分析預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)

牛君青

（山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司 山西太原 030000）

0 引言

預(yù)制裝配式建筑，作為實(shí)踐建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵。但在工程建設(shè)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易受構(gòu)件安裝復(fù)雜性以及市場(chǎng)環(huán)境多元化發(fā)展等問題限制，而使建筑結(jié)構(gòu)性能效果無法充分發(fā)揮出來。為解決這一問題，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)體系的建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以確定結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向與關(guān)鍵點(diǎn)。這樣一來，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作就能以高效率、穩(wěn)定性狀態(tài)作用于實(shí)踐，進(jìn)而滿足對(duì)建筑物節(jié)能環(huán)保效果與經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)提出的需求。

1 研究預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

預(yù)制裝配式建筑，因具有穩(wěn)定性較高特點(diǎn)，所以，越來越多地運(yùn)用于建筑行業(yè)。是建筑業(yè)實(shí)踐可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵。然而，在實(shí)際建設(shè)過程中，因?qū)Υ苏n題研究起步較晚，使得現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)政策無法完全囊括預(yù)制裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。究其原因，結(jié)構(gòu)工程師并未將相關(guān)設(shè)計(jì)理念認(rèn)識(shí)到位，在一定程度上阻礙了此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展。為此，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)對(duì)預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作開展提供方向與依據(jù)。如此，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)，就能以科學(xué)合理狀態(tài)作用于實(shí)踐，繼而推動(dòng)建筑行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展[1]。

2 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的建設(shè)現(xiàn)狀

對(duì)于民用建筑而言，可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)型式很多。如，多層或是低層住宅建筑，可從木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及新型普通鋼結(jié)構(gòu)等型式中進(jìn)行選擇。從建設(shè)實(shí)踐角度來看，預(yù)制裝配式建筑形式分為兩類：①預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)，其建設(shè)材料是鋼材，包含鋼柱與鋼梁等；②預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，其建設(shè)材料為混凝土，工程在完成混凝土構(gòu)件加工預(yù)制后，通過將相關(guān)構(gòu)件運(yùn)輸至作業(yè)場(chǎng)地。

然而，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)包含建材選擇、總體設(shè)計(jì)以及裝配施工、驗(yàn)收等工作環(huán)節(jié)，增加了設(shè)計(jì)質(zhì)量控制工作的開展難度。其中，最為關(guān)鍵的構(gòu)件連接技術(shù)具有復(fù)雜特點(diǎn)，即使采用同一結(jié)構(gòu)布置，不同連接技術(shù)最終產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)力學(xué)與抗震性能也存在差異。為此，研究人員應(yīng)從科學(xué)技術(shù)角度出發(fā)，通過將現(xiàn)有體系設(shè)計(jì)技術(shù)利用起來，以降低預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)工作的開展難度[2]。

3 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)的體系與設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 明確結(jié)構(gòu)體系與抗震性能關(guān)系

研究人員提出的裝配式整體預(yù)應(yīng)力板柱體系，可分為整塊板與多塊板，后者，不僅能夠減少預(yù)制板尺度與重量，還可為吊裝作業(yè)提供便利。相關(guān)人員需在安裝構(gòu)件過程設(shè)置斜撐來提高預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。在抗震性能方面，由于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)僅與受力構(gòu)件剛度、節(jié)點(diǎn)剛度有關(guān)，因此，抗震性能與設(shè)計(jì)控制關(guān)系應(yīng)從節(jié)點(diǎn)類型入手[3]。

具體來說，因節(jié)點(diǎn)不同，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可分為三種，即干式連接鉸接連接節(jié)點(diǎn)、柔性連接節(jié)點(diǎn)以及濕式連接剛性連接節(jié)點(diǎn)。其中干式連接節(jié)點(diǎn)無轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，只適用于承擔(dān)豎向載荷，無需考慮抗震設(shè)防且風(fēng)壓小，主要用于低層建筑。柔性連接節(jié)點(diǎn)，處于鉸接連接節(jié)點(diǎn)與剛性連接節(jié)點(diǎn)之間，雖存在轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，但缺乏取值依據(jù)。濕式連接剛性連接節(jié)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)接近，所以，在力學(xué)性能上與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)相似，適用于所有預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)。由于不同節(jié)點(diǎn)型式的剛度與能耗性能存在差異，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需針對(duì)節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的力學(xué)與抗震性能。

