裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)技術(shù)分析

孫杰 王飛

0 引言

裝配式建筑結(jié)構(gòu)有不同的結(jié)構(gòu)類型，適用范圍很廣，各種結(jié)構(gòu)類型各有特征，從不同方面推動(dòng)了裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展；從分析裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手，可以看出，在進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定其設(shè)計(jì)原理，并強(qiáng)化其平面布局與三維圖形的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)疊合板時(shí)，要根據(jù)跨度選用適當(dāng)?shù)寞B合板；在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，要注重保證豎向構(gòu)件連接的可靠性；對樓梯進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮梯板重量吊裝問題，并對其進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)，以保證其使用性能。

1 裝配式建筑的原則

裝配式建筑的基本原則和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的基本原則是相同的：在混凝土構(gòu)件廠將拆分的預(yù)制構(gòu)件加工，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場再用可靠的連接方式拼裝連接成整體。在裝配式建筑中，構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，其連接性能的不同也會(huì)對工程質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。要改善結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，必須針對實(shí)際情況，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。裝配式建筑結(jié)構(gòu)既能有效提高建筑的使用效率，又能使建筑設(shè)計(jì)和建造之間達(dá)到整體的和諧統(tǒng)一。在實(shí)際施工中，可以預(yù)先進(jìn)行有關(guān)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與預(yù)制，以保證在同一時(shí)間內(nèi)完成其他的工作，從而有效地提高工作效率。在這種情況下，利用構(gòu)件的重復(fù)性進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，不但可以大大提高工作效率，還可以保證構(gòu)件的質(zhì)量（圖1 為裝配式建筑展示圖）。此外，裝配式建筑結(jié)構(gòu)是一種標(biāo)準(zhǔn)化施工技術(shù)，它可以推動(dòng)建筑行業(yè)的整體規(guī)范。隨著社會(huì)科學(xué)與科技的持續(xù)發(fā)展，材料與技術(shù)的飛速發(fā)展，制造結(jié)構(gòu)所需要的零件越來越多，越來越精確。生產(chǎn)和施工技術(shù)的規(guī)范化，使得施工項(xiàng)目節(jié)約了投入資金，同時(shí)減少了返工費(fèi)用。最后，在保證安全和可靠的情況下，裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)極大地提高施工效率，縮短工程工期。在實(shí)施工程技術(shù)作業(yè)時(shí)，所有施工企業(yè)都要進(jìn)行大量的資料處理與分析，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對工程整體進(jìn)行分析與改善。因此，在施工中應(yīng)用裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能提高施工質(zhì)量，又能大大縮短工程工期，確保施工的質(zhì)量與安全。

圖1 裝配式建筑展示

2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)性能

2.1 保障建筑物的環(huán)境和安全

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑施工現(xiàn)場受多種因素的影響，建筑質(zhì)量參差不齊。如某個(gè)施工環(huán)節(jié)出了問題，將會(huì)對最終的工程質(zhì)量和施工的安全性產(chǎn)生很大的影響。同時(shí)，由于缺少有效的管理環(huán)境，在過程中很容易出現(xiàn)不合理的運(yùn)行，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。在裝配式建筑中，很多環(huán)節(jié)包括零件的裝配和裝修，都在工廠進(jìn)行生產(chǎn)和加工，以保證操作的規(guī)范化，降低了噪音、灰塵、操作不利造成的影響，同時(shí)能有效保障建筑的環(huán)保與安全。

2.2 生產(chǎn)力的大幅度提升

在傳統(tǒng)的施工技術(shù)中，各種材料在現(xiàn)場加工生產(chǎn)，比如鋼筋在現(xiàn)場加工、連接，混凝土在現(xiàn)場澆筑，在一定程度上會(huì)造成工程現(xiàn)場的混亂，影響工程的最終質(zhì)量，而裝配式建筑構(gòu)件在預(yù)制工廠進(jìn)行生產(chǎn)，具有重復(fù)性集約化，規(guī)模化。在此背景下，可以應(yīng)用于裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。

