裝配式建筑混合結構技術分析與應用

張 坤 郭曉霞 龔 健

浙江省建材裝配式建筑設計研究院

1 前言

裝配式建筑具有諸多優勢，當前已有廣泛應用。但在實際操作中，單一的結構形式仍存在著一些不足之處，將其混合形成新的結構形式，可以有效提升裝配式建筑的價值，在補足缺點的基礎上，提升建筑的品質。所以，設計人員必須嚴格地按照預制裝配式建筑設計圖紙的要求設計預制構件，避免因為建筑的設計階段出現偏差而影響預制裝配式建筑的施工質量和效率。

2 混凝土預制件結構

混凝土預制構件是在工廠中以標準化和機械化加工方式形成的混凝土制品，澆筑施工后可直接送至施工現場拼裝，可依據參數指標的要求完成預制工作，從而有效降低現場澆筑養護的成本投入，提升工程效益。預制混凝土構件主要應用于大型的水利工程、橋梁和政府保障住房項目當中，其以自身獨特的優勢受到業內的普遍歡迎。

3 裝配式鋼結構

在自然災害的地震多發區，現澆混凝土的建筑物抗震性能差，造成的人員傷亡和財產損失較多。而在裝配式建筑中，鋼結構的抗震性能效果最為優越，部件與部件之間使用螺釘進行組裝，優化了房屋的整體結構性能，防止房屋建筑物出現坍塌。地震多發區內，現澆混凝土建筑的抗震性能不夠完善，出現了嚴重地人員傷亡及財產損失，而在裝配式建筑中，鋼結構具有優越的抗震性能，部件間采用螺釘組裝，加強了建筑結構的整體性和穩定性。除此之外由于裝配式鋼結構的建筑構件承載能力強、截面面積較小，節約了大量的鋼材和混凝土，并且可以降低建筑工程基礎建設費用。裝配式鋼結構建筑中的鋼構件和混凝土構件都可以在工廠預先加工完成，在很大程度上加快了施工進度，節約了時間成本，提高構件質量，減少了施工過程中由于構件質量不達標造成的返工費用。

4 裝配式木結構的特點

4.1 環保性

4.2 安全性

裝配式木結構建筑的安全性較強，其抗震性能較為理想，木結構的自重較輕，在出現地震災害時，結構無須吸收過多的地震能量，而且木質結構的韌性較強，能夠有效抵御疲勞損壞等問題，同時還具有較強的防火性能，結構的碳化層能夠保護結構，如出現火災，木材可迅速碳化，進而與外界隔離。

4.3 持續性和便捷性

木材是一種可再生建材，加強木材管理，合理砍伐木材能夠為建筑工程提供原材料。裝配式木結構靈活性顯著，改造方便，技術人員可結合實際合理調整空間布局。

5 裝配式建筑混合結構技術必要性

從前文所述可知，在我國，裝配式建筑主要包含三種形式，分別為鋼結構、混凝土、木結構。木質結構容易受到氣候、環境等因素的影響，且我國木材資源有限，不適合做大面積建筑材料使用。因此，在實際工程中，木結構建筑的應用較少。鋼結構與混凝土結構的裝配式建筑是我國裝配式建筑工程的首選形式，但仍存在諸多不如人意之處，影響了建筑的品質。具體如下。

5.1 鋼結構

（1）普通鋼框架與鋼框架支撐體系建筑，其梁柱結構的截面積大，很難避免露梁和露柱的情況，長期下去，就會影響建筑的使用感受。

（2）裝配式鋼結構建筑，特別是住宅建筑的三板體系完善性差，體現的缺憾是電梯間及樓梯等位置的設備噪聲極大，而沒有很好地隔音方案，影響了建筑使用者的生活質量；且長期生活在噪聲大的環境下，也會有損人們的身體健康。

（3）電梯與樓梯位置的鋼柱在地下室結構深入時，使用的柱腳外包與防護會占用很大空間。例如占用樓梯疏散空間，增大電梯井道和底坑尺寸等，增加公攤，使用面積縮小。

（4）一些高層建筑因高度影響，且考慮戶型需求，支撐設置很難形成合理的抗側力體系。

5.2 混凝土結構

（1）預制混凝土構件重量都較大，在運輸環節與起吊環節，對于運輸、起吊設備的要求較高。

（3）如果容量為1MW及其以上的發電機定子繞組和引出線出現短路，需要裝設縱聯差動保護。其保護配置作為發電機內部短路的主要保護，能及時、靈敏地切除內部所發生的故障，確保動作的選擇性與工作的安全性。

