某高層裝配式建筑結構方案比選研究

吳江泠

（上海市堤防泵閘建設運行中心，上海 200080）

0 引言

裝配式建筑是指用預制部品部件在工地裝配而成的建筑[1]。2016 年，國務院辦公廳發布了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，意見指出要因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑。力爭用10 年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。2021 年11 月，上海市住建委發布了《上海市裝配式建筑“十四五”規劃》，報告指出“十三五”期間，上海裝配式建筑發展態勢良好、成效顯著，標準規范體系逐步完善，裝配式建筑面積實現跨越式增長。“十四五”時期，需繼續推動裝配式建筑的發展，實現裝配式建筑“從有到優”的升級發展，使裝配式建筑成為上海地區的主要建設方式[2]。報告還指出需在學校、醫院等公共建筑及工業廠房中大力推進裝配式鋼結構、鋼－混凝土組合結構等新型結構體系。縱斌[3]等人的研究成果表明，上海市765 號文調整了裝配式建筑指標計算方法，充分考慮外圍護的占比分值，使評價體系更為科學合理。胡開華[4]等人研究了上海50m 左右高層辦公樓的結構體系，研究表明鋼結構體系和裝配式混凝土體系的經濟性相近。胡松[5]等人對比了70m 高度裝配式混凝土框架－現澆核心筒與裝配式鋼框架－現澆核心筒的結構方案，結果表明PC－核心筒相比鋼框架－核心筒，土建成本略低，但施工工期長，綜合考慮鋼框架－核心筒方案更合理。本文以上海市閔行區某辦公建筑為分析對象，對比分析裝配式混凝土結構和裝配式鋼—混凝土組合結構兩種體系的受力特點，盡可能在滿足結構安全和預制率的要求下，節省工程造價和工期。

1 工程概況

上海市閔行區某地塊新建建筑項目，規劃總用地面積為9 萬m2，由兩層地下室和地上9 個建筑單體組成，建筑功能有商務、辦公及酒店。根據上海市住建委《關于進一步明確裝配式建筑實施范圍和相關工作要求的通知》[6]，本工程實施裝配式建筑，裝配式建筑落實比例為100%，建筑單體預制率不低于40%或單體裝配率不低于60%。因本項目建筑平面功能單一，各單體建筑平面布置類似，以總建筑高度最高的1 號單體為分析對象，對比分析鋼筋混凝土框架－混凝土核心筒結構和鋼框架－混凝土核心筒結構兩種體系的受力特點。在滿足預制率的前提下，盡可能減少工程造價，節省工期。

2 方案對比分析

2.1 結構計算參數

1 號單體地上10 層，標準層高3.6m，結構高度59.4m，結構三維模型如圖1 所示。結構設計使用年限為50 年，抗震設防烈度7 度，建筑設防類別為標準設防類（丙類）。設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅳ類，設計基本地震加速度0.10g[7]。用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法進行計算，并考慮雙向地震和偶然偏心影響的地震作用。附加恒荷載按100mm 厚建筑面層考慮，取3.0kN/m2，活荷載根據業主要求取5.0kN/m2。基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度B 類[8]。

圖1 結構體系示意圖

2.2 結構計算結果

方案一采用鋼筋混凝土框架－混凝土核心筒結構，方案二采用鋼框架－混凝土核心筒體系。標準層結構平面布置圖如圖2 所示，采用YJK 軟件進行初步試算，其主要結構構件截面尺寸信息及計算分析結果如表1 所示。

圖2 標準層結構平面布置圖

表1 兩種不同裝配式結構體系分析結果對比

2.3 單體預制率分析

考慮結構受力特性，框架－核心筒結構的剪力墻、核心筒內部梁、板均采用現澆；樓梯、外圍護墻、無防水要求的非核心筒區域的梁及樓板、底部加強區外的結構柱等構件可采用預制構件，以滿足政策要求。預制率計算依據滬建建材765號文《上海市裝配式建筑單體預制率和裝配率計算細則》[9]中的方法二（權重系數法）。其計算公式為：

建筑單體預制率=∑[權重系數×∑（構件修正系數×預制構件比例）] （1）

2.3.1 方案一（鋼筋混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒）

鋼筋混凝土框架－鋼筋混凝土核心筒結構的裝配式構件范圍如表2 所示，按公式（1）計算的預制率結果詳見表3，可滿足預制率40%的要求。

表2 裝配式構件范圍

表3 預制率計算

2.3.2 方案二（鋼框架+鋼筋混凝土核心-）

鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構的裝配式構件范圍如表4所示，主體結構采用鋼柱、鋼梁、組合樓板，核心筒采用鋼筋混凝土現澆。鋼結構的應用大大提高了預制率，在不考慮外圍護墻預制裝配的情況下，按式（1）計算的預制率結果詳表5，可滿足預制率40%的要求。

表4 裝配式構件范圍

表5 預制率計算

2.3.3 樓蓋形式

從近幾年的工程應用來看，由于現澆混凝土板需現場支模，施工速度慢，且不符合裝配式要求，故工程應用較少；而鋼筋桁架板具備自重輕、施工速度快、造價適中、傳力方式與現澆板相同、且符合裝配式要求等優勢，采用鋼筋桁架組合樓蓋的項目比例較高。鋼管桁架預應力疊合板（PK 板）對傳統的鋼筋桁架樓承板進行改進，上部受壓區為砂漿鋼管，中部傳力機構為鋼筋桁架，下部受拉區為預應力鋼絲。PK 板能實現大跨度板預制構件，解決了避免板底生銹、適應板跨較小等問題，在工程實踐中有越來越多的工程應用。

2.4 施工技術成熟性

從技術的成熟度方面考慮，鋼筋混凝土方案由于要滿足上海市裝配式率的要求，大量樓板，梁及部分框架柱需要現場裝配，對施工人員技術要求比較高，工程質量較難控制。而鋼結構方案節點均為工廠預先制作好在現場安裝拼接，技術較為成熟，工程質量容易控制。裝配式混凝土結構根據規范要求連接性能等同現澆混凝土結構，裝配式混凝土結構和鋼結構節點抗震性能均滿足規范要求。

從施工速度方面考慮，鋼筋混凝土方案一般9～10d 一層，鋼結構方案一般6～7d 一層。相對而言鋼結構方案施工速度較快、資金周轉快。

另外鋼結構方案框架梁、柱截面相對較小，對建筑效果影響較小。同時由于鋼筋混凝土方案樓板和梁均為預制，后期一旦確定，結構樓板留洞及建筑功能修改的可能性很小，因此鋼筋混凝土方案建筑功能調整的適應性較差。

3 結論

（1）兩種裝配式方案均滿足上海市對于預制裝配率不低于40%的要求，故兩種裝配式結構方案均可行；

（2）裝配式建筑的樓蓋形式一般選擇免模現澆混凝土板，常用的有鋼筋桁架樓承板、鋼管桁架預應力疊合板（PK 板）等；

（3）鋼結構因工廠預制方便，現場濕作業少，在裝配式建筑應用上有著施工速度快，現場安裝質量易控制等優點。