2.3 改善施工質(zhì)量

由于工程建設(shè)的內(nèi)容較多，現(xiàn)場施工過程中會(huì)出現(xiàn)各種矛盾，尤其是在缺乏監(jiān)測的情況下，施工場地往往會(huì)出現(xiàn)臟、亂、差現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工程的質(zhì)量和效益。而裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，無論是鋼筋的綁扎連接，還是混凝土養(yǎng)護(hù)，都有利于現(xiàn)場質(zhì)量的提升，從而有效確保了工程的質(zhì)量。

3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的探討

3.1 重視裝配式構(gòu)件及連接設(shè)計(jì)

對混凝土結(jié)構(gòu)承載力、變形、裂縫進(jìn)行了測試，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。此外，對于短時(shí)的顛覆、吊裝、運(yùn)輸、堆放、安裝等也要注意。在不同工況下，構(gòu)件的拉力形態(tài)發(fā)生改變，或構(gòu)件的強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而使構(gòu)件的最終截面尺寸和配筋也存在一定程度的差別。另外，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中，為了合理地分割構(gòu)件的大小和尺寸，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)倪B接方式。在預(yù)制件的整體設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意預(yù)制件的連接，確保構(gòu)件的安全可靠，符合技術(shù)規(guī)范。包括豎向構(gòu)件常規(guī)的套筒灌漿連接，疊合梁、疊合板的連接、主次梁連接結(jié)構(gòu)、預(yù)制柱與預(yù)制梁的連接結(jié)構(gòu)等。

3.2 規(guī)范的設(shè)計(jì)過程

各有關(guān)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對設(shè)計(jì)單位的管理，不斷優(yōu)化與完善設(shè)計(jì)過程與制度，從制度上為設(shè)計(jì)企業(yè)提供有效保障。為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)流程，并為他們的設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。同時(shí)，要加強(qiáng)對設(shè)計(jì)者的管理，使其能夠更好地按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮各種因素對工程質(zhì)量和抗震性能的影響。使其符合工程整體的要求，同時(shí)還要兼顧工程造價(jià)，防止工程造價(jià)與預(yù)算偏差。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開設(shè)計(jì)流程中的復(fù)雜構(gòu)件，以保證構(gòu)件的加工與生產(chǎn)與建筑進(jìn)度同步。

3.3 設(shè)計(jì)預(yù)制件

預(yù)制件是預(yù)制板建造過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循模塊化的原則，盡可能減少構(gòu)件的類型，以獲得準(zhǔn)確、規(guī)范的構(gòu)件，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。裝配式建筑的主體構(gòu)件有多種形式。現(xiàn)澆成形是目前應(yīng)用最廣泛的一種施工方式。同時(shí)，要考慮到當(dāng)?shù)氐慕煌顩r，包括加工能力、構(gòu)件吊裝等。同時(shí)，預(yù)制件的耐久性、耐火性等特性也應(yīng)得到充分的體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)預(yù)制件時(shí)，要保證產(chǎn)品的安全和制造的可能性。對大型預(yù)制件，可增設(shè)相關(guān)的拆卸和預(yù)埋吊點(diǎn)。根據(jù)不同的隔熱要求，可以設(shè)計(jì)出滿足保溫節(jié)能要求的預(yù)制外墻。如圖2 所示。

圖2 預(yù)制外墻施工

3.4 構(gòu)件類型的規(guī)范化

裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件形式多樣，因此必須確保構(gòu)件種類、構(gòu)件質(zhì)量的規(guī)范化，以確保其設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工質(zhì)量。首先，要保證整體的一致性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮各種規(guī)范，并且要把這些規(guī)范有機(jī)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的布局。其次，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的空間布局設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師要充分考慮到不同的戶型以及周邊的交通情況。在構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，還要兼顧電梯、樓梯之類的運(yùn)輸問題。建筑的設(shè)計(jì)要建立在住戶自己的體驗(yàn)之上。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到使用者的個(gè)性化需要，為使用者提供特定的空間，以保證不同的組合，滿足業(yè)主的多元化需要。

