裝配式建筑豎向結構連接質量的確保與施工工藝

詹耀裕¹   廖健閔²

潤鑄建筑工程（上海）有限公司

近日有數篇文章質疑裝配式建筑豎向結構連接的完工質量，甚至建議推翻現有的連接型式，不論任何施工工藝，工程不外是由工程人員（含政府監督的專業人員）、工人與施工設備共同完成，其中工程人員需擔負絕大部分的責任，一個工程的失敗，不足以被舉證推翻所有的相同工藝，需探討失敗的原因及未來制止失敗的相應規程，就如美國垮了一座橋，就要限制美國不能再蓋相同工藝的橋一樣，不能因噎廢食，傳統現澆建筑工藝，亦有建垮的案例，但我們一般會認為與工藝無關，是施工人員未遵守規范而行所造成，相信裝配式建筑少數失敗的案例亦雷同，大都是操作失當，與工藝無關，其失敗的責任是無法推給工人（農民工）擔負的，工程人員需擔負絕大部分的責任。

裝配式建筑非新興工藝，老祖宗的裝配式木結構早已使用在諸多廟宇建筑，20世紀初裝配式混凝土建筑被開發出來，1960年流行于法、英、北歐、蘇聯等國家，早期結構系統以鉸接居多，結構剛接系統自余占疏博士(Dr. Alfred A.Yee)于1960年后期發明套筒續接器(Splicesleeve)方得以使用，并首次應用于38層樓高之裝配式建筑（阿拉莫阿納酒店,檀香山,夏威夷）的預制柱續接，此后即開創了豎向結構套筒續接之篇章，接下來的半個世紀中，套筒續接器技術一直持續在美國、日本和臺灣等地區進行改良、研發、試驗研究及應用，采用此技術的裝配式建筑結構物在全球各地已經歷了無數大小地震的考驗，而近年對套筒研究最積極與提出最多研究報告的是國內，有不少令人驚艷的成果產出。

套筒續接技術原理是將欲連接之兩段鋼筋插入套筒中，然后注入由水泥、細骨料與外加劑等組成的無收縮高強度砂漿，待灌漿料硬化后將套筒內壁與鋼筋表面緊密的結合再一起，使應力可以有效地傳遞。

裝配式建筑豎向結構的連接方式，常用有『機械連接接頭』、『鋼筋倒插入套筒』、『金屬波紋管』與『鋼筋正插入套筒』等，機械連接接頭由于是干式連接，其可靠度可輕易由實驗室印證，鋼筋倒插入套筒連接型式如下圖：

此型式之施工流程說明如下，先將底座上安裝好墊片并封模后，再把套筒內注滿高強度砂漿，接下來吊裝底端留有出筋的預制柱插入接合，使多余的砂漿溢出，此種工法可確保套筒內的高強度砂漿填充確實，當預制柱起吊時要注意防止鋼筋碰撞彎折與弄臟，在高樓層時，其柱、梁節點需采機械連接或3D節點，工藝較為復雜，故一般工藝常用于獨立基腳的基礎上，其結構連接是可靠的，唯一需管控的是高強度砂漿的攪拌，需符合砂漿廠家攪拌的規定及檢驗，此質量管控需由工程人員直接管理，監理人員在旁監管。

金屬波紋管連接，鋼筋藉由砂漿填充具備韌性的金屬波紋管的續接方式，早已被證明可以有效的傳遞拉力、壓力和剪力，且便于柱與柱、柱與基礎及剪力墻等節點的連接。國內外也皆有相關的規范或是標準，例如：國內機械行業標準JB-T6169-2006金屬波紋管中，對于金屬波紋管的結構、波紋形狀、接口形式、制造材料及檢驗規則等都有完整的說明。美國PCI Design Handbook 8TH中對于金屬波紋管的連接提出以下幾項建議，提供參考：

1.     抗拉鋼筋之錨固長度不得小于12倍鋼筋直徑。

2.     鋼筋韌性的要求須滿足耐震需求。

3.     若在結冰的氣候下，波紋套管灌漿前須避免水進入。

4.     波紋套管壁厚不得小于0.6mm，內徑與鋼筋間隙應大于12.7mm。

5.     波紋套管強度不得小于連接部位之混凝土強度以及5000psi。

6.     特殊砂漿不可含金屬成分且不可收縮。

7.     波紋套管必須被鋼筋、砂漿和混凝土充分填實，以免發生脆性破壞。

    鋼筋正插入套筒連接：

此連接方式的關鍵質量計有：1.鋼筋出筋精度的質量2.套筒與鋼筋連接的質量3.柱底與樓版面底部空氣的徹底排除4.連接成框架后結構的質量，現逐一說明各關鍵質量該如何達成與管控：