3.2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)優(yōu)化

預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)型式來進(jìn)行劃分，以為后續(xù)清晰的結(jié)構(gòu)概念、計(jì)算簡圖提供依據(jù)。對(duì)于干式鉸接結(jié)構(gòu)、濕式剛接結(jié)構(gòu)以及柔性連接結(jié)構(gòu)來說，均屬于基本預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系類型。還有混合連接結(jié)構(gòu)，其會(huì)受到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、抗震性能、施工場(chǎng)地便捷操作情況以及造價(jià)成本等因素影響，但因全面性更高，是未來預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。值得注意的是，雖然劃分方法存在差異，但還可統(tǒng)一劃分。如預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，也可劃分為干式鉸接結(jié)構(gòu)、濕式剛接結(jié)構(gòu)以及柔性連接結(jié)構(gòu)。因此，從結(jié)構(gòu)體系差異來看，設(shè)計(jì)工作開展并不會(huì)受到影響[4]。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)工作按照既定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開展過程中，應(yīng)注重以下問題要點(diǎn)：

（1）將工程質(zhì)量提升與改善環(huán)境作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，打破以往追求經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)而追求結(jié)構(gòu)性能與技術(shù)先進(jìn)性，以實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2）培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)人員的結(jié)構(gòu)概念與力學(xué)知識(shí)，以使預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)的運(yùn)用要點(diǎn)知識(shí)能夠真正作用于實(shí)踐。

（3）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用性控制，由于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于構(gòu)建質(zhì)量好、安裝施工便捷，應(yīng)控制好現(xiàn)澆剛性節(jié)點(diǎn)與疊合技術(shù)的運(yùn)用數(shù)量，以避免結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮受到影響。低層建筑雖受豎向荷載影響，但不會(huì)受到抗震性能影響，可選用全鉸接框架結(jié)構(gòu)，來將預(yù)制裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來。如需考慮抗震設(shè)防的低層結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計(jì)選用鉸接為主的框架結(jié)構(gòu)，即混合連接結(jié)構(gòu)。此過程，應(yīng)對(duì)剛節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制在位移1/550，或是運(yùn)用柔性連接結(jié)構(gòu)。小高層結(jié)構(gòu)，應(yīng)以鉸接+剛接以及耗能減震元件組合形式，來使結(jié)構(gòu)除了基本功能外具備良好的抗風(fēng)抗震性能。而高層與超高層結(jié)構(gòu)，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)將抗側(cè)力構(gòu)件確定為現(xiàn)澆混凝土。此外，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合預(yù)制裝配式建筑的特色與實(shí)際建設(shè)情況，通過預(yù)防過度使用，來控制造價(jià)成本。

（4）設(shè)計(jì)方法優(yōu)化，對(duì)于混合連接結(jié)構(gòu)體系來說，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作應(yīng)綜合采用三種設(shè)計(jì)方法：①設(shè)計(jì)干式鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)件過程中，應(yīng)對(duì)桿端設(shè)置彎矩。這里的桿端箍筋只需按照斜截面承載力進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，無需考慮加密箍筋與延伸設(shè)計(jì)工作。當(dāng)工程處于水平地震作用下，其受力邊柱會(huì)以軸力形式抵抗地震影響。所以，柱子結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計(jì)應(yīng)考慮抗震調(diào)整系數(shù)，來提高科學(xué)合理性；②柔性連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)按照既定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剛度降低系數(shù)確定，并與構(gòu)造實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合，來提高取值的可靠性；③耗能減震產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范與技術(shù)規(guī)程進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)控制[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)優(yōu)化，應(yīng)在明確結(jié)構(gòu)體系與抗震性能關(guān)系情況下，對(duì)體系與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)。即根據(jù)預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系，來確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)控制方法。以小高層結(jié)構(gòu)為例，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)以鉸接+剛接以及耗能減震元件組合形式，來使結(jié)構(gòu)除了基本功能外具備良好的抗風(fēng)抗震性能。事實(shí)證明，只有掌握預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的建設(shè)現(xiàn)狀，才能對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。故，相關(guān)人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地作用于不同建設(shè)要求與結(jié)構(gòu)環(huán)境的預(yù)制裝配式建筑，以促進(jìn)建筑業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。