农村住宅的木结构部分会

出现被腐蚀的现象。

石结构房屋是福建地区的特色建筑,历史悠久且

在省内分布广泛。 但是石结构房屋同样存在一些特

色性的问题,由于石材的自重大、刚度大、地震反应

大、变形能力很小,抗拉、抗剪、抗扭的受力性能也很

差,所以,石结构房屋的抗震能力先天不足。 同时,随

着家庭人口的增加和生活的需要,石结构房屋存在加

建层数的现象,但加建的结构和原石结构的连接薄

弱[4]

,且传力路径不合理,因此,石结构加建房屋抗震

能力同样薄弱。

(3)沿海地区

沿海地区部分居民使用海砂来建造房屋[4]

,海

砂内含有氯离子,氯离子进入混凝土结构的内部,会

和混凝土中的氢氧化钙产生化学反应,使氢氧根浓

度降低,导致钢筋的锈蚀,进而降低钢筋混凝土的耐

久性。

3 农村住宅加固方法

针对存在安全性问题的农村住宅,拆除重建的成

本高、周期长,对居民的生活影响大,可以通过对既有

住宅加固的方法提高其抗震能力。 目前既有农村住

宅的加固方法如表 8 所示,主要集中在圈梁、墙体和

屋架三个方面。

表 8 既有农村住宅的加固方法

加固位置 加固方法

圈梁 配筋砂浆带圈梁;钢板圈梁

墙体 钢筋网水泥砂浆面层;预应力筋加固

屋架 增设钢剪刀撑;钢箍加固

3. 1 圈梁加固

为防止地基的不均匀沉降或较大振动荷载等对

房屋的不利影响,一般在墙体中设置钢筋混凝土圈梁

或钢筋砖圈梁,以增强房屋的整体刚度。 圈梁可以增

加房屋的整体性,避免在地震时发生山墙外闪等现

象,通常设置在基础墙、檐口和楼板处,其数量和位置

与建筑物的高度、层数、地基状况和地震强度有关。

针对既有农村住宅在建造时没有设置圈梁或者

圈梁质量不合格的问题,可以对其进行圈梁的加固处

理。 目前常用的圈梁加固方法,有配筋砂浆带圈梁和

钢板圈梁两种,钢板圈梁加固的示意图如图 6 所示。

将山墙与后纵墙的钢板圈梁上的钢筋与前檐的木卧

檩相连,形成闭合的整体圈梁,以提高房屋的抗震性

能。 与配筋砂浆带圈梁相比,钢板圈梁施工方便且施

工周期短。 北京市房地产科学技术研究所对配筋砂

浆带圈梁和钢板圈梁的加固方法进行了研究,对加固

效果进行了试验验证,并将施工工艺写入了《北京市

既有农村住宅建筑(平房)综合改造技术导则》。

图 6 钢板圈梁加固山墙[28]

3. 2 墙体加固

针对农村住宅的墙体砌筑质量差,砂浆强度低,承

载力不足的问题,通常采用钢筋网水泥砂浆面层加固,

钢筋网可以增加墙体抗剪能力和整体性[29]

,进而提升

房屋的安全性和抗震能力。 除钢筋网水泥砂浆面层加

固外,刘航等[8] 对预应力筋加固墙体的方法进行了研

究,并分析其加固效果。 预应力加固法在提高房屋安

全性和抗震能力的同时,房间使用面积不减少,建筑外

观也基本没有改变,全面满足加固改造需求。

·44· 福 建 建 筑 2023 年

3. 3 屋架加固

对于采用木屋架的房屋,可以通过在木屋架间设

置钢剪刀撑的方法对木屋架进行加固,加固原理图如

图 7 所示。 钢剪刀撑起到木屋架间的连接作用,可以

增强房屋的整体性,提高抗震能力。 这种方法在提高

房屋安全性和抗震能力的同时,不会改变房屋的使用

面积。 对于木屋架开裂的问题,应该通过钢箍及时进

行加固,避免造成人财损伤。 如果因漏雨、白蚁等造

成木屋架严重腐蚀,应对木屋架及时进行更换。

图 7 钢剪刀撑加固屋架[30]

4 其他问题与应对措施

除结构方面的弊端外,农村住宅在居民意识、住

宅维护和农村住宅规范方面还存在诸多问题,应当予

以重视。

(1)住户和施工人员的抗震意识普遍较差

与农村住宅的抗震性和安全性相比,农村地区的

住户通常更加关注住宅的外观,在一定程度上导致了

住宅建造过程中,资金在安全性上花费的比例较低,

反而将大量资金用于房屋的外观[27]

。

政府部门应该加强抗震安全知识的普及,让居民

和施工人员充分意识到房屋抗震措施的重要性,引导

居民把建造资金更多的花费在房屋的质量上,合理分

配建造资金的使用,同时,针对居民的建造资金不足

等问题,政府应设立相应的建房补贴,帮助居民建造

质量符合标准的房屋。

房屋的建造过程,应该包含前期的地质检测和

建筑图的设计;房屋的设计是整个建造过程中的关

键一步。 正确的房屋设计可以从根源上提高房屋质

量,避免房屋在建成后存在一系列的质量问题。 政

府部门应该帮助住户和施工人员进行合理建造,针

对乡村施工人员施工技术不过关的问题,政府可以

组织工程师,对乡村施工人员进行技术培训并进行

考核。 如果居民缺乏对设计图的了解,当地政府部

门可以根据当地的气候、地势等条件,制定符合当地

风俗及相关技术标准的设计图图集,供居民选择使

用,另外,设计师下乡也是一个值得推广的解决措

施。 设计师下乡后,可以与农村居民深入沟通,了解

农村居民的诉求,设计出符合居民要求和相关技术

标准的农村住宅图纸。

(2)政府部门缺乏对建筑材料市场、房屋建造过

程的监管

针对售卖劣质建筑材料的问题,政府部门应该加

强对市场和企业的监管,杜绝不合格的材料流入市

场。 同时,对购买和使用不合格建筑材料的单位和个

人,一旦发现,政府部门可以进行一定的处罚。

除建筑材料问题,政府部门应加强对施工过程的

监管,选择有相关资质的人员和单位进行施工,避免

发生本文上述的施工质量问题。

(3)农村住宅建成后缺乏维护

农村住宅在建成后基本不进行维护,而如果对农

村住宅进行合理的维护,可以提高房屋的耐久性和使

用寿命,从而延长住宅拆除重建的周期,降低重建频

率,节省人力物力。 因此,农村住宅要定期检查住宅

有无结构破损并及时进行修护。

(4)缺乏针对农村住宅的规范

目前,大多数的建筑规范仅能适用于城镇地区。

虽然已有少数针对农村住宅的规范,但还未形成体

系,不能涵盖农村住宅的各个方面。 因此,国家还要

针对农村住宅的现状和抗震要求制定相应的规范,完

善农村住宅的抗震体系。

5 结论

本文通过对既有农村住宅相关文献的分析、对

比,对全国农村住宅的结构类型、安全性问题和加固

方法进行了分类总结,得出以下结论:

(1)我国南北方地区的农村住宅在层数上存在

差异,北方地区的农村住宅以单层住宅为主,南方地

区的农村住宅以两层及以上住宅为主。

(2)我国农村住宅的质量呈现不断提升的趋势。

各省份的农村住宅质量具有差异性,农村住宅的质量

和当地的经济状况呈正相关性,当民居质量保证资金

为居民纯收入的 64% ~ 70% 时,农村住宅质量可以得

到保证,结构类型以混合结构为主,具备符合抗震要

求的安全性能。

(3)我国农村住宅存在大量普遍性问题。 如住

宅设计方面包括未经正规设计、墙体开洞过大、场地

选址不合理、缺乏有效的构造措施、房屋布局不合理;

2023 年08 期 总第302 期 李垂帅,唐贞云,高晓明,等·农村住宅安全性现状及加固方法探究 ·45·

施工质量方面包括建筑材料质量不合格、节点连接薄

弱、基础施工不当、 卫生间和屋面渗漏、 房屋表面

风化。

(4)局部地区存在地域性问题,夏热冬冷地区空

斗墙使用广泛;夏热冬暖地区石结构抗震能力不足、

石结构加建房屋结构不合理、首层层高超限、木屋架

腐蚀严重、内承重墙厚度低;沿海地区存在使用海砂

的问题。

(5)既有农村住宅的加固方法主要集中在圈梁、

墙体和屋架三个位置,圈梁的加固方法包括配筋砂浆

带圈梁和钢板圈梁;墙体的加固方法包括钢筋网水泥

砂浆面层加固和预应力筋加固;屋架的加固方法包括

木屋架间增设钢剪刀撑和钢箍加固。

(6)农村居民需加强抗震意识,建造满足抗震构

造措施的房屋,并注重后期维护;政府部门宜加强市

场监管,制定乡村住宅相关的建筑规范。

参 考 文 献

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2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

某超限高层办公楼结构设计研究

徐 毅

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

摘 要:某高层办公楼高度约 93 m,主体塔楼偏置于建筑底部四层大底盘平面的西北角部,主体结构采用钢筋混凝土

框架核心筒结构。 结构存在尺寸突变、楼板不连续、穿层柱、扭转不规则等多项不规则等问题,属于特别不规则超限高

层建筑。 建筑结构按照抗震三水准原则确定设防目标,通过对整体结构模型进行小震弹性分析、中震性能化验算和大

震动力弹塑性分析,明确结构关键部位,并采取针对性的抗震加强措施,减少超限带来的不利影响。 相应的关键问题

分析,包括楼板应力分析、穿层柱屈曲分析和大震下结构的变形和损伤情况等。 分析结果表明,设计采取的抗震措施

充分有效,整体结构达到安全可靠的性能目标。

关键词: 超限高层结构;塔楼偏置;框架核心筒;穿层柱;抗震性能化设计

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号: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

作者简介:徐毅(1971. 1 - ),男,高级工程师。

E-mail:312410545@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 26

0 引言

框架 - 核心筒结构,是由外围梁柱构成的框架结

构与中心筒体共同组成的结构体系。 合理布置的框

架 - 核心筒结构,具有良好的受力性能,能较好适应

建筑营造大尺度办公空间和内部空间使用灵活的要

求,因此在当前的高层办公建筑得到广泛应用。 某高

层办公建筑主楼采用框架 - 核心筒结构,因受建筑形

体限制,主楼偏置于裙房大底盘平面的一角。 同时,

因建筑大堂的功能需要,存在较多穿层柱,结构不规

则类型较多,形成超限高层建筑。 本文通过结构概念

设计、抗震性能化设计及穿层柱、楼板应力等专项分

析,研究该超限高层建筑结构在设计过程中遇到的问

题,提出相应的解决方法和针对性加强措施,以供类

似工程参考。

1 工程概述

某高层办公楼位于福州市台江区闽江北侧的海

峡金融商务区,地上二十一层,地下二层,建筑高度

92. 95 m,总建筑面积 66 843 m

2

。 其中,地上建筑面

积 47 605 m

2

,地下建筑面积19 238 m

2

,底部四层裙房

高度约 19m,五至二十一层为主体塔楼,层高 4. 40 m,

主要建筑功能为办公;地下二层全埋式地下室埋深约

10. 60 m,建筑功能为停车及相关设备配套用房,人防

单元设在地下二层,建筑效果及剖面图如图 1 ~ 图 2

所示。

2023 年 08 期 总第 302 期 徐 毅·某超限高层办公楼结构设计研究 ·47·

图 1 建筑效果图

图 2 剖面图

建筑主体采用钢筋混凝土框架 - 核心筒结构,抗

震设防标准为标准设防类(丙类),抗震设防烈度 7

度。 设计基本地震加速度 0. 10g,设计地震分组为第

三组,场地类别Ⅲ类,特征周期 0. 65 s,50 年一遇基本

风压 0. 70 kPa,地面粗糙度 B 类,风荷载体型系数

1. 36,裙房内天井部位按实际受风情况考虑双迎风面

和双背风面。 工程采用冲钻孔灌注桩基础,桩基持力

层为第(8)层卵石,桩长约 35 m ~ 45 m,单桩竖向特

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

孔桩单桩抗拔承载力 1100 kN;抗拔桩采用预应力高

强混凝土管桩( PHC500 - 125 - AB),桩基持力层为

第(6)层含泥中砂,桩长约 21 m ~ 23 m,单桩抗拔承

载力 550 kN。

2 主体结构设计

2. 1 主体结构体系

为营造大尺度的办公空间,建筑采用大跨度的柱

网布置,裙房部分基本为框架结构,塔楼部分沿周边布

置框架柱,在平面中央的竖向交通核区域布置钢筋混

凝土核心筒,主要的开间方向柱跨为 8. 1 m ~ 9. 4 m,

进深方向柱跨为8. 1 m ~ 12. 0 m。 剪力墙基本布置在

楼梯、电梯井周边,以保证各类使用空间的完整性和

舒适性,也能适应使用期间办公区域自由分隔的需

要。一至四层大底盘结构的平面尺寸为 80. 6 m ×

61. 2 m,四层裙房内的上空内庭院平面尺寸为 25. 1 m

× 24. 6 m,五层以上塔楼结构位于底部大底盘平面的

西北角部,平面尺寸为 50. 0 m × 38. 8 m,如图 3 所示。

图 3 建筑平面示意图

由于主体塔楼偏置于建筑底部四层大底盘平面的

西北角部,塔楼质心与大底盘结构质心之间的偏心距较

大,同时受建筑功能和平面的限制,上部结构布置难以使

塔楼刚心和底部大底盘刚心相互接近,结构的不规则程

度较大。 塔楼与底部裙房结构之间是否设置抗震缝,是

否将地面以上建筑划分为两个独立的结构单元,是寻求

建筑合理的结构布置首先需要解决的问题。

当塔楼与裙房之间设置抗震缝,划分为两个独立

的结构单元时,高层主楼为形体方正的平面规则结

构。 作为主要抗侧力构件的钢筋混凝土核心筒位于

楼层结构平面的中央,外围框架柱与核心筒基本对齐

布置,结构平面的质量分布与刚度分布较均匀,楼层

质心与刚心基本重合,结构平面的布置较为规则对

称;剪力墙、柱等竖向构件连续不间断,构件截面尺寸

沿高度逐渐减小,结构竖向刚度变化较均匀,不存在

刚度突变,高层主楼的总体结构布置基本规则,具有良

好的抵御地震、风等水平作用的能力。 塔楼与裙房之

间设置抗震缝时,裙房为不规则的 U 字型平面(图 3 的

非阴影部分,缺少右上角的开口“回”字型平面),楼层

平面的凹凸不规则程度较大,结构整体性较差;左上角

30. 6 m ×25. 6 m 板块和右下角 36. 35 m × 24. 45 m 的

相对较大板块的楼板,通过缺角回字型的左侧和下边

楼板相连;左侧和下边楼板有效宽度分别为 7. 55 m

和 11. 0 m,远小于对应的裙房平面宽度 69. 0 m 和

61. 2 m。 楼板连接薄弱,即使对左侧和下边楼板采取

加强措施,也难以实现刚性楼板假定所需要的足够楼

板刚度,在地震、风等水平作用下,各竖向构件不容易

协同一致抵御外界水平作用。 受限于严重不规则的建

·48· 福 建 建 筑 2023 年

筑平面,裙房难以实现简洁规则高效的结构布置,两个

主轴方向的结构动力特性差异较大,楼层质心与刚心

的偏离程度较严重,水平作用下,结构容易产生较严重

的平扭耦联振动,构件的变形和应力状态复杂多变,需

要针对结构的关键和薄弱环节,进行充分的抗震性能

化设计。 同时,大量的震害结果及理论研究数据表示,

在遇到强烈地震时,由于地面运动变化、结构扭转、地震

变形等复杂因素,设有抗震缝的相邻结构单元仍有可能

因局部碰撞而损坏。 实际建筑的许多震害,就是由于撞

击破坏造成的。 为减少撞击损害而增设的防撞墙,对建

筑内部空间会有一定的约束。 如在裙房左侧、下边楼板

与上方、右侧楼面板块间各增设一道抗震缝,外立面和内

部使用功能会受到较大影响,更加难以接受。

不设置抗震缝时,建筑塔楼与底部裙房连为一

体,大底盘部分形成“回”字形平面, 在水平作用下,

楼板类似于一道水平深梁,可将风或地震产生的力传

递至各种抗侧力构件。 “回”字形平面的洞口位于楼

盖的中部,相当于在深梁的中部开有洞口。 本工程楼

板的洞口尺寸有限,对楼板作为水平放置深梁的承载

力影响不大,楼盖的实际刚度较好,能够有效地传递

和分配水平力至竖向抗侧力体系,使整个建筑能整体

变形与转动。 裙房和塔楼连成一体时,塔楼偏置于建

筑底部四层大底盘平面的西北角部(图 3),塔楼质

心、刚心与大底盘结构质心、刚心之间的偏离较大,同

时由于作为主要抗侧力构件的剪力墙基本布置于塔

楼内,大底盘结构的刚心和自身质心的偏心距较大,

在水平作用下,大底盘部位存在较明显的扭转反应。

由于裙房高度超过总高度的 20% ,竖向构件(塔楼)

位置缩进大于 25% ,结构具有竖向尺寸突变的不规

则性;同时因建筑功能需要,二层楼面局部开洞导致

楼板有效宽度 < 50% 、一 ~ 四层局部存在穿层柱以及

扭转位移比超限带来的扭转不规则,裙房和塔楼连成

一体时,办公楼属于超限高层建筑结构。 此类复杂结

构需采用充分可靠的计算模型,分析判明结构应力集

中、变形集中部位及地震扭转效应等导致的易损部

位,有针对性地采取加强措施。 裙房和塔楼连成一体

时,建筑外观整体统一,内部空间完整,可避免建筑、设

备设计上的许多困难,有利于增强建筑形体表现力和

日常使用的舒适感。 虽然建筑属于超限高层结构,但

结构的不规则程度尚可控制,采取有效抗震措施后,可

以保证结构的合理性。 经各方面的对比分析,办公楼

最终选择裙房和塔楼连成一体的超限结构布置方案。

建筑采用钢筋混凝土框架 - 核心筒结构体系(图

4),塔楼主要办公区域的柱网为 9. 0 m × 12. 0 m。 主

要在平面中央竖向交通核区域的楼梯、电梯井周边布

置剪力墙形成钢筋混凝土核心筒,裙房的部分楼梯、

电梯位置适当布置剪力墙,以提高结构的抗扭转刚

度;其它位置均采用大跨度柱网布置,适应大空间办

公及使用期间灵活分隔的需要。 裙房三层报告厅柱

跨 24. 6 m,报告厅屋顶框架梁采用预应力钢筋混凝土

梁。 剪力墙和框架柱从底层到上部截面逐渐收小,普

通楼板厚度 120 mm,裙房和塔楼屋面板厚度 130 mm,

柱墙混凝土强度等级 C60 ~ C30,梁板混凝土强度等

级 C35、C30。 各主要构件截面尺寸如表 1 所示。

(a)二层结构平面 (b)三层结构平面 (c)四层结构平面

(d)五层结构平面 (e)六层屋面结构平面 (f)构架层结构平面

图 4 主要楼层结构平面布置图

2023 年 08 期 总第 302 期 徐 毅·某超限高层办公楼结构设计研究 ·49·

表 1 主要结构构件尺寸

构件类型 主要截面尺寸

剪力墙

塔楼:500 mm→300 mm(核心筒),300 mm ~ 200 mm(核心筒内部)

裙房:300 mm

框架柱

塔楼: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

塔楼:500 × 900 mm(外圈框架梁),600 × 800 mm(外框架和核心筒之间),300 × 800 ~ 500 × 800 mm(核心筒内)

裙房:300 × 700 ~ 300 × 800 mm,600 × 1800 mm(24. 6 m 跨预应力框架梁)

2. 2 结构超限情况及对策

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要

点》

[1]

,该高层办公楼属于超限高层结构。 基于确保建

筑结构安全、经济、适用的目标,在满足建筑功能的基础

上,应尽可能减少结构的不规则性,降低建筑形体对结构

抗震性能的不利影响[2]

。 实际高层塔楼的结构布置,基

本规则对称,平面质量分布与刚度分布较均匀,楼层质心

与刚心基本重合。 考虑该建筑框架核心筒结构的整体抗

侧力刚度适中,位移角小于规范限值不多,而外围框架柱

跨度9. 0 m ~12. 0 m 较大,为增强塔楼的整体抗扭转刚

度,塔楼外圈框架梁截面加大至 500 mm × 900 mm,使地

震作用下塔楼的各层扭转位移均不大于1. 20;同时,裙房

平面的左侧及左下侧局部布置剪力墙,以提高大底盘部

分的抗扭转刚度,减小质心与刚心的偏心距,尽量降低塔

楼核心筒相对大底盘平面偏置而导致的扭转效应。 针对

层高变化较大的底部各楼层及建筑五层以上的竖向尺寸

缩进,合理选择剪力墙、框架柱梁的截面尺寸,消除抗侧

刚度软弱层和抗剪承载力薄弱层的结构不规则。 实际存

在的四个不规则项如表 2 所示,基本属于建筑形体和建

筑功能需要而无法避免的结构不规则。

表 2 结构不规则类型

不规则类型 实际情况

扭转不规则

裙房四层 Y 向地震作用下扭转位移比 1. 26 超过限值

1. 20

楼板不连续 二层楼面开洞,楼板有效宽度 < 50%

尺寸突变

裙房高度 19m 超过总高度 92. 95m 的 20% ,竖向缩进

41% (X 向)和 39. 8% (Y 向)均大于 25%

其它不规则 一 ~ 四层局部存在 14 根穿层柱

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》

[3]第 3. 11

章及《建筑抗震设计规范》

[4] 附录 M,超限高层办公

楼采用抗震性能设计法,采取的抗震措施主要有:

