侯义芬 李 志 邵志兵 叶文启

中天建设集团有限公司 浙江 杭州 310008

在建筑结构中，一般将凸窗的窗户安装在上下两块挑出的钢筋混凝土板之间。装配式混凝土结构中，一般将挑板、窗两侧墙垛甚至结构墙、梁相组合，不同的预制组合形成了不同的预制凸窗做法[1]。在装配式建筑发展初期，出于对预制构件成本的考虑，平板式预制凸窗是比较常见的预制凸窗做法。但在实际施工中，平板式预制凸窗存在着模板无法拆卸再利用、现浇混凝土工作量大以及工业化程度低等问题。本文结合现场实际案例，对平板式预制凸窗进行优化研究，在解决已有问题的同时，对新发现的问题进行积极的探索，直至得到最优的预制凸窗形式。同时，利用有限元软件Abaqus对优化后的凸窗形式进行受力分析，验证其受力是否安全可靠，为后续项目提供参考。

1 平板式预制凸窗

1.1 构造及节点形式

当凸窗的建筑立面与普通窗洞墙相同时，可以将此处的预制构件做成平板式预制凸窗。平板式预制凸窗的构造形式为：构件甩出上下挑板钢筋，上下挑板现场进行支模浇筑（图1）。平板式预制凸窗通过甩出上下挑板钢筋并锚固在内部的现浇梁中受力，其节点形式如图2所示。

图1 平板式预制凸窗

图2 平板式预制凸窗连接节点

1.2 问题分析

采用平板式预制凸窗，上下挑板需要现场进行支模并浇筑混凝土。预制凸窗安装完成后，下挑板位置形成了一个封闭的空间，该位置用于下挑板底部及现浇梁内侧支模的木模和钢管无法拆卸，造成了大量周转材料的浪费。平板式预制凸窗现场施工如图3所示。

图3 平板式预制凸窗现场施工

2 组合式预制凸窗

针对平板式预制凸窗存在的下挑板底部及现浇梁内侧模板、钢管无法取出而造成的材料浪费问题，对平板式预制凸窗进行设计形式的优化，可以优化为组合式预制凸窗。

2.1 构造及节点形式

组合式预制凸窗是在平板式预制凸窗的基础上进行部分修改：把下挑板位置伸出钢筋改为预留牛腿，下挑板单独在工厂预制加工，上挑板位置维持预留钢筋不变（图4）。组合式预制凸窗通过甩出上挑板钢筋并锚固在内部现浇梁中受力，而下挑板不伸出钢筋，仅搁置于预制凸窗和现浇梁的牛腿上，节点形式如图5所示。

图4 组合式预制凸窗

图5 组合式预制凸窗连接节点

2.2 优化内容

采用组合式预制凸窗，下挑板是在工厂里预制完成的，无需现场进行支模浇筑；同时，预制下挑板在同层结构混凝土浇筑完成后再进行安装，避免了现浇梁内侧模板无法取出的情况。因此，组合式预制凸窗解决了平板式预制凸窗模板及钢管无法取出的问题，避免了周转材料的浪费。组合式预制凸窗现场施工如图6所示。

图6 组合式预制凸窗现场施工

2.3 受力分析

利用有限元软件Abaqus对优化后的组合式预制凸窗进行受力分析。

1）模型介绍。凸窗质量为6.5 t，混凝土强度为C30，其上挑板的顶筋和底筋均为φ10 mm@150 mm，HRB400。在模型中，混凝土采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元[2]。同时，把预制凸窗简化为钢筋混凝土结构单元，通过耦合作用，对该结构单元施加重力场（图7），分析上挑板与现浇梁的受力情况。

图7 组合式预制凸窗模型

2）结果分析。通过Abaqus对模型进行受力计算，结果如下：应力和应变集中在凸窗上挑板与现浇梁的上表面交界处，钢筋的最大应力为132.2 MPa，达到屈服强度的33.1%。应力和应变分布情况分别如图8、图9所示。通过分析可知：组合式预制凸窗的受力和变形均满足要求，是安全可靠的。

图8 组合式预制凸窗钢筋应力

图9 组合式预制凸窗混凝土应变

2.4 尚存问题

组合式预制凸窗虽然解决了平板式预制凸窗存在的模板及钢管无法拆卸再利用的问题，但是其上挑板仍需现场进行支模浇筑混凝土，且下挑板搁置处的现浇梁内侧还需增设相应的牛腿，从而增加了现浇梁的支模难度。同时，预制下挑板还要在工厂里单独进行预制，后期还要进行二次安装，增加了现场安装的工作量。