3.5 樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樓梯結(jié)構(gòu)按照混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體的抗壓承載力，通常采用預(yù)埋鋼板和平臺進(jìn)行焊接。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留意混凝土結(jié)構(gòu)和護(hù)欄之間的細(xì)微差異。在吊裝過程中，要考慮預(yù)制樓梯的升降通道，同時(shí)考慮鋼筋通道、扶手等，確保在吊裝過程中不會(huì)對預(yù)制樓梯造成損傷，同時(shí)保證樓梯的安裝是一致的。在設(shè)計(jì)樓梯時(shí)，應(yīng)充分考慮施工安裝的要求，比如當(dāng)建筑層高較高時(shí)，樓梯梯板相對較長，單個(gè)梯板構(gòu)件重量一般會(huì)有3～4t，重量超過一般常規(guī)的塔吊規(guī)格。為節(jié)省人員、提高工程質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按人的功效進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 裝配式樓梯

3.6 優(yōu)化細(xì)節(jié)

首先，在方案設(shè)計(jì)時(shí)要考慮好相應(yīng)的裝配式要求，一般分為按國標(biāo)或各省市裝配式標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，要選擇好相應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)體系。平面規(guī)則、造型簡單、立面簡潔較少線條；或者雖然造型復(fù)雜但有很多標(biāo)準(zhǔn)層重復(fù)率高的建筑更容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，從而提高生產(chǎn)和施工效率，提高模具周轉(zhuǎn)次數(shù)、降低成本。圍護(hù)墻裝飾保溫一體化，可解決傳統(tǒng)建筑的質(zhì)量通病，采用吊頂方式進(jìn)行管線分離以及采用同層排水、集成廚衛(wèi)燈可提高建筑功能品質(zhì)，延長建筑使用壽命。

3.7 降低費(fèi)用

如果裝配式建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)太高，很難在市場上得到普及，進(jìn)而影響其應(yīng)用與發(fā)展。因此，在進(jìn)行裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮到造價(jià)的影響，在保證工程質(zhì)量的前提下，盡可能減少工程造價(jià)，目前規(guī)范要求裝配率、預(yù)制率對項(xiàng)目成本影響很大。根據(jù)裝配式建筑發(fā)展的規(guī)律，裝配率越高，說明建筑重復(fù)率高，集約化程度高，成本應(yīng)該越低，而發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)也已經(jīng)證明。但實(shí)際在我國的情況相反，裝配率越高，建筑成本反而越高。如果只采用預(yù)制水平構(gòu)件（樓板、樓梯、陽臺、設(shè)備平臺）成本相對不高，但是按現(xiàn)行國家《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51231—2016）要求公建裝配率達(dá)到60%，因此除了水平構(gòu)件預(yù)制以外，還需要增加豎向預(yù)制構(gòu)件，會(huì)導(dǎo)致成本增量進(jìn)一步加大。因此，要在設(shè)計(jì)階段對構(gòu)件拆分問題進(jìn)行充分預(yù)估，通過設(shè)計(jì)減少成本投入，從而提高工程效益。

3.8 合理安排建筑物的平面布置

為了盡量減少工程施工的困難，提高工程造價(jià)，設(shè)計(jì)者應(yīng)注重規(guī)劃的各個(gè)環(huán)節(jié)，以保證整體的建筑布置最合理，不管是在運(yùn)輸線路上，還是在吊車的位置上，都要保證最佳的平面布置。

3.9 掌握參量準(zhǔn)則

（1）一般情況下，為了保證建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，必須對各種不同的振動(dòng)狀況進(jìn)行分析。根據(jù)不同的建筑類型來選擇交通工具，如15 層以上的高樓。

（2）準(zhǔn)確求取垂直分布的鋼筋比例。通常采用實(shí)際配筋比例來確定鋼筋的配筋比例，從而保證總體的計(jì)算精度，減小誤差。若不按實(shí)際的配筋比例來計(jì)算，會(huì)使鋼筋的抗彎性系數(shù)發(fā)生變化。