(1)主楼剪力墙的底部加强部位的正截面承载

力,按中震不屈服、斜截面承载力按中震弹性复核,并

满足大震作用下的受剪截面控制条件,底部加强区高

度取至裙房屋面往上一层;大跨度梁柱(跨度 18 m 以

上)及穿层柱的强度按中震弹性复核;裙房屋面层上

下各两层的塔楼周边框架柱抗震等级提为一级。

(2)风荷载和中震工况下,竖向构件出现小偏心

受拉时,应按抗震等级特一级构造。 风荷载和中震

时,双向水平地震作用下,混凝土竖向构件全截面由

轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度

标准值时,应设置型钢承担拉力,型钢采用 Q345 且拉

应力不应大于 200 MPa。

(3)穿层柱按实际计算长度进行构件承载力和

稳定性验算,柱端地震剪力按不小于相邻非穿层框架

柱的 1. 0 倍验算;大跨度梁柱的抗震等级为一级;抗

震等级为一级。

(4) 局部连接薄弱的二层楼板进行应力分析。

按照小震工况下楼板应力小于混凝土抗拉强度标准

值、对中震工况下楼板钢筋不屈服的目标进行加强。

(5)屋面女儿墙应考虑双迎风面、双背风面影

响,加大风荷载体型系数。

2. 3 多遇地震(小震)计算分析

首先采用力学模型不同的两种软件盈建科及

PMSAP(2010)进行多遇地震(小震) 下的计算分析,

主要指标如表 3 所示。

从表 3 可以看出,对于结构的总质量、自振周期、

基底剪力、倾覆力矩、风载和地震作用下层间位移角

等主要指标,两种软件的计算结果基本一致, 且都能

满足小震下的结构性能目标。 两者计算结果的相互

验证,保证了力学分析结构的可靠性。 第一扭转周期

与第一平动周期之比均不超过0. 80,偶然偏心地震作

用下,扭转位移比最大值 1. 26,表明结构具备足够的

抗扭转刚度。 规定水平力下办公楼底层剪力墙承担

的地震剪力约占楼层总剪力的 73. 5% ( X 向) 和

66. 1% (Y 向),可形成结构抗震的第一道防线,框架

部分作为结构抗震的第二道防线;五层以上塔楼的框

架柱较四层大底盘结构的框架柱减少较多,其剪力调

整按塔楼段考虑,以充分保证结构在地震作用下的强

度、变形和耗能能力。

·50· 福 建 建 筑 2023 年

表 3 小震下的结构主要计算结果

计算程序 盈建科 PMSAP

楼层自由度 刚性楼板(局部弹性楼板)

总重量(不含地下室)(万吨) 7. 76 7. 72

平均重量(不含地下室)(吨/ m

2

) 1. 70 1. 69

地震力放大系数 1. 0 1. 0

计算振型数 64 30

结构自振周期 T1 = 2. 985,T2 = 2. 579,T3 = 2. 381 T1 = 2. 826,T2 = 2. 422,T3 = 2. 214

第一扭转周期与第一平动周期之比 T3

/ T1 = 0. 80 T3

/ T1 = 0. 78

振型质量参与系数

0 度方向 95. 13% 93. 61%

90 度方向 95. 26% 93. 76%

底层地震力 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%

地震力倾覆力矩

(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

最大层间

位移角 < 所

在楼层 >

0 度方向

90 度方向

风 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转位移比 1. 15 < 6 > 1. 18 < 2 >

风 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转位移比 1. 19 < 5 > 1. 26 < 4 >

稳定性

刚重比

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

刚重比大于 2. 7,满足稳定验算要求,可以不考虑重力二阶效应

2. 4 弹性时程分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》

[3]

《建筑

抗震设计规范》

[4] 的要求,选取五组天然波(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)

及两组人工波(RH2TG065,RH3TG065)进行多遇地震

下的弹性动力时程分析,场地地面最大加速度取为

35 cm/ s

2

。计算结果表明,每组地震波下,结构 X、Y 向

底部剪力均不小于 CQC 法结果的 65% ,平均底部剪力

均不小于 CQC 法结果的 80% ,满足规范对时程分析地

震波的要求。 各地震波下的楼层剪力、弯矩、最大位移

及层间位移角等时程分析结果均正常,结构刚度变化

较均匀,对比结果如图 5 所示。 弹性时程计算时,部分

楼层剪力平均值稍大于 CQC 法计算结果,这些楼层按

CQC 法计算时相应进行了 1. 025 ~ 1. 052 倍的地震作

用放大,此时结构的强度和变形均能满足规范的要求。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

图 5 楼层剪力、弯矩、最大位移及最大层间位移角曲线

2023 年 08 期 总第 302 期 徐 毅·某超限高层办公楼结构设计研究 ·51·

2. 5 设防地震(中震)计算分析

关键构件按照中震弹性或中震不屈服设计。 穿层

柱由于在部分楼层无约束,其自由长度一般较长。 而

规范中的计算长度系数并没有考虑结构侧移带来的影

响。 因此,对结构以线弹性屈曲分析计算临界荷载,并

结合欧拉公式,反算穿层柱的计算长度系数,更为合

理。 同时,为保证穿层柱承担的剪力不小于楼层其他

类似受力状态的普通框架柱,通过剪力放大系数对穿

层柱剪力按比例放大,放大系数取普通框架柱剪力包

络值与穿层柱剪力值之比。 中震计算结果表明:穿层

柱和 24. 6 m 跨框架梁柱能满足弹性工作要求,剪力墙

底部加强区可达到抗剪弹性、抗弯不屈服要求,可以实

现设防地震下局部关键结构构件的性能目标。

2. 6 罕遇地震(大震)下结构动力弹塑性时程分析

罕遇地震作用下,结构部分构件会产生屈服、甚

至破坏而最后退出工作,结构也相应逐渐从弹性进入

弹塑性的工作状态。 随着构件损伤的逐步发展,结构

刚度不断退化,阻尼比逐渐加大。 查明复杂高层建筑

在罕遇地震下的宏观变形程度、构件应力和损伤情

况,找到并分析受力复杂或关键构件的受力特征,可

以更好地实现结构“大震不倒”的抗震目标。 项目采

用基于显式积分的结构动力弹塑性计算软件 YJK -

PACO,软件的梁柱构件非线性模型采用可考虑剪切

变形的 Timoshenko 梁单元,墙板采用缩减积分弹塑性

分层壳单元,可考虑多个钢筋/ 钢板层和任意布置的单

根钢筋;计算时直接将大震地震波输入进行弹塑性时

程分析,计算出结构在真实地震动荷载下的响应,计算

结果未进行理论简化,可以较好反映各类构件的内力

分布和性能水平。 为与小震作用下弹性时程分析的基

底剪力比较,大震作用下弹塑性时程分析选用的两组

天然波和一组人工波与小震情况下弹性时程分析选用

的波一致,弹塑性时程分析采用双向地震输入,主次向

峰值按比例调整为 220 cm/ s

2和 187 cm/ s

2

。

2. 6. 1 基本结果

各组地震波按 X、Y 向分别输入计算,结果表明:

大震与小震的 X、Y 向基底剪力比分别为 4. 43 和

4. 21,比值基本合理;从结构能量图(图 6)可以看出,

总输入能量主要由结构动能 + 总内能平衡(大震弹塑

性时程分析一般不考虑摩擦和蠕变,即不考虑摩擦耗

能和蠕变耗能)

[5]

。 地震开始后,初期结构尚处于弹

性阶段,动能、阻尼耗能、应变能均随时间增加而较均

匀增大;随着时间增加,动能较早达到最大值。 地震

结束时,动能在总输入能量占比基本趋于 0,输入能

量主要由阻尼耗能和应变能平衡。 随着结构逐渐进

入塑性阶段,阻尼耗能和应变能的增长逐渐趋缓,反

映了部分结构构件不同程度的塑性变形和刚度退化

带来的大震作用削弱的影响;建筑结构在各组地震波

作用下的最大弹塑性层间位移角:1 / 156(X 向,21F)

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

求;从结构弹塑性层间位移角曲线可以看出,最大层

间位移角出现在主体塔楼中部,曲线总体较为光滑,

无明显刚度突变,无明显薄弱层,结构整体性较好;结

构在各组地震波作用下均处于稳定状态,可实现“大

震不倒”的抗震设防目标。

(a)X 向 (b)Y 向

图 6 典型地震波下结构能量图

2. 6. 2 损伤情况

大震各类构件的损伤情况和性能水平如图 7

示,达到重度破坏及以上的框架柱、剪力墙、连梁、框

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

部分框架柱和剪力墙性能水平处于轻度破坏以下,

主楼剪力墙的底部加强部位、大跨度梁柱、穿层柱、

裙房屋面层上下各两层的塔楼周边框架柱等关键构

件均未出现塑性铰,基本为轻微破坏或无损坏。 重

度破坏及以上的框架柱,主要位于塔楼大屋面以上

的构架层;连梁大部分处于重度破坏及以上,反映连

梁形成了较为充分的铰机制,在大震下屈服耗能,起

到了结构抗震的第一道防线作用;框架柱无损坏 ~

轻度破坏占比 88. 1% ,框架梁无损坏 ~ 轻度破坏占

比 82. 8% ,框架的破坏程度不大,且梁损伤大于柱

损伤,满足二道防线的要求,较好地实现了结构抗震

概念设计的思想。

·52· 福 建 建 筑 2023 年

(a)框架柱混凝土受压损伤图 (b)框架柱钢筋损伤图 (c)框架柱性能水平图

(d)剪力墙及连梁混凝土受压损伤图 (e)剪力墙及连梁钢筋损伤图 (f)剪力墙及连梁性能水平图

(g)框架梁混凝土受压损伤图 (h)框架梁钢材损伤图 (i)框架梁性能水平图

图 7 框架梁、柱、剪力墙及连梁的多工况包络损伤情况及性能水平图

2. 7 楼板应力分析

建筑大底盘部分为“回”字形平面,部分楼面局

部开洞较大,楼板有效宽度不足。 为使楼盖能够有

效地传递和分配水平力至竖向抗侧力体系,协调竖

向抗侧力构件共同工作,楼板需要具备足够的刚度

和强度。 实际对局部连接薄弱的二层楼板,按性能

化设计目标的要求进行应力分析。 经计算,小震作

用下楼板的最大拉应力 1. 975 MPa,小于混凝土抗拉

强度标准值 2. 20 MPa,即小震下楼板不会开裂;中震

作用下楼板的最大拉应力基本上小于 3. 6 MPa,仅

局部柱墙边楼板应力达到 5. 317 MPa( 图 8) ,实际

配置双层双向 Φ12@ 200 钢筋网,局部应力较大位

置附加 Φ12@ 200 钢筋,即能满足中震下钢筋不屈

服的要求。

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

图 8 框架梁、柱、剪力墙及连梁的多工况包络损伤情况及性能水平图

2023 年 08 期 总第 302 期 徐 毅·某超限高层办公楼结构设计研究 ·53·

3 结论

(1)公共建筑由于功能空间和外观形体的要求,

会带来结构布置的不规则性,需尤其重视结构概念设

计,保证竖向荷载和水平荷载传递的明确性和可靠

性。 本工程在建筑使用要求的基础上,结合结构变形

控制,合理选取了框架 - 核心筒结构体系。

(2)主体塔楼相对建筑底部四层大底盘偏心设

置,结构存在尺寸突变、楼板不连续、穿层柱、扭转不

规则等多项不规则,属于超限高层建筑。 以基于性能

的抗震设计方法进行三阶段计算分析,同时采取针对

性的抗震措施,使结构具有足够的刚度、强度和延性,

保证了结构实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的

抗震设防目标。

(3)通过两个不同力学模型软件的小震计算分析

对比,验证了结构布置的合理性和可靠性,保证了结构

整体指标控制在合理范围内;中震设计验证了结构关

键构件的安全度,实现了关键构件的性能目标;大震弹

塑性计算分析了结构的破坏模式、层间变形分布、结构

损伤部位和损伤程度,验证了结构抗震概念设计的实

现,保证了结构具备良好整体承载能力和变形能力。

(4)穿层柱由于在部分楼层无约束或仅受到有

限约束,应按其实际计算长度进行构件承载力和稳定

性验算,并通过剪力放大系数,保证穿层柱剪力不小

于相邻非穿层框架柱。

参 考 文 献

[1] 建质〔2015〕67 号 超限高层建筑工程抗震设防专项审查

技术要点[Z]. 2015.

[2] 徐培福,傅学怡,王翠坤,等. 复杂高层建筑结构设计

[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3] JGJ3 - 2010 高层建筑混凝土结构技术规程[ S]. 北京:

中国建筑工业出版社,2010.

[4] GB50011 - 2010(2016 版)建筑抗震设计规范[S]. 北京:

中国建筑工业出版社,2016.

[5] 温凌燕,娄宇,聂建国. 结构大震弹塑性时程分析中的能

量反应分析[J]. 土木工程学报,2014,47(5):1 - 8.

(上接第 33 页)

以底层 2 交 B 轴处框架柱 KZ6 为例,按上述 4 个

计算模型,抗弯及抗剪承载力配筋要求指标如表 3 所

示。 构件包络加固设计后,可满足加固后重要部位薄

弱构件接近或达到新建工程的承载力要求。

表 3 典型薄弱构件配筋参数对比

参数 X 向纵筋 Y 向纵筋 抗剪箍筋

竣工图 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 结语

综上,针对通用规范中相应条款在既有工业建筑

加层改造的落实,既有结构合理加固设计的分析

如下:

(1)结构加固的检测鉴定应由结构设计单位主

导,按改造后使用工况,结合结构加固验算进行;既有

结构安全性验算按现行规范,抗震验算地震作用可依

据后续使用年限折减。

(2)既有结构加固设计验算可按构件安全性验

算 - 整体抗震性能评估 - 薄弱构件抗震加强验算的

步骤进行,三阶段设计方法可保证改造后建筑不低于

原设计设防标准,且原结构设计不足之处有明显的

改善。

参 考 文 献

[1] GB50021 - 2021 既有建筑鉴定与加固通用规范[ S]. 北

京:中国建筑工业出版社,2021.

[2] GB50144 - 2008 工业建筑可靠性鉴定标准[ S]. 北京:中

国建筑工业出版社,2008.

[3] JGJ125 - 99(2004 版)危险性房屋鉴定标准[ S]. 北京:

中国建筑工业出版社,2004.

[4] 蒋利学,王卓琳. 基于评估使用年限的既有结构可靠度

评定实用方法[J]. 结构工程师,2020(6):11 - 17.

[5] 程凯凯. 基于不同目标使用期的既有结构构件可靠指标

研究[J]. 应用力学学报,2020(4):889 - 892.

[6] 白雪霜,程绍革. 现有建筑抗震鉴定地震动参数取值研

究[J]. 建筑科学,2014,30(5):1 - 5.

[7] 程绍革. 大型公共建筑加固改造若干问题的思考[ J]. 建

筑结构,2021(09):91 - 95.

2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

钢结构柱脚连接与安装施工技术研究

郑志翔

(福州市城乡建总集团有限公司 福建福州 350007)

摘 要:通过结合工程实际案例,研究主楼钢结构柱脚连接位置设置于负一层楼板处,存在模板加固、钢柱安装、混凝

土浇筑质量、成本造价等问题。 通过深度剖析具体施工细节及控制要点,探讨采用首层钢结构柱外包式柱脚和精准定

位预埋锚杆螺栓的方式将上部钢结构柱与地下室顶板混凝土进行连接,可以降低施工难度,提前工期和节约造价。

关键词: 钢结构;外包式柱脚连接;锚杆螺栓;BIM 技术

中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号: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

作者简介:郑志翔(1988. 2 - ),男,工程师。

E-mail:490517172@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 12

0 引言

近年来,福州市大力推进学校、医院等大型公共

建筑的项目生成,福州市各级医院均进行了扩建及新

院建设。 因此,福州市出现了大量的公共建筑,而公

共建筑项目根据相关文件要求必须采用装配式进行

建造,目前满足装配式建造的结构体系主要有 PC 预

制混凝土结构和钢结构体系两种。 随着城市建设用

地越来越少,人口密集度越来越高,车辆的数量与日

俱增,导致新建项目必须配建二至三层地下室,才可

满足日益增长的停车需求。 由此地下室加上部钢构

的项目越来越普及,故上部钢结构柱脚连接位置如何

选择,以及柱脚与基础和混凝土结构如何有效锚固是

本文主要研究探讨的目的。

1 钢结构柱脚连接不同类型

经查阅资料,钢结构柱脚连接有以下几种类型:

(1)直接与地下室基础承台进行连接,受力通过

承台向桩基础传递。

(2)如有地下室两层的建筑,钢结构柱脚在负一

层楼板处进行连接,通过负二层混凝土柱传导向

基础。

(3)钢结构柱脚在地下室顶板处进行连接,通过

地下室混凝土柱传导至基础[1]

。 钢结构柱脚连接方

式需综合考虑施工安全、施工质量、造价、工期、可实

施性等因素。 需要对项目整体方案,使用功能,现场

施工工艺十分的熟悉,并且对两种材料的物理性能有

深刻的认知,才能寻找到最合适的方案。

2 福州市中医院五四北分院钢结构柱脚连接

方案优化

2. 1 项目概况和难点

本项目用地位于福建省福州市晋安区,北临战峰

雅苑,西临福建省妇产医院,东侧与青少年活动中心仅

一河之隔,南面为坂中路,建设用地面积51 236 m

2

。 总

建筑面积为 136 400 m

2

,其中地上建筑面积 75 076 m

2

,

地下建筑面积 61 335 m

2

,地上最高 5 层,地下 2 层,如

图 1 所示。 容积率要求在 1. 5 以下,绿地率要求为

35. 26% ,共设置停车位 1100 个。 主要建设 8 栋建

筑:门急诊综合楼、医技楼、住院楼(包含病房楼 1#、

病房楼 2#、病房楼 3 #、出入院办理大厅) 、感染楼、

2023 年 08 期 总第 302 期 郑志翔·钢结构柱脚连接与安装施工技术研究 ·55·

制剂楼,共设置床位 600 张。 项目采用 EPC 模式组

织建设,资金控制上限为合同价封顶。 本项目上部

结构全部采用装配式钢结构体系施工,钢结构柱首

层柱累计达到 451 根,安装数量多,操作空间狭小

复杂、质量要求高,且首层柱脚安装为施工进度关键

节点,对施工进度影响大。

图 1 福州市中医院五四北分院鸟瞰图

经查阅该项目结构专业初步设计图纸,初设单

位将主楼钢结构柱脚连接位置设置在负一层楼板

处,负二层仍采用混凝土柱与桩基进行连接,负一层

及地上一层柱采用 SRC 柱做法,柱截面尺寸详 SRC

柱构件表,内置钢骨外包 C35 混凝土(表 1) ,未有具

体节点大样做法。

表 1 SRC 柱构件表

柱号 截面尺寸 材质 型钢类型

SRC -KZ1 900 ×900(内置钢骨同首层钢柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ2 700 ×700(内置钢骨同首层钢柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ3 1000 ×1000(内置钢骨同首层钢柱截面) Q355 焊接箱型截面

SRC -KZ4 900 ×1100(内置钢骨同首层钢柱截面) Q355 焊接箱型截面

注:①未注明柱截面尺寸为 800 × 800,板厚 h = 350,地下外墙厚度为

400。 ②柱混凝土标号为 C35,梁板混凝土标号为 C35。 ③首层框架柱

需要延伸至地下一层地面标高。

在施工图设计阶段,需进行钢结构的深化设计。

经项目团队深度沟通,大家认为若按初设做法将钢结

构柱脚连接在负一层楼面,可能存在以下难点:

(1)柱模板加固问题

采用 SRC 柱形式的柱模板加固时,对拉螺栓受

到中心钢骨影响无法穿越将影响整体柱模的固定,当

柱截面较大时,难以保障整体柱模的稳定性,易造成

爆模,漏浆等质量问题。

(2)钢结构安装垂直问题

钢结构柱在负一层连接必然跟钢筋混凝土梁有

交接节点,该节点部位各方向均有梁锚固导致该部位

空间狭小,操作难度大,钢柱吊装后难以进行调整,钢

柱的垂直度无法保障,对施工效率及整体工程进度都

有影响。

(3)混凝土浇筑质量问题

受制于钢骨架和密集钢筋的影响,振动棒振捣的

难度极大,基本无法振捣,从而无法保障周边混凝土

的密实度,容易造成骨料沉积,振捣不密实,拆模后观

感较差等问题。

(4)成本造价问题

本项目为 EPC 项目,合同价为封顶价合同,在施

工图设计阶段应尽量降低结构的造价,将主要资金用

于后续与使用功能相关的部分。 SRC 柱木工模板用

量大,人工与材料成本高,混凝土浇筑经多次完成,人

机降效,整体造价比传统混凝土柱高出许多,不利于

成本控制。

(5)钢结构柱与钢筋混凝土梁连接问题

初设中未明确钢柱在负一层与混凝土梁钢筋连

接的具体大样做法,本次需进行深化设计。 钢筋混

凝土梁与钢结构柱连接的方式多种多样,首先是直

螺纹套筒连接和型钢开洞的方式。 施工人员在现场

做了类似的实物模型,根据梁主筋的排布在型钢上

标出每根主筋的位置,然后在型钢上焊接直螺纹接

头,钢筋如果太密排布不开,则采取型钢上开洞穿入

的形式。

现场实物模型的试验结果表明,采用直螺纹连接

实际操作很难实现,因为直螺纹接头和梁主筋如果不

在同一直线上,则梁钢筋上丝难度较大,这就要求接

头的角度必须控制得十分精确。 所以必须采用另外

切实有效的连接方法,经过咨询相关专家并同设计院

沟通后,考虑使用在型钢上焊接一圈环形连接板,采

用梁钢筋与连接板焊接的方式进行连接。 每根钢构

柱根据结构施工图中相对应的梁标高、高度、位置在

工厂内直接焊接环形连接板。 环形连接板厚 25 mm,

宽 400 mm,同时在环形连接板上焊接厚 20 mm,宽

350 mm 的加劲肋[2]