（2）當前，一些全裝配式混凝土結構建筑的拼接節點尚存在不足。例如，鋼筋錨固連接的節點設計施工都處于試驗階段，很多方案都在不斷地嘗試中，沒有形成一套成熟的、安全的且施工便捷性強的節點構造規范。為此，在實際項目中，多采用豎向構件現澆與橫向構件預制方式補足缺憾。

（3）當前，針對全裝配式混凝土結構建筑抗震性與整體性的研究存在空白。

（4）結構存在很多新舊混凝土結合面與構件接縫，針對這部分的抗震性能與承載力研究進展很慢。

（5）鋼筋套筒灌漿連接位置與預埋件性能的檢測試驗缺少經驗。上述種種都體現全裝配式混凝土結構存在很多我們無法控制的情況，施工或運營過程中會因這些問題影響建筑質量與使用體驗。

由上可知，單一的結構存在很多弊端，不適合作為全部結構使用，但裝配式建筑還是存在很多優勢的，我們可以將這些優勢結合，如混合結構就可以實現更優質的建筑建設，發揮裝配式建筑結構的優勢，為人們提供優質空間，推進建筑行業的更好發展。

6 裝配式建筑混合結構技術的具體應用

以高層裝配式混合結構建筑為例，借助混合結構的優勢提升建筑質量，規避鋼結構露梁露柱及噪聲等問題，減少混凝土結構存在的抗震性能與承載力隱患，提升建筑施工速度，強化建筑工業化水平，并同時為人們提供宜居的生活環境。

6.1 設置混合結構體系

本項目的鋼框架中柱6梁7、支撐結構4、核心筒5等均為混合結構，其中柱6是鋼管混凝土柱與管混凝土組合異形柱組成。案例中其他鋼管混凝土異形柱體是中心支柱20 與側支柱19 組成的L 形異形柱1、T 形異形柱2 以及十字形異形柱3。同時，中心支柱20 與側支柱19 通過肋板22 與連接板21 連接，其中肋板22是鋼板結構，連接板21是有孔和無孔兩種鋼板結構。所有支柱與以上鋼管混凝土柱的橫向截面均使用正方形截面布置，這樣可以保證主體嵌入墻體時不外露；支撐結構4主要是鋼支撐與剪力墻兩種構成形式，主要位于分戶墻及端墻部分；核心筒5位于電梯間與樓梯間，與剪力墻以鋼節點連接。

6.2 平面布置

本項目電梯間采用普通建筑戶型布置方式置于平面一側位置，梯井及樓梯間部分使用核心筒5進行全部布置，也可以選擇預制剪力墻組成的核心筒布置。此剪力墻選擇形式很多，可以是混凝土剪力墻、鋼板剪力墻或混合結構。其中混合結構又有多種形式，可以在鋼板間澆筑混凝土，也可以是兩塊鋼板間放置一塊鋼板，兩邊澆筑混凝土；鋼管混凝土結構的異形柱尺寸與形式根據所處位置、荷載及墻體開洞等綜合確定。

6.3 鋼板剪力墻設置

鋼板剪力墻是鋼板、縱向加勁肋9 與水平加勁肋10 構成。柱內側位置設置應預先進行魚尾板11的焊接，并使用高強螺栓12 連接兩端柱體。按照構造要求及計算選取剪力墻形式，可以選擇非加勁或結構合理的鋼板剪力墻，也可以選擇混合結構。本項目中鋼板剪力墻鋼梁7間應使用水平加勁肋8。

