成晓奕，郑宏伟

(1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心, 江苏 苏州 215000； 2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司, 江苏 苏州 215100)

最早的混凝土叠合结构出现在20世纪20年代的桥梁上[1]，40年代才开始在建筑上使用。50年代出现的一种新型组合结构，它是将钢梁顶部伸出一部分，并将这部分与混凝土浇筑在一起，这种结构推动了混凝土叠合楼板的发展。50年代后期出现了预应力棒与现浇混凝土组成的叠合板[2]，英国还采用过一种Myko式楼面，用轻混凝土制作槽形框架，上搁轻混凝土板，在槽形框架中浇捣部分高强混凝土，然后再在板上面现浇一层混凝土形成整体[3]。但这种平板型叠合楼板刚度不足，新旧混凝土结合面粘结力小。为了解决结合面粘结性能这一关键问题，日本的株式会社竹中工务店创新地提出在新旧混凝土结合面增设桁架钢筋，以提高上下两层结构的结合强度，从而解决板体开裂的问题，并于1989年首次在日本申请了桁架钢筋混凝土叠合楼板的专利[4]，一年后，日本的鹿岛建设株式会社在英国和美国也申请了桁架格构钢筋混凝土叠合楼板的专利。直至20世纪90年代，德国西伟德(Sievert)混凝土预制件有限公司首先开发出了在底板内配置格构钢筋的混凝土叠合板，该楼板底板在工厂中被预制后运至施工现场进行吊装，之后在其上浇筑一层混凝土形成完整结构。随后，这种结构得到了广泛的应用[5]。

从桁架钢筋混凝土叠合楼板的典型结构可以看出，其主要由三部分组成，即预制层、桁架钢筋层和现浇层。而专利，是一种法律文本，也是一种技术载体。在专利法的约束下，专利采用严谨的撰写方式，能够简明而清晰地表达出具有创新性的发明构思，可读性较强，而且专利便于检索和统计，具有信息可视化的特点[6]。基于该结构特点，本文从专利的视角，从预制层、桁架钢筋层、现浇层这三方面对桁架钢筋混凝土叠合楼板的技术发展情况进行梳理和总结。

1 桁架钢筋混凝土叠合楼板的发展情况

1.1 预制层的构造

工厂生产的预制板在现场作为永久性模板浇筑混凝土时，预制层的上表面与后浇混凝土相接触，形成新旧混凝土的结合面，对于结合面，通常需要进行凿毛、拉毛等粗糙化处理。然而，粗糙化处理的深度有限，叠合后整体性能难以保证。为了提高新旧混凝土的结合强度，1991年日本黑泽建设株式会社[7]提出了带肋预制梁，而2012年宝钢集团[8]提出了带有纵向肋的预制板，并将钢筋桁架设置在纵向肋中间，满足二次受力要求，使得楼板跨度得以加大。进一步地，欧洲于2016年提出了在预制层内设增强纤维，并使纤维露出顶面以形成粗糙面的技术方案[9]。

预制层作为楼板的一部分，除了要求其具有良好的抗弯刚度外，还需要兼顾保温、隔音和抗震等诸多特点，为此，韩国三星重工集团于2002年提出了由下往上依次为石膏板、隔音板、混凝土的预制层和由下往上依次为多片减震板、网片、穿孔垫块、混凝土的预制层，而更多地专利申请选择在预制层外增设保温隔热层，如2007年三星重工提出在预制层上、桁架钢筋骨架间设置多孔发泡条，2017年西咸新区矩阵实业有限公司提出在预制层和现浇层之间设置聚苯颗粒纤维混凝土夹芯保温层，并进一步采用保温钉来固定该保温层。

在预制层材料方面，由于混凝土自重较大，随着预制层跨度的增大，运输和吊装的难度不断提高，因此，为了方便预制板的运输和吊装，可以采用陶粒混凝土、粉煤灰混凝土、轻集料混凝土、发泡混凝土、蒸压加气混凝土等轻质混凝土作为工厂预制的原料。另外，考虑到预制板作为永久性模板，需要承载钢筋和现浇层的重量，因此，使用玻璃纤维混凝土复合材料GRC、超高性能混凝土UHPC成为一种新的选择方向。