,如图 2 所示。

图 2 环形连接板示意图

·56· 福 建 建 筑 2023 年

通常与型钢柱连接的梁不止一根,根据梁的高

度、标高、位置可分为以下几种形式:①梁顶标高及梁

高都相同;②梁顶标高相同,梁高不同;③梁顶标高不

同,梁高不同;具体大样做法如图 3 ~ 图 5 所示。

图 3 梁顶标高、梁高都相同做法示意图

图 4 梁顶标高相同,梁高不同做法示意图

图 5 梁顶标高、梁高均不同做法示意图

安装时,先进行型钢柱吊装定位再进行框架梁钢

筋绑扎安装,最后进行主筋与环形连接板的焊接施

工,框架梁侧模待焊接完成并验收合格后再进行封

闭。 框架梁上部主筋图纸若设计有两排钢筋,第一排

钢筋与环形连接板上表面焊接,第二排钢筋与环形连

接板的下表面进行焊接(图 6)。 钢筋与连接板焊接

采用 E50 焊条,单面焊,焊接长度不小于 16 d;钢筋直

径大于 25 mm 时采用双面焊,焊接长度不小于 8 d。

焊接过程中采用对称焊法,应使焊接变形收缩量最

小,加热量平衡,收缩量大的部位先焊,收缩量小的部

位后焊,焊接完成后按图纸和规范进行无损检测。

经分析,按以上做法,可解决钢构柱和钢筋混凝

土梁的连接问题,但是该方案仍然存在部分难点,例

如:①钢筋绑扎须一次成优,待主筋与连接板焊接完

成后不宜整改,一旦出现绑扎问题难以返工;②木工、

钢筋工、焊工必需同步配合施工,无法提前封闭框架

梁侧模板,施工效率较低;③焊接的质量直接影响钢

筋混凝土梁与型钢混凝土柱连接质量,对焊工电焊技

术要求较高、难度大,不便于施工质量的常态化管控;

④若遇到梁钢筋为三排筋时,需再增加连接板并且第

三排钢筋与连接板焊接已无操作空间,难以焊接,存

在质量隐患。

图 6 钢构柱与梁采用环形连接板连接

2. 2 解决思路

经梳理原初设方案的设计思路存在以上五大难

点,施工方项目团队再次对施工方案进行优化,深度

配合设计单位进行结构受力分析,提出是否能将钢结

构柱连接部位提升至地面首层,地下室部分采用传统

混凝土工艺进行建造。 将原来初步设计的 SRC 柱改

为首层钢结构柱外包式柱脚,采用预埋锚杆螺栓的方

式将上部钢结构柱与地下室顶板混凝土进行连接。

随着该思路的提出,团队人员开始针对该方案可行性

进行论证,整理出需要解决的问题。

2. 3 柱脚连接与安装施工的控制要点

(1)首层钢构柱抗剪问题

将钢结构柱脚连接部位提升至地面首层,上部建

筑结构柱抗剪能力将存在较大风险。 经研究,在地下

室结构浇筑前采用大直径钢筋倒插回地下室结构柱

内,上端预留至地面,待钢构柱定位吊装安装完成后,

外部采用箍筋间隔 10 cm 一道进行设置,最后支模浇

筑混凝土将钢筋与钢构柱进行包裹,从而增强柱脚的

抗剪性能。 插筋具体布置方案为沿着柱截面周边一

圈进行倒插,插筋长度根据计算为外包混凝土高度的

2 倍,具体柱脚混凝土外包高度根据项目实际情况由

设计院进行计算。 经设计院复核,该方案可以满足该

建筑的结构受力要求,从而解决抗剪问题。

(2)钢结构柱首层柱脚安装施工一次合格率问题

根据以往施工经验钢结构柱脚安装施工一次合

2023 年 08 期 总第 302 期 郑志翔·钢结构柱脚连接与安装施工技术研究 ·57·

格率并不高,合格率约 80% ~ 85% ,本项目又全部采

用钢结构建造,若在柱脚安装环节浪费大量返工时间

将严重制约整体结构封顶的速度,甚至影响项目总进

度计划。 经过调研,影响一次合格率问题的原因有四

点:①锚杆安装困难影响;②螺栓预埋位置偏位过大;

③混凝土浇筑困难;④构建加工尺寸偏差。 其中第

一、二两点为主要影响因素,若需切实有效提高柱脚

施工一次合格率必须对应着重解决。 锚杆与节点钢

筋冲突无法安装的主要原因是梁柱钢筋密集导致,螺

栓预埋精度不足主要原因是操作空间狭小,很难准确

定位导致。

针对锚杆与节点钢筋冲突无法安装问题。 首先

是熟悉施工图纸,汇总梁柱节点位置的钢筋安装情

况,对图纸进行分析确保后续梁柱节点建模准确性。

利用 BIM 技术进行深化检查碰撞,对梁柱节点的钢筋

及预埋件进行建模排布。 目标为保证无碰撞,不影响

锚杆预埋施工[3]

。 3D 模型的建立具有直观性,不仅

能较好的检查布局合理性,还能直观将问题反馈给设

计单位,由设计单位调整钢筋的布置,同时派专人进

行现场指导锚杆安装,降低工人施工难度。

现场利用 BIM 建模技术进行模拟安装施工,定形

安装流程,工人可在软件中进行模拟施工学习安装流

程技术,并制作施工教学视频对现场施工人员进行视

频交底。 经检查现场施工无冲突情况发生,衔接紧

密,大大提高施工速度,锚杆螺栓三维碰撞及施工效

果图如图 7 所示。

图 7 锚杆螺栓三维碰撞及施工效果图

针对螺栓预埋精度不足问题。 考虑采用 BIM 技

术对螺栓预埋位置进行 3D 建模,建立高精度螺栓预

埋定位孔板模型,厂家根据模型数据精加工制造定位

孔板,现场只需对孔板进行轴线定位。 经过对高精定

位孔板的使用,现场施工成功解决在狭小空间内对单

个螺栓及螺栓整体相对位置预埋精度不足的问题,如

图 8 所示。 因只需对整块定位板进行轴线、标高及水

平定位固定后锁入预埋螺栓即可完成定位,可大大提

高螺栓预埋施工速度及精度。 后续可直接吊装钢结

构柱与定位孔板进行连接,周边缝隙采用 C40 微膨胀

细石混凝土二次浇灌。

图 8 螺栓定位孔板现场应用图

2. 4 柱脚连接与安装施工的工艺流程

(1)首节柱柱脚安装工艺

钢构柱安装前,先对地脚螺栓进行轴线、标高复

测,检查丝扣是否损伤,提交复测数据与监理单位。

复测核实无误后清除表面污物,用清水冲洗干净柱底

板下部,再次检查首节钢柱构件质量,测量工对螺栓

螺母进行安装定位,定位完成后进行吊装。 吊装至柱

底板距离螺栓顶部 200 cm 时,停止落钩,待安装工用

揽绳将钢柱底板柱孔对准后,缓慢落钩,直至钢柱就

位后停钩,铆工安装螺母及垫片,安装完成后摘钩,调

整钢柱垂直度。

(2)钢柱安装工艺

安装前,对建筑物的定位轴线、平面封闭角、底

层柱的位置线、钢筋混凝土面的标高等进行复查,合

格后开始安装工作。 每节柱的定位轴线应从地面控

制轴线引上来,不得从下层柱轴线引出。 钢柱就位

后,用全站仪进行边吊边校,校正完后临时固定,松

钩。 每安装一节钢柱后,应对柱顶做一次标高实测,

根据实测标高的偏差值来确定调整与否。 标高偏差

值≤5 mm 合格,超过 5 mm 需进行校正调整[4]

。

2. 5 柱脚连接与安装施工质量控制要求

(1)根据工程具体情况,编写质量手册及各工序

的施工工艺指导书,以明确具体的方式,对施工中的

各个环节进行全过程控制。

(2)把好原材料质量关,所有进场材料,必须有

符合工程规范的质量证明文件。 材料进场后,要按产

品说明书和安装规范的规定,妥善保管和使用,防止

变质损坏。 按规程应进行检验的,坚决取样检验,杜

绝不合格产品进入本工程,影响安装质量。

(3)配齐、配全施工中需要的机具、量具、仪器和

其它检测设备,并始终保持其完善、准确、可靠。 仪

器、检测设备均应经过有关权威方面检测认证。

(下转第 63 页)

2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

碱激发胶凝材料抗硫酸盐研究

陈金盛1,2 徐茂龙3 张必胜1,2 王坛华1,2 程沛媛1,2 何森凯1,2 吴文达2,3

(1. 福建省交通规划设计院有限公司 福建福州 350004;

2. 近海公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心 福建福州 350004;

3. 福州大学先进制造学院 福建泉州 362251)

摘 要:碱激发胶凝材料是一种新型绿色胶凝材料,碱激发混凝土以环保、强度高、耐久性好等一系列特点得到国内外

学者的广泛关注,因此,对其力学性能和耐久性的研究逐渐成为热点。 为此综述硫酸盐对碱激发混凝土的侵蚀机理,

比较碱激发材料与普通硅酸盐混凝土面对硫酸盐侵蚀的不同侵蚀产物,以及碱激发胶凝材料硫酸盐侵蚀的影响因素,

提出碱激发胶材混凝土抗硫酸盐耐久性研究存在的问题和今后研究的方向。

关键词: 碱激发胶凝材料;抗硫酸盐;侵蚀机理;影响因素

中图分类号:TU5 文献标识码:A 文章编号: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

基金项目:国家自然科学基金青年项目(51808124);近海公路建设与养

护新材料技术应用交通运输行业研发中心开放基金课题;绿色建筑材

料国家重点实验室开放基金 ( 2021GBM07 ); 泉州市科技计划项目

(2021C026R)。

作者简介:陈金盛(1977 - ),男,高级工程师。

通讯作者:徐茂龙(1999 - )。

E-mail:786530317@ qq. com

收稿日期:2023 - 01 - 19

0 引言

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土复合而成,兼具了

钢筋的抗弯性能和混凝土的抗压性能,成为一种优异

的建筑材料。 其凭借经济性和施工便捷性,在建筑工

程领域得到广泛的应用。 随着我国经济建设的高速

发展,基础设施、工业建筑和民用建筑正在快速建设

中,对混凝土的需求量屡创新高。 根据 CCPA 调查的

数据显示[1]

,2011 年 ~ 2019 年,中国预拌混凝土的年

产量从 7. 43 × 108 m

3 增长到 25. 54 × 108 m

3

。 在

2011 年,中国的水泥年产量占世界水泥年产量的

58. 8% ,达到 20 × 108 t 之多[2]

。 由于水泥的生产过

程会释放大量的 CO2 ,水泥的广泛应用会造成严重的

环境问题。 据统计,每生产 1 kg 硅酸盐水泥,将释放

0. 85 ~ 1kg 的 CO2

[3]

。 根据中国统计的数据预测,中

国的 CO2年排放量的峰值会在 2030 年到来将达到峰

值。 我国积极面对 CO2排放问题,提出了节能减排的

政策,具有深远的环境和政治意义。 因此,寻找可代

替的绿色建筑胶凝材料的任务,变得迫在眉睫。

碱激发胶凝材料作为一种新型绿色建筑胶凝材

料,引起了科研人员的注意。 与普通硅酸盐水泥相

比,生产相同单位质量碱激发胶凝材料,其 CO2 排放

量和 耗 能 量, 分 别 是 普 通 硅 酸 盐 水 泥 的 20% 和

40%

[4]

。 并且,碱激发胶凝材料具有优良性能,例如

固化有毒金属[5]

,力学性能好[6]

,耐酸腐蚀[7]

,耐高

2023 年 08 期 总第 302 期 陈金盛,徐茂龙,张必胜,等·碱激发胶凝材料抗硫酸盐研究 ·59·

温[8]等。 另外,其使用工业废渣作为原料,既解决了

废渣的处置问题,又实现了绿色建筑胶凝材料的生

产。 由此可见,碱激发胶凝材料的应用,具有显著的

环境和经济效益。

随着科学的发展以及实际工程的验证,混凝土结

构早期承载力的强弱,并不能决定其服役寿命的长

短,混凝土结构的耐久性,对结构服役年限有直接的

联系。 建筑物在服役年限内所处的外界环境会对建

筑物的材料产生破坏,材料的耐久性越好,建筑物在

使用年限内破坏的概率越小。 材料的耐久性不足,将

导致结构的设计承载力降低,这会造成后期的维修成

本激增。 而在耐久性方面,抗硫酸盐侵蚀性能是尤为

重要的一项指标[9]

。 普通硅酸盐混凝土结构受硫酸

盐侵蚀,会使 C - S - H 凝胶转变为无胶结能力的物

质、生成膨胀性侵蚀产物,引起混凝土结构出现开裂、

膨胀变形和剥落起皮等现象,使结构丧失强度和稳定

性。 我国的硫酸盐侵蚀具有地域性,主要发生在东南

沿海以及西北盐湖地区(图 1)。 《中国腐蚀调查报

告》显示,在对中国东部和南部的 27 座海港和引桥进

行调查时发现,其中有 74% 发生了侵蚀破坏;此外,

在使用年限 25 年内,22 座水闸的 56% 发生腐蚀破

坏[10]

。 在 2013 年,海洋腐蚀造成的损失达到对中国

经济造成巨大危害的程度[11]

。 西宁盐泽土地区的硫

酸盐,使得混凝土结构内部生成硫酸盐结合水晶体和

石膏,对混凝土结构造成了物理结晶破坏和化学侵蚀

破坏[12]

。 对建筑结构的抗硫酸盐侵蚀性能的研究,

有助于提高建筑结构的使用寿命,减轻侵蚀造成的经

济损失,具有重大意义。

(a)海洋环境 (b)盐碱地环境

图 1 混凝土结构在硫酸盐环境下的腐蚀情况[13]

当地聚合物混凝土遭受硫酸盐侵蚀时,由于材料

化学成分以及微观结构之间的显著差异,材料的表现

及反应机理将完全改变。 到目前为止,国内外已经针

对地聚合物与硫酸盐之间可能存在的反应机理进行

了大量的研究,整体上来说,地聚合物混凝土表现了

强大的抗硫酸盐侵蚀能力。

1 硫酸盐侵蚀机理

1. 1 普通硅酸盐侵蚀机理

环境中的硫酸盐溶液通过混凝土中的毛细孔进

入内部,造成混凝土发生两方面的破坏[13 - 14]

。一方

面为化学侵蚀破坏,混凝土内部的有效成分与硫酸盐

反应,生成侵蚀产物。 另一方面为物理侵蚀破坏,侵

蚀环境发生干湿交替、温度等变化也会造成混凝土内

部的硫酸盐发生吸水结晶,体积发生膨胀。 这些因素

会造成孔隙中的应力变大,混凝土开裂破坏。

1. 1. 1 物理侵蚀机理

物理侵蚀机理[15] 包含 3 种理论:硫酸钠固相体

积变化理论、结晶水压力理论和盐结晶压力理论。

(1)硫酸钠固相体积变化理论

侵蚀溶液中的硫酸盐在孔隙中析出,并吸收水分

转化为结合水晶体,体积发生膨胀。 例如 Na2 SO4 晶

体吸水结晶为 Na2 SO4·10H2O 晶体、MgSO4晶体吸水

结晶为 MgSO4·7H2O 晶体。

(2)结晶水压力理论[16]

无水硫酸盐晶体与结合水硫酸盐晶体进行转换,

两者之间会存在结晶平衡。 材料内部的水分会随着

内外界环境发生变化而移动,在水分运输的过程中,

会对孔壁产生水压力。

(3)盐结晶压力理论

混凝土内部的孔隙,会使得环境中的盐溶液进入

内部,环境温度和湿度的变化会造成孔结构中的盐溶

液结晶,对孔隙产生结晶压力。 当压力过大时,孔结

构被破坏,混凝土开裂,加快了硫酸盐溶液的侵蚀速

度,使得混凝土的宏观性能继续恶化。

1. 1. 2 化学侵蚀机理

根据硫酸盐侵蚀产物的不同,化学侵蚀机理可以

分成 3 种理论:钙矾石型侵蚀、石膏型侵蚀和碳硫硅

钙石型侵蚀。

(1)钙矾石型侵蚀

钙矾石的晶体呈现针状或片状,其在在结晶的过

程中会吸收大量的水,造成体积发生膨胀。 晶体体积

的增大会对孔隙产生应力,造成混凝土产生裂缝。 硫

酸盐侵蚀普通硅酸盐混凝土产生钙矾石的化学式

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)石膏型侵蚀

石膏晶体呈柱状,相对较大,会造成混凝土内部

产生应力。 同时,二水石膏的形成过程中,消耗大量

的 Ca(OH)2 ,导致其内部结构松散,孔隙增多,混凝

土的强度和耐久性减弱。 混凝土在干湿循环作用下,

由于溶液的传输和水分的蒸发作用,会导致在干湿交

替界面出现 SO

2 -

4 和 Ca

2 + 浓度增大,使得二水石膏

产生[17]

。

Ca ( OH )2 + SO

2 -

4 + 2H2O = CaSO4 · 2H2O

+ 2OH

-

(3)碳硫硅钙石型侵蚀

在低温环境下,硫酸盐、碳酸盐和大量水分的共

同作用,会生成碳硫硅钙石,其晶体为针状[18]

。 碳硫

硅钙石的形成过程,会使得水化反应得到的凝胶体转

变为粘结性低的白色泥状物质,造成材料由表及里剥

落,最终使其失去强度[19]

。 其化学反应式如下:

3CA

2 +

SO

2 -

4 + CO

2 -

3 + [Si(OH)6 ]

2 -

+ 12H2O

= Ca3 [Si(OH)6 ](CO3 )(SO4 )·12H2O

1. 2 碱激发胶凝材料硫酸盐侵蚀机理

碱激发胶凝材料受硫酸盐侵蚀较为复杂。 众多

因素影响下,其侵蚀产物和侵蚀方式存在差异。 硫酸

盐溶液在材料内部结晶产生膨胀应力,造成试件开

裂。 Na2 SO4 溶液[20] 进入碱激发砂浆试件内部后,在

孔隙内结晶膨胀,是造成试件破坏的主要原因,有学

者[21]的研究结果也证实了这一观点。 其通过扫描电

镜试验,发现碱激发粉煤灰砂浆的孔隙中存在 Na2

SO4晶体。 物理侵蚀破坏,是碱激发材料发生侵蚀破

坏的一项重要原因。

碱激发胶凝材料在硫酸盐侵蚀作用下,会生成侵

蚀产物造成化学侵蚀破坏。 碱激发材料在硫酸盐侵

蚀作用下,出现石膏和钙矾石晶体。 Bakharev 等[22]

观察碱激发粉煤灰砂浆在硫酸钠侵蚀作用下,生成钙

矾石晶体。 然而,也有学者[23] 在经硫酸盐侵蚀的碱

激发矿渣砂浆中,没有观察到钙矾石晶体。 他们认

为,石膏型侵蚀是碱激发矿渣混凝土的主要破坏机

理[24 - 25]

。 然而,以往的研究表明,碱激发材料的火山

灰反应过程中,不生成 Ca(OH)2 ,碱激发材料的石膏

型侵蚀破坏机理应与普通硅酸盐水泥不同。 通过对

MgSO4溶液侵蚀碱激发矿渣净浆试件的石膏型侵蚀

机理做解释,认为试件中含有苛性碱,碱性远高于普

通硅酸盐水泥中的 Ca(OH)2 ,更加容易和 Mg

2 + 离子

结合形成 Mg(OH)2 沉淀[26]

。 这会使得火山灰反应

产物的碱性降低,进一步造成 C - S - H 与 MgSO4 反

应,造成 C - S - H 凝胶的分解,同时释放出石膏。

2 碱激发胶凝材料抗硫酸盐影响因素

2. 1 前驱体

碱激发胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能,受前驱体

种类的影响较大。 根据前驱体中 CaO 含量高低,将碱

激发胶凝材料分为高钙体系和低钙体系。 粉煤灰、偏

高岭土、镍渣等为低钙体系,矿渣等为高钙体系。 高

反应活性的矿渣虽然能够制备高强度的碱激发材料。

但是,其产物胶凝体中 Ca

2 + 离子的溶出,为生成膨胀

性物质创造了条件。 通过研究矿渣掺量对碱激发粉

煤灰矿渣混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响[27]