3 上下挑板式预制凸窗

针对组合式预制凸窗存在的上挑板现场支模浇筑混凝土，现浇梁增设牛腿以及下挑板二次安装的问题，对组合式预制凸窗进行设计形式的优化，可以优化为上下挑板式预制凸窗。

3.1 构造及节点形式

上下挑板式预制凸窗的构造形式为：外侧窗洞墙连同上下挑板整体预制，上下层挑板间墙体现场后砌（图10）。上下挑板式预制凸窗通过预制上下挑板甩出钢筋锚固在内部现浇梁中受力，其节点形式如图11所示[3]。

图10 上下挑板式预制凸窗

图11 上下挑板式预制凸窗连接节点

3.2 优化内容

采用上下挑板式预制凸窗，其上下挑板是和外侧墙体一起预制成形的，因此，它相比组合式预制凸窗减少了上挑板支模现浇混凝土以及下挑板二次安装的工作量，现浇梁内侧也不需要额外增设牛腿。同时，它和组合式预制凸窗一样，能够保证现浇梁内侧模板的拆卸再利用。上下挑板式预制凸窗现场施工如图12所示。

图12 上下挑板式预制凸窗现场施工

3.3 受力分析

1）模型介绍。在组合式预制凸窗的模型基础上，增加下挑板，下挑板的配筋与上挑板相同，模型中的其余参数保持不变。

2）结果分析。通过对模型进行受力分析，结果如下：应力和应变集中在凸窗上、下挑板与现浇梁的上表面交界处，钢筋的最大应力为22.3 MPa，达到屈服强度的5.6%。应力和应变分布情况分别如图13、图14所示。通过分析可得：上下挑板式预制凸窗的受力和变形均满足要求，是安全可靠的，且其应力和应变远小于组合式预制凸窗。

图13 上下挑板式预制凸窗钢筋应力

图14 上下挑板式预制凸窗混凝土应变

3.4 尚存问题

上下挑板式预制凸窗虽然解决了组合式预制凸窗上述所说的施工问题，但是限制了其外侧墙体的构造做法。为了保证现浇梁内侧的模板能够拆卸再利用，上下层挑板之间的墙体必须采用二次后砌的做法。因此，待一次结构完成之后，现场还需对上下层挑板之间的墙体进行二次砌筑，不仅影响现场施工效率，而且也不符合高度集成的装配式工业化发展方向。

4 PCF式预制凸窗

针对上下挑板式预制凸窗存在的上下层挑板之间墙体需二次后砌的问题，对上下挑板式预制凸窗进行设计形式的优化，可以优化为PCF式预制凸窗。

4.1 构造及节点形式

PCF式预制凸窗，是在上下挑板式预制凸窗的基础上，在凸窗上下挑板位置增加上下外叶，形成一块整体预制的立体构件（图15）。PCF式预制凸窗和上下挑板式预制凸窗均通过预制上下挑板甩出钢筋锚固在内部现浇梁中，两种预制凸窗的受力形式相同，因此，不再对PCF式预制凸窗进行受力分析。PCF式预制凸窗的连接节点形式如图16所示。

图15 PCF式预制凸窗

图16 PCF式预制凸窗连接节点

4.2 优化内容

采用PCF式预制凸窗，上下挑板位置的外叶充当了内部现浇梁的模板，因此，现场既不需要支设上下挑板的模板，也不需要支设现浇梁内侧的模板，也就不存在模板无法取出的情况。在此基础上，PCF式预制凸窗可以将外侧墙体整体预制，解决了上下挑板式预制凸窗还需二次砌筑外侧墙体的问题，减少了现场后做的工作量，提升了现场的施工效率。同时，PCF式预制凸窗是高度集成化的预制构件，它大大减少了现场的“湿”作业，把各部件放在工厂里进行集成加工，与装配式工业化发展方向相契合。PCF式预制凸窗现场施工如图17所示。

图17 PCF式预制凸窗现场施工

5 结语

本文结合现场实际施工案例，对平板式预制凸窗的做法进行层层优化，并利用有限元软件Abaqus对优化后的做法进行受力分析，得出以下结论：

1）平板式预制凸窗因其在施工中存在材料浪费、现场工作量大等弊端，已经不能满足装配式工业化的发展需求。

2）根据受力计算可得：3种优化后的预制凸窗形式，其受力和变形均满足要求，但相比组合式预制凸窗，上下挑板式预制凸窗和PCF式预制凸窗受力更加合理。

3）通过对平板式预制凸窗的层层优化研究，确定最优的预制凸窗形式为PCF式预制凸窗。该形式的凸窗规避了其他类型凸窗存在的各类问题，同时也是高度集成化的预制构件，能够大大减少现场的施工作业，提升现场施工效率。同时，它也与装配式工业化发展方向相契合。

通过对凸窗预制形式的优化研究，可以为后续项目预制凸窗的设计提供参考。