裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

□□ 張麗娜，李龍飛，余 洋，劉 勇 (中機(jī)十院國際工程有限公司，北京 100083)

引言

近年來，裝配式建筑在政策支持和科研支撐方面都有了很大的進(jìn)步。2017年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《“十三五”裝配式建筑行動方案》，進(jìn)一步明確了“十三五”期間裝配式建筑的發(fā)展目標(biāo)，到2020年全國裝配式建筑將占新建建筑的15%以上，其中重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)將達(dá)到20%以上，積極推進(jìn)地區(qū)達(dá)到15%以上，鼓勵推進(jìn)地區(qū)達(dá)到10%以上。目前全國已有30多個省市出臺了裝配式建筑的指導(dǎo)意見和相關(guān)配套措施，不少地方更是對裝配式建筑的發(fā)展提出了明確要求。

1 裝配式建筑的主要特征

裝配式混凝土住宅建筑與傳統(tǒng)建筑相比，具有建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、部品生產(chǎn)工業(yè)化、現(xiàn)場施工裝配化、結(jié)構(gòu)裝修一體化、過程管理信息化等五大特點(diǎn)。這些方面主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、施工、裝修、驗(yàn)收以及管理階段，具體對比見表1。

2 裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)技術(shù)體系

目前，我國裝配式混凝土住宅常用的結(jié)構(gòu)體系主要有：裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)以及裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)。

從結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性考慮，裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)是目前住宅類建筑采用的主要體系，其將剪力墻、梁以及板作為主要受力構(gòu)件，采用預(yù)制混凝土墻板、疊合板(部分采用疊合梁)等形成的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時應(yīng)注意預(yù)制剪力墻的橫縱布置，從外墻保溫、裝飾一體化及現(xiàn)場裝配施工角度考慮，一般優(yōu)先采用外圍護(hù)預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)，而不選擇內(nèi)部預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)。

表1 裝配式混凝土住宅建筑與傳統(tǒng)建筑相比

裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制梁、板、柱相比于預(yù)制剪力墻而言，質(zhì)量更輕、運(yùn)輸更方便，因而裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)在預(yù)制裝配式建筑中應(yīng)用較為普遍。因預(yù)制梁、板、柱都需要在工廠制造并預(yù)留疊合層的鋼筋，因而為了保證結(jié)構(gòu)的整體性，施工時需特別注意每個疊合梁、疊合板的中軸線應(yīng)在同一水平上，避免產(chǎn)生偏差。同時，整個結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)支撐能力應(yīng)滿足施工過程中的承載能力要求。

裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)是采用部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆工藝生產(chǎn)的鋼筋混凝土剪力墻，包括雙面疊合剪力墻和單面保溫疊合剪力墻兩種形式。因其構(gòu)件質(zhì)量輕，對運(yùn)輸和起吊設(shè)備要求低、容錯性強(qiáng)、防水性能好，但相比其他兩種裝配式結(jié)構(gòu)，其用鋼量相對較大，成本較高，目前工程應(yīng)用相對較少。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

裝配式混凝土住宅建筑的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)結(jié)合裝配化考慮，不能先按現(xiàn)澆設(shè)計(jì)，再拆分。一般結(jié)構(gòu)布置可分為裝配和現(xiàn)澆兩部分，對于裝配式混凝土住宅建筑的地下室部分，剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的剪力墻以及框架結(jié)構(gòu)首層柱均宜采用現(xiàn)澆，電梯井筒也宜采用現(xiàn)澆。裝配式混凝土住宅建筑的樓板宜采用疊合樓板，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層、平面復(fù)雜或開間較大的樓層、作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層宜采用現(xiàn)澆樓板，樓板與樓板、樓板與墻體間的接縫應(yīng)保證結(jié)構(gòu)安全。承重的預(yù)制外墻等豎向構(gòu)件宜上下連續(xù)，沿兩個方向布置，截面宜簡單而規(guī)則，預(yù)制墻的門窗洞口宜上下對齊，成列布置，不宜采用轉(zhuǎn)角窗，門窗洞口的平面位置和尺寸應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力及預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)要求。在發(fā)生豎向承載力或剛度突變的位置可局部采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，總之，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)嚴(yán)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