,结果

表明,提高矿渣掺量,有助于提高碱激发粉煤灰矿渣

混凝土的残余抗压强度。 然而,一些学者[28] 发现高

炉矿渣掺量越高,碱激发铬铁矿渣 - 高炉矿渣混凝土

在硫酸盐侵蚀下,强度损失越大,并认为是矿渣中多

余的 Ca

2 + 离子与硫酸盐反应生成膨胀性物质。 矿渣

掺量的增加,会使碱激发粉煤灰矿渣砂浆试件的残余

抗压强度快速减小,并出现较大的体积膨胀[29]

。 在

试件侵蚀 6 个月后,通过 XRD 分析,发现试件中存在

大量的二水石膏晶体,认为这是导致试件强度破坏的

主要原因。 矿物掺合料[30]

(粉煤灰、矿粉)能够提高

水泥净浆锻烧产物浆体的工作性,其中矿渣粉对再生

胶凝材料浆体强度有显著的增强影响。 建筑垃圾中,

磨细的废红砖粉与废混凝土粉按比例 2∶ 1 掺和一定

比例矿渣制备矿渣再生微粉基胶凝材料,通过试验研

究发现,制备出的碱激发胶凝材料中的混凝土都有较

好 的 抗 冻 性 能 和 抗 渗 性 能 以 及 抗 硫 酸 盐 侵 蚀

能力[31]

。

2. 2 碱激发剂

碱激发剂的种类,对碱激发材料的抗硫酸盐侵蚀

性能具有显著的影响。一方面,碱激发剂种类对碱激

发胶凝材料的激发效果存在差异,水泥基体的结构密

实程度不同。 另一方面,碱激发剂对碱激发试件,在

硫酸盐溶液中发生离子交换。 NaOH 作为碱激发剂,

能够有效提高碱激发粉煤灰净浆的抗硫酸盐侵蚀性

能,主要因为材料中生成了少量的沸石类晶体,结构

更加密实[32]

。 然而,有学者发现[33]

,采用将碱激发

粉煤 灰 砂 浆 浸 泡 在 硫 酸 盐 溶 液 中 侵 蚀 12 个 月,

Na2 SiO3和 NaOH 两种碱激发剂对试样抗硫酸盐侵蚀

性能的影响小。

碱激发剂掺量对碱激发胶凝材料的火山灰反应

产生显著的影响。 增大碱掺量改善了火山灰反应,有

利于孔结构的发展,对碱激发胶凝材料抗硫酸盐侵蚀

2023 年 08 期 总第 302 期 陈金盛,徐茂龙,张必胜,等·碱激发胶凝材料抗硫酸盐研究 ·61·

性能的提升具有积极作用。 用不同 Na2 O 当量的

NaOH 和 Na2 SiO3 溶液(Na2 O 占胶凝材料质量比为

5. 0% 、6. 5% 和 8. 0% )制备碱激发粉煤灰净浆,发现

8% Na2O 当量制备的试件孔隙结构更加优良,其抗硫

酸盐侵蚀性能更好[34]

。 使用纯 NaOH 对粉煤灰进行

碱激发,发现碱掺量为 10M、12M、14M 和 16M 的碱激

发粉煤灰砂浆试件在 MgSO4侵蚀 48 周之后,剩余强

度分别为 72. 7% 、76. 0% 、77. 8% 和 80. 6%

[35]

。 以往

的试验研究的是双组分碱激发材料,其水胶比是按照

胶凝材料的质量进行换算。

碱模数对碱激发胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能

的影响尚不明确。 使用碱模数为 1. 0、1. 5 和 2. 0 的

试件在硫酸盐溶液中浸泡半年,发现碱模数较大的碱

激发粉 煤 灰 矿 渣 砂 浆 试 件 的 强 度 损 失 和 膨 胀 较

大[29]

。 用 MgSO4溶液干湿循环对碱激发粉煤灰矿渣

砂浆进行研究,发现在模数 0 ~ 1. 5 范围内,水玻璃模

数的增加能够增强试件的抗侵蚀性能[36]

。

2. 3 环境影响因素

(1)硫酸盐

不同阳离子的硫酸盐,对碱激发材料的侵蚀作用

存在差异。 Mg

2 + 离子的存在会造成具有粘结性的 C

- S - H 凝胶中的 Ca

2 + 离子脱出,形成无粘结性的 M

- S - H 凝胶[30]

。 周焕海和唐明述[26] 也得到了相同

的结论。 对比碱激发粉煤灰矿渣净浆在 5% Na2 SO4

和 5% MgSO4溶液中浸泡 3 个月后的侵蚀情况,MgSO4

溶液侵蚀会造成碱激发粉煤灰矿渣净浆试件发生膨

胀和剥落,而在 Na2 SO4溶液中的试件,没有观察到明

显的劣变[37]

。 Na2 SO4溶液和 MgSO4溶液分别使得碱

激发矿渣混凝土强度降低 17. 0% 和 23. 0% ,这与生

成石膏和 C - A - S - H 脱钙有关[38]

。 浸泡在 MgSO4

溶液中的碱激发矿渣混凝土表面被白色的 Mg(OH)2

沉淀覆盖,而浸泡在 Na2 SO4 溶液中的试件表观无明

显变化[39]

。

硫酸盐浓度的增加,会加剧碱激发胶凝材料的侵

蚀程度。 研究碱激发珍珠岩净浆的抗硫酸盐侵蚀性

能时发现,MgSO4 浓度的增加,会导致材料的强度显

著降低[40]

。 Na2 SO4 和 MgSO4 硫酸盐浓度的增加,都

会造成碱激发粉煤灰矿渣净浆的强度损失加剧[41]

。

(2)侵蚀方式

建筑结构处在多样的硫酸盐侵蚀方式中,例如干

湿循环、半浸泡和全浸泡等。 不同硫酸盐侵蚀方式对

碱激发材料产生不同的破坏机理。 有学者[42] 将碱激

发粉煤灰混凝土试件在 MgSO4溶液中进行干湿循环

侵蚀,发现材料的劣化程度加深,并将其归咎于 N - A

- S - H 凝胶与 MgSO4发生反应,生成了低强度的 M

- A - S - H 凝胶。 其他一些学者[43]也观察到相似的

结果。 也有学者发现,硫酸盐干湿循环反而对碱激发

粉煤灰再生混凝土试件的强度具有促进作用[44]

。 采

用 5% Na2 SO4溶液,对碱激发矿渣砂浆和普通硅酸盐

水泥砂浆进行 90 d 的侵蚀,发现普通硅酸盐水泥砂

浆的侵蚀破坏严重。 其认为碱激发材料中不存在

Ca(OH)2 ,破坏机理与普通硅酸盐水泥的不同,可能

是 C - A - S - H 中的 Al 元素被取代或者生成了水滑

石[45]

。 全浸泡有利于煅烧黏土石灰石碱激发砂浆试

件结构密实性的进一步发展,半浸泡侵蚀方式会造成

试件在结晶区出现剥落的情况[46]

。

3 结论

虽然国内外研究人员研究了碱激发胶凝材料抗

硫酸盐侵蚀性能,但是碱激发胶凝材料抗硫酸盐侵蚀

的性能和机理尚没有统一的定论。 这阻碍了碱激发

材料在海洋、盐湖等硫酸盐含量高的环境中的使用。

(1)碱激发胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能受到

多方面因素的影响。 其原材料来源广、种类繁多,不

同配合比制备的碱激发胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性

能差异性大。 并且,其抗硫酸盐侵蚀性能受到侵蚀环

境的影响,例如硫酸盐种类、硫酸盐浓度和侵蚀方

式等。

(2)碱激发剂在种类、掺量和模数等方面,影响

着碱激发胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能。 不同因素

对侵蚀破坏程度的作用效果存在差异,探究其对碱激

发胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响机理,有利于碱

激发材料在硫酸盐侵蚀环境中的应用。

(3)碱激发胶凝材料在不同种类、不同浓度的硫

酸盐溶液的侵蚀作用下,其侵蚀破坏的程度和机理存

在差异。 因此,研究不同硫酸盐环境对材料抗硫酸盐

侵蚀性能的影响,有助于材料开展硫酸盐侵蚀的防治

工作。

(4)碱激发胶凝材料在不同侵蚀方式下,其侵蚀

破坏的程度和机理存在差异。 因此,探究不同侵蚀方

式下对材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响,有助于材料开

展硫酸盐侵蚀的防治工作。

参 考 文 献

[1] 中国混凝土与水泥制品协会官方网站 2021 - 2022 行业

大会,中国预拌混凝土打造出完整的绿色智能产业链 -

2022 中国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 页)

(4)设置专门的验收班对进场构件进行严格的

检查验收,特别是影响钢结构安装的构件外形尺寸偏

差以及连接方式等进行检查。 对于超过设计及有关

规范的构件必须处理后再予以安装,保证顺利安装及

安装质量。

(5)在焊接部位搭设防护棚,风速对焊接质量影

响较大,必须保证良好的焊接环境。 尽量减少在成品

钢构件上焊接临时设施,避免伤害母材。 减少构件分

段,尽量在工厂进行加工制作,必须要进行分段的尽

量避免高空组装焊接,而采取在地面进行拼装。

3 工程实施效果

最终,福州市中医院五四北分院项目施工图设计

阶段采用以上方案,经设计单位确认同意后调整结构

施工图,并顺利通过施工图审查。 现场严格按照图审

后的图纸及专项柱脚安装施工方案进行施工,在施工

的过程中严格按照质量控制要求,对该方案的控制要

点、工艺流程进行重点专人负责,专人跟踪。 在项目

团队共同努力下,目前该项目已顺利完成所有楼栋的

结构封顶任务,转入室内外装饰装修阶段,比原计划

结构施工节点提前 3 个月,节约造价约 500 万元。

4 结语

回头反思,初设图纸柱脚连接在负一层产生的许

多问题,可以通过采用首层外包式柱脚方案有效解

决,让地下室回到传统施工工艺,工人熟练度就更高,

效率更快。 现场管理团队按照上述解决策略重点管

控锚杆螺栓的预埋施工。 综上所述,遇到有地下室的

钢结构施工项目采用首层外包式柱脚连接方案可以

明显降低施工难度,加快施工进度,节约钢材造价,希

望对业内人士有所借鉴并共同探讨研究。

参 考 文 献

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2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

C40 自密实钢管混凝土配合比设计及其应用

林也坚

(漳州城投建工集团有限公司 福建漳州 363000)

摘 要:为解决普通钢管混凝土中浇筑振捣困难、混凝土强度不达标等问题,以矿物掺合料、水胶比及膨胀剂为参数,

对自密实混凝土配合比进行优化设计,并从中选取最优配合比,应用于漳州市行政服务中心建设项目钢管混凝土柱。

结果表明,复掺 10% 粉煤灰和 15% 矿粉,能明显改善自密实混凝土的和易性,并降低自密实混凝土的干缩率;而掺入膨

胀剂会降低自密实混凝土的和易性,但掺入 6% 膨胀剂,能够明显改善自密实混凝土的干缩率;选用 S34M6F10K15 作

为钢管混凝土中自密实混凝土的配合比,能够满足漳州市行政服务中心建设项目工程需求。

关键词: 自密实混凝土;和易性;抗压强度;干缩率

中图分类号:TU52 文献标识码:A 文章编号: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

作者简介:林也坚(1978. 09 - ),男,高级工程师。

E-mail:lyj20220815@ 163. com

收稿日期:2022 - 08 - 16

0 引言

钢管混凝土是一种将混凝土注入封闭的薄壁钢管

内,形成的钢混组合结构[1]

。 相比于钢柱,钢管混凝土

具有更好的稳定性。 因为钢管内部混凝土有效地解决

了薄壁钢管受力屈曲失稳问题;而相比于钢筋混凝土

柱,外层钢管使混凝土处于三向受压状态,从而大幅度

提高混凝土的抗压强度和变形能力[2 - 4]

。 因此,钢管

混凝土在建筑工程及桥梁工程中得到广泛应用。

但是,常规钢管混凝土中多采用普通混凝土,在

施工中存在振捣困难,极易出现钢管内浇混凝土不密

实、不匀质的现象,再加上混凝土收缩的影响,使得混

凝土强度不达标、混凝土与钢管粘接性能差等缺陷极

为常见[5 - 6]

。 此外,在浇筑过程中,混凝土极易与薄

壁钢管产生脱空,形成间隙,进而造成内部混凝土与

外部型钢不能组合受力,降低结构的承载力,影响着

建筑物的使用功能。 而自密实混凝土具有良好的工

作性能和抗离析性能,采用自密实混凝土浇筑的构件

或结构密实性好,不会出现蜂窝麻面等现象,特别适

用于 结 构 或 构 件 中 难 以 浇 筑 甚 至 无 法 浇 筑 的 部

位[7 - 8]

。 将自密实混凝土应用于钢管混凝土中,能够

有效解决钢管中浇筑普通混凝土所带来的问题。 朱正

国和彭修宁[9]研究认为,在 C50 自密实钢管混凝土中

掺入 10% HCSA 膨胀剂,能够实现在维持较好流动性

及抗离析性的同时,降低自密实混凝土的收缩,解决钢

管混凝土脱空问题。 但肖凯成等[10] 研究发现,若自密

实钢管混凝土掺入过多的膨胀剂,将导致钢管壁过早

发生屈曲,进而使得钢管混凝土的抗压承载力降低。

本文结合漳州市行政服务中心建设项目自密

实钢管混凝土柱的施工实例展开研究,以矿物掺

合料、水胶比及膨胀剂为参数,通过对配合比的优

化设计,在保证混凝土力学性能的前提下,分析各

参数对自密实混凝土工作性能及干缩率的影响,

并选用一个最优配合比,用于浇筑实际工程中钢

管混凝土柱。

1 工程概况

漳州市行政服务中心建设项目总用地面积为

33 505. 11 m

2

,建筑高度为 37. 9 m,是一栋地下 1 层,

地上 7 层的用钢框架结构,基础为桩基础。 根据设计

2023 年 08 期 总第 302 期 林也坚·C40 自密实钢管混凝土配合比设计及其应用 ·65·

要求,本工程中拟采用 205 根钢管混凝土柱,截面尺

寸分别为 600 mm ×600 mm 和 700 mm × 700 mm,混凝

土强度等级为 C40,考虑到漳州市混凝土供应单位输

送泵无法满足泵送顶升法施工要求,因此,本工程钢

管混凝土柱采用自密实混凝土浇筑。

2 试验概况

2. 1 原材料

制备 C40 自密实混凝土的胶凝材料,包括 P. O

42. 5 硅酸盐水泥、F 类Ⅱ级粉煤灰和 S95 矿粉,水泥的密

度和比表面积分别为3. 15 g / cm

3和334. 2 m

2

/ kg,粉煤灰

的密度和比表面积分别为2. 28 g / cm

3和413. 2 m

2

/ kg,矿

粉的密度和比表面积分别为2. 95 g / cm

3和434. 0 m

2

/ kg,

各胶凝材料化学成分如表 1 所示;C40 自密实钢管混

凝土的骨料包含有细度模数为 2. 7 - 2. 9 的机制砂和

粒径为 5 mm ~ 20 mm 的碎石;膨胀剂为厦门怀霖镁

质高性能膨胀剂 MAC;减水剂为厦门科之杰高性能

缓凝减水剂,减水率为 30% 。

表 1 胶凝材料化学成分 %

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

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

2. 2 配合比

自密实混凝土配合比参照《自密实混凝土应用技

术规程》(JGJ/ T283 - 2012)

[11]和《自密实混凝土设计

与施工指南》(CCES 02 - 2004)

[12]

,通过预先确定水

胶比、机制砂及碎石掺量,采用以公式体积法确定。

其中,减水剂掺量固定为胶凝材料质量的 2% ,膨胀

剂分别为胶凝材料质量的 0% 、3% 、6% 和 9% ,设计

所得到的 C40 自密实混凝土配合比如表 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 分别为 1m

3 自密实混

凝土中水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石及水的质量,

kg; ρc、ρf、ρk、ρj、ρs、ρw 水泥、粉煤灰、矿粉、机制砂、碎石

及水的密度,kg / m

3

;α 为自密实混凝土的含气量,% 。

表 2 C40 自密实混凝土配合比 kg / m

3

组别 水泥 粉煤灰 矿粉 机制砂 碎石 减水剂 膨胀剂 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 表示水胶比为 0. 34,M0 表示膨胀剂掺量为 0% ,F10 表示粉煤灰掺量为胶凝材料质量的 10% ,K15 表示矿粉掺量为

胶凝材料质量的 15% 。

2. 3 试验方法

自密实混凝土和易性及间歇通过性试验,按照文

献[11]和[12]有关要求进行;自密实混凝土干缩率按

《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/ T 50081 -

2019)

[13]有关要求测定,试件尺寸为 100 mm × 100 mm

×300 mm,测定标准条件下养护 7 d 和 28 d 的干燥收

缩值;自密实混凝土抗压强度按照文献[13]有关要求

测定,试件尺寸为 150 mm × 150 mm × 150 mm,测定标

准条件下养护 7 d 和 28 d 的强度。

3 试验结果与分析

3. 1 矿物掺合料对自密实混凝土性能的影响

矿物掺合料对自密实混凝土工作性能的影响如

表 3 所示。 从表中可知,单掺粉煤灰、矿粉及复掺粉

煤灰和矿粉,均能改善自密实混凝土的和易性,单掺

25% 粉 煤 灰 时, 坍 落 扩 展 度 增 加 了 30 mm, 单 掺

25% 矿粉时,坍落扩展度增加了 75 mm,复掺 10%

粉煤灰和 15% 矿粉时,坍落扩展度增加了 95 mm。

产生上述试验结果,与胶凝材料的比表面积有关,由

2. 1 节可知,粉煤灰和矿粉的比表面积均大于水泥

的比表面积,需水量小,能够有效地填充在骨料和砂

浆之间,将混凝土中的自由水置换出来,进而提高混

凝土的流动性。 而复掺粉煤灰和矿粉时,能够起到

“叠加效应” ,进一步提高自密实混凝土的流动性。

此外,由表中可知,单掺矿粉,使得自密实混凝土的

离析率增大;而单掺粉煤灰或复掺粉煤灰和矿粉时,

·66· 福 建 建 筑 2023 年

自密实混凝土的离析率基本不受影响。 这可能是因

为矿粉颗粒表面较为粗糙,保水性能较差,使得自密

实混凝土离析率增大,具体表现为混凝土拌合物出

现泌水现象。

表 3 矿物掺合料对自密实混凝土工作性能的影响

组别

和易性

T50(s) 坍落扩展度(mm)

J 环扩展度

(mm)

J 环扩展度与坍落

扩展度差值(mm)

离析率

(% )

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

图 1 和图 2 分别为矿物掺合料对自密实混凝土抗

压强度和干缩率的影响。 由图 1 可知, 相比于 S34M0

组,单掺粉煤灰或者矿粉时,各龄期下自密实混凝土抗

压强度均降低,而复掺粉煤灰和矿粉时,7 d 的抗压强

度降低 4. 4 MPa,28 d 的抗压强度增大了 2. 9 MPa。 由

图 2 可知,单掺粉煤灰、矿粉及复掺粉煤灰和矿粉均能

降低各龄期下自密实混凝土的干缩率。 但复掺粉煤灰

和矿粉时,降低效果更为明显,相比于 S34M0 组,7 d 和

28 d 的干缩率,分别降低了 44%和 61% 。

3. 2 水胶比对自密实混凝土性能的影响

水胶比对自密实混凝土工作性能的影响如表 4 所

示。 从表中可知,自密实混凝土的坍落扩展度对着水胶

比的增大而增大,相比于 0. 30 水胶比,0. 34 和 0. 38 水胶

比的坍落扩展度分别增加了75 mm 和180 mm。 此外,从

表中可知,水胶比降低,混凝土拌合物的离析率降低。

图 1 矿物掺合料对抗压

强度的影响

图 2 矿物掺合料对干缩

率的影响

表 4 水胶比对自密实混凝土工作性能的影响

组别

和易性

T50(s) 坍落扩展度(mm)

J 环扩展度

(mm)

J 环扩展度与坍落

扩展度差值(mm)

离析率

(% )

S30M0F10K15 11 525 505 20 7. 3

S34M0F10K15 7 600 565 35 9. 8

S38M0F10K15 4 705 660 45 9. 6

水胶比对自密实混凝土抗压强度和干缩率的影

响分别如图 3、图 4 所示。 从图 3 可知,随着水胶比的

增大,自密实混凝土抗压强度逐渐降低,相比于 0. 30

水胶比,0. 38 水胶比 7 d、28 d 的抗压强度分别降低

了 19. 7% 、22. 8% 。 由图 4 可知,自密实混凝土干缩

率随着水胶比的增大而增大,这是因为水胶比增大,

混凝土内部孔隙水占比增加,干燥过程中水分散失较

多,进而使得混凝土的收缩率增大[14]

。

3. 3 膨胀剂对自密实混凝土性能的影响

膨胀剂对自密实混凝土工作性能的影响如表 5

所示。 从表中可知,自密实混凝土的坍落扩展度,随

着膨胀剂掺量的增大而减小,相比于 0% ,掺入 3% 、

6% 和 9% 膨胀剂自密实混凝土坍落扩展度分别降低

了 15 mm、40 mm 和 85 mm。 这是因为水泥和膨胀剂

会同时发生水化反应,消耗混凝土内部的自由水,进

而使得混凝土和易性降低。 此外,从表中可以得到,

自密实混凝土的离析率,随着膨胀剂掺量的增大而减

小,但当减水剂掺量超过 6% 时,减小效果不再明显。

图 3 水胶比对抗压强度

的影响

图 4 水胶比料对干缩率

的影响

表 5 矿物掺合料对自密实混凝土工作性能的影响

组别

和易性

T50(s) 坍落扩展度(mm)

J 环扩展度

(mm)

J 环扩展度与坍落

扩展度差值(mm)

离析率

(% )

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 总第 302 期 林也坚·C40 自密实钢管混凝土配合比设计及其应用 ·67·

图 5 和图 6 分别为膨胀剂对自密实混凝土抗压强

度和干缩率的影响。 从图 5 可知,相同龄期下,自密实

混凝土抗压强度基本不受膨胀剂掺量的影响。 从图 6

可知,自密实混凝土干缩率随着膨胀剂掺量的增加而

降低,28d 龄期时,掺入 3% 、6% 和 9% 膨胀剂的收缩

值,较0%时分别减少了24. 5% 、70. 8%和77. 5% ,表明

当掺量超过一定值时,膨胀剂改善自密实混凝土干缩

率的效果不再明显,这与文献[15]的研究结论一致。

图 5 膨胀剂对抗压强度

的影响

图 6 膨胀剂对干缩率

的影响

4 工程应用

根据漳州市行政服务中心建设项目现场实际施工

条 件 及 自 密 实 混 凝 土 工 作 性 能 要 求, 选 用

S34M6F10K15 作为钢管混凝土柱中自密实混凝土的配

合比。 7 d 龄期时,对试灌柱节自密实混凝土试块,取

芯测得其抗压强度为 35. 2 MPa,满足设计要求;对试灌

柱节钢板切割,如图 7 所示,发现自密实混凝土与钢管

的贴合良好,自密实混凝土的无收缩性满足设计要求。

(a) (b)

图 7 试灌柱节贴合度检查

5 结论

(1)单掺 25% 粉煤灰或 25% 矿粉及复掺 10% 粉

煤灰和 15% 矿粉,均能改善自密实混凝土的和易性。

但复掺 10% 粉煤灰和 15% 矿粉的改善效果最为明

显,其坍落扩展度增加了 95 mm。

(2)自密实混凝土抗压强度随水胶比的增大而

减小,但干缩率随水胶比的增大而增大。

(3)掺入膨胀剂将降低自密实混凝土的和易性,

但掺入 6% 的膨胀剂,能够明显改善自密实混凝土的

干缩率。

(4)以 S34M6F10K15 作为钢管混凝土柱中自密

实混凝土的配合比,能够满足实际工程需求。

参 考 文 献

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缩特性的影响[ J]. 硅酸盐通报,2018,37 (4):1399 -

1403,1429.