其他方面的改进还有针对运输便捷性，刘建康[10]于2014年提出将预制层设置为可折叠底板，为了方便预制层布筋，2014年清华大学提出在预制板内预留孔洞，以供横向受力筋穿过，实现双向受力。随着信息技术的发展，2015年中建八局[11]提出采用3D打印桁架空心楼板作为预制层(见图1)，使得楼板受力更合理，不产生建筑垃圾。2018年山东海龙建筑科技有限公司[12]开发出一种机电一体化预制板(见图2)，利用BIM三维模型，并在预制层中预埋接线盒和管线。3D打印、数值模拟等新技术能够给传统的建筑行业不断带来利好，为建筑行业注入新鲜血液。

图1 3D打印的预制层 图2 机电一体化的预制层

1.2 桁架钢筋骨架的构造

在保持桁架钢筋基本结构和功能不变的情况下，各国申请人对其构造进行了多方面的改进，尤其是针对腹筋的改进。如日本的株式会社竹中工务店，为了降低建筑成本，于1999年提出用特殊造型钢筋来代替腹筋，为了在不影响腹筋拉结性能的基础上，方便后续管线的排布，于2009年提出用折弯钢板来代替腹筋。

2014年我国智房科技股份有限公司提出将腹筋设置为Z型腹杆、斜腹杆、角腹杆、斜角腹杆，一年后山东隆和节能科技有限公司申请了一系列专利，分别将腹筋设置为倒V型的双向腹筋板或三向腹筋板，到2016年四川三阳钢结构有限公司提出将腹筋设置为螺旋支架条，2017年广东电白建设集团有限公司提出用角钢来代替腹筋和下弦钢筋。这些钢筋结构的变形，不仅能够保证楼板整体性能，还有利于施工操作和运输吊装。

桁架骨架中的下弦钢筋由于需要埋设在预制层中，为了防止下弦钢筋在预制层制作时发生位移，韩国土木工程与建筑技术研究院(KICT)[13]在预制层底模上开设钢筋容置槽，从而将桁架钢筋固定在该槽中(见图3)。在这方面，日本在2011年由鹿岛建设株式会社[14]提出专利申请(见图4)，其使用钢筋连接板来连接桁架钢筋，并且在预制层表面预埋槽，通过螺栓将钢筋连接板打入预埋槽中，在2014年由大和House工业株式会社[15]提出专利申请(见图5)，其开发出一种具有连接部、预埋部、折弯部的连接件，桁架钢筋正是用这种连接件固定在预制板上。而中国十七冶集团有限公司[16]于2015年提出专利申请(见图6)，开发出钢筋桁架与底模通过磁铁磁性吸附，方便底模拆卸、磁铁人工取下。

图3 容置槽连接

图4 连接板连接

图5 连接件连接

图6 磁铁连接

除了对腹筋的改进外，对上下弦钢筋同样有不断的改进。2016年山东隆和节能科技有限公司提出将上弦钢筋改进为钢管以提高楼面整体刚度，同年，张波申请了一系列专利，其在上弦设置为钢管的基础上，进一步在钢管内灌注水泥砂浆或混凝土，并对上弦钢管的外径和壁厚数据进行了相关实验研究。而下弦钢筋通常需要施加预应力，为了方便下弦钢筋的预应力张拉，2017年大和House工业株式会社提出将预制层的侧模兼做下弦预应力筋的张拉锚板，提高了施工便捷性。

此外，为了进一步提高钢架骨架的拉结强度，山东省建筑科学研究院于2016年申请了多项专利，其在预制板两侧增设抗拉拔连接件，包括抗拉拔筋、锚固板和锚固钢筋。为了减少钢筋骨架的焊接工作量，中国航天建设集团有限公司于2018年提出了一种无需焊接、仅利用垫块阵列和调节阵列来固定桁架钢筋的技术方案。