裝配式混凝土建筑在設(shè)計(jì)過程主要需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)主體受力計(jì)算、接縫承載力的驗(yàn)算以及脫模起吊、運(yùn)輸、堆放等施工階段的驗(yàn)算。其中，結(jié)構(gòu)主體計(jì)算分析等同現(xiàn)澆建筑的設(shè)計(jì)方法，但需對現(xiàn)澆墻肢地震力進(jìn)行放大，周期比和位移比等進(jìn)行調(diào)整。此外，預(yù)制墻板水平接縫的受剪承載力計(jì)算時，需考慮墻板受拉時的折減以及對底部加強(qiáng)區(qū)預(yù)制墻板接縫的承載力進(jìn)行復(fù)核。另外，需要進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算分析，如構(gòu)件施工階段需要對構(gòu)件重心及吊點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)使用階段預(yù)制梁豎向接縫及預(yù)制墻、柱水平接縫進(jìn)行驗(yàn)算以及連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算等。計(jì)算過程中，窗洞口下墻體剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響不容忽視，宜按照在樓層頂面標(biāo)高處設(shè)縫的雙連梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)制墻板較長時，在預(yù)制墻板中部設(shè)置結(jié)構(gòu)洞可以降低結(jié)構(gòu)剛度，使得結(jié)構(gòu)剛度更為合理。洞內(nèi)填聚苯板可以減輕墻板的質(zhì)量，但若結(jié)構(gòu)計(jì)算中僅考慮結(jié)構(gòu)洞口、不考慮聚苯板的作用，則結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算與實(shí)際相差較大。

2.4 預(yù)制構(gòu)件

裝配式混凝土住宅建筑為了體現(xiàn)少規(guī)格、多組合及模塊化的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)根據(jù)建筑特征、結(jié)構(gòu)體系以及預(yù)制裝配率等方面擇優(yōu)選擇預(yù)制、裝配部品構(gòu)件，以提高構(gòu)件的重復(fù)利用率，降低工程造價。根據(jù)建筑主體結(jié)構(gòu)形式及使用功能選擇模數(shù)協(xié)調(diào)、適合裝配、便于重復(fù)生產(chǎn)的部位做為預(yù)制構(gòu)件，如墻板、樓板、框架梁和柱、樓梯、空調(diào)板、陽臺板等，這些部品部件不僅容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，還能大大地減少模板的使用量(如預(yù)制疊合式樓板)，減少腳手架的使用量(如保溫與裝飾一體化的預(yù)制外墻板)，使得裝配式建筑安裝施工所用的工期縮短，施工效率提高，后期維護(hù)成本降低。

2.5 預(yù)制構(gòu)件拆分

對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)拆分是裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。一般可通過對主體結(jié)構(gòu)受力情況的分析來確定構(gòu)件的拆分部位，進(jìn)而根據(jù)模數(shù)協(xié)調(diào)原則對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行拆分。拆分的原則應(yīng)以有利于構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化為主，最大限度地減少預(yù)制構(gòu)件的種類，統(tǒng)一構(gòu)件規(guī)格，提高重復(fù)率，降低建筑的綜合成本；其次，預(yù)制構(gòu)件的拆分應(yīng)有利于工廠對于構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝以及構(gòu)件的現(xiàn)場安裝，應(yīng)以混凝土構(gòu)件易堆放，省空間為原則，做到不超寬、不超高、不超重，便于蒸養(yǎng)、吊裝和運(yùn)輸。除此之外，同樣截面尺寸預(yù)制構(gòu)件的鋼筋數(shù)量及間距宜盡量一致，避免邊模過于多樣化，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，吊裝時也極易出錯?？傊侠淼剡x擇構(gòu)件的拆分方案，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提高構(gòu)件的重復(fù)利用率和通用性，才能降低加工、施工成本，達(dá)到裝配式建筑設(shè)計(jì)的目的。

3 結(jié)語

總之，結(jié)合國家及地方政策，從建設(shè)單位需求出發(fā)，選擇適宜的裝配式住宅建筑結(jié)構(gòu)體系，配合裝配率及預(yù)制率進(jìn)行合理地結(jié)構(gòu)布置，選擇合適的預(yù)制構(gòu)件，進(jìn)而通過精確的結(jié)構(gòu)計(jì)算及預(yù)制構(gòu)件的拆分進(jìn)行裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而指導(dǎo)裝配式建筑施工圖的設(shè)計(jì)。