[15] 张鸣,周磊,叶坤,等. 复合掺合料与膨胀剂对自密实混

凝土性能的影响研究[ J]. 硅酸盐通报,2016,35 (6):

1811 - 1815.

2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于 CIM 的新型智慧社区全生命期数字底板架构分析

张瀚文 王文超 谢丹凤

(山东理工大学建筑工程学院 山东淄博 255000)

摘 要:随着建筑行业信息化的不断发展,城市信息模型(CIM)不断受到人们的重视,但实际应用起来还并不成熟。

中国在推进新型智慧城市建设的过程中,大部分城市中存在的基础设施系统信息化基础薄弱的问题,在工作中彼此独

立分离,信息无法交互。 因此,城市管理平台的运维系统缺乏可视化、数字化,管理难度较大,且管理体系不够完善。

为此,以建设智慧社区为目标,搭建以 CIM 平台为基础的新型智慧社区数字底板架构。 文章梳理了 CIM 智慧平台数字

底板的架构以及其特点,分析 CIM 智慧平台在社区全生命周期的运用,同时分析了 CIM 建设方案,并且提出结合实际

应用的建议,为建设新型社区提供参考。

关键词: 城市信息模型(CIM);智慧社区;全生命周期;数字底板架构

中图分类号:TU 文献标识码:A 文章编号: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

基金项目:山东省大学生创新创业训练计划重点项目(S220210433050);

教育部产学合作协同育人项目 (202002233030) ;山东理工大学创新创业

教育改革项目(202025)。

作者简介:张瀚文(2002 - ),男。

通讯作者:谢丹凤(1981 - ),女

E-mail:xiedanfeng2001@ 126. com

收稿日期:2023 - 02 - 20

0 引言

20 世纪 90 年代提出的智慧城市概念,意在促进

城市的智能化、科学化和创新化发展。 中国政府积极

推动新型智慧城市建设,以求实现城市的可持续发

展。 通过构建一个在时间维度上的 CIM 系统,可以协

助我们建立新型智能社区,也为实现智能社会以及建

设信息化的建设策略方案的快速实施提供技术帮助,

应用数字孪生科技、大数据分析、以及云计算技术,架

构从 BIM 到 CIM 的全生命周期智慧社区数字底板,

以“BIM + 智慧工地数据决策、数字工地 BIM 指挥中

心”作为建设施工过程中的“项目大脑”;项目建成

后,形成社区,将前期的 BIM 信息数据传递到运营维

护阶段,构建 BIM 数字运维平台;在平台中运用物联

网技术搭建新的系统功能,将真实社区映射到 CIM 平

台上,形成智慧社区数字底板;实现智慧社区的精细

化和动态化管理。

1 CIM 和智慧社区发展背景及趋势

1. 1 CIM 的概念及发展背景

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

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

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

物联网( Internet of Things,IoT) 等技术为基础,整合

地上地下、室内室外、历史、 现状和未来的多维多尺

度模型数据和感知数据,构建起三维数字空间的城市

信息有机综合体[1]

。

随着我国经济建设不断深入发展,新型城市化进程

加快,建筑行业向着信息化和数字化转型升级,充分利用

信息技术和数字技术融合社会各方完成交互管理,实现

智慧城市管理,推动城市化建设,以小场景的建筑信息模

型 BIM +大场景地理信息系统 GIS 数据 + 物联网 IOT

的有机结合的城市信息模型(CIM)应运而生。

2023 年 08 期 总第 302 期 张瀚文,王文超,谢丹凤·基于 CIM 的新型智慧社区全生命期数字底板架构分析 ·69·

1. 2 智慧社区的发展趋势

智慧社区概念起源于美国,是将社区信息化作

为电子政务的一个重要组成部分,通过社区的信息

化建设改善和提高城市管理水平[2]

。 随着我国经

济建设不断深入发展,居民生活水平的不断提高,居

民需求和社区管理方式多元化,利用数字化技术,通

过对社区内,人员、建筑、物业、家居数据化处理,在

数字平台中进行社区级孪生还原、万物互联以及 AI

赋能,构建智慧服务与信息管理系统和智慧物业服

务系统,最终通过数据分析,预测社区发展趋势,发

现社区存在的问题,提高基层服务水平,提高居民幸

福感。

2 CIM 智慧社区数字底板架构步骤及其相应

内容

在决策阶段和施工阶段,搭建 BIM + 智慧工地决

策系统和 BIM 数字建筑管控平台,进行三维空间规划

和施工运营管理,实现建设智慧化。 在运维阶段,搭

建 CIM 运维平台,通过 3D + GIS 技术掌握社区运行

状态,为社区运维提供保障。 最终各平台数据集成,

构建数字空间孪生映射智慧社区数字底板,实现未来

社区建设全过程咨询决策支持、社区智慧服务应用、

社区精细化、可视化管理、降低社区运营成本,达到社

区高效办公,保障居民日常安全。

以 CIM 技术为核心搭建的 CIM 平台,以此作为

新型智慧社区数字底板架构的基础,可以满足社区全

生命周期中空间规划,施工管控,后期运维的需求,使

决策智慧化,施工智慧化,运维智慧化,实现打造新型

智慧社会目标,如图 1 所示。

图 1 CIM 智慧社区数字底板架构流程

2. 1 基于 BIM 的项目大脑:BIM +智慧工地决策系统

在工作空间功能规划方面,运用 BIM 技术,为项

目做三维的空间规划,使团队可以准确地定位、分析、

保存重要参数,通过参数分析,进行施工方式以及智

能设备的选择。 在场地总体规划方面,分析和理解项

目所在地及项目总体规划方面,确保设计方向符合当

地的政府规范要求;在空间强度方面,首先对场地和

位置做初步的了解,开发三维空间体量模型,以此为基

础进行建筑高度、层次和整体形式的研究。 施工现场

“人员、机器、材料、施工方法、环境”五大要素的信息进

行采集和管理,依靠交互、感知、决策、执行和反馈,将

信息技术与施工技术深度融合与集成,实现建造过程

的真实环境、数据、行为 3 个透明,推进施工现场的管

理智慧化、生产智慧化、监控智慧化、服务智慧化[3]

。

2. 2 BIM 数字建筑管控平台的构建

将 BIM 模型、智慧工地、施工管理平台和后期运

维管控平台融合到一起,打通各方数据,形成数字管

理平台,避免信息传递延迟、权责不清的问题。

基于现代 BIM 网络技术的企业数字经营管理信

息系统的整体架构内容,主要包括以下五方面:生产

技术管理、质量监控管理、现场安全管理、生产施工管

理和成本使用管理,5 个模块的主要功能设想:技术

模块可以将实体化操作进行虚拟化模拟,对资料数据

进行数据化分析整合,构建可视化模型。 质量模块是

通过综合比较各个 BIM 工程模型设计和工程现场的实

际施工,可以进行实时对比验证每个工程项目的真实

施工作业质量数据;现场安全模块通过运用多种 BIM

识别技术快速识别出各个危险模块,在可视化平台界

面上集中展示危险隐患点、隐患等级标识和各种隐患

状态,并能够进行实时三维安全可视化,确保作业现场

的安全;生产施工管理模块主要工作,是进行对生产项

目总体上的前期策划调研和生产施工的模拟,建立一

整套以 CIM 平台为理论基础上的生产施工总体策划体

系和整体生产项目计划方案库;成本模块运用 BIM 模

型来掌握成本变动的各种因素,规范化的管理使工程

投资在设计、施工和后期运维方面更加合理。

2. 3 基于 3D + GIS 技术的 CIM 社区运维平台

运用 3D + GIS 技术,通过实时更新、汇总的社区

时空数据,整合社区系统数据资源,运用 VR 技术和

AR 技术,借助二维码和 VR 摄像机等新方法,以第三

视角,准确直观地将时间与空间中的具体信息形象表

现,利用计算机信息技术,实现数字化的表达形式,建

设数字化智能城市。 对社区监控、时间应急、社区部

件设施状态进行可视化管理,实现社区内“人、车、物、

地、事”的全面监控,做到智能门禁管理、电梯监测管

理、消防管理、智能安防监控、设备可视化管理等的实

现。 同时利用 CIM 运维系统中的视频监控功能不仅

可以准确定位监控设备位置,还可以实时查看视频数

据,通过与社区内监控数据互联互通,将监控数据统

·70· 福 建 建 筑 2023 年

一集成至 CIM + 3D 可视化平台,实时展示社区内监

控运行情况,辅助社区管理者更好地处理问题,掌控

社区运行状态,通过云计算技术、以及信息服务中心,

对平台的运维提供保证。

建设 GIS 共享平台,其中包含设计应用层、网络

平台层、大数据层、业务基础层。 设计应用层的对象

是所有使用者,开发者通过设计智慧终端、应用系统,

就可以通过地理信息公共系统,为用户提供各项服

务。 而设计服务层的对象,则是所有开发人员,其功

能主要是向所有开发人员提供服务接口,使之能够迅

速地构建综合的服务体系。 而在设计数据处理层,一

般情况下,需要建立公共地域架构数据库系统,并通

过地域架构建立了多元信息库,具体数据库系统中包

含矢量、地名地址以及三维场景信息。 设计基础层面

对 GIS 共享系统的安全运营十分关键,由云计算中

心、安全服务中心联合承担软硬件产品、安全维护和

信息管理等一系列业务。

2. 4 数字孪生技术下的 CIM 智慧社区数字底板构建

通过构建数字空间孪生映射智慧社区数字底板,

可直接实现传统物理社区功能在虚拟数字空间网络

中实现的孪生空间映射,将虚拟数字化的建设及成果

有机集成整合到虚拟数字的孪生空间社区平台中来,

进行区域一体化管理,达到全方位运营生态支撑、多

主体协同的共享服务、社区级孪生还原、万物互联、AI

赋能,构建智慧服务与信息管理系统和智慧物业服务

系统,实现未来社区建设全过程咨询决策支持、社区

智慧服务应用、社区精细化、可视化管理、社区疫情防

控部署,降低社区运营成本及达到社区高效办公,保

障居民日常安全。 各个领域的行业决策、仿真模型等

各有不同,CIM 的产品搭载、推广服务等,都需要建立

针对性的使用场合,以人民群体、部门和行业为样本,

进行实际问题的解决方案,实现行业内部的协作互

动,这有助于化解城市规划管理、智能城市构建中的

问题,如图 2 所示。

图 2 基于 CIM 的智慧社区的整体框架

3 CIM 智慧社区数字底板架构特点

3. 1 技术路线特点

本论文基于 BIM 技术、CIM 技术、CIM + 3DGIS

技术和数字孪生技术等技术,对管控平台和运维平台

进行架构,研究智慧社区的运行和管控机制。

(1)针对项目前期的建筑建造阶段,本项目运用

BIM + CIM 技术构建项目建筑管理平台,对施工阶段

的运维进行管理和监控。

(2)针对项目建成后形成社区阶段,本项目运用

数字孪生 + CIM 技术,将前期的 BIM 信息数据传输到

平台,形成 CIM + 社区运维管控平台,从而探索研究

“数字孪生” 社区,对社区的运行和管控实现数字化

管理。

3. 2 CIM +3DGIS 技术应用特点

(1)针对真实社区的管控及复杂性,建立“数字

孪生社区”模型。 基于 CIM + 3DGIS 架构开发的智能

化社区的数字化综合管理技术平台,作为 CIM 运维平

2023 年 08 期 总第 302 期 张瀚文,王文超,谢丹凤·基于 CIM 的新型智慧社区全生命期数字底板架构分析 ·71·

台的一部分,是指在社区三维模型数据采集和远程在

线动态监测数据收集的技术基础框架上,通过软件,

将现实物理空间网络中虚拟的真实的社区场景全面

地一一地映射应用到这个虚拟真实的 CIM 运维平台

内的三维数字空间,从而全面探索并建设每一座“数

字孪生”智能社区。 通过 CIM 平台打造一个智能化

的社区管理的精细化、综合管理服务方式网络化和综

合管理组织单位数字化的社区管理模式。

(2)基于 CIM + 3DGIS 技术,充分考虑社区的安

全运行与物业服务的实际作用,展示社区未来发展规

划的成果,通过 CIM 运维平台进行数据运算,智能规

划,包括周边配套、生态环境、社区布局、功能区划分、

规划指标等,综合体现社区的可发展价值。

3. 3 BIM 到 CIM 全生命周期智慧社区数字底板架构

技术路线

建筑项目全生命周期包涵了规划、设计、施工和

运维四个阶段。 对 BIM 技术在项目全生命周期应用

的分析,在规划阶段,总结出 BIM 技术在智能设备选

取及点位规划、构建 BIM 数字建筑管控平台和智慧工

地决策系统,在项目设计阶段和施工阶段的应用现

状,提出 BIM 技术在结合层次分析法和集成测绘地

理信息新技术等方面应用的新思路[4]

。 依托 CIM 平

台,按照“共建、共用、共享、互联” 的原则,为智慧社

区一体化形成智慧城市打下基础,如图 3 所示。

图 3 从 BIM 到 CIM 的全生命周期智慧社区技术路线

3. 3. 1 智能设备选取及点位规划设计

在规划阶段进行实地考察记录数据,并建立数据

库,以此为基础建立 BIM + 智慧工地决策系统。 通过

数据,进行实时分析,选择最优的人员、机器、材料、方

法和环境。 在此基础上,对设备的点位进行智能规

划,打造智慧工地,完成智能设备选取及点位规划。

3. 3. 2 BIM + 数字建筑项目管理平台

搭建 BIM + 数字建筑项目管理平台,将智能设备

选取级点位规划设计数据上传 BIM + 数字建筑项目

管理平台;录入数据库,并进行大数据计算再通过

BIM 技术建立 BIM 模型,挂接到 BIM + 数字建筑项目

管理平台;后续可以传递到运维管控平台。 以此为基

础,结合工地的实际情况,进行设计、施工模拟,以研

究在实际情况下出现的安全、质量、成本问题,通过以

上途径,最终得出最优的设计方案和施工方案。

3. 3. 3 基于 3D + GIS 的 CIM 运维平台和智慧社区

数字底板架构

承接从 BIM 平台 + 数字项目管理管理平台传递

过来的三维数据模型,基于三维 3D + GIS 技术,在

CIM 数据运维平台建立三维可视化的社区数字管理

立体化,通过实时的更新、汇总海量的三维社区时空

数据,整合三维社区系统数据资源,将数据资源上传

到 CIM 运维平台数据库中。 其次在运用数字孪生技

术,将数字化建设成果集成到 CIM 运维平台,形成数

字孪生社区进行一体化管理,最终达到 CIM 运维平台

和智慧社区数字底板的架构。

4 智慧社区数字底板架构运维应用建议

(1)多主体协同的共享服务———提升未来社区

智慧服务

应用 MxDATA 数字孪生架构平台,通过构建基于

现实社区的数字孪生社区,接入 CIM 平台,采用“1 +

N”总体架构,以一个平台汇聚核心数据,充分运用 CIM

空间治理优势,提升未来社区智慧服务应用。 CIM 平

台作为综合信息集群管理平台,平台数据库汇总社区全

生命周期数据,构建公众参与、政务服务、社会化服务、公

共服务一体化的平台,促进智慧社区可持续化发展。

(2)万物互联———实现对未来的社区进行防控

的部署

通过智慧物联的传感交互设备,对增强的社会运

动生活等数据的收集上传 CIM 平台。 同时,进行智能

感知,包括对道路安全和监测等设备数据信息的实时

感知、对能源实时控制等设备数据信息的智能感知、

(下转第 104 页)

2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于 BIM 技术在工科大楼装配式建筑

成本中的优化研究

汪 苏1 洪开茂2

(1. 福州职业技术学院 福建福州 350018; 2. 福建越众日盛建设咨询有限公司 福建漳州 363000)

摘 要:BIM 技术具有提高装配式建筑设计效率、预制构件生产效率、运行维护管理水平,以及模拟现场施工活动等优

势。 为此,以福建省某高校工科大楼建设项目为具体实例,运用对比分析法和定量分析法,基于 BIM 模型,将装配式建筑

成本与传统现浇建筑成本进行对比分析,得到装配式建筑成本增量主要体现在土建工程中预制构件的生产、运输和安装

环节的结果。 通过分析,提出装配式建筑要大力推广并发展,必须降低预制构件生产成本、优化装配式构件运输成本、优

化装配阶段机械设备成本,并从这三方面对装配式建筑进行分析及管控,以期达到缩短工期、降低成本的目的。

关键词: BIM 建模;装配式建筑;成本优化;现浇建筑

中图分类号:TU723. 3 文献标识码:A 文章编号: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

基金项目:福建省住房和城乡建设厅科技研究开发项目(2022 -K -282)

作者简介:汪苏(1981 - ),女,高级工程师。

通讯作者:洪开茂(1966 - ),男,高级工程师。

E-mail:84619808@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 10

0 引言

随着我国人口结构发生变化,社会已趋于老龄化

状态,为应对未来的用工荒,2017 年,从可持续性发

展的角度,前瞻性地提出推广装配式建筑,要求至

2020 年年末,新建住宅装配化率达 30% ~ 40% 。 在

过去的 20 年中,传统建筑业的高速发展,加剧了能源

危机、污染危机,习近平总书记提出的“绿水青山就是

金山银山”的口号,将生态文明、绿色发展纳入了我国

的基本国策。 建筑业辉煌的 20 年已经过去,疫情之

后是建筑业走向生态化、产业化、精细化及绿色节能

方向的发展阶段,装配式建筑,则是国家基础建设发

展到一定阶段的大势所趋。

与传统建筑相比,装配式建筑具有施工周期短、

建筑质量高、绿色环保节能等优点,得到政府部门的

认可。 但是,由于装配式建筑前期一次性成本高、产

业链不完备、技术水平要求高、专业协作性强、相关政

策不完善、信息化管理不足等原因,造成我国装配式

建筑发展较为缓慢。 要快速发展装配式建筑,不仅要

摒弃原有不合理的项目管理模式,而且还要降低投入

成本,并且在信息数字化理念上进行创新,实现装配

式建筑的高度集成化[1]

。

BIM 建模技术解决了项目信息数字化管理的问

题[2]

。 BIM 技术具有提高装配式建筑设计的效率、预

制构件生产效率、运行维护管理水平、优化项目成本

进度,还能模拟现场施工活动,进而促进装配式建筑

发展等优势[3]

。 根据住房城乡建设部规定,2020 年

末,国有资金投资为主的大中型建筑申报绿色生态示

范小区和绿色建筑的公共建筑,建设过程中,集成应

用 BIM 的项目比率应达到 90%

[4]