1.   鋼筋出筋精度的質量管理:

鋼筋出筋精度不精確時，是無法進入套筒的，故在樓版灌漿前，鋼筋精度的管控是非常重要，工程人員需管理每個步驟與最終的精度，并記錄每個步驟的數值，無法推責給工人，在此愿將潤泰發展出來的裝配式建筑基礎柱筋精準定位工具及定位方法向大家說明（注1）:

1.1在墊層上放樣柱邊線和中心線，精準定位柱位置。

1.2根據柱邊線和柱中心線定位并固定定位底座，此底座控制鋼筋籠的底部位置。

1.3基礎下層板筋綁扎。

1.4將下格網箍(潤泰研發的工具)固定在定位底座上，下格網箍的網格對應插入柱筋，且柱筋頂部需多留10cm的長度吸收誤差。

1.4基礎柱箍筋綁扎。

1.5基礎上層板筋綁扎。

1.6上格網箍按網格穿入對應柱筋進行安裝，上格網箍低于樓板完成面以下至少5mm。  

1.7取四只可調式定位套筒，分別安裝于四個角落的柱筋上，通過螺桿先調節好可調節套筒與柱筋的相對位置以確定好灌漿面高度，保證安裝面高度，然后再安裝定位板，最后再安裝其它的防灌漿污染套筒，其中可調節套筒的止擋凸起位于定位板下方，防灌漿污染套筒的止擋凸起位于定位板上方；調整柱鋼筋籠，以定位板比對檢核柱中心線，進入容許誤差范圍內時，則將上格網箍與附近之鋼筋焊牢，以防灌漿時移位，工程人員需留下灌漿前的精度記錄，隨時提供備查。

1.8完成基礎柱筋調整與定位故結，澆筑混凝土。

1.9基礎混凝土凝固后，柱筋出筋與上部預制柱套筒連接。樓板板面灌漿時，出筋的保護是非常重要，如果不保護，出筋外表沾滿混凝土又未敲除，直接進入套筒續接，此時高強度續接砂漿抓到的不是鋼筋，而是鋼筋表面的 混凝土，如此續接鐵定失敗。小結，續接出筋的精度與表面潔凈是鋼筋套筒續接的必檢工作，也是關鍵質量的查核點。

1.10  預留出筋精度不準的探討：

1.10.1 產生原因為未依前述正確程序施做，未在每個步驟檢核精度。

1.10.2 套筒許容誤差過小，美、日續接套筒的容許誤差為 -10mm，而國內套筒一般的容許誤差只有 -5mm～ -7mm，約為國外的1/2，故施工精度需較國外提高兩倍，另一解為改采用容許誤差為 -10mm套筒，潤泰容許誤差 -10mm的全套筒已通過檢驗。

1.10.3當發現工地出筋不準，切鋼筋絕對是錯誤的，正確的矯正程序為在鋼筋根部的混凝土去除打深2~3cm（混凝土強度需達可打石之強度），再將鋼筋以小于1:6之斜率彎至可進入套筒的位置內，此程序繁復，故最好還是將鋼筋出筋精度做準，一次做對。

2.      套筒與鋼筋連接的質量:
為確保續接套筒與砂漿質量是合格，使用的套筒與砂漿必須通過《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程JGJ355-2015》與《鋼筋連接用灌漿套筒JGT398-2012》的檢驗試驗，取得合格證明，方得使用。

每批套筒進貨時，需立即依JGT398規定抽樣套筒并進行試驗，以確保無不合格品。

套筒與鋼筋連接的質量，除套筒外尚須現場正確的灌注工序，方能確保質量； 在此將正確的砂漿施工工序，向大家說明：

2.1續接砂漿灌漿之施工工序套筒續接砂漿施工依其特性說明如下：

2.1.1先檢查套筒續接砂漿是否仍在有效期間內，超過6個月上禁止使用；3~6個月需過#8號篩去除硬塊后使用。

2.1.2續接套筒內部以小手電筒檢查，必須以高壓空氣清潔干凈。

2.1.3柱底四周封模，可采用砂漿或木材為之，必須確實避免漏漿。

2.2.4徹底檢查灌漿機具是否干凈，尤其輸送軟管不應有殘余水泥硬塊。

2.1.5攪拌水須做氯離子檢測，不能含有氯離子。

2.1.6量測并記錄當日天氣、氣溫、水溫、續接砂漿溫度與濕度。

各家材料對溫度的敏感程度不一，但都有共同點，就是溫度低時，續接砂漿強度發揮慢且弱，故在15度C以下執行套筒續接砂漿灌注時，要特別留意其強度之發揮，當需求接強度未達標時，嚴禁繼續加載于預制豎向構件上，例如版面的灌漿。