6.4 支柱設置

使用鋼構件支撐13作為支撐，底端柱與支撐結構一端連接，上部結構梁7 與另一端連接。本項目中的鋼梁7 主要以H 型為主，依據構造要求與計算獲取鋼梁的截面尺寸大小。借助外肋環板的節點實現鋼管混凝土結構異形柱與鋼梁7之間的剛性相連。單柱與鋼梁7之間借助隔板貫通節點相連。核心筒與鋼梁借助預埋件進行鉸接。同時，鋼構件支撐13 與鋼梁7 及鋼管混凝土結構異形柱之間使用焊接、栓焊或全螺栓方式連接，具體連接形式選擇應依據構造要求及計算確定。鋼構件支撐13的支撐形式可以選擇交叉支撐、單斜撐、人字形支撐等形式，具體形式需依據墻體開洞情況及計算選擇。

6.5 鋼梁、核心筒設置

鋼梁7 與核心筒5 的連接形式有很多種，可以隨意選擇，但應選擇鉸接連接。裝配式核心筒5 有多種形式，分別為整體預制、剪力墻構造連接及鋼板結構，接縫位置應選擇層高1/3 位置設置。鋼梁7及鋼管混凝土結構異形柱之間的連接形式選擇剛性連接，鋼梁與核心筒鉸接相適應借助節點14，核心筒單元間借助單元分界線連接，構建支撐結構與鋼梁及異形柱借助焊接、栓焊及全螺栓方式連接，具體形式通過構造要求及計算確定。方鋼管混凝土結構異形柱是由連接板、方鋼管混凝土結構柱肢、肋板等組成，異形柱的柱肢通過焊接形式與連接板相連，按照構造要求，支柱與連接板之間相隔一定高度設置一道肋板，以此保證連接板的穩定性。當柱荷載要求較大時，使用兩條鋼板進行支柱連接，混凝土灌注支柱與鋼板間的空腔，灌注密實。

6.6 實施效果

本工程與單一裝配式結構建筑相比，具有以下效果：（1）框架使用方鋼管混凝土結構異形柱，其柱體截面小，避免了鋼結構建筑露柱露梁，滿足了建筑的使用要求與性能要求，提升了建筑品質；（2）電梯與樓梯間使用核心筒結構，可以減少對樓梯疏散寬度及電梯井道等占用，減小公攤，同時降低噪聲；（3）核心筒是預制拼裝，不需要現場制作，避免了環境濕度影響，提升了建筑施工效率，促進了建筑工業化發展；（4）傳統建筑中樓電梯間常常偏置帶來的結構扭轉問題，本項目支撐架構較少，緩解了結構剛度。

7 預制裝配式建筑發展趨勢

我國預制裝配式建筑的發展雖然有了一些新氣象，但還沒有形成規模和完整的產業鏈。為了不斷推動城市建筑的現代化以及產業化，我國需要參考西方國家做法，強化基礎性的研究，不斷完善健全裝配型建筑的技術規范體系，深入研究裝配建筑的推廣中對目前的施工設計帶來良性影響，學習成熟先進技術的應用，加大投入，推動科技創新，形成完善的現代化的裝配建筑體系，通過實施工程建設一體化、加大人才培養、提高技術管理、逐步完善預制裝配式建筑的標準與法律法規，保證預制裝配式建筑持續平穩的發展。

隨著我國預制裝配式建筑技術的不斷發展，預制裝配技術在公共建筑、工業建筑領域、綜合管廊等方面的應用定會逐步增多，而且對造價較大的連接構件、預埋件進行經濟性優化，降低套筒等預埋鋼結構的造價，此外針對常規的生產的流程形成流水生產線，提高生產效率，降低生產成本，提高經濟效益。

8 結語

在分析裝配式混合結構的性能時，根據混合結構的必要操作標準對裝配式混合結構的實際結構進行分析，并對上部結構的整個技術應用進行評估，有效加強裝配結構剪力墻標準分析，整體框架形狀的確定和建筑應用整體特征更加明確，為有效加強建筑技術的精確研究，落實實際建筑結構配置的應用，保證建筑結構配置設計研究的合理性，落實其結構性能、標準化水平、綜合應用等內容，提高了施工研究技術的發展影響，擴大了裝配的合理性，達到了預制裝配結構和施工的技術標準。

裝配式建筑混合結構具有諸多優勢，既補足了單一結構裝配式建筑的缺憾，也規避了傳統建筑無法克服的缺點，在提升建筑質量及施工效率的同時，為環保與成本節約做出了很大貢獻。為此，我們應積極研究相關技術，以實現更好地混合結構建筑，促進建筑行業的更好發展。