淺議裝配整體式混凝土結構設計

聶 宏 星

(容海川城鄉規劃設計有限公司，山西 太原 030027)

相比傳統建設方法，裝配整體式混凝土結構生產效率高、施工速度快，既節省模板，降低工程費用，又具有外裝飾效果，適合工業化生產，故在現代土木工程中得到越來越多的應用[1]。然而，就目前來看，其作為一種新型建筑結構，設計方法還不是很成熟，設計方案的科學性尚欠缺，應用的案例及可利用經驗也較少。因此，對其設計方法及要點進行分析與探討，提高設計方案的科學性、合理性及可操作性，已迫在眉睫。

1 裝配整體式混凝土結構及其特點

1.1 裝配整體式混凝土結構

裝配整體式混凝土結構是為提高工程的整體性和抗震性，由預制混凝土構(部)件通過連接并現場澆筑混凝土而成[2]。現階段，裝配整體式混凝土結構發展迅速，在現代土木工程中得到越來越多的應用。

1.2 裝配整體式混凝土結構特點

裝配整體式混凝土結構結合了現澆整體式和預制裝配式的優點，其具有如下優點[3]：

1)工業化生產。

裝配整體式混凝土結構由于“裝配”而來，具備裝配結構的一般特點，即所需各種預制構件可直接在工廠中統一生產，有效提高生產效率。

2)產品質量佳。

通過工廠工業化生產，能夠更為嚴格的控制構件尺寸與外觀，各項參數更為準確，使其可實現集約化管理，提高預制件的質量，降低對工程結構性能的影響。

3)成本費用低。

裝配整體式混凝土結構工業化生產使其資源利用率及生產率更高，從而可以降低成本。

4)施工難度小。

裝配整體式混凝土結構由于“裝配”性能，使其便于施工，即通過對施工人員簡單培訓，便可實現預制構件的連接與安裝，并且，因為作業工序的減少，現場監督管理難度也更低。

5)外部干擾少。

裝配整體式混凝土結構設計時，設計人員可將各種給排水、供電管道等與主體工程有效結合，減少不同項目之間的相互干擾，保證結構在施工中順利實施。

然而，作為新生事物，裝配整體式混凝土結構仍具有以下缺點：

1)設計難度大。

裝配整體式混凝土結構是我國一個新的建筑結構，多數設計人員尚缺乏相關經驗，也未形成完整的體系與規范，對于想要達到理想的設計目標而言，還存在一定難度。

2)整體性較差。

相比傳統工程結構來講，由于裝配整體式混凝土結構需要進行后期拼裝，加之一般建筑工程結構具有龐大的特點，故整體效果存在一定差距。

3)運輸限制多。

由于裝配整體式混凝土結構不同于現澆結構，其經過工業化生產還需要運輸到現場進行組裝施工，會有運輸費用的增加；同時，為了保證構件拼接時的完好性，預制構件運輸時要嚴禁任何因素造成損壞。因此，裝配整體式混凝土結構運輸時，需充分考慮各影響因素及預防措施，盡量短距離運輸，降低運輸成本的同時，保證質量的完好，以備正常使用。

2 國內外裝配整體式混凝土結構常用的設計方法

2.1 國外設計方法

科學、合理、可行的設計方法是保證裝配整體式混凝土結構被廣泛應用于實際建筑的基礎。目前，國外采用的設計方法與整體現澆式大有不同，其采用的是具有優良的非線性特性、在線彈性范圍內結構的恢復性能良好的基于性能的設計方法[4]。采用此方法設計的裝配整體式混凝土框架結構，在地震等外力作用下，彈塑性變形發生在構件的連接區域，而基本不會發生在構件本身上，外力下損壞也是如此。可以說，這種設計方法使結構在地震下具有相當強的可修復性。

2.2 國內設計方法

與國外相比，國內目前采用的設計方法不如國外先進與成熟。國內的設計方法與整體現澆混凝土結構的設計方法類似，只是相對增加了設計任務的工作量，增多了設計過程中考慮的因素，并針對工程建設的具體實際情況，加強了設計階段各專業及各階段參與方的協作等，此方法設計的建筑結構，地震作用下易使預制構件發生破壞[5]。因此，對于我國而言，目前加強裝配整體式混凝土結構的設計研究，促進結構的整體性、穩定性及抗震性已勢在必行。

3 我國裝配整體式混凝土結構發展現狀

裝配式混凝土結構是由預制混凝土構(部)件連接、裝配而成，具有改善質量、縮短建設周期、節約能源和清潔生產等優點。20世紀末開始尤其是近10年，隨著建筑業“四節一環保”可持續發展要求的提出，以及結構設計技術、材料技術、施工技術的進步，作為裝配式混凝土結構的重要方面，裝配整體式混凝土結構在國內建筑業發展迅速。目前，為了配合和推廣裝配整體式混凝土結構技術的應用，在國家和各地政府建筑產業現代化政策支持下，我國根據裝配式結構的特點制定了相應的規范和規程，如JGJ 1—2014裝配式混凝土結構技術規程、JGJ 355—2015鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程等[6]。然而，由于裝配整體式混凝土結構是為提高工程的整體性和抗震性，由預制混凝土構(部)件通過連接并現場澆筑混凝土而成，其在現階段雖然發展迅速，應用也極為廣泛，但也存在自身的缺陷，如整體性較差、設計難度大等。因此，新形勢下，在裝配整體式混凝土結構設計中，應充分考慮“裝配”及“整體”等特點，貫徹結構整體性的概念設計，使其能夠更好地實現質量、工期、成本和環保等方面要求。

