淺議裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

聶 宏 星

(容海川城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山西 太原 030027)

相比傳統(tǒng)建設(shè)方法，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率高、施工速度快，既節(jié)省模板，降低工程費用，又具有外裝飾效果，適合工業(yè)化生產(chǎn)，故在現(xiàn)代土木工程中得到越來越多的應(yīng)用[1]。然而，就目前來看，其作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計方法還不是很成熟，設(shè)計方案的科學(xué)性尚欠缺，應(yīng)用的案例及可利用經(jīng)驗也較少。因此，對其設(shè)計方法及要點進行分析與探討，提高設(shè)計方案的科學(xué)性、合理性及可操作性，已迫在眉睫。

1 裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)及其特點

1.1 裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是為提高工程的整體性和抗震性，由預(yù)制混凝土構(gòu)(部)件通過連接并現(xiàn)場澆筑混凝土而成[2]?，F(xiàn)階段，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，在現(xiàn)代土木工程中得到越來越多的應(yīng)用。

1.2 裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)特點

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了現(xiàn)澆整體式和預(yù)制裝配式的優(yōu)點，其具有如下優(yōu)點[3]：

1)工業(yè)化生產(chǎn)。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)由于“裝配”而來，具備裝配結(jié)構(gòu)的一般特點，即所需各種預(yù)制構(gòu)件可直接在工廠中統(tǒng)一生產(chǎn)，有效提高生產(chǎn)效率。

2)產(chǎn)品質(zhì)量佳。

通過工廠工業(yè)化生產(chǎn)，能夠更為嚴格的控制構(gòu)件尺寸與外觀，各項參數(shù)更為準確，使其可實現(xiàn)集約化管理，提高預(yù)制件的質(zhì)量，降低對工程結(jié)構(gòu)性能的影響。

3)成本費用低。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)使其資源利用率及生產(chǎn)率更高，從而可以降低成本。

4)施工難度小。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)由于“裝配”性能，使其便于施工，即通過對施工人員簡單培訓(xùn)，便可實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的連接與安裝，并且，因為作業(yè)工序的減少，現(xiàn)場監(jiān)督管理難度也更低。

5)外部干擾少。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員可將各種給排水、供電管道等與主體工程有效結(jié)合，減少不同項目之間的相互干擾，保證結(jié)構(gòu)在施工中順利實施。

然而，作為新生事物，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)仍具有以下缺點：

1)設(shè)計難度大。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是我國一個新的建筑結(jié)構(gòu)，多數(shù)設(shè)計人員尚缺乏相關(guān)經(jīng)驗，也未形成完整的體系與規(guī)范，對于想要達到理想的設(shè)計目標而言，還存在一定難度。

2)整體性較差。

相比傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)來講，由于裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)需要進行后期拼裝，加之一般建筑工程結(jié)構(gòu)具有龐大的特點，故整體效果存在一定差距。

3)運輸限制多。

由于裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其經(jīng)過工業(yè)化生產(chǎn)還需要運輸?shù)浆F(xiàn)場進行組裝施工，會有運輸費用的增加；同時，為了保證構(gòu)件拼接時的完好性，預(yù)制構(gòu)件運輸時要嚴禁任何因素造成損壞。因此，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)運輸時，需充分考慮各影響因素及預(yù)防措施，盡量短距離運輸，降低運輸成本的同時，保證質(zhì)量的完好，以備正常使用。

2 國內(nèi)外裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)常用的設(shè)計方法

2.1 國外設(shè)計方法

科學(xué)、合理、可行的設(shè)計方法是保證裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于實際建筑的基礎(chǔ)。目前，國外采用的設(shè)計方法與整體現(xiàn)澆式大有不同，其采用的是具有優(yōu)良的非線性特性、在線彈性范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性能良好的基于性能的設(shè)計方法[4]。采用此方法設(shè)計的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，在地震等外力作用下，彈塑性變形發(fā)生在構(gòu)件的連接區(qū)域，而基本不會發(fā)生在構(gòu)件本身上，外力下?lián)p壞也是如此。可以說，這種設(shè)計方法使結(jié)構(gòu)在地震下具有相當強的可修復(fù)性。