。 因此,BIM 建模

技术与装配式建筑的发展目标不谋而合。

2023 年 08 期 总第 302 期 汪 苏,洪开茂·基于 BIM 技术在工科大楼装配式建筑成本中的优化研究 ·73·

1 工程概况

福建省某高校工科大楼建设项目位于福州市闽

侯县上街镇 “福州大学城新区”,学校东侧紧靠溪源

江,被溪源江环绕,南临城市道路源阳路,西侧为未开

发绿地,整个地势较为平坦,依山伴水,荔树成荫。 项

目规划用地面积为12 380 m

2

,总建筑面积40 500 m

2

,

其中地下 1 层,建筑面积 6202. 31 m

2

(框架结构),地

上 5 层,建筑面积 34 297. 69 m

2

(钢框架结构),建筑

高度 23. 5 m。 本工程响应市政府号召采用装配式建

造,主体结构柱、梁、板为装配式钢结构,内隔墙为装

配式 ALC 板(150 厚蒸压轻质加气混凝土隔墙板),其

余构件采用现浇方式建造。 根据装配率的计算公式:

P =

Q1 + Q2 + Q3 + Q4

100%

式中:P———装配率;Q1———主体结构指标实际

得分值;Q2———围护墙和内隔墙指标实际得分值;

Q3———装修和设备管线指标实际得分值;Q4———技

术创新指标实际得分值。

计算得到工科大楼装配率为 53% ,如表 1 所示,

符合福建省对装配式建筑的要求。

表 1 工科大楼装配率汇总

评价项 评价要求 评价分值 工科大楼分值 备注

主体结构 Q1

(最高 50 分)

梁、板、楼梯、空调板等

水平构件 Q1b

设计标准化、模数化 Q1d

70% ≤比例≤90% 20 ~ 40 40

存在不符合 1M 基本模数整倍数的

轴线尺寸

- 2 - 2

存在不符合扩大模数 2M、3M 整倍数

的楼梯间开间及进深的轴线尺寸

- 2 - 2

存在不符合 1M 基本模数整倍数

的层高

- 2 - 2

不低于 30 分

围护墙和内隔墙 Q2

(最高 20 分)

内隔墙 内隔墙非砌筑 Q2a 比例≥80% 10 10 不低于 10 分

技术创新 Q4

(最高 10 分)

BIM 技术应用

可追溯管理系统 Q4c

项目组织方式

设计阶段 Q4a1M 3 3

施工阶段 Q4b 3 3

/ 2 2

采用工程总承包模式 1 1

不低于 5 分

总得分 53 /

装配率(% ) 53 不低于 50%

工科大楼采用的是设计 - 施工一体化设计,住房

城乡建设部制定了《装配式住宅设计选型标准》,为装

配式建筑提供了设计标准[5]

。 装配式建筑在设计过程

中,需要关注预制构件在现场安装过程中搭接的节点、

与现浇构件衔接的部位、水电管线预埋分布情况等其

他专业交叉的设计冲突[6]

。 而 BIM 建模技术,可以很

好地在装配式建筑的设计阶段,统筹协调建设项目的

各专业工程协同设计作业,组建信息模型,实现信息共

享。 要摸排出现问题交错搭接的位置,提前进行设计

优化,通过可视化的三维信息模型,模拟施工现场活

动,为装配式建筑精准化施工提供保障。

工科大楼在设计阶段,应用 BIM 技术进行装配式

建筑施工图设计,提供符合国家《建筑信息模型设计交

付标准》相关要求、建模细度达到 LOD3. 0 的主体结构

全专业 BIM 模型;提供包含详细节点设计的 BIM 模型,

及碰撞检查报告采用的 BIM 技术应用,如图 1 所示。

图 1 工科大楼设计阶段 BIM 模型

2 基于 BIM 模型的装配式建筑成本与传统现

浇建筑成本对比分析

由于装配式建筑的建造模式与生产方式与传统

现浇建筑存在很大区别,因此,两者成本构成也不同。

为分析两者建筑成本的区别,工科大楼项目使用 Revit 软件建模,精度达到 LOD400。 如图 2 工科大楼

BIM 结构模型所示,在建模阶段就将装配式预制构件

划分归类,此时,装配式建筑 BIM 模型就可以按照传

·74· 福 建 建 筑 2023 年

统现浇建筑方式进行工程量计算。 二者分别采用《福

建省房屋建筑与装饰预算定额(2017)版》和《福建省

装配式建筑工程预算定额(2017) 版》 进行计量及计

价。 通过二者建筑成本的对比,分析装配式建筑的成

本差异构成。

图 2 工科大楼 BIM 结构模型

2. 1 传统现浇建筑模型工程量及成本计算

运用 Revit 创建的工科大楼 BIM 模型,参照传统

现浇建筑的建造方法进行工程设置,套用《福建省房

屋建筑与装饰预算定额(2017) 版》,进行模型映射,

运行汇总计算工程量,把工程量及对应的项目特征导

入到晨曦计价软件,信息价选用 2021 年 9 月份,进行

套价,得到传统现浇建筑的工程造价,如图 3 所示。

2. 2 装配式建筑模型工程量及成本计算

运用 Revit 创建的工科大楼 BIM 模型,参照装配

式建筑的建造方法进行工程设置,套用《福建省装配

式建筑工程预算定额(2017) 版》,进行模型映射,运

行汇总计算工程量,把工程量及对应的项目特征导入

到晨曦计价软件,信息价选用 2021 年 9 月份,进行套

价,得到装配式建筑的工程造价,如图 4 所示。

图 3 工科大楼采用传统现浇建造方式的计算结果

图 4 工科大楼采用装配式建造方式的计算结果

2. 3 BIM 模型下装配式建筑成本与传统现浇建筑成

本对比分析

在设计标准和质量品质相同的前提下,运用 BIM

模型对比装配式建筑与传统现浇建筑这两种不同的

施工方式下的建设成本,得到造价对比如表 2 所示。

表 2 BIM 模型下工科大楼采用传统现浇模式与装配式模式的造价对比表

序号 分部工程

装配式建筑 传统现浇建筑 造价对比

造价(元)

平米指标

(元/ m

2

)

造价(元)

平米指标

(元/ m

2

)

造价增减

(元)

平米指标增减

(元/ m

2

)

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

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

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

4 电气工程 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

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

由表2 可以看出,工科大楼采用装配式建筑建造方

法的造价,比传统现浇建筑造价高出541. 06 元/ m

2

,成本

增量主要集中在土建工程,造价高出600. 39 元/ m

2

。

其他分部工程,如装饰、给排水、电气和暖通工程

成本增量都是负数,说明 BIM 建模技术在装配式建筑

中,发挥着信息系统交互平台协同优化设计的作用。

要实现装配式建筑的 BIM 平台协同工作,就要进行

三维可视化协同与专业工程碰撞检查,如图 5 ~ 图 6

所示。 通过 BIM 三维可视化模型,不同专业工程可以

在 BIM 平台下进行协同设计,装饰、水电、暖通专业可

以在建筑信息成果模型上进行结构管线布置的提前

预埋预演、碰撞检查,从而减少传统现浇建筑在施工

阶段才能发现并纠正的不同专业工程的管线冲突[7]

。

为了明确土建工程成本增量是由哪些分项工程

引起的,需要对土建部分的成本增量进行分解,得到

土建工程造价对比,如表 3 所示。

2023 年 08 期 总第 302 期 汪 苏,洪开茂·基于 BIM 技术在工科大楼装配式建筑成本中的优化研究 ·75·

图 5 工科大楼局部 BIM 管线模型(LOD4. 0) 图 6 碰撞检查调整

表 3 工科大楼采用装配式模式与传统现浇模式下土建工程造价对比表

序号 分项工程

装配式建筑 传统现浇建筑 造价对比

造价

(元)

平米指标

(元/ m

2

)

造价

(元)

平米指标

(元/ m

2

)

造价增减

(元)

平米指标增减

(元/ m

2

)

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

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

3 预制构件生生产运输及安装 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 措施项目及其他 6 757 407 166. 85 9 657 818 238. 46 - 2 900 411 - 71. 61

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

从表 3 可以看出,工科大楼采用装配式建筑模

式,钢筋砼工程、砌筑工程、屋面及防水工程等分项工

程,和措施项目与传统现浇建筑模式成本相比,是减

少的。 因为本项目主体采用装配式钢结构,其预制过

程在工厂完成,生产过程受气候环境影响较小、机械

化程度高、工人劳动效率提高、建造速度加快,预制件

的规范化、规模化生产,使得生产成本和质量更容易

把控[8]

。 加之现场施工中减少了大量的支模和拆模

工作量,降低了模板使用费以及人工费,劳动力需求

更少,机械化程度更高,施工工期更短[9]

;内隔墙采用

ALC 板,由工厂预制后运输到施工现场进行拼装,减

少了砌筑及抹灰等工序,节约了砌筑工程费用和人工

费用。 同时,主体钢结构及内隔墙板在拼装过程中,

可以与楼地面工程等其他工序有序搭接,不仅缩短了

工期、也节约了成本。 所以,综合以上数据,预制构件

生产、运输及安装,是整个工程造价成本上升的因素,

也是装配式建筑相比较于传统现浇建筑成本偏高的

主要原因。

3 工科大楼装配式建筑成本的优化措施

通过将 BIM 建模技术运用到工科大楼装配式建

筑中的成本分析对比,我们可以清晰地看出,装配式

建筑成本增量,主要集中在预制构件的生产、运输及

安装阶段。 因此,要想对工科大楼装配式建筑进行成

本优化,就需要从这三方面入手,合理采用优化措施,

降低装配式建筑的成本。

3. 1 标准化及产业化生产降低预制构件生产成本

工科大楼项目采取的是设计 - 采购 - 施工一体

化的 EPC 工程总承包模式,施工总包方与预制构件

承包方是联合体投标。 在 EPC 模式为统领的一体化

管理系统下,总承包商能够统筹调度建筑、结构、机

电、安装、设备等各专业部门,使各阶段、各环节衔接

更为顺畅,杜绝了中间环节的浪费,装配效率得以提

升,从而体现了压缩工期、降低成本的优势[10]

。

工科大楼预制构件生产企业,是首批国家装配式

建筑产业基地、福建省首家装配式钢结构建筑产业基

地,地理位置位于福州市临海的郊区,克服了传统工

厂噪声大、灰尘多的缺陷,为本项目建设提供了高效

有序、绿色节能的作业环境,如图 7 所示。 同时,装配

式建筑的钢梁、钢板、钢柱等构件实现了标准化、模块

化、产业化的工厂流水线生产模式,减少了劳动力需

求,降低了现场施工强度,降低预制构件成本,有利于

生态环境保护和缩短工期。

图 7 钢结构生产基地

·76· 福 建 建 筑 2023 年

3. 2 优化装配式预制构件运输成本

装配式建筑的预制构件体型大、吨位重,生产基

地往往位置偏远,要控制预制构件运输成本,首先要

选择地理位置离项目现场距离适中的工厂。 其次,在

运输过程中,要制定科学合理的运输计划,在增加运

输量的情况下,还能保证构件的完整性。 工科大楼项

目的预制构件生产基地位于福州市临海的郊区,距离

项目工地约 74 km,运输耗时约 2 h。 在 BIM 技术的

信息化平台和 EPC 施工总承包模式的协同管理下,

设置运输预制构件的重量、长度和宽度等基本属性信

息,安排构件及车辆编码,制定详细合理的配送方案。

因此,工科大楼的预制构件在运输过程中,不但保证

了构件的质量合格、整体完整,而且还节约了运输

成本。

3. 3 优化装配阶段的机械设备成本

我国装配式建筑的发展,离不开装配式机械的精

准装配以及产业工人的工种熟练程度。 如果没有直

观的三维模拟施工,机械吊装过程中,极易发生构件

的匹配不精确、尺寸偏差而造成构件搭接相互碰撞的

情况,极大程度影响施工安全、施工质量,并造成工程

成本的浪费。 工科大楼项目钢结构运输到现场后,需

要用大型起重机械吊装就位,然后由工人进行构件连

接部位的锚固和焊接。 通过 BIM 建模技术,在钢结构

吊装前,先对载重汽车进场、钢结构堆放位置和钢结

构吊装施工等进行提前模拟,如图 8 所示,预演并预

判施工中可能遇到的风险,再利用 BIM 碰撞点位置,

并出具详细的碰撞检查报告,然后再进行参数调整,

完成碰撞避让处理[11]

。 在实际施工过程中, 通过

BIM 模型的有效指引,实时监测实际完成工程量与计

划工程量之间的偏差,顺利排除了吊装施工的隐患,

优化了施工工序,最大程度地利用施工机械设备,达

到工期管控和降低成本的目的。

图 8 工科大楼钢结构现场吊装

4 结论

工科大楼建设项目运用 Revit 软件创建 BIM 模

型,分别按照传统现浇建筑模型和装配式建筑模型进

行计量和计价,得到装配式建筑造价与传统现浇建筑

造价相比,具有减轻现场施工的劳动强度、节约劳动

力、缩短工期、绿色环保又节能的优势。 装配式建筑

成本增量主要体现在土建工程中预制构件的生产、运

输和安装环节,通过这三方面,对装配式建筑进行分

析及管控,可以有效降低成本并缩短工期。

根据项目前期的立项和规划,工科大楼建设项目

仅设计主体钢结构和内隔墙 ALC 板部分为装配式。

鉴于施工技术的局限性,尚未涉及围护墙与保温隔

热、预制楼梯、预制外挂板、标准化外窗和集成卫生间

等一体化的装配式施工模式。 随着 BIM、大数据、物

联网、云计算等一系列信息技术的深入发展,以及建

筑信息化和 EPC 总承包模式的融合,可以预见,在不

久的将来,通过建造模式的革新突破、管理手段的创

新升级,能够为装配式建筑向绿色和可持续发展方向

提供有力保障。

参 考 文 献

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2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

房屋建筑工程结算误区探析及应对策略

刘 薇

(福州城市建设投资集团有限公司 福建福州 350001)

摘 要:结合福州某建筑工程项目结算案例,分析、归纳计量、计价、合同三个维度的常见问题及结算误区,同时探讨应

对策略。 通过强化施工过程中的管理手段、规范结算管理、提升造价人员专业素养等方式,有效提高了工程结算水平。

关键词: 工程结算;常见问题;结算误区;应对技巧

中图分类号:TU723. 3 文献标识码:A 文章编号: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

作者简介:刘薇(1988. 09 - ),女,工程师。

E-mail:916242556@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 06

0 引言

目前,我国建筑工程结算周期普遍较长,其中,普

通房地产项目结算时长基本在半年及以上,涉及财政

审核项目,则更长。 项目结算过程中,完整性和准确

性不高的结算资料,成为建设单位与施工单位结算拉

锯赛的关键点,影响结算进程,无形中增加了建筑施

工企业的经营成本。 本文着眼工程结算中的常见问

题,并针对问题探讨可行的应对策略,以提高结算的

准确性,加快结算进程,以期为有关工程人员提供参

考,促进建筑施工企业经济效益的良性循环。

1 项目概况

福州市某工程,位于福州市仓山区,工程总造价为

11 499 万元,总建筑面积约为 80 511 m

2

,地下室 1 层,

地上有 8#栋 5 层住宅,1 栋 14 层住宅以及一栋 3 层幼

儿园。 该项目为按实结算,工程竣工结算总价 = (工程

造价 - 不可竞争费用) × (1 - K) + 不可竞争费用,项

目结算计价方式,采用工程量清单计价。

2 结算中常见的问题

2. 1 工程量计算不准确

2. 1. 1 工程量的重复计取

在整个项目施工过程中,不可避免涉及到许多的

设计变更、做法变更,均可能引起工程量的变动。 在

此情况下,经常会出现在未扣除旧图做法工程量的情

况下,又按新的设计变更或者新的做法叠加计量,导

致工程量的“膨胀”。

除此之外,在计量过程中,各项工程量之间是存

在工程量增减的联动性。 在计量中常出现零星二次

构件过梁、门洞边预制块等已计取混凝土工程量,但

在砌体工程量中并未扣减。 工程量累加后,造成的工

程量误差也是较大的。

2. 1. 2 签证项目计量依据缺失及计量不实

实际结算过程中发现,大部分现场签证管理不到

位,签证内容不详尽,缺少计价计量依据等,极大影响

其工程造价真实性及结算进程。

在该项目结算中,发现外架使用时长异常。 正常

情况下,15 层的普通住宅使用外架的时长普遍在 10

个月左右,而该项目外架使用时长达 15 个月。 但项

目结算资料上,未能提供相关签证资料佐证,脚手架

方案上也并未体现使用时长。 像此类建筑工程中外

·78· 福 建 建 筑 2023 年

架、垂直运输机械作为措施项,随着施工进程会被拆

除,其工程量均按使用时长进行计量,未提供安装及

拆除的签证资料作为佐证,或者未按照施工组织设

计、专项方案明确的使用时长计算,缺少计量的依据。

在该项目结算中发现,桩基引孔签证不仅签证单

盖章缺失、未留存现场施工照片、未明确机械型号、引

孔参数不完整等问题。 在涉及隐蔽工程施工的签证

内容中,未及时留存影像资料并记录具体施工参数信

息,结算中,工程量的计算无法闭环。

2. 2 计价问题

2. 2. 1 定额套用的正确性

一个工程结算使用到的定额子目是非常多的,定

额子目套用错误也十分常见。 如图 1 和表 1 所示,该

项目地下室做法:100 mm 厚 C20 细石混凝土找平层做

法,造价人员仅换算找平层厚度进行套价。 但根据闽

建价〔2015〕9 号问题解答(三十四):楼地面(含屋面)

细石砼超过60 mm 的,面层30 mm 的部分,根据做法套

用细石砼找平层或细石砼整体面层定额,余下套用混

凝土垫层定额[1]

。 发生这种定额套用错误的原因,可

能是造价人员对于定额子目理解不够,又或是为争取

更高的结算金额,高套取定额子目而导致的。

图 1 地下室底板做法图

表 1 100 厚 C20 细石混凝土找平层不同套价方式的造价金额比对

第一种套价方式

项目编码 项目名称 单位 工程量 综合单价 合计

10111013 C20 预拌非泵送细石混凝土找平层(在硬基层面上 100 mm 厚) m

2 7983 100. 01 798 379. 83

分部小计 元 798 379. 83

第二种套价方式

项目编码 项目名称 单位 工程量 综合单价 合计

10111013 C20 预拌非泵送细石混凝土找平层(在硬基层面上 30 mm 厚) m

2 7983 37. 16 296 648. 28

10105001 C20 预拌非泵送细石混凝土垫层(70 mm 厚) m

3 558. 81 531. 79 297 169. 57

分部小计 元 593 817. 85

第一种套价方式比第二种套价方式费用合计金额增加了 202 435. 13 元,第一种套价方式比第二种套价方式合计费用提高了 34. 45% 。

2. 2. 2 定额中的工作内容重复列项计取

项目结算涉及定额的子目多且复杂,要灵活套

用定额,并进行正确换算,必须建立在对定额的工

作内容以及规则相当熟悉的基础之上。 近年建设

项目在短时间增量较大,且建设项目都存在至少

2 ~ 3 年的建设周期。 因此,有经验、专业性强的造

价人员储备不足。 目前很多基础的套价工作都是

由新手造价人员进行编制的,对于定额的工作内

容不熟悉、理解不充分。 因此,经常会重复列项计

取定额中已包含的工作内容。 例如在石材、块料

楼地面分项定额的工作内容中,已经涵盖了部分

砂浆结合层的厚度,但新手造价人员套用定额时,

未扣减石材、块料楼地面定额中已包含的结合层

的厚度,导致重复计量问题。

2. 2. 3 信息价套用的及时性

项目建设周期较长,受市场大环境的作用,材料

及机械的价格不免存在波动,建设期间价格的涨跌情

况难以提前预料。

目前,大部分建设工程施工合同,在合同中约定

部分材料的价格,以及机械的价格按照信息价进行套

用。 为了保证造价的准确性,材料及机械的单价须随

项目进程,按信息价的变化进行调差。 但是在结算过

2023 年 08 期 总第 302 期 刘 薇·房屋建筑工程结算误区探析及应对策略 ·79·

程中,经常出现材料及机械的单价未按照施工实际进

程进行单价调整,致使造价准确性降低,同时耽误结

算进程。

2. 2. 4 费用计取不准确

项目结算采用工程量清单计价方式的,会涉及建

筑工程项目的分项费用、规费、税金等。 这些费用基

本上都是严格按照统一的计价原则、项目在建设时的

实际情况、项目的特征以及具体内容等,进行有效

结合[2]

。

在该项目结算中,发现费用计取未执行合同约定

的费率,以及取费就高计取的情况[3]

。 该项目 2021

年 4 月份施工的幼儿园工程,人工费指数直接套用榕

建价〔2021〕 8 号(该发文中人工费调整从 2021 年 10

月 15 日起开始执行),结算并未按实际施工时间节点

套用人工费调整文件执行。 该项目的地下室安装工

程计取地下室施工增加费,但根据施工合同约定,项

目费用定额按 《 福建省建筑安装工程费用定额》

(2017 版)执行。 根据 2017 版安装定额说明,地下室

施工增加费已综合考虑,不再另行计算。

2. 3 合同问题

在该项目招标文件约定工程结算依据为“材料价

格参照《福建工程造价信息》2019 年 8 月份(综合)建

设工程材料信息价格,机械单价参照《2019 年第三季

度福建省施工机械台班单价》”。 当上述期刊中无约

定材料品牌价格的,由中标人与招标人派出的代表或

监理工程师协商确定,报招标人会同有关部门确定单

价,最后以福州市财政投资评审中心审核为准。 而施

工合同约定本工程结算依据为“材料价格按照施工当

月《福建工程造价信息》(综合)建设工程材料信息价

格,机械台班按照施工当月实行的《福建省施工机械

台班单价》”