1.3 现浇层的构造

在安装好桁架钢筋的预制层上，现场浇筑混凝土，就形成了现浇层。现浇层的改进点主要集中在施工便捷性方面，如2007年韩国土木工程与建筑技术研究院(KICT)[17]提出在与预制层连接的工字型钢梁腹板上开孔，以便于现浇层的灌浆(见图7)。2016年沈阳建筑大学[18]提出在预制层上预先设置多块混凝土块作为后浇时的浇筑标高 (见图8)。而2018年中铁建设集团有限公司[19]提出通过调节预制板固定在梁上的高度，来调节现浇层的浇筑厚度(见图9)。在现浇层材料选择方面，除了传统的混凝土材料外，还可以使用聚合物砂浆、微膨胀细石混凝土等。

图7 梁腹板开孔灌浆

图8 混凝土块作标高

图9 调整现浇层厚度

2 桁架钢筋混凝土叠合楼板的专利技术分析

2.1 年度申请量变化趋势

如图10所示，从1990年桁架钢筋混凝土叠合楼板诞生起，每年就陆续不断有专利技术的输出，在1990年—2006年间，全球桁架钢筋混凝土叠合楼板专利申请量总体保持平稳增长，年申请量不超过20件，这一阶段桁架钢筋混凝土叠合楼板产业处于发展的早期，主要是德国、日本和韩国这几个传统建筑强国在进行专利研发与布局。

图10 年度申请量变化趋势图

从2006年—2008年，全球桁架钢筋混凝土叠合楼板的专利申请量近乎直线增长，2007年和2008年的年申请量分别较前一年翻了一番，而这种飞速增长完全是由中国专利申请的飞速增强所带动的。而中国之所以在2006年开始大量申请相关专利，是因为2006年出台了现行的《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2006)，其中规定现有叠合结构的相关条文，对桁架钢筋混凝土叠合楼板正常使用阶段的刚度及极限承载力同样适用。至此，中国申请人有据可依、有规范可查，对于桁架钢筋混凝土叠合楼板的专利申请有的放矢。也就是从2006年开始，桁架钢筋混凝土叠合楼板的中国申请在全球申请中占绝对优势，可以说，全球申请量的多寡变化完全由中国申请量决定。

值得一题的是，中国申请量在2008年达到一个峰值后，2009年至2010年又迅速回落至低点，此后再次不断增长。究其原因，主要是因为2008年汶川地震后，整个建筑行业对装配式建筑出现过不同的声音，当时，现浇建筑优良的抗震性能更为人们所看重。2010年至今，人们再次回归理性，认识到全预制结构和叠合结构等装配式建筑必然需要发展，这是时代的要求，为此，就应当投入更多的研究，让叠合结构的性能日益趋近现浇结构。

2.2 技术输出国分布情况

专利技术输出国是指一项技术的申请人所在国，一般而言，一个国家的专利技术输出越多，一方面说明该国在该技术领域的研发能力和技术实力越强，另一方面说明该国在该技术领域的重视程度和政策支持力度越高。

从技术输出国分布图(见图11)中可以看出，桁架钢筋混凝土叠合楼板领域主要输出国依次是中国、日本和韩国，中国申请量占绝对优势，占据全球申请量的54%。而我国在桁架钢筋混凝土叠合楼板乃至整个装配式建筑领域的起步是较晚的，能够有如此大的申请量，主要是由于我国从事叠合结构研究的单位和个人数量庞大，而且装配式建筑又有良好的研发环境和政策扶持，使得我国申请量高居不下，并还将继续保持积极态势。

图11 技术输出国分布图

而日本作为传统建筑业强国，其研发起步最早，并结合本国地震多发的特点，在推动预制结构建筑体系方面作出了重大贡献。其中，竹中、鹿岛、积水、住友、新日铁、大成、大和等建筑集团不断改进桁架钢筋混凝土叠合楼板体系，使其力学性能、热学性能、施工便捷性等诸多方面都有所提高。

