預(yù)制裝配式剪力墻住宅建筑的設(shè)計要點分析

郭旭靜，越 淼，菅小東，姚春斌

（山西建投遠(yuǎn)大建筑工業(yè)股份有限公司，山西 太原 030100）

近年來，裝配式建筑備受關(guān)注。2016年起，國務(wù)院及全國各地政府相繼出臺鼓勵發(fā)展裝配式建筑的政策文件；國家、行業(yè)及地方的裝配式建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)密集頒布實施；以萬科、碧桂園為代表的大型房地產(chǎn)企業(yè)強勢進入裝配式建筑領(lǐng)域，形成自己特有的技術(shù)體系；央視“厲害了我的國”也對此進行專題報道：裝配式建筑，“積木”搭高樓，詳細(xì)介紹了碧桂園建筑新技術(shù)——SSGF工業(yè)化建造體系，其四大核心理念是科技創(chuàng)新、安全共享、綠色可持續(xù)、優(yōu)質(zhì)高效。隨著人們生活水平的逐步提高，建筑工作人員對現(xiàn)場工作條件有了更高的需求，不愿意再在惡劣的環(huán)境中作業(yè)，裝配式建筑應(yīng)運而生。

1 預(yù)制裝配式混凝土建筑的結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計要點

1.1 常用的結(jié)構(gòu)體系

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可歸納為三大類，即裝配式框架結(jié)構(gòu)體系、裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系、裝配式框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，實際的項目可根據(jù)工程的建筑高度、平面特點、所在地的設(shè)防烈度和抗震等級等來選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系。

裝配式框架結(jié)構(gòu)一般由預(yù)制柱、預(yù)制主次梁、疊合樓板、外掛墻板、預(yù)制樓梯等部件組成。其具有清晰明確的傳力途徑，能夠靈活分割空間，提高裝配效率，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，是預(yù)制裝配選擇的最佳結(jié)構(gòu)形式。裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是由預(yù)制墻板、疊合梁、疊合板組成的裝配式結(jié)構(gòu)，對具有固定使用功能的住宅建筑來說，其具有更好的適用性[1]。

1.2 預(yù)制裝配式混凝土建筑設(shè)計參考流程

與傳統(tǒng)的設(shè)計流程相比，裝配式建筑的設(shè)計流程更復(fù)雜、更精細(xì)、更綜合。其具體設(shè)計流程如圖1所示，每個設(shè)計階段的分析要點如下。

1.2.1 技術(shù)策劃

在裝配式建筑的設(shè)計中，對項目實施起到?jīng)Q定性作用的步驟為前期技術(shù)策劃。建筑師和結(jié)構(gòu)師應(yīng)協(xié)同工作，結(jié)合建筑使用功能、PC工廠生產(chǎn)能力、施工現(xiàn)場安裝要素等條件確定結(jié)構(gòu)體系，制訂合理的技術(shù)措施，為下一步的設(shè)計工作提供依據(jù)。

1.2.2 方案設(shè)計

平、立面設(shè)計需以技術(shù)策劃為基礎(chǔ)，在滿足使用功能的前提下，遵循預(yù)制構(gòu)件“少規(guī)格，多組合”的原則，通過模數(shù)協(xié)調(diào)提高模具的重復(fù)使用效率，實現(xiàn)建筑的模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化，并結(jié)合裝配式建筑的特點，達到立面多樣化與個性化的要求。

1.2.3 初步設(shè)計

在實際工作中，應(yīng)結(jié)合各相關(guān)專業(yè)協(xié)同設(shè)計。在提前分析強、弱電管線的預(yù)留預(yù)埋、開關(guān)點位布置的前提下，同時進行經(jīng)濟評估，分析影響項目造價的要素，明確最終的技術(shù)方案。

1.2.4 施工圖設(shè)計

在施工圖設(shè)計階段，要進一步深化、優(yōu)化初步設(shè)計階段的設(shè)計理念。各專業(yè)依據(jù)設(shè)備設(shè)施、裝飾裝修、PC工廠等上下游廠商提供的技術(shù)參數(shù)，完成易于操作、便于落地的預(yù)制構(gòu)件大樣圖，做好相關(guān)的詳圖設(shè)計，重點是處理好節(jié)點防火、防水、隔聲和系統(tǒng)的集成設(shè)計。

1.2.5 構(gòu)件加工圖設(shè)計

協(xié)同設(shè)計單位、生產(chǎn)單位、施工單位三方完成構(gòu)件加工圖設(shè)計工作。建立協(xié)同的工作機制，預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)與PC工廠生產(chǎn)工藝、施工措施密切配合，并且利用BIM技術(shù)提高預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計完成度和精準(zhǔn)度。預(yù)制構(gòu)件加工圖除了要精準(zhǔn)反映部件的加工尺寸、類型、連接形式和預(yù)埋管線的定位之外，還需滿足PC工廠生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場裝配施工等相關(guān)過程的安全與技術(shù)要求。