[4]

。 招标文件与施工合同口径存在矛

盾。 根据合同协议书及其合同附件在法律解释,顺序

上居于第一位,其次为投标函和招标文件。 按解释顺

序先后,当施工项目合同与招标文件规定不一致时,

应优先合同协议书规定。 但依据《福建省房屋建筑和

市政基础设施工程价款计算暂行办法》,招标方与中

标方订立的施工合同不能背离招投标文件的实质性

内容[5]

。

合同条款约束与招标文件不一致的情况,或者技

术标与商务标矛盾不一致的情况、合同条款存在歧

义。 发承包双方理解不一致等情况,都是结算过程中

建设单位与施工单位争论的焦点,其直接影响结算造

价的结果。

3 结算中常见问题的应对措施

3. 1 提高造价人员的专业素养

造价人员的专业素养,极大程度上,影响着结算

的质量。 建筑工程项目管理应该加强造价人员的专

业技能,通过定期对造价管理人员开展系统性的专业

知识培训以及重点、难点专题培训,精通工程量计算

规则,加深造价管理人员对计量、计价、取费规则的

理解。

造价工作也并非闭门造车。 造价人员在施工过

程中,应深入施工一线,了解施工工艺及施工成果,加

强与项目技术人员的联动,加深对设计图纸的理解,

提高结算的准确性。

3. 2 规范签证管理

工程签证是建筑工程施工中的重要凭证。 在施

工管理过程中,必须以书面方式进行认定,并保证签

证签字及盖章手续的完善,重视签证的合理性以及时

效性。 在日常项目管理中做到:

(1)“一事一单”。一个签证单对应一个变更或

一个事项,避免重复计费和分拆签证;

(2)“一单一算”。一个签证单对应一个结算单,

资料需体现签证依据、工程内容、机械使用型号、数量

以及使用时长、施工具体部位、尺寸标注、照片或影像

留存等以满足计量、计价要求;

(3)“一月一清”。 签证是具有时效性的,不能积

攒签证,应及时收集资料报送资料,跟踪流程,闭合手

续,做到日清月结。

(4)“专人管理”。 签证资料原件须由专人管理,

登记借阅,以免签证资料丢失。

签证管理的规范化能有效地避免或减少结算中

纠纷的产生,提高工程量准确性,高效推进结算进程。

3. 3 规范信息价收集的及时性

明确合同中可变动单价的材料及机械。 在日常

施工管理中,重视该部分材料及机械单价的变化情

况,编制材料及机械单价台账,动态追踪,及时更新材

料单价。 在结算编制过程中,根据不同时期的材料及

机械使用情况,对应不同时期的材料及机械单价,保

证量价对应的准确性。

3. 4 提高合约管理水平

建设工程施工合同,是建设项目管理的核心。 其

明确了建设单位与施工单位双方权力和义务,并作为

处理施工过程以及结算过程中。 争议和纠纷的法律

依据。

合同管理在项目建设过程中,没有发挥应有的作

·80· 福 建 建 筑 2023 年

用,合同流于形式,合同条款不全、不规范、不严密的

情况时有出现[6]

。 施工企业不仅要重视合同管理,还

要增强合同意识。 对招标文件、合同文件等要进行文

本深度分析和比对,确认其招标文件与合同文件无冲

突,确保招标文件及合同文本内容的合法性、合理性,

并对合约类文件的逻辑性、完备性、一致性等进行

排查。

针对合同与招投标文件的矛盾点、合同中的疏

漏、合同施工范围不明确、含义不清晰、责任义务未明

晰等问题,及时提出书面反馈,发承包双方在施工前

达成一致共识,减少履约过程中的纠纷,合理保护双

方的权益。

在施工项目开始时,施工单位应重点梳理合同条

款,并针对建设工程合同,对项目管理人员进行详细

合同交底,加深项目管理人员对合同条款的理解。 在

施工过程中,动态跟踪合同履约情况,风险量化处理,

保证双方的权责划分清楚。 在结算中,秉承实事求是

的精神,按合同条文约定践行。

3. 5 施工企业强化结算管理

施工企业强化结算管理,在结算编制完整的基础

上,增加结算自审,做好工程结算质量把控。 施工企

业可根据实际结算时间的紧迫性以及人员投入产出

比等方面,决定自身结算自审的方式。 工程结算审核

方法有:全面审核法、分组计算审核法、对比审核法、

标准预算审核法等。 对于普通的住宅项目,可采用对

比审查法。 相似的建筑工程在各个环节都具有一定

的相似性,可以通过类比的方式对建筑工程进行比

对,从而计算出建筑工程的各项指标。 按照各项指标

和信息数据内容横向比对结算项目的指标,减少结算

编制过程中常见的计量计价失误问题[7]

。 同时,也可

以结合分组计算审核法,通过分别审核的方法确保整

体审核的精确度,将具有一定联系的工程内容划分到

相同的小组,不同楼栋的相同分项可以统一计量、计

价方式,以此提高自审的效率。

4 结语

工程结算贯穿整个项目施工管理的过程,是项目

管理水平在经济价值上的体现,更是对施工单位的经

济利益有着直接的影响。 要高效推进结算工作,需要

不断强化造价人员的专业素养,构建完善的施工单位

结算管理体系,规范造价工作日常管理。 充分利用信

息化手段带来的便利,将结算工作在日常施工管理过

程中强化和细化,收集完整的结算证据链,让管理行

为有迹可循,保证结算编制的完整性和准确性,顺利

推进工程结算。 造价管理体系的规范化、科技化转

变,必将推动建筑企业的持续性发展。

参 考 文 献

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2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

基于不同电缆土建通道型式的工程费用

敏感性及预测模型研究

缪胜光 黄建涛 罗福多 文 凯 刘其灵

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350001)

摘 要:近年来,随着线路走廊趋紧,缆化工程逐年增加,为了更好把握电缆建筑工程费用水平,通过理论分析和样本

数据筛选,识别并确定影响土建通道费用的主要因素,进而分析研究既定条件下不同电缆排布方式和支护方案对各类

通道费用的敏感性。 为此,在假定的设计条件下,改变通道尺寸,进行数据模拟计算,构建了不同电缆通道型式的费用

预测模型,并通过了有效性检验。

关键词: 电缆通道;费用敏感性;预测模型

中图分类号:TU723. 3 文献标识码:A 文章编号: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

作者简介:缪胜光(1985. 11 - ),男,高级工程师。

E-mail:miaosg2022@ 126. com

收稿日期:2023 - 01 - 30

0 引言

步入 21 世纪以来,随着我国社会经济的跨越式

发展,缆化工程越来越多,而电缆通道建筑工程费用

占比较高,它的造价高低,是缆化项目可行性的重要

影响因素。 本文针对不同电缆通道型式的造价主要

敏感因素研究,有以下几个方面的重要意义:第一,可

以为投资决策提供基础数据,让投资者能够在没有详

细设计方案的时候,对主要影响投资的因素进行合理

判断和控制,也能够依据主要敏感因素进行初步的估

算,对方案进行经济比较或筛选。 第二,通过不同电

缆通道型式的造价影响因素对应造价水平分析,研究

制定不同技术条件下工程造价预测模型,从而合理管

控设计工程量,为项目提高各阶段造价精益化水平。

1 研究思路

35 kV -500 kV 电缆工程中,占比最大的是 110 kV,

且其他电压等级受各类条件限制,其通道型式种类较

少,不够齐全,因此,本文只针对 110 kV 电缆工程的

通道型式进行研究。 以国家的技术规范标准以及电

网工程建设预算编制与计算规定(2018 版) 为基础,

首先根据专家经验,采用鱼骨图分析、过程分析等方

法理论,分析遴选出排管、电缆沟、隧道、顶管四种不

同通道型式的造价影响因素,再依托案例工程数据,

分析影响因素的敏感性。 借助系统分解 - 集成理论,

分别构建排管、电缆沟、隧道、顶管四种通道型式的费

用模型。

2 电缆通道造价敏感因素识别

2. 1 理论分析

地下高压电缆的土建通道型式有许多种,常见的

排管、电缆沟、电缆隧道、顶管。 电缆周围媒质的热阻

·82· 福 建 建 筑 2023 年

会直接影响电缆的载流量,电缆通道型式不同,其载

流量不同。 载流量过大,电缆导体会因为超温而加速

老化,甚至热击穿;如果载流量过小,会造成投资成本

过大,带来极大浪费。 因此,通过对电缆工程技术及

经济性进行合理分析,有利于指导电缆工程投资方案

的决策,充分地发挥电力电缆线路的输电潜能。

工程实践中,采用哪种通道型式,需要根据工程

实际现场施工地下管线的复杂程度、地质条件、技术

方案需求等方面来确定[1]

。 本文只研究在既定条件

下,各类通道型式工程造价的影响因素,通过了梳理

以往电缆工程的建设情况,结合专家经验,采用鱼骨

图分析、过程分析等方法,筛选电缆各通道型式的工

程费用影响因素。

2. 2 影响因素

电缆通道本体工程造价由四个分部工程构成,包

括土石方费用、通道浇筑费用、井浇筑费用、支护费

用。 影响这些分部分项工程的因素,有以下几点:

(1)土石方费用,影响土石方费用的因素主要是

土石方开挖费用、运输费用、回填费用。 以上费用均

与工程量有直接关系。 假定工程量不变的情况下,再

探研土石方费用计价的影响因素。 土石方的开挖根

据施工工艺区分人工开挖和机械开挖,开挖的土质区

分为普通土、坚土、松砂石、岩石、泥水、流沙、干砂、水

坑,不同的土质,不同的开挖方式费用均有差异。 运

输费用与运输方式、运输距离有关,人机配合运输还

是纯机械装载卸,费用均由差异。 回填费用与回填的

材质有关,一般有回填原状土和回填砂两种。

(2)通道浇筑费用,影响电缆沟浇筑费用的影响

因素。 主要有主体砼的工程量、垫层工程量、钢筋工

程量、预埋件工程量、防水工程量、保护管工程量。 主

体砼、垫层、钢筋、预埋件,均按相应工程量计价,工程

量越大,费用也就越大。 预埋件包括了接地扁钢、铁

件、电缆哈芬槽等工程量。 防水包括防水涂料和防水

卷材,防水面积越大,工程量也就越多,费用与其呈正

相关。 保护管是电缆敷设在排管中的保护材料,根据

排管中设计的孔数和大小来确定数量及孔径,孔数越

多,保护管也就越多,每延米排管中保护管的数量也

就越多,费用相应增加。

(3)工井费用,影响接头井浇筑费用的影响因

素。 主要有工井主体砼的工程量、垫层工程量、钢筋

工程量、预埋件工程量。 工井主体砼、垫层、钢筋、预

埋件,均按相应工程量计价,工程量越大,费用也就越

大。 防水包括防水涂料和防水卷材,防水面积越大,

工程量也就越多,费用与其呈正相关。

(4)支护费用,影响支护费用的因素主要和支护

方案有关系。 常用的支护方案,有拉森钢板桩支护、

高压水泥旋喷桩支护、灌注桩支护、混合支护。 拉森

钢板桩支护费用包括打拔费用和钢板桩租赁费用,费

用与钢板桩重量呈正相关。 旋喷桩支护费用与桩长

和水泥含量呈正相关。 灌注桩支护费用包括钻孔费

用和混凝土浇筑费用,费用与其工程量呈正相关。 混

合支护是以上支护方案的组合,其费用与各自方案工

程量有关。

3 影响因素造价敏感度分析

3. 1 不同通道型式的造价影响分析

电缆通道型式的选择,应视工程条件、环境特点、

负荷、电缆类型、数量等因素,且按满足运行可靠、便

于维护的要求和技术经济合理的原则来选择。 通常

选择的电缆通道类型有拉管、桥架、排管、电缆沟、电

缆隧道、顶管等。 本文主要针对 110 kV 典型线路工

程的常用的通道型式进行研究,包括排管、电缆沟、电

缆隧道、顶管 4 种类型。

通过福建省 2019 - 2020 年 110 kV 线路 43 个样

本工程,对比了 4 种电缆通道型式的造价情况,顶管

> 电缆隧道 > 电缆沟 > 排管。 4 种电缆通道型式的

综合单价中,通道浇筑费用占比最大(34% ~ 62% ),

其次是通道支护费用(23% ~ 34% ),而后是土石方费

用(9% ~ 30% ),井浇筑占比较小(除排管工井外),排

管工井占比大的原因是假设研究路径长度为 1000 m,

电缆沟、电缆隧道、电缆顶管在此范围内配置的井数量

少,占比仅2% ~5% 。 但是,排管一般需要每间隔50 m

设置一个,因此,井浇筑费用占排管综合单价的比例

26%就比较突出。

3. 2 不同电缆排布方式的造价影响分析

根据上文的分析发现,各类通道影响造价占比较

大的是通道浇筑费和支护费,通道尺寸是直接影响通

道浇筑费用的主要影响因素。 但是,影响尺寸的外在

因素有输送容量、载流量、运维便利性等,于是假定在

既定的输送容量和电缆截面前提下,满足各种外在设

计条件情况下,分析不同的电缆排布方式对通道工程

造价的影响[2]

。

以福建某线路工程作为样本,要求单回线路最大

输送容量按不低于 94MVA 考虑。 利用新建电缆沟、

排管及顶管沿线下钻排尾路、长乐路、光明港、长河

路。 沿线地层主要以第四系填土、冲淤积及坡残积地

层为主,基底为燕山晚花岗岩。 在既定的设计条件

下,对比不同通道型式的造价影响情况。

2023 年 08 期 总第 302 期 缪胜光,黄建涛,罗福多,等·基于不同电缆土建通道型式的工程费用敏感性及预测模型研究 ·83·

电缆的常规布置方式主要有两种:水平排列、三

角排列(品字形)、垂直排列。 不同的排布方式对通

道的尺寸大小也有影响。 由于排管通道没有三角排

布,因此,下文只研究电缆沟、电缆隧道、电缆顶管三

种通道型式。 在计算通道尺寸时,需要根据《城市电

力电缆线路设计技术规定》 (DL / T 5221 - 2016)中的

相关规定执行。

3. 2. 1 电缆沟工程造价

(1)水平排列根据案例工程实际情况,电缆外径约

为100 mm,相间距取130 mm,蛇形波幅取 100 mm,则所

需的支架净长度为660 mm;另外侧壁角钢固定件也会占

用支架的净空间。 按照 100 mm 考虑,考虑结构的误差,

因此,建议支架横向总长度取800 mm。 电缆层间净距按

要求不小于表1 的要求,最小为300 mm。 考虑电缆沟散

热截面对电缆载流量影响,层间距增加到400 mm。

(2)三角排列时,在考虑电缆沟散热截面对电缆

载流量影响后,三角排列比水平排列支架净空间可缩

短一根电缆外径的距离。 因此,建议支架横向总长度

取 700 mm。 电缆层间净距与水平排列一致。

(3)垂直排列时,110 kV 电缆外径约为 100 mm,

蛇形波幅取 100 mm,则所需的支架净长度为 400 mm;

由于支架承重较小,侧壁角钢固定件可适当减小为

50 mm。因此,建议支架横向总长度取 450 mm。

电缆层间净距按要求不小于表 1 的要求,最小为

200mm。 考虑电缆沟散热截面对电缆载流量影响,层

间距增加到 350 mm。

表 1 电缆沟不同排布方式下的费用敏感性

序号 排布方式 土石方费用(元/ m) 浇筑费用(元/ m) 支护费用(元/ m) 合计(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

三角较水平减少值 - 122 - 115 - 42 - 278

敏感度 - 7. 69% - 3. 14% - 1. 47% - 3. 43%

5

三角较垂直减少值 - 683 - 562 - 779 - 2023

敏感度 - 31. 80% - 13. 66% - 21. 65% - 20. 52%

通过改变排布方式,通道的造价也随之改变。 根

据上表的对比发现,三角排布方式的造价 < 水平排布

方式的造价 < 垂直排布的造价。 三角排布的电缆沟

综合单价为 7838 元/ m,经济性最优,较水平排布的综

合单价降低 3. 43% ,较垂直综合单价降低 20. 52% 。

从变化幅度看,土石方的敏感性最大,而土石方的变

化,受尺寸变化后开挖及回填砂量的影响。

3. 2. 2 隧道通道工程造价

隧道敷设的水平排列方式下,考虑支架的水平净

长度与电缆沟一致。 根据《电力工程电缆设计标准》

(GB50217)规定,隧道的净高不宜小于 1900 mm。 考

虑到 灯 具 及 隧 道 内 底 部 垫 层 的 影 响, 净 高 取

2100 mm。三角排列和垂直排列同上考虑,各项费用

对比情况如表 2 所示。

表 2 隧道不同排布方式下的费用敏感性

序号 排布方式 土石方费用(元/ m) 浇筑费用(元/ m) 支护费用(元/ m) 合计(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

三角较水平减少值 - 107 - 144 - 25 - 275

敏感度 - 5. 59% - 2. 61% - 0. 49% - 2. 19%

5

三角较垂直减少值 - 289 - 438 54 - 672

敏感度 - 13. 78% - 7. 53% 1. 07% - 5. 19%

通过改变排布方式,通道的造价也随之改变。 根

据上表的对比发现,三角排布方式的造价 < 三角排布

方式的造价 < 垂直排布的造价。 三角排布较水平排布

的综合单价降低 2. 19% ,较垂直综合单价降低 5. 19% ,

从变化幅度看,也是土石方的敏感性最大,而土石方的

变化,受尺寸变化后开挖及回填砂量的影响。

·84· 福 建 建 筑 2023 年

3. 2. 3 顶管通道工程造价

顶管与隧道一样,都有进人的要求,对运维通道的

要求一致,人行通道净高不小于1900 mm。 由于顶管形

状为圆形,空间利用率不高[5]

,考虑灯具及运维通道垫

层的影响,确定顶管内径为 Φ2200 mm。 不同排布方式

下,顶管通道的尺寸未发生改变,因此在本案例工程条

件下,不同排布方式不改变顶管通道的造价。

3. 3 不同支护方式的造价影响分析

支护方式是影响通道造价的另一个重要因素。

同上,基于案例工程在既定的设计条件下,分析常用

的支护方式对造价影响的差异性[3]

。 由于排管埋深

较浅,采用支护的概率较小,若采用,一般也只是拉森

钢板桩。 顶管一般也不采用支护,只有电缆沟、电缆

隧道才有不同支护方案的对比。

基于上述工作常遇到的两种支护方案,在假设

槽宽 2 m,槽深 6 m 的情况下,拉森钢板桩方案:采

用 U400 × 170 型,型钢围檩采用 WH400 × 400 × 13

× 12 型钢,钢管撑采用 D380 × 12。 灌注桩与旋喷

桩组合方案:灌注桩直径为 1000 mm,灌注桩桩顶

部,设置 1200 mm 宽 × 800 mm 高的冠梁,提高支护

整体性。 灌注桩支护中心距为 1. 3 m,灌注桩中间的

空隙采用直径 800 mm 双管法高压旋喷桩,进行止水

挡土,旋喷桩与灌注桩的咬合宽度不小于 150 m,减

小基坑周围土体变形。 在对支护路径长度为 50 m 范

围进行两个方案的测算,发现灌注桩与旋喷桩组合方

案比拉森钢板桩方案的造价费用高出了 3. 07 倍。 若

埋深每增加1 m,拉森钢板桩方案综合单价将增加约

673 元/ m,灌注桩与旋喷桩组合方案综合单价将增加

约 2746 元/ m。

4 电缆通道费用模型构建

将上文中各类通道型式的主要影响因素量化,并

进行了数据初始化的模拟。 因各类通道配置的工井

需要,根据不同的设计条件来决定,且差异较大。 此

外,发现通过通道尺寸折算成净空体积,它与土石方

和通道浇筑费用具有密切的相关性,支护与布置长度

有密切的相关性。 因此,在构建费用模型时,引入两

个自变量参数 α(净空体积)和 β(支护长度),因变量

通道费用 Y

[4]

。 基于在对 88 个样本,构建了如下数

据模型,并通过了有效性检验。

(1)设定排管通道费用 Y 为因变量,排管体积 α

和支护长度 β 为自变量,通过对 21 个样本进行多元

回归数据分析,结果如表 3 所示。

排管通道综合费用模型为: Y = 0. 5242 × α +

0. 9905 × β + 0. 0506。

(2)设定电缆沟通道费用 Y 为因变量,电缆沟净

空体积 α 和支护长度 β 为自变量,通过对 27 个样本

进行多元回归数据分析,结果如表 4 所示。

表 3 方差分析

df SS MS F Significance F

回归分析 2 0. 056797 0. 028399 7827280 6. 53E - 14

残差 19 1. 45E - 08 3. 63E - 09

总计 21 0. 056797

Coefficients 标准误差 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

回归分析 2 0. 466706 0. 233353 77. 43244 5. 19E - 05

残差 25 0. 018082 0. 003014

总计 27 0. 484787

Coefficients 标准误差 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 总第 302 期 缪胜光,黄建涛,罗福多,等·基于不同电缆土建通道型式的工程费用敏感性及预测模型研究 ·85·