而美国和欧洲在和桁架钢筋混凝土叠合楼板技术领域的专利申请量就相对较少，且其中有相当一部分是日本大型企业在上述地区进行的专利布局。

2.3 桁架钢筋混凝土叠合楼板专利技术-功效分析

从专利技术-功效分析气泡图(见图12)可以清晰地看出，所有专利技术改进的最主要也是最重要的目的就是提高楼板的力学性能，力学性能包括楼板的强度、抗弯刚度、抗震性能、防开裂破坏等，这与楼板作为重要建筑承重结构的基本属性是一致的，楼板力学性能不仅是专利技术的改进热点，更是学术研究的重要环节，在叠合楼板广泛应用之前，就已经积累了大量的理论研究数据，来支撑专利技术的发展。时至今日，如何提高楼板的力学性能仍然是为人所关注的聚焦点。

图12 全球桁架钢筋混凝土叠合楼板专利技术功效

仅次于力学性能的，是楼板的保温隔音性能，为了实现楼板的保温隔音，主要围绕预制层进行改进，通常可以在预制层内添加保温隔音层，可以在预制层外、桁架钢筋骨架间铺设保温隔音条块，也可以使用功能性混凝土材料来制作楼板的预制层和现浇层。

叠合楼板的一大优势就是能够大幅度减少施工现场的湿作业和焊接工作，然而，钢筋骨架在工厂制作时仍然有大量的焊接工作，而现浇层在现场施工时也无法避免湿作用的进行。基于此，一方面，针对施工中的焊接问题，有相当一部分申请人将不采用预埋钢筋的形式，而是将钢筋与预制层或预制层底模板通过各种创新形式的连接件连接。而桁架钢筋骨架自身结构的创新，一定程度上，也能够减少焊接量。另一方面，针对现场湿作业问题，可以通过现浇层构造和连接件的改进来简化浇筑过程，提升施工质量和效率。此外，考虑到预制层中通常需要设置预应力筋，如何方便预应力张拉也是技术发展的一个方向。

考虑到楼板的自重较大，且随着楼板跨度的增大，施工过程中运输和吊装是必须考虑的问题，因此，申请人主要采用轻质高强混凝土制作楼板预制层和现浇层的技术方案，在专利技术的发展过程中，也有申请人将预制层改进为可折叠形式。

而成本和环保问题，是整个建筑行业面临的挑战，在国家“碳中和”发展战略下，需要建筑人投入更多更有科技含量的技术，是今后发展所必须面对的重点。

3 总 结

桁架钢筋混凝土叠合楼板，兼具现浇楼板的优良力学性能和预制楼板的工业化产业化特点，具有较好的市场前景，是楼板领域的研究重点和热点。其技术发展路线沿着发现问题-解决问题的循环方式，不断针对理论研究和实践经验发现的问题，从预制层、桁架钢筋骨架层、现浇层三个方面着手，致力于研制出满足楼板各方面性能的优质叠合楼板。

日本是桁架钢筋混凝土叠合楼板技术的起源地，结合地震多发的国情，日本在桁架钢筋混凝土叠合楼板技术发展中发挥了重要的作用，尤其是日本的大型建筑企业，针对多项改进点均持续多年进行了专利申请。中国有大量的相关技术，虽技术稍晚，但申请量增长迅速，建筑专业较强的高校和实力雄厚的建筑企业持续发力，而且，在“碳中和”战略下，中国有连续的政策支持，整体技术发展还将保持积极态势。

桁架钢筋混凝土叠合楼板技术发展至今，首当其冲的仍然是提高楼板的力学性能、满足承载要求。同时，建筑保温和隔音也是对楼板一项重点要求。此外，在具体工程应用中，施工的便捷性、运输吊装的可靠性、管线排布的合理程度，都是申请人需要关注的问题。今后，在绿色低碳建筑目标的引导下，依照强国智造的理念，我国需要根据前人的研究成果进行创造和创新，研究开发具有自主知识产权并适用于我国建筑发展要求的桁架钢筋混凝土叠合楼板，以适应当前快速发展的建筑行业的需求。