4 改善我國裝配整體式混凝土結構設計方法及要點探討

4.1 整體現澆混凝土結構設計

整體現澆混凝土結構設計是裝配整體式混凝土結構設計的重要環節及第一步，因此，應根據設計相關規范及實際情況，完成一個初步的、可靠的設計方案，為裝配整體式混凝土結構設計打下堅實的基礎。

4.2 預制構件拆分與歸并

預制構件拆分與歸并是裝配整體式結構設計的另一重要環節，設計時需注意如下幾點：

1)預制構件拆分之前，設計人員需與施工方進行溝通，考慮施工條件(如預制構件的吊具及承載能力等)，或者征得業主的同意(具體施工單位不確定時)之后，根據標準、規定及一般施工水平，對構件進行拆分與歸并設計；

2)設計人員應掌握預制構件制作方的制作方法和加工精度，同時對整體現澆混凝土結構設計的初步方案進行分析，了解方案中梁、板等的功能和安裝部位及各部位相互聯系，以便制定預制構件的安裝方法和裝配方案；

3)由于裝配整體式混凝土結構有著自身的特點，拆分和歸并后的預制構件盡可能的保證截面形狀相同，盡可能減少彎鉤的數量，同時，種類要盡量減少，遵循“少規格、多組合”基本原則，從而減少模板的種類，以便于實際施工階段能順利完成預制構件的安裝和裝配；

4)澆筑完后，預制構件需要通過交通工具送到施工現場，為了提高工程質量及整體性，預制構件拆分與歸并還應滿足運輸、堆放及質量的控制要求；

5)拆分與歸并完畢后，在進行下一環節之前，需用整體現澆混凝土結構設計方法進行重新計算，并根據結果，正常進入下一環節，或者有針對性的調整拆分與歸并方案，直至滿足設計要求等。

4.3 三維碰撞檢測

預制構件的拆分與歸并完畢后，便可進入預制構件的裝配環節。為了保證實際施工過程中，預制構件的裝配能順利進行，應采用一定的技術如BIM技術等在裝配整體式混凝土結構的設計過程中增加碰撞檢測。具體設計過程如下：

1)選擇需要進行的測試項目；

2)根據要求設置碰撞檢測的規則；

3)查看三維碰撞檢測結果；

4)生成碰撞檢測報告。

4.4 預制構件深化設計

在裝配整體式混凝土結構設計中，預制構件深化設計尤為重要，其包括鋼筋組裝圖、模具圖和吊裝圖設計等。實際工程中，預制構件的深化設計由構件廠完成。其注意點分別如下：

1)鋼筋組裝圖設計是重點，要對每種類型鋼筋進行編號標示，且保證編號唯一，不能錯亂，以為預制構件深化設計打下堅實的本質基礎；

2)模具設計時，要對其強度、剛度及穩定性進行計算，并應保證模具和構件連接緊密和混凝土的養護；

3)吊裝圖設計包括豎向構件和水平構件的吊裝設計，設計時需注意構件的堆放、吊具的種類和承載力及吊環對構件運輸和裝配的影響。

4.5 抗震結構設計

裝配整體式結構因整體性較低，抗震能力相對不足，故為達到工程安全性與穩定性目標，保障人們人身與財產安全，裝配整體式混凝土結構應尤其重視抗震結構設計。具體的抗震結構設計人員應注意以下幾點：

1)應詳細了解抗震規范，保障工程設計滿足相關規范；

2)需總結各項數據，綜合分析實際情況，不斷完善抗震設計方案；

3)應提高建筑平面的對稱性與規則性，以平均分配由于地質變化等引起的應力改變，同時保證豎向抗側力構件的均勻性與連續性，有效提高工程整體性，保障工程抗震能力；

4)選擇應用樁筏基礎結構建設，減少常見的不均勻沉降問題發生；

5)用多螺式柱箍筋加強混凝土結構約束力，提高構件抗震性能；

6)對剪力墻與框架柱的軸壓比進行科學計算，同時保證預制構件結合部位、疊合梁及板現澆部分的密實度，并依照雙重抗側力結構的要求設計工程，以保障建筑工程的抗震性滿足要求等。

4.6 關鍵構件與節點的連接設計

為保障構件間連接的合理性及工程整體性，設計人員應根據工程實際情況，做好裝配整體式結構關鍵構件與節點的連接設計。具體設計注意事項有：

1)多螺箍筋柱設計時，要注意大小螺旋箍筋之間的交匯面積；

2)疊合樓板設計時，可將樓板的表面設計為大小與凸凹低于4 mm的人工粗糙面，以滿足樓板抗剪力的需求；

3)豎向結合面設計時，應根據疊合層混凝土各參數性能，計算各種預制構件所需要的抗剪值以提高工程整體質量；

4)在設計梁、柱間的節點時，應首先考慮節點的抗剪設計，同時，對節點核心區縱橫方向采取等高截面，減少可使用模板類型，并有效控制預制構件成本；

5)連接部分設計時，預制板中的鋼筋應長于構件的斷部，以避免碰撞而影響施工。此外，還應利用附加接縫鋼筋對連接進行處理提高連接力度，采用一筆箍方式提高箍筋保護層效果等。

5 結語

裝配整體式混凝土結構作為一種新型建筑結構，具有眾多優勢，符合我國綠色建筑標準及新時期建筑業的發展方向。然而，我國裝配整體式混凝土結構目前應用所累積的經驗尚不足，存在設計難度大、整體性較差、運輸限制較多等缺陷。因此，相關設計人員還需積極學習國外先進理念，從四大環節及抗震結構、關鍵構件與節點連接設計等方面，對其做好各細節控制及優化設計，提高我國裝配式建筑結構設計的合理性，推動其可持續發展。