电缆沟通道综合费用模型为:Y = 0. 0604 × α +

1. 476 × β + 0. 2847。

(3)设定电缆隧道通道费用 Y 为因变量,电缆隧

道净空体积 α 和支护长度 β 为自变量,通过对 27 个

样本进行多元回归数据分析,结果如表 5 所示。

电缆隧道通道综合费用模型为:Y = 0. 0867 × α

+ 0. 8959 × β + 0. 5066。

(4)设定电缆顶管通道费用 Y 为因变量,顶管净

空体积 α 为自变量,通过对 13 个样本进行多元回归

数据分析,结果如表 6 所示。

表 5 方差分析

df SS MS F Significance F

回归分析 2 0. 128428 0. 064214 1141. 907 1. 8E - 08

残差 25 0. 000337 5. 62E - 05

总计 27 0. 128766

Coefficients 标准误差 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

回归分析 1 1. 060307 1. 060307 6420. 43 1. 45E - 07

残差 12 0. 000661 0. 000165

总计 13 1. 060968

Coefficients 标准误差 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

电缆顶管通道综合费用模型为:Y = 0. 2899 × α

+ 1. 2094。

5 结论

针对电缆工程排管、沟、隧道、顶管四种不同通

道型式,通过理论分析通道造价的敏感影响因素土

石方、通道浇筑、井浇筑、支护等。 通过样本数据统

计,每延米综合单价顶管 > 电缆隧道 > 电缆沟 > 排

管。 4 种通道的综合单价中,通道浇筑费用占比最大

(34%~ 62% ),其次是通道支护费用(23% ~ 34% ),而

后是土石方费用(9%~ 30% ),井浇筑占比较小(与方

案相关)。

通道浇筑与土石方主要受尺寸影响。 为此,研究

在既定设计条件下,电缆布置方式影响尺寸对造价的

影响。 在电缆沟通道内,三角排布综合单价的经济性

最优, 较 水 平 排 布 降 低 3. 43% , 较 垂 直 排 布 降 低

20. 52% 。 若在电缆隧道通道内,三角排布的综合单

价经济性最优,较水平排布降低 2. 19% ,较垂直排布

降低 5. 19% 。 因此,顶管通道内排布方式未改变尺寸

影响造价。

支护方案的差异,通过分析拉森钢板桩较灌注桩

与旋喷桩组合更经济。 若埋深每增加 1 m,拉森钢板

桩方案综合单价将增加约 673 元/ m,灌注桩与旋喷桩

组合方案综合单价将增加约 2746 元/ m。

根据不同技术方案,对应通道的造价数据进行了

数据初始化处理,然后利用数据分析软件对提取的造

价影响因素指标的对应工程量、综合造价进行相关性

分析,建立了不同通道型式的工程费用预测模型,并

通过了有效性检验。

参 考 文 献

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2023 年第 08 期

总第 302 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 08·2023

Vol·302

人工智能(AI)在建筑物构件损坏辨识中的应用研究

陈宗珷1,4 许筠曼2 许舜翔2 张家铭2 陈俊仲3

(1. 厦门振敦工程咨询有限公司 福建厦门 361000; 2. 台湾大学 台湾台北 10617;

3. 台湾地震工程研究中心 台湾台北 10617; 4. 福建省土木建筑学会 福建福州 350001)

摘 要:建筑物施工开挖常造成邻房损害事件发生。 因此,须办理现况鉴定、损邻鉴定,以厘清建筑物是否为施工开挖

造成损坏或是其他原因,如耐久性损坏及震损。 常见之损坏,如混凝土剥落,造成钢筋外露、渗漏水、白华壁癌、裂缝

等。 为此,研究目标为利用人工智能中的深度学习模型,分别为对象侦测(YOLO - v5)与实例分割(Mask R - CNN)两

种影像辨识模型,并以辨识常见之建筑物耐久性损坏,辅助现况鉴定人辨识并评估建物损坏程度。 除了分析介绍模型

训练的原理与方法,以及用来判断训练结果的指标意义外,亦说明本研究模型选择的依据与训练策略。 研究将以桃园

市某小学之走廊作为实际案例,并以固定拍摄手法,以取得图像映像场域之相对位置。 检测区域纪录完成后,再将拍

摄的影像分别输入于训练好的 YOLO - v5 作对象侦测,以及 Mask R - CNN 作影像分割,成功研发了深度学习模型。 目

前,人工智能于建物损坏识别已能够在特定检测目标达约八成之检测精度。 具有侦测框之 YOLOv5 模型可应用于辨

识壁癌渗水之耐久性损坏类型,而具屏蔽之 Mask R - CNN 模型可应用于辨识裂缝。

关键词: 耐久性损坏;人工智能;钢筋外露;壁癌;渗水;裂缝

中图分类号:TU18 文献标识码:A 文章编号: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

基金项目:福建省科协服务 “ 三创” 优秀学会建设项目 ( 闽科协学

〔2019〕8 号)

作者简介:陈宗珷(1978 - ),男,土木技师。

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区,大型建筑

工程伴随深开挖之施工工程情况,屡见不鲜。 因建物

紧邻或栋距较近,施工开挖常造成邻房损害之“ 损

邻”事件发生。 因此,地方政府会要求施工单位出具,

由第三方公正单位调查的“邻房现况鉴定报告”

[1]

。

此报告用以记录开工前,周边建物的状况,一旦发生

损邻事件,将依据报告内容比对施工前后损害状况,

借此判定责任之归属。 由于建筑物随着屋龄增加,会

有耐久性损坏发生,如混凝土剥落造成钢筋外露、渗

漏水、白华壁癌、裂缝等现象,或因地震造成裂缝等状

况。 因此,鉴定技师于鉴定目标物办理现况调查及损

坏调查工作时,须详实记录开工前建筑物之损坏状况,

以理清施工后造成建筑物损坏是否加剧。 同理,施工

后造成损邻争议事件时,须办理损邻调查及损坏调查

工作,以比对现况鉴定之损坏调查纪录,分析鉴定目标

物是否因邻房施工而造成损坏。 然而,办理鉴定工作时,

须进入鉴定目标物之屋内进行拍照存证。 为避免影响住

户之生活,往往能够停留之时间较短。 如何能够有效率

且准确地完成建筑物的现况调查,则为鉴定技师需面临

2023 年 08 期 总第 302 期 陈宗珷,许筠曼,许舜翔,等·人工智能(AI)在建筑物构件损坏辨识中的应用研究 ·87·

的课题。 本文将分析介绍 AI 影像辨识能力及深度学习

能力如何提升鉴定工作之效率及准确性。

AI 人工智能已于各行各业有实际的应用案例,例

如医疗保健方面持续开发依赖 AI 技术帮助患者的设

备。 Cambio Health Care 是位于瑞典的医疗照护机构,

开发了应用于预防中风的临床决策支持系统,可以在

有患者有可能中风风险时,向医生发出警告。 在汽车

工业方面的应用,AI 技术在特斯拉的自驾车中实现了

计算机视觉、图像检测和深度学习,以制造能够自动识

别物体,并在无须驾驶干预的情况下自动行驶汽车。

相较于医疗、金融、汽车,营建工程导入 AI 技术的使用

则起步较晚。 在营建产业方面的应用,日本清水建设

(Shimizu)日前宣布,AI 建筑机器人,透过感知器的链

接与传递坐标及讯息,可以在建筑工地工作,如“天花

板施工机器人”“焊接机器人”“建材搬运机器人”。 本

文将借由人工智能(AI)之影像辨识能力及深度学习能

力,透过耐久性损坏的案例进行训练,并发展出能够协

助鉴定技师进行现况调查之 APP 系统,不但可以提升

鉴定工作的效率,亦尽可能代替鉴定技师找出潜在损

坏的位置,进一步更可能实现自动产出鉴定纪录表及

损坏照片记录与损坏数量。

1 文献回顾

近年来,在平行运算实现了神经网络训练的可能

性后,人工智能中的深度学习模型,因其突破性的效能

而逐渐受到重视,相关研究与方法如雨后春笋般出现

在各个领域,应用层面包含数据预测、影像分析和自然

语言处理等。 本研究以发展影像辨识方法为目的,并

以建筑损坏为目标,根据预测的形式,又可以分为对象

侦测 (object detection)

[2]与影像分割 (image segmentation) 等方法,不同方法预测之结果如图 1 所示。

图 1 影像辨识示意图

以下将回顾整理过往深度学习于影像辨识之模

型,以及应用于损伤辨识的相关研究。

1. 1 影像辨识

过往研究为了于影像中准确地定位并分类目标对

象,提出了不同结构的神经网络。 其中,以卷积神经网

络 (Convolutional Neural Network,CNN) 对于影像特征

提取的能力最佳,能有效去除不必要的背景噪声。 卷

积神经网络一般由卷积层、池化层与全连接层等组成,

训练的过程,为将输入的影像以滤波器 (filter) 进行卷

积运算,提高重要特征权重,再利用池化层滤除不重要

的信息,最后以全连接层,将原先三维的影像输入对应

至一维的类别预测输出,预测的结果再与人工标签

(label) 比对,并由比对计算得到的损失结果,以反向

梯度传播的方式更新模型各层之权重,借此训练模型

辨识目标对象。 卷积神经网络在不同影像辨识任务皆

取得卓越的表现,其中包含对象侦测与影像分割,故本

节主要以回顾卷积神经网络相关研究为主。

首先, 对象侦测方法大多由影像分类 ( image

classification) 与对象定位( object localization) 组成。

即对象侦测会先预测目标于影像的范围,并就范围内

的特征进行分类,最终将两者结合作为侦测的结果。

而对象侦测采用矩形的对象框 ( bounding box) 来定

义对象于影像中的位置,模型大多设计以预测中心坐

标及长宽等对象框属性。 而基于卷积神经网络的对

象侦测模型,较具指针的有以 R - CNN 为基础的系列

模型,依提出时间的先后顺序,有 R - CNN、Fast R -

CNN 与 Faster R - CNN,其为两阶段预测的模型架构;

另外,取名自 You Only Look Once 的 YOLO 也为代表

性方法,其方法特色,为能够实时地进行侦测。 而从

2016 年提出至今,也有了第五代的改良研究,属于一

阶段的模型架构,可以实现端到端 ( end - to - end)

的训练。

相较于对象侦测以预测目标的矩形框范围为目

的,影像分割则是进一步达到像素级的定位预测,其

中又分为语义分割 (semantic segmentation) 与实例分

割 (instance segmentation)。 前者为分类影像中的每

个像素,但并未区分同一类别的不同个体;而后者则

是除了像素分类外,也辨别其属于的个体。 因此,方

法设计较为复杂,训练上也更具挑战性。 由于对象侦

测已具备优良的个体辨识能力,即预测的矩形框皆仅

有单一个体,若能利用这样的特性,模型仅需对其预

测范围内进行影像分割,提高训练成功率。 这样的想

法,最终在 He et al.

[3] 提出的 Mask R - CNN 获得较

完善的实践。 研究于原先具备良好侦测能力的 Faster

R - CNN 模型上,另外增加影像分割的分支,由于该

分支输入仅为侦测范围的影像,而经过卷积运算与池

·88· 福 建 建 筑 2023 年

化层后产出的特征图,大小与原图不同。 为整合该分

支预测结果与训练模型,作者提出 RoIAlign 的方式,

并取得良好的辨识成效,此一多任务学习的架构也被

后来研究者广泛采用。

1. 2 影像损坏辨识之应用

影像损坏辨识大多用于结构物营运维护阶段之

巡检,此阶段和建筑寿命与结构安全息息相关。 其

中,目视检测为最常使用之手段,属于非接触式检测

方式,检测人员透过拍照来纪录损坏的外观。 因此,

每次检测后,皆会有相当多的影像纪录数据,后续仍

需再由人工进行整理与判识。 随着影像分析技术发

展,相关辨识方法的准确性也大幅提升,有望自动化

取得影像重要信息,借此改善既有之检测流程与工

具,辅助检测人员内外业的相关工作。

为评估损坏对结构之影响,需要其所在位置与范

围尺寸等数据,其中损坏辨识旨为取得损坏于影像中

之位置,帮助检测人员得以于陌生环境中快速定位可

能之损坏。 为实现此一目的,过往研究大多以传统计

算机视觉方法或深度学习模型来分析影像。 举例来

说,Liu et al.

[4]便是利用图像处理将影像背景减去,

再将混凝土裂缝分解成主骨架和边缘,而根据裂缝主

骨架方向绘制法线,以计算出裂缝宽度。 Ghanta et

al. ,

[5] 则是利用影像前处理预测高速公路钢桥的锈

蚀位置,再将提取的特征向量,利用小波转换 (wavelet transformation) 计算影像中含锈蚀的比例。 除此

之外,也有基于深度学习的辨识方法,如 Zhang et

al.

[6]提出一语义分割模型 - CrackNet,以识别道路铺

面裂缝,并取得了约 9 成的精确率 ( Precision) 与召

回率 (Recall)。 Hoskere et al.

[7] 结合 DCNN 模型和

全卷积网络辨识六种损伤,其中包含混凝土剥落、裂

缝与钢筋外露等,利用影像分割预测损伤轮廓边界至

像素等级,也达到良好的检测成效。 上述研究皆利用

影像辨识方法以预测损坏位置和种类,并得到了不错

的成效,证实相关技术已渐趋成熟,已具备应用于实

务检测之可行性。

除了损坏所在位置外,评估对结构安全的影响

时,损坏尺寸也是必要的信息之一。 然而,现行做法

大多仍需额外藉由工具进行量测(如卷尺),而搜集

到的数据也得额外进行整合。 为提升检测记录的效

率,也有研究提出影像量测的相关方法,如此一来,便

能于拍照纪录损坏的同时得到其范围尺寸。 现行影

像量测以取得照片坐标与真实世界坐标转换关系为

目的,若能得到准确的转换矩阵,便能计算出影像辨

识范围的真实尺度。 因此,Sadreddini et al.

[8] 以透视

图中建物室内地板的消失线为基准,透过单相机连拍

影像,并以霍夫转换 (Hough transform) 提取目标物底

部的消失线,再以像素为坐标单位,透过消失线方程

式,得到坐标转换矩阵,计算出目标物和相机间的距

离,可应用于大多数建物室内之影像。 另一方面,Pang

et al.

[9]同样仅使用单相机拍摄,利用影像中已知事物

的合理尺度范围,如人类双眼瞳孔距离,并与其对应相

片中的像素数量,回推得出人与相机间的距离。 然而,

单相机须满足特定的拍摄手法或场景。 为降低影像量

测的限制,提高方法的泛用性,亦有研究基于双相机系

统提出量测方法。 如谢承颖[10] 以双相机拍摄混凝土

表面,先利用深度学习模型 - Faster R - CNN 辨识裂缝

位置,并利用影像校正与特征点匹配等方法,经矩阵转

换计算出裂缝的长度与宽度,方法实验的误差范围小

于 5% 。 上述研究皆提出不同的影像量测方法,以获得

目标物之尺度信息。 惟现阶段仍尚未有全面的解法,

各方法于应用上皆有其自身的条件与限制。 因此,若

要进一步结合影像辨识来辅助结构检测,因就检测的

场域与设备,选择适合的量测方法。

深度学习于影像辨识方法已渐趋成熟,不同研究

也证实其能应用至损坏辨识的任务上。 因此,若能结

合相关影像量测的方法,进一步整合应用建物损坏的

检测作业,将能大幅提升检测工作的效率,降低时间

成本与人力成本。 本文以开发一整合性系统为目标,

透过实际场域验证损坏辨识之成效,探讨可能遇到的

问题与挑战。

2 人工智慧(AI)辨识耐久性损坏原理

技师于办理现况鉴定、损邻鉴定或是安全鉴定工

作时,常见之耐久性损坏包含“钢筋外露” “壁癌渗

水”与“裂缝”等三种类型。 如遇有争议性案件,如损

邻鉴定时,对于损坏数量、位置及范围之研判结果,将

影响关系人之权益[1]

。 而本研究目标为利用人工智

慧中的深度学习模型,分别为物件侦测与实例分割两

种影像辨识模型,并以辨识上述三种常见之建筑物耐

久性损坏,辅助现况鉴定人员辨识并评估建物损坏程

度。 本章节除了介绍模型训练的原理与方法,以及用

来判断训练结果的指标意义外,亦说明本研究模型选

择的依据与训练策略。

2. 1 原理概述

本研究所使用的深度学习影像辨识模型,需经过

训练来学习各种损坏的外观特征,方能从影像中有效

辨识不同损坏类别。 而准备影像资料为模型训练的

第一步,使用的资料来源,包含实际建物损坏案例、国

震中心勘灾资料库、网路搜集的公开影像,以及作者

自行拍摄的相关影像。 这些多种资料来源,可确保训

练用资料的多样性,有助于模型学习到更泛用的损坏

特征。 但各损坏类别比例不能差异过大,否则模型学

2023 年 08 期 总第 302 期 陈宗珷,许筠曼,许舜翔,等·人工智能(AI)在建筑物构件损坏辨识中的应用研究 ·89·

习时,容易忽略样本数较少的类别,影响辨识成效。

搜集完的资料,再进一步挑出品质较好的影像作后续

标注,即损坏外观成像清晰与特征明确等,其馀则作

为测试资料集。 本文仅使用并标注约六成的影像资

料,挑出的影像于标注时应确保原则一致,避免造成

模型学习混淆。 标注完成后,再将标注资料依 7 比 3

的比例,切分为训练与验证资料集,且为依照各损坏

种类进行切分,确保类别比例与原始资料相同,如表

1 所示。 为训练模型,除了需要前述的标注资料以

外,也需设定相关的超参数 ( hyperparameter)。一般

有学习率 ( learning rate)、批次数量 ( batch size)、迭

代次数 (epoch) 等,超参数的数值一定程度影响模型

训练成效,其由人为任意设定,通常是研究者以自身经

验或利用试误法来决定较适合模型的组合。 当有了上

述的训练资料与超参数设定后,便能够开始训练模型。

训练过程中,可以损失函数的变化观察模型学习

情形,损失函数为真实值与模型预测值的残差,即预

测的侦测框或分割结果与人工标记范围的差异。 若

模型分别于训练与验证资料计算出的损失皆趋于一

近于零的最小值,表示模型有成功学习,如图 2 所示。

相反,若损失高居不下,则表示模型训练失败,而此情

形根据发生在不同的资料集而有不同的意义。 首先,

若是训练资料的损失高居不下,则视为模型欠拟合

(underfitting),此时应检讨模型超参数设定,视情况

调整学习率等;或是确认资料标注是否正确,也可能

是模型不足以应付资料的複杂度小,惟前两者较为常

见。 另外,若损失于训练资料集正常下降,反而验证

损失仍维持在高点,则为过拟合 (overfitting) 现象,即

代表模型虽然在训练资料表现良好,但并未真正学习

到损坏的外观特征。 此时,最有效作法,应为增加资料

的数量与多元性,又或是可以进一步区分简单与困难

的资料样本,并将较困难的样本作为训练资料。 本研

究训练模型时,为避免过拟合情形发生,采用资料增强

手法扩增训练资料,将现有资料经翻转、平移、裁切与

饱和度调整等方式产生新资料,采用迁移式学习,将公

开资料集预训练的模型权重作为初始值。 除了加速模

型训练以外,确保模型泛用性与学习效果。

虽然透过损失变化能判断模型是否成功收敛,但

实际模型辨识的表现仍须藉由其他指标来评估。 常

用 于 影 像 辨 识 的 指 标 为 mean Average Precision

(mAP),其综合模型辨识的精确度与召回率,可用来

评断模型预测表现和泛化程度,其值范围介于 0 到 1

之间,越接近 1 表现越佳,而指标都需要有人工标记

进行比对计算。 本研究亦有观察模型对测试资料集

的辨识表现,并综合两者进行辨识成效的比较与讨

论,如表 1 所示。

图 2 模型训练不同损失变化代表意义[11]

表 1 训练/ 验证资料集张数与各损坏类别比例

数据类型 训练张数 验证张数 范例图标

钢筋外露 56 20

壁癌渗水 89 31

裂缝裂纹 181 63

混合 20 7

总计 346 121

2. 2 对象侦测方法 - YOLO - v5

本研究实作的对象侦测模型为 YOLO - v5。 为提

升模型学习速度,YOLO - v5 使用了镶嵌图案 (mosaic) 的数据增强手法,由训练数据集中随机挑选 4 张

相同或相异损坏类别影像,将该四张影像的部分范围

拼凑成一张图片,使模型一次学习四张影像中的对象

特征。 此外,由于对象侦测目的为预测一矩形框,常

见的作法,为预先给定数个固定尺寸的 anchor boxes,

再利用模型进行尺寸修正。 因此,设定的初始值与数

量,将很大程度影响模型辨识成效。一般为求准确

性,大多保守地使用多种不同的尺寸,再由模型自行

决定是否保留,以涵盖所有可能性。 而 YOLO - v5 则

是采取主动的作法,预先从数据集中计算合理的尺寸

组合,以省去计算冗余的 anchor boxes。 另外,对象侦

测需处理影像中不同大小的对象。 由于卷积神经网

络的特性,模型输出的过程中,会逐步精炼特征图,便

容易舍弃掉小对象的信息。 而为得到较准确的矩形

框范围,也会需要原图的完整信息。 因此,为提高辨

识准确性,相关侦测方法皆会融合高低阶特征,再进