裝配式建筑結構體系發展分析及對策研究

摘要：本文通過對預制裝配式建筑的結構體系進行分類歸納，總結分析了各類結構體系的建筑特點及適用范圍。根據對預制裝配式結構的主要優缺點進行對比研究，給出了預制裝配式建筑在我國的發展建議。

關鍵詞：裝配式;結構體系;預制構件;優缺點;對策建議

引言

在建筑工業化和信息化的積極推動下，裝配式建筑以其靈活多變的施工方法和設計自由優勢，使得該類建筑結構的發展引領了當前時代建筑業的發展趨勢和方向，裝配式建筑發展迅猛。裝配式建筑結構通過對建筑設計各構件進行標準拆分并采用標準化的預制、施工方案，化整為零;將各預制的構件部分運輸至施工現場后集成裝配，集零為整。該類建筑結構自動化程度高，施工質量、裝配效率高，可大幅縮短施工工期。

裝配式建筑是指將預制構配件按照設計的連接方式裝配程具有特定使用功能的工業與民用建筑。根據裝配式建筑所使用的材料可以劃分為砌體結構體系、木結構體系、鋼結構體系及混凝土結構體系[1]。通常根據設計功能還可將裝配式建筑結構劃分為專用結構體系、通用結構體系。在裝配式建筑結構的工程實踐中，根據建筑結構的承載機制及使用要求，采用不同方式和特點的裝配式建筑結構體系是裝配式結構適應性研究的重點內容。

1 裝配式結構分類及發展

1.1 輕鋼結構體系

裝配式輕鋼結構體系主要是利用壓型薄鋼板制作不同受力要求的的各類形狀構件，用以建造承載能力高、用鋼量節省、自重較輕、經濟性能優良的裝配式建筑結構。相關研究表明，裝配式輕鋼結構一般建造高度不超過九層[2]。該類裝配式結構建筑的平面及立面布置靈活、抗震及抗風性能好、施工速度快、拆裝方便、材料易回收，是一種優良的結構體系。但由于輕鋼材料的熱阻較低，因而該類建筑結構的墻體保溫性能相對較差，耐火及耐腐蝕性也較低。由于鋼材價格高，使得裝配式輕鋼結構體系主要應用在荷載較小的大跨度廠房結構和小型民用建筑房屋結構中，其他各類建筑應用較少。

1.2 木結構體系

裝配式木結構體系將采用優質木材加工制作形成的各類受力構件按設計要求裝配形成的建筑結構體系，我國的木結構體系具有悠久的建造歷史。木結構具有良好的保溫隔熱、節能減排、抗震抗風、居住舒適等性能優勢，而通常木材來源廣泛、價格低廉、經濟性好、加工方便，在國外該類結構體系已被廣泛接受，并建有一定規模的高層裝配式建筑結構。我國的木結構建筑業分布廣泛，但主要是傳統的木結構建筑，新型的裝配式木結構建筑正在作為高端的小眾產品在我國部分特色城鎮建設中逐漸展開，木結構的高層建筑形式在我國仍較少采用。

1.3 砌體結構體系

裝配式砌體結構是將傳統的砌筑工藝集零為整，通過配筋砌塊砌體結構的預制化裝配，達到工業化建造[3]，提高砌體結構體系的施工效率和質量，引入工業化的加工制造方法，從而解放勞動力，使該類結構體系煥發新活力。該類結構一般具備抗震性能好、保溫隔熱、節能環保、裝配效率高、經濟性能好等優勢。通過合理地施工組織，可達到施工質量可靠、工期縮短、環境保護、節省造價等建造目標，是村鎮建筑的優選結構建造方案。

1.4 混凝土結構體系

預制裝配式混凝土結構體系是目前裝配式應用范圍最廣的一種，裝配式混凝土建筑的通用結構體系與現澆結構基本相同，其主要可分為框架結構體系、剪力墻結構體系和框架-剪力墻結構體系。下面介紹幾種較典型的特殊混凝土建筑結構體系。

（1）裝配式框架結構體系

預制裝配式混凝土框架結構體系的梁、柱等主要受力構件均以預制裝配的方式進行預制和連接，其與框架-剪力墻結構體系相似，在各關鍵連接節點及拼縫處采用現澆方式連接，使得裝配式框架結構具有較好的整體性，滿足結構受力及變形需要[4]。該類裝配式建筑結構體系的預制部件主要包括梁、柱、樓梯、樓板及外掛墻板等，其構件預制養護條件好、裝配效率高、現場濕作業少，符合預制裝配工業化的發展方向，具有較好的發展前景。