1.3 預(yù)制裝配式剪力墻住宅建筑的設(shè)計要點

1.3.1 總圖規(guī)劃設(shè)計

在裝配式剪力墻的住宅建筑總圖設(shè)計中，構(gòu)件的運輸、存放和吊裝問題是設(shè)計的前提。因此，要提前確定構(gòu)件的運輸路線，布置其臨時存放施工場地，充分計算構(gòu)件的吊裝設(shè)備，看其是否滿足安全、經(jīng)濟和合理布置的原則。

1.3.2 平面設(shè)計

大開間的平面布局是剪力墻住宅建筑的最佳選擇。合理布置剪力墻、公共空間管井位置，明確功能分區(qū)。主體結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)簡單、規(guī)則，剪力墻應(yīng)上下貫通，懸挑與突出部分不宜過大，且不宜有較多的平面凹凸。模數(shù)協(xié)調(diào)原則是裝配式建筑平面的設(shè)計原則，優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件的尺寸和種類，可以實現(xiàn)住宅預(yù)制產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。

1.3.3 立面設(shè)計

預(yù)制裝配式建筑的立面設(shè)計既要考慮工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，裝配式施工的系統(tǒng)化，還要在堅持模數(shù)化設(shè)計的前提下通過標(biāo)準(zhǔn)模塊的多樣化組合，實現(xiàn)建筑形體和空間的變化。

1.3.4 樓面設(shè)計

樓面設(shè)計應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化的原則，盡可能減少類型，節(jié)約成本，同時，要盡量采用大尺寸的樓板，以便有效節(jié)約工時，提高效率。另外，公共區(qū)域、降板位置等應(yīng)考慮現(xiàn)澆，疊合板的現(xiàn)澆層應(yīng)確保其內(nèi)預(yù)埋電氣、水暖管線的合理、安全布置。

1.3.5 預(yù)制墻板設(shè)計

1.3.5.1 預(yù)制外墻板的拆分

裝配式剪力墻住宅建筑的外墻板宜全部采用預(yù)制部件，由設(shè)計單位提供相應(yīng)的拆分圖紙，并遵循以下原則：①結(jié)合立面效果，綜合考慮結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆部位和施工要素，合理拆分墻板；②以經(jīng)濟性為前提，以模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化為原則，優(yōu)化類型，節(jié)約成本；③預(yù)制構(gòu)件的尺寸需考慮項目的經(jīng)濟性、PC工廠的生產(chǎn)能力、現(xiàn)有的運輸條件及施工現(xiàn)場的組織能力等。

1.3.5.2 預(yù)制墻板的節(jié)點設(shè)計

連接節(jié)點處的構(gòu)造設(shè)計是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點。預(yù)制外墻板的垂直縫、水平縫、門窗洞口等位置的構(gòu)造要求，材料選用應(yīng)滿足建筑的防水、防火、耐久等性能的要求，且同時應(yīng)滿足構(gòu)造合理、生產(chǎn)快捷、施工簡便、堅固耐久等相關(guān)要求。

1.3.6 預(yù)制樓梯的設(shè)計

現(xiàn)澆的混凝土樓梯支模復(fù)雜，工時比較長，具有施工質(zhì)量通病。而由工廠預(yù)制的混凝土樓梯則與其相反，具有快捷、質(zhì)優(yōu)、節(jié)省等特點，且外觀質(zhì)量好，現(xiàn)場施工方便、節(jié)約模板，大大縮短了工期，減少了建筑垃圾等，同時，住宅層高統(tǒng)一，能實現(xiàn)預(yù)制樓梯的模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2 預(yù)制裝配式剪力墻住宅建筑的工程實例

2.1 工程概況

泰瑞城項目位于太原市晉源區(qū)，位于長風(fēng)商務(wù)區(qū)西側(cè)，毗鄰晉陽湖和西山森林公園，地理位置優(yōu)越，規(guī)劃合理，總用地面積約為2.69×105m2。為了推動住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，泰瑞城項目選取I標(biāo)段4#、5#、6#和8#樓作為裝配式建筑示范樓。該標(biāo)段建筑均為29層的高層單元式住宅，總建筑面積為110722.75 m2，設(shè)計層高為3 m，總建筑高87.450 m，滿足《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51231—2016）第5.1.2條8度（0.2 g）限高90 m的要求。

該項目采用裝配整體式高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系，采用灌漿套筒的連接形式。加強區(qū)豎向構(gòu)件（剪力墻）為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，水平構(gòu)件（板）為疊合構(gòu)件；非加強區(qū)剪力墻部分預(yù)制，水平構(gòu)件為疊合構(gòu)件；同時，陽臺板、女兒墻等維護結(jié)構(gòu)部分也采用裝配的方式。

2.2 戶型選取

為了便于PC工廠的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計單位優(yōu)化建筑平面，如圖2所示。

以4#樓為例，它是由兩梯四戶的單元對稱構(gòu)成，以保證結(jié)構(gòu)的整體平衡。每戶均為3室的經(jīng)典戶型，平面平整，減少凹凸，南北承重墻對應(yīng)布置，精減開間類型，以滿足預(yù)制外墻板標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