2.2 國內(nèi)設(shè)計方法

與國外相比，國內(nèi)目前采用的設(shè)計方法不如國外先進與成熟。國內(nèi)的設(shè)計方法與整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法類似，只是相對增加了設(shè)計任務(wù)的工作量，增多了設(shè)計過程中考慮的因素，并針對工程建設(shè)的具體實際情況，加強了設(shè)計階段各專業(yè)及各階段參與方的協(xié)作等，此方法設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)，地震作用下易使預(yù)制構(gòu)件發(fā)生破壞[5]。因此，對于我國而言，目前加強裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究，促進結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性及抗震性已勢在必行。

3 我國裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)(部)件連接、裝配而成，具有改善質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、節(jié)約能源和清潔生產(chǎn)等優(yōu)點。20世紀末開始尤其是近10年，隨著建筑業(yè)“四節(jié)一環(huán)保”可持續(xù)發(fā)展要求的提出，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、施工技術(shù)的進步，作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的重要方面，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)建筑業(yè)發(fā)展迅速。目前，為了配合和推廣裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，在國家和各地政府建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化政策支持下，我國根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)的特點制定了相應(yīng)的規(guī)范和規(guī)程，如JGJ 1—2014裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、JGJ 355—2015鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等[6]。然而，由于裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是為提高工程的整體性和抗震性，由預(yù)制混凝土構(gòu)(部)件通過連接并現(xiàn)場澆筑混凝土而成，其在現(xiàn)階段雖然發(fā)展迅速，應(yīng)用也極為廣泛，但也存在自身的缺陷，如整體性較差、設(shè)計難度大等。因此，新形勢下，在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮“裝配”及“整體”等特點，貫徹結(jié)構(gòu)整體性的概念設(shè)計，使其能夠更好地實現(xiàn)質(zhì)量、工期、成本和環(huán)保等方面要求。

4 改善我國裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及要點探討

4.1 整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)及第一步，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計相關(guān)規(guī)范及實際情況，完成一個初步的、可靠的設(shè)計方案，為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

4.2 預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并

預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并是裝配整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一重要環(huán)節(jié)，設(shè)計時需注意如下幾點：

1)預(yù)制構(gòu)件拆分之前，設(shè)計人員需與施工方進行溝通，考慮施工條件(如預(yù)制構(gòu)件的吊具及承載能力等)，或者征得業(yè)主的同意(具體施工單位不確定時)之后，根據(jù)標準、規(guī)定及一般施工水平，對構(gòu)件進行拆分與歸并設(shè)計；

2)設(shè)計人員應(yīng)掌握預(yù)制構(gòu)件制作方的制作方法和加工精度，同時對整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的初步方案進行分析，了解方案中梁、板等的功能和安裝部位及各部位相互聯(lián)系，以便制定預(yù)制構(gòu)件的安裝方法和裝配方案；

3)由于裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)有著自身的特點，拆分和歸并后的預(yù)制構(gòu)件盡可能的保證截面形狀相同，盡可能減少彎鉤的數(shù)量，同時，種類要盡量減少，遵循“少規(guī)格、多組合”基本原則，從而減少模板的種類，以便于實際施工階段能順利完成預(yù)制構(gòu)件的安裝和裝配；

4)澆筑完后，預(yù)制構(gòu)件需要通過交通工具送到施工現(xiàn)場，為了提高工程質(zhì)量及整體性，預(yù)制構(gòu)件拆分與歸并還應(yīng)滿足運輸、堆放及質(zhì)量的控制要求；

5)拆分與歸并完畢后，在進行下一環(huán)節(jié)之前，需用整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行重新計算，并根據(jù)結(jié)果，正常進入下一環(huán)節(jié)，或者有針對性的調(diào)整拆分與歸并方案，直至滿足設(shè)計要求等。

4.3 三維碰撞檢測

預(yù)制構(gòu)件的拆分與歸并完畢后，便可進入預(yù)制構(gòu)件的裝配環(huán)節(jié)。為了保證實際施工過程中，預(yù)制構(gòu)件的裝配能順利進行，應(yīng)采用一定的技術(shù)如BIM技術(shù)等在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中增加碰撞檢測。具體設(shè)計過程如下：