（2）預制裝配式剪力墻體系

我國的預制剪力墻結構體系主要包括部分預制剪力墻結構、全預制剪力墻結構、疊合板式混凝土剪力墻結構和多層混凝土剪力墻結構等。對于部分預制剪力墻結構其是采用內墻現澆而外墻預制的形式建造，各預制構件間的連接方式采用現場澆筑;全預制剪力墻結構體系是所有的剪力墻均由預制構件拼裝而成，預制墻體間的接縫采用濕連接，該類結構體系的性能略小于現澆結構。疊合板式混凝土剪力墻結構是在內外疊合剪力墻板間澆筑混凝土，形成高度不宜超過18層，且抗震設防烈度不大于7度的裝配式疊合板混凝土剪力墻結構體系[5]。多層裝配式混凝土剪力墻結構是適當降低預制墻體間的連接作用，該類裝配式建筑的建造高度不宜超過6層。

（3）預制大板結構體系

我國在上世紀70年代的裝配式混凝土建筑結構主要采用大板結構體系，預制構件包括大型屋面板、預制圓孔板、樓梯板及槽形板等，該類結構體系主要應用于低層及多層建筑。該類結構體系預制構件標準統一、安裝方便、施工效率高，但其各構件的連接方式可靠性低，結構面臨較高的安全風險，且使用功能也面臨眾多挑戰[6]，如：混凝土構件的接縫開裂、滲漏及圍護構件的隔聲、保暖等。因而該類結構體系已逐漸被新型裝配建筑體系所取代。

2 裝配式建筑優點

2.1 預制標準化，施工質量可靠

對于經過精細設計的各預制裝配式構件，建筑構配件的加工尺寸及預制施工方式標準一致，良好的工廠室內預制和養護生產環境，能夠最大限度的確保預制構件各項施工指標的標準落實，改善構件施工及養護環境，實現各類建筑構件的標準施工，達到工程質量構件高標準生產。

2.2 勞動強度低，工作環境改善

在工業化程度提高的現代建筑施工過程中，采用預制裝配式的建造方法，不僅可以通過大量的工業機械化設備來代替粗重、重復的建設勞動，一些工業化的機械操作可大幅降低施工工人的勞動強度，而且還可改善工人的施工工作環境，提高建筑施工的安全保障。

2.3 建筑信息化，建造技術高效

隨著BIM技術的持續深入發展，結合建筑工業化的助推，通過考慮建筑選型、給排水管線布設、強弱電線路、建筑裝飾等參數，將BIM技術全過程融入裝配式建筑結構的設計和建造[7]，能夠較大程度提高裝配式建筑的營建效率，同時為技術融合和創新發展奠定了堅實基礎。

2.4 人力成本低，工業化程度高

模式統一的各類建筑構配件在工廠進行預制加工，工廠預制的機械化程度提高，節省了資源較為稀缺的人力成本，同時也符合我國勞動力發展的基本趨勢，利用工業機械代替人力勞動，減小了建筑施工對人力資源的過度依賴。

2.5 建設效率高，施工周期縮短

將各類建筑結構根據受力、使用性能等拆分為不同部件，通過考慮建筑節能減排設計需求，對不同結構部件進行綜合設計，開展大范圍、全類型、多功能的構件工廠化預制，在施工現場進行裝配施工，這樣可較容易開展施工組織，優化資源配置，提高工程建設效率高，大幅縮短建設工期[8]。在惡劣的氣候環境條件下，裝配式建筑的構建預制施工影響程度較小。

2.6 建材利用高，減少資源浪費

在有組織、有計劃的精細工廠預制加工中，建筑材料的高效利用被得到完備保障，既可滿足建筑施工精度的可靠控制，同時也能夠大幅減少建筑施工產生的各類建筑垃圾，從而達到節能減排及環保施工標準，滿足國家中長期關于減碳降碳的生產要求。

3 裝配式建筑缺點

3.1 構件多單調，難滿足個性化

在進行裝配式建筑構件拆分時，為確保工廠對構配件預制質量及現場施工安裝方便性，通常裝配式建筑的預制構件多被拆分為形狀簡單、便于施工的規則構件?，F場裝配施工的方法單一、連接簡便，使得建筑結構的風格單調，不能較好滿足現代人群對建筑結構個性化的使用需求。