3.10 結(jié)構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在裝配式建筑中，技術(shù)系統(tǒng)是決定其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了保證工程的質(zhì)量，設(shè)計(jì)者應(yīng)在設(shè)計(jì)和建造中不斷強(qiáng)化這種技術(shù)。在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的技術(shù)，可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化，從而促進(jìn)整個(gè)建筑業(yè)的良性發(fā)展。結(jié)合我國建筑行業(yè)的實(shí)際情況，為了確保裝配式建筑的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，合理選取技術(shù)系統(tǒng)，并進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者要加強(qiáng)對工程現(xiàn)場的研究，并根據(jù)工程的具體情況，對其進(jìn)行風(fēng)荷載、地震作用等分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的選取與設(shè)計(jì)，以保證技術(shù)系統(tǒng)的合理選取。

3.11 以BIM 技術(shù)深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高工程的設(shè)計(jì)效率，在BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用BIM 技術(shù)三維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了三維前向設(shè)計(jì)，以提高其施工質(zhì)量。

（1）建立一個(gè)預(yù)制組件庫。在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮構(gòu)件布局的科學(xué)合理性、構(gòu)件規(guī)格的統(tǒng)一性、構(gòu)件接縫的精確性、構(gòu)件的總體形狀、構(gòu)件的構(gòu)造、運(yùn)輸、施工等方面。在該項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件庫創(chuàng)建完成后，以預(yù)制構(gòu)件庫為導(dǎo)向，利用BIM 技術(shù)對裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分處理，主要結(jié)合構(gòu)件的類型、荷載大小、層高等條件，通過拆分與組合等不同的操作，減少裝配式預(yù)制件類型。

（2）BIM 模型的最佳化。進(jìn)行BIM 的碰撞分析及環(huán)保分析，并對其結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。該項(xiàng)目采用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋深化，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求，利用BIM 技術(shù)對預(yù)制塊進(jìn)行加固。同時(shí)，運(yùn)用Revit 軟件，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度分析，強(qiáng)化鋼筋排列與碰撞檢測的合理性，對碰撞問題進(jìn)行列舉，并按試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行維修，防止鋼筋在澆注部位與預(yù)制件的連接處發(fā)生碰撞。

4 關(guān)于裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待完善之處

雖然裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在施工技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，但是還存在很多不足之處。首先，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本高于傳統(tǒng)的澆筑混凝土建筑的成本，因此有必要降低和優(yōu)化后續(xù)使用過程的成本，特別是在設(shè)計(jì)的早期，應(yīng)確立標(biāo)準(zhǔn)化的原則，而預(yù)制構(gòu)件應(yīng)該是更小的規(guī)格和更多的組合，以有效促進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)。其次，為了有效解決剛性節(jié)點(diǎn)安裝效率低、施工難度大的問題，必須對預(yù)制混凝土構(gòu)件的連接技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。該方法能夠?qū)㈩A(yù)制件的連接特征相結(jié)合，進(jìn)行固定剛性系統(tǒng)或不對稱剛性部件的研究與改善，從而使其規(guī)范化、生產(chǎn)化。在此基礎(chǔ)上，提出了基于國內(nèi)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造、安裝一體化的長期發(fā)展目標(biāo)，在預(yù)制構(gòu)件的研制中，采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)無現(xiàn)澆接頭的技術(shù)，并將其連接盡可能地簡化。著重于裝配式建筑的一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。將BIM 的生命周期信息與數(shù)據(jù)管理相結(jié)合，可以自動(dòng)選擇構(gòu)件，智能迭代優(yōu)化，以及智能裝配。同時(shí)，該系統(tǒng)還能充分利用結(jié)構(gòu)的主動(dòng)性，使其在設(shè)計(jì)、施工中的工作效率得到了進(jìn)一步的提升。

5 結(jié)論

綜上所述，目前，我國進(jìn)入了一個(gè)新的工業(yè)革命時(shí)期，但與國際先進(jìn)水平相比，工業(yè)化程度仍然很低。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)業(yè)主的設(shè)計(jì)需求，根據(jù)所生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)、節(jié)點(diǎn)、預(yù)制件的設(shè)計(jì)，以及合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以便設(shè)計(jì)出合理、專業(yè)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。