1)選擇需要進行的測試項目；

2)根據(jù)要求設(shè)置碰撞檢測的規(guī)則；

3)查看三維碰撞檢測結(jié)果；

4)生成碰撞檢測報告。

4.4 預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計

在裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計尤為重要，其包括鋼筋組裝圖、模具圖和吊裝圖設(shè)計等。實際工程中，預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計由構(gòu)件廠完成。其注意點分別如下：

1)鋼筋組裝圖設(shè)計是重點，要對每種類型鋼筋進行編號標示，且保證編號唯一，不能錯亂，以為預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計打下堅實的本質(zhì)基礎(chǔ)；

2)模具設(shè)計時，要對其強度、剛度及穩(wěn)定性進行計算，并應(yīng)保證模具和構(gòu)件連接緊密和混凝土的養(yǎng)護；

3)吊裝圖設(shè)計包括豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的吊裝設(shè)計，設(shè)計時需注意構(gòu)件的堆放、吊具的種類和承載力及吊環(huán)對構(gòu)件運輸和裝配的影響。

4.5 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝配整體式結(jié)構(gòu)因整體性較低，抗震能力相對不足，故為達到工程安全性與穩(wěn)定性目標，保障人們?nèi)松砼c財產(chǎn)安全，裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)尤其重視抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)注意以下幾點：

1)應(yīng)詳細了解抗震規(guī)范，保障工程設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)范；

2)需總結(jié)各項數(shù)據(jù)，綜合分析實際情況，不斷完善抗震設(shè)計方案；

3)應(yīng)提高建筑平面的對稱性與規(guī)則性，以平均分配由于地質(zhì)變化等引起的應(yīng)力改變，同時保證豎向抗側(cè)力構(gòu)件的均勻性與連續(xù)性，有效提高工程整體性，保障工程抗震能力；

4)選擇應(yīng)用樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)，減少常見的不均勻沉降問題發(fā)生；

5)用多螺式柱箍筋加強混凝土結(jié)構(gòu)約束力，提高構(gòu)件抗震性能；

6)對剪力墻與框架柱的軸壓比進行科學(xué)計算，同時保證預(yù)制構(gòu)件結(jié)合部位、疊合梁及板現(xiàn)澆部分的密實度，并依照雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的要求設(shè)計工程，以保障建筑工程的抗震性滿足要求等。

4.6 關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點的連接設(shè)計

為保障構(gòu)件間連接的合理性及工程整體性，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程實際情況，做好裝配整體式結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點的連接設(shè)計。具體設(shè)計注意事項有：

1)多螺箍筋柱設(shè)計時，要注意大小螺旋箍筋之間的交匯面積；

2)疊合樓板設(shè)計時，可將樓板的表面設(shè)計為大小與凸凹低于4 mm的人工粗糙面，以滿足樓板抗剪力的需求；

3)豎向結(jié)合面設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)疊合層混凝土各參數(shù)性能，計算各種預(yù)制構(gòu)件所需要的抗剪值以提高工程整體質(zhì)量；

4)在設(shè)計梁、柱間的節(jié)點時，應(yīng)首先考慮節(jié)點的抗剪設(shè)計，同時，對節(jié)點核心區(qū)縱橫方向采取等高截面，減少可使用模板類型，并有效控制預(yù)制構(gòu)件成本；

5)連接部分設(shè)計時，預(yù)制板中的鋼筋應(yīng)長于構(gòu)件的斷部，以避免碰撞而影響施工。此外，還應(yīng)利用附加接縫鋼筋對連接進行處理提高連接力度，采用一筆箍方式提高箍筋保護層效果等。

5 結(jié)語

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)，具有眾多優(yōu)勢，符合我國綠色建筑標準及新時期建筑業(yè)的發(fā)展方向。然而，我國裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用所累積的經(jīng)驗尚不足，存在設(shè)計難度大、整體性較差、運輸限制較多等缺陷。因此，相關(guān)設(shè)計人員還需積極學(xué)習國外先進理念，從四大環(huán)節(jié)及抗震結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點連接設(shè)計等方面，對其做好各細節(jié)控制及優(yōu)化設(shè)計，提高我國裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，推動其可持續(xù)發(fā)展。