3.2 前期投入高，成本不易控制

從裝配式建筑的整體建造及運維角度看，裝配式建筑成本相較現澆低，但采用裝配式混凝土結構往往前期需要較大的生產線投入，建設數量、規模較大的機械加工設備，而且由于建造環節多，施工牽涉面廣，各項施工成本不易直接控制，間接施工費占比大且不易壓縮。

3.3 構件數量多，運輸成本高昂

對于裝配式建筑結構體系，在進行構配件拆分設計時，需綜合考慮預制裝配建筑的加工、運輸及吊裝要求，數量眾多的預制構件均需借助大型運輸機械設備由工廠運至施工現場，預制裝配建筑的建設運輸費用昂貴，運輸成本高。

3.4 裝配精度高，施工容錯率小

在施工現場對各類構配件進行裝配連接施工時，因構件尺寸及規格已確定，因而對現場施工建造的精度控制要求高，當施工誤差超出相關范圍時，預制構件及預埋件的連接施工困難，且難以補救，造成裝配困難。因而，裝配式建筑的各預制構件裝配式施工容錯、容差范圍較小。

3.5 結構連接弱，建筑整體性差

在現澆結構施工設計時，要求每斷面內鋼筋的連接數量不超過50%，而對于裝配式混凝土結構在進行節點連接時，通常要求全斷面接長連接，且節點處構造復雜，施工質量難保證，結構的整體性能低，水平抗側能力差，不適宜用于高層建筑和高烈度地區[9]。

4 裝配式建筑發展對策

通過分析該類建筑的設計及建造特點，我們應避免如下建設盲區：

（1）過度提倡高效施工，降低結構的安全可靠指標。裝配式建筑施工過程中，主要通過預埋件的螺栓連接、焊接連接、企口連接、插承連接及濕連接等方式進行裝配建造，但各類連接方式的安全承載機制復雜、性能不一，且各構件的連接節點是結構整體承載的薄弱區域，也是裝配式建筑結構安全可靠指標的重要關注點，因而高效裝配施工不應以降低結構安全性能為代價，忽視了建筑結構的整體安全性。

（2）一味強調降低人力資源，造成經濟成本過高。在人力資源逐漸緊缺，人力成本逐漸提高，建筑工業化能很大程度減緩人力資源成本稀缺的沖擊，但在降低人力資源要求的同時，加大了對工業機械等設備的依賴，可能裝配式建筑施工成本整體略有提升，但如不加以對比權衡，可能導致裝配式建筑施工的經濟性欠佳。

（3）盲目為了裝配率，開展大范圍的裝配式建筑。在政府部門持續強力的推廣下，預制裝配式建筑結構在我國得到了全面發展，結構形式及施工技術日趨成熟。但仍不能忽視，在我國部分地區將建筑裝配率作為基層建設部門政績考核的重要指標，變相推動裝配式建筑的發展和落地，將裝配建筑的高質量發展本末倒置，不利于該類建筑結構的長期持續健康發展。

（4）過分追求高端一流化廠房設備，忽視建筑經濟指標。裝配式建筑結構的預制構件的產生效率和施工質量一定程度上取決于預制機械設備的性能，高度的工業化機械設備支持是裝配式建筑的基礎，而該類設備成本普遍偏高，通用性不強。在進行預制裝配式建筑的推廣和發展規劃時，應循序漸進，合理開發成本可靠的通用型機械設備，不能忽視裝配式建筑發展的經濟性。

5 結語

近年來，隨著建筑行業的工業程度提高，裝配式建筑結構的理論研究及施工技術日益成熟，加之政府部門的持續加力推廣，我國裝配式建筑發展日新月異。通過本文的分析研究，以其促進裝配式建筑在我國的快速高質量發展。

參考文獻：

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[3]Norman Murray，Terrence Fernando，Ghassan Aouad. A virtual environment for the design and simulated construction of prefabricated buildings[J]. Virtual Reality，2003，64.

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[9]吳?剛，馮德成. 裝配式混凝土框架節點基本性能研究進展[J]. 建筑結構學報，2018，39（08）：1-16.

作者簡介：張保榮，男，1988年7月出生，漢族，本科，陜西延安，工程師，研究方向：BIM+裝配式。