裝配式建筑結構設計分析

蔡杞芝

湖南格瑞工程建設集團有限公司，湖南 長沙 410000

當前建筑技術逐漸向輕建筑系統發展，且將其應用于多層建筑。裝配式建筑結構符合“綠色建筑”要求，也順應了建筑行業可持續發展需求。結構設計是建筑項目建設的重要內容，在設計階段需對項目要求、周邊地質、結構性能等進行綜合考量，并建立相應的建筑模型，繪制圖紙，為后續施工提供依據。文章基于裝配式建筑結構特征對具體設計方法進行說明。

1 裝配式建筑結構概述

裝配式建筑建筑指集合系統結構、外墻圍護系統、設備綜合管線與內裝系統等部件的預制式建筑形式，其為系統性工程，主要是通過提前預制標準化構件，在現場組裝成一體化建筑[1]。裝配式建筑適用于非抗震設計與抗滲設防烈度為6～8度的乙類及以下民用建筑，主要結構體系包括框架結構、剪力墻結構、框架-現澆核心筒結構等。此類建筑的主要特點如下：采用標準化生產模式，構件尺寸更為精準；生產效率高，現場拼裝構件，工期縮短；減少工地濕作業，節約資源，污染較少；設計、生產與施工協同發展，應用BIM技術等，設計方案更為科學合理。

2 裝配式建筑結構體系設計要點

2.1 設計流程

（1）方案階段。方案設計階段必須通知所有工程參與方組織會議，明確各自職權范圍，對建筑平面設計方案、立面設計方案與戶型等進行研討并敲定，對廚房、衛生間等功能空間區域尺寸進行標準化處理，確定開窗等模數。對于預制構件，必須經過經濟性與可行性方案論證，確保工程建設質量與經濟效益。同時，生產廠家按照設計方案中提出的構件尺寸與節點構造參數等進行生產，對制作、運輸與施工方案的經濟性與可行性進行論證，確保結構布設的科學合理，節約成本。

（2）初步設計階段。對戶型中剪力墻體的位置進行調整，確定無異形樓板與墻板的空間位置關系。各專業部門必須共享信息，相互配合，對暖通工程管線、電力工程管線等布置方案進行模擬分析，目的是減少施工沖突。

（3）施工圖階段。采用計算機技術與BIM工程軟件對施工圖設計方案進行優化，以預制構件拼裝為例，可創建相關模型，對構件連接方式等進行科學處理，如預制構件連接部位的處理方式等，如圖1所示。深化設計階段，預制構件生產廠家需提前做好孔洞預留、預埋件等工作，確保施工構件完整且美觀。

圖1 裝配式預制件拼接顯示模型

2.2 結構體系選擇

當前裝配式建筑結構體系主要分為裝配整體式剪力墻結構、疊合剪力墻結構與整體框架結構[2]。設計過程中需對工程現場進行全面考察，確定建筑高程、抗震級別與風荷載水平，后基于現行規范合理選擇結構形式。

2.3 構造節點設計

對于門窗等防水性能較差的位置，需細化構造節點設計方案，根據工程所處區域的氣候特征與地質條件等進行設計。若忽略抗震性設計，結構主體荷載為風荷載，則構件節點設計需滿足內力要求。若考慮抗震性能設計，主體荷載為地震荷載，地震荷載過大建筑結構可能呈塑性狀態，則需基于極限狀態應力特征進行承載力設計。

3 實例分析

某科技產業園綜合樓建筑總面積為6346m2，地上6層樓，集辦公、會議等于一體，為多功能建筑類型。經方案比選，最終選用預制裝配整體式混凝土框架結構，裝配率高達91.3%，為地區綠色建筑重點示范工程。

3.1 標準化設計

（1）平面標準化。項目平面規整，模數為2000mm，柱網尺寸分別為8000mm×8600mm、8000mm×6000mm。平面設計需對相同戶型實行標準化設計，減少構件數量。綜合樓2～5層為宿舍與部分辦公室，采用規格相同的開窗與分板。設計單位經模擬計算與比較分析確定了遮陽板尺寸，符合“少規格、多組合”設計要求。