在外形的選取上，既有臥室、廚房的普通平開窗，也有客廳的落地開窗，亦有飄窗、陽臺、空調(diào)板等幾種構(gòu)件，使該項目更具有代表性。

2.3 疊合樓板的構(gòu)造設(shè)計

本工程樓板疊合層厚度為60 mm，現(xiàn)澆層厚度為70 mm，轉(zhuǎn)換層和屋面層的現(xiàn)澆厚度為90 mm，充分保證了設(shè)備管線的布設(shè)，同時還采用雙向板板縫節(jié)點設(shè)計方式，如圖3所示。

考慮到施工安裝的可操作性，本項目設(shè)計板縫寬為300 mm，既能滿足雙向板的受力要求，又為加工和安裝提供便利，同時便于工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

2.4 預(yù)制墻板的構(gòu)造設(shè)計

本工程的結(jié)構(gòu)體系為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制外墻板由外頁板+保溫層+內(nèi)頁板三部分構(gòu)成，由灌漿套筒連接，參與結(jié)構(gòu)的整體受力。其中，內(nèi)頁板為200 mm厚的鋼筋混凝土墻體，保溫層為60 mm厚的擠塑聚苯板，外頁板為60 mm厚的鋼筋混凝土墻，可達到太原市節(jié)能保溫的要求。另外，內(nèi)頁板的長度小于外頁板，將內(nèi)頁板的四周預(yù)留鋼筋，通過后澆混凝土將兩片預(yù)制外墻連接成整體，如圖4所示。

2.5 預(yù)制外墻板的拆分設(shè)計

本工程以確保建筑平面規(guī)整為準(zhǔn)則，按照以下原則進行外墻板的拆分：①分縫嚴(yán)禁設(shè)置在門、窗洞口位置；②分縫盡量設(shè)置在剪力墻T形相交位置，以利于2片外墻板與內(nèi)墻連接為整體，加強建筑結(jié)構(gòu)的整體性能；③充分考慮PC工廠的生產(chǎn)、道路運輸、施工現(xiàn)場組織等因素，控制外墻板的外形尺寸和質(zhì)量；④盡可能地減少外墻板的種類，提高模具的重復(fù)利用率，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。基于上述原則劃分的預(yù)制外墻板的拆分情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)層外墻板有17種類型。據(jù)統(tǒng)計，每種外墻板模具的重復(fù)使用次數(shù)均達到100次以上。對于整幢樓來說，模具的重復(fù)使用率極高，節(jié)約了項目的生產(chǎn)成本，達到了示范效應(yīng)。

2.6 預(yù)制墻板的防水設(shè)計

本工程的外墻板全部為預(yù)制構(gòu)件，因而在組裝時會形成層間水平縫和開間豎向縫，所以，結(jié)構(gòu)的防水、整體等性能皆直接由接縫的性能決定。因此，需要系統(tǒng)的分析預(yù)制墻板接縫的設(shè)計理念、構(gòu)造做法的施工措施。本項目具體做法如圖6、圖7所示。

3 結(jié)束語

近年來，我國預(yù)制裝配式建筑高速發(fā)展，結(jié)合建筑項目設(shè)計施工要求，充分了解PC工廠生產(chǎn)能力，全面考慮各方面要素，提高對預(yù)制裝配式建筑的分析研究，加強各專業(yè)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)設(shè)計單位、構(gòu)件生產(chǎn)單位、施工單位之間的協(xié)同，積累工業(yè)化建筑的施工經(jīng)驗，綜合各方面的技術(shù)資源對裝配式建筑進行優(yōu)化設(shè)計，是推動建筑工業(yè)化發(fā)展的有效手段。本文僅為實際工程的總結(jié)，因筆者在裝配式工程方面的經(jīng)驗比較少，再加上理論專業(yè)水平有限，該文存在一定的局限性，但仍希望相關(guān)闡述能夠為今后的裝配式剪力墻高層住宅設(shè)計提供借鑒和參考。

［1］ 樊則森.預(yù)制裝配式建筑設(shè)計要點［J］.住宅產(chǎn)業(yè)，2015（8）.

［2］ 趙中宇，鄭姣.預(yù)制裝配式建筑設(shè)計要點解析［J］.住宅產(chǎn)業(yè)，2015（9）.

［3］ 宋竹.預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計要點分析［J］.住宅與房地產(chǎn)，2016（6）.

［4］ 張菊，傅東.淺談裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點［J］.商品與質(zhì)量，2016（41）.

［5］ 范桂清.預(yù)制裝配式建筑設(shè)計實踐及相關(guān)問題的探討［J］.低碳世界，2016（20）：136-139.

［6］ 徐曄楨.預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅建筑的設(shè)計［J］.建筑施工，2013，35（10）：928-930.

［7］ 樊則森.裝配式建筑設(shè)計要點及案例精講［R］.裝配式建筑專題.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2017.

［8］ 曲藝，劉迪，張然，等.裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系在萬科金域藍(lán)灣建筑中的應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，2013，43（9）：165-168.

［9］ 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司.GB/T 51231—2016裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.