參考例：套筒續接砂漿強度對溫度之曲線  

2.1.7套筒續接砂漿用水量以產品之使用說明為準，不得任意增減用水量。 (例:潤泰-mix每包續接砂漿用水量為3.4公升 ± 0.2公升)。

2.1.8續接砂漿攪拌時間必須攪拌均勻后再攪拌2分鐘，且禁止使用鋁制攪拌器(鋁制攪拌器的鋁粉脫落會造成砂漿產生超額的膨脹率)。

2.1.9記錄流度值、濕度與溫度檢核流度值是否滿足使用廠牌所要求的數值范圍。(例：潤泰-mix的流度為20cm~30cm)

2.1.10每日均需做一組續接試體與兩組抗壓試塊，作為日后檢測所用。試體必須與現場預制柱放于相同之養護環境，并綁扎固定牢靠不受擾動。

2.1.11灌漿時由底部注入，由頂部流出至圓柱狀，方能以塑料塞塞住。

2.1.12灌漿作業之障礙處理遇有爆模必須立即處理，每支套筒內必須充滿續接砂漿，不能有氣泡存在。若有爆模污染外墻面必須立即清洗，隔日則無法處理。如果遇有無法出漿之情形，應立即停止灌漿作業，排除無法出漿之障礙。灌漿完成后必須將工作面清潔干凈，所有施工機具也一并清洗干凈。

 2.1.13合格施工人員發證之建議

       套筒續接砂漿作業于裝配式建筑的重要性就如電焊作業于鋼結構工程，我們對電焊均要求要有焊工證照，同樣地套筒續接砂漿作業建議可以考慮發照，以利管理；在發照制度未施行前，則由工程人員嚴格依施工步驟執行。例：日本東京鐵鋼所發證照。                        

3.      柱底與樓版面底部空氣的徹底排除:

當套筒與鋼筋續接無疑后，接著就要確保柱子底部無殘留空氣或氣泡，為確保空氣的徹底排除，潤泰在工藝上于柱底中心處增設了一支排氣管（注2），排氣管高度需高于套筒的上出漿高度。

 [附上印證影片:柱底灌漿有透氣管全貌_10X.mpg]

4.   連接成框架后結構的質量:

為了確保裝配式豎向結構灌漿套筒續接之安全，潤泰潤弘精密工程股份有限公司，多年前即以近實體大小之試體，針對采用灌漿套筒之預制梁柱接頭進行側力和軸力加載試驗，由滯回曲線結果顯示出預制結構之性能表現不劣于傳統結構，實驗對照照片如下：                          

另外，日本也對于預制柱構造之柱腳接縫和主筋套筒續接的影響進行側力和軸力加載試驗，亦同樣得出預制結構不劣于現澆強度之試驗結果。

國內也有不少專家學者針對這種套筒灌漿連接進行研究，例如清華大學錢稼茹教授等人(注3)利用5個剪跨比相同的剪力墻試體試驗證明：套筒灌漿連接能夠有效傳遞豎向鋼筋的應力，使用套筒連接的剪力墻破壞機理與現澆構件基本一致。

結語

裝配式豎向受力構件連接系統的可靠度在這五十多年內，全球各地區有無數多個項目可以證明在技術上及實務上是絕對可行，亦已經無數的地震考驗，這些高樓有達200多米的超高層，只要有明確清晰的施作流程和工地管理及責任體系，就能將質量維持在標準上。建筑工程的現代化在推進與發展過程中，初期因經驗不足必然會遇上些許瓶頸，在了解問題所在后，非常容易突破現有障礙，在技術與創新全面提升的同時，工程人員更應接受新工法、新觀念且同步提升管理系統，確保工程質量，迎向新時代的來臨。

注1：尹衍梁、詹耀裕，一種裝配式建筑基礎柱筋精準定位工具及定位方法(專利號：201611242386.2)

注2：尹衍梁，預鑄柱的續接外排氣結構(ZL專利號：03257075.9)

注3：錢稼茹、彭媛媛、張景明等. 豎向鋼筋套筒漿錨連接的預制剪力墻抗震性能試驗. 建筑結構.2011(2):41-46