（2）立面標準化。因該項目樓層中空間功能多樣，立面設計難度較大。為實現標準化生產目標，確保裝配工作的有序進行，構件生產必須符合施工工藝特征與現場作業規范流程。該工程主跨位置裝有2塊外掛墻板，墻板開窗形式與窗口參數相同。按照當前綠色建筑相關規范與節能標準，需對預制外墻掛板進行合理設置，改善立面設計效果。預制外墻掛板與遮陽系統設計參數統一，建筑立面的秩序感較強，但外觀也略顯單調。為此，加設6組大窗，突出虛實對比，充分展現建筑結構線性輪廓，豐富立面效果。

（3）模數化。該項目設計嚴格遵循建筑模數協調標準，經計算分析確定，各構件模數如下：平面柱網模數為8m，預制外墻掛板模數為4m，預制遮陽板模數為1m。

3.2 結構設計

該項目中預制率為91.3%，預制構件主要包括預制柱、預制疊合梁、預制疊合板、預制復合外掛板、預制內墻板、預制樓梯板與預制女兒墻等[3]。工程基礎采用錘擊高強預應力混凝土管樁基礎，地基設計等級設置為乙級。

預制柱尺寸為600mm×600mm，端頭局部加設了尺寸為600mm×700mm的預制柱，有效提高了結構的整體抗扭剛度，上下層柱間采用單孔套筒灌漿連接方式；框架梁選用疊合梁，疊合層厚度為150mm，尺寸包括400mm×600mm、400mm×700mm兩類，梁柱節點均采用梁主筋插入式進行處理；樓板均采用厚度為80mm的疊合板，要求四側邊不能出筋；外墻板為無機保溫微孔混凝土復合板，厚度為250mm，復合板與上層梁疊合位置采用濕式連接法進行處理。

3.3 構造節點設計

該建筑預制外墻板水平縫、垂直縫、十字縫等接縫及門窗洞口等部位均選用耐久性強、力學性能突出且具有裝飾性的材料。工程中選用的防水材料主要為發泡聚乙烯棒與密封膠，采用企口縫對建筑水平縫進行處理，垂直縫則采用綜合處理模式，聯合應用結構自防水、材料防水與構造防水措施。建筑中的所有門窗均采用先裝法，這種防水構造形式能夠提高建筑主體的防水性能，避免滲漏問題。

3.4 信息化協同管理

（1）方案階段。根據工程前期現場勘察結果進行方案設計，采用適宜的技術類型有效避免設計、生產、施工及裝修等環節的設計問題。例如該工程基于已提出的裝配式技術路線與產業化目標，遵循構件拆分原則進行方案設計。對于尺寸、類型不同的預制構件，將實際構件尺寸、材料特性與位置等相關信息作為參考標準，創建基本的預制構件族，后依此建立Revit模型。對其中單個模型族的幾何屬性進行可視化分析，確定構件的數量與類型。

（2）施工圖、深化圖階段。該工程應用BIM軟件對預制構件的幾何形狀、物理參數等進行分析，為工程構件優化提供依據，確定最終構件的類型、數量。基于BIM技術對工程管線進行合理布設，協同土建與暖通工程等，在BIM平臺上進行碰撞檢測，明確預制構件、鋼筋與預埋件等布設沖突，及時修改設計方案，就已確定的材料用量方案提出整改意見，以達到BIM技術在裝配式建筑中的專業協同設計目的。該項目聯合應用BIM技術與Revit模型進行協同設計，對“錯、漏、碰、缺”進行細致檢查。該工程中樓板、梁柱等構件的現場安裝較為復雜，需預留孔洞，因此對原有結構設計方案提出了較高要求。為此，該工程將深化的BIM模型導入Navisworks軟件，對每個節點進行智能化碰撞檢查，然后將建筑、結構、機電模型等均導入Navisworks軟件，進行碰撞檢查，避免了管線與土建的碰撞問題。

4 結束語

綜上所述，裝配式建筑與傳統建筑形式相較優勢突出，表現為施工效率高、施工進度快、設計參數準確、綠色環保，具有較大的技術研究空間與發展潛力。在設計建筑結構時，可充分應用BIM信息技術對預制構件、結構布局等進行優化，確定平面模數、結構體系、預制構件節點等，確保裝配式建筑結構體系符合設計要求，建筑防水、防滲性能理想。