裝配式住宅結(jié)構(gòu)選型方法研究
——以重慶市九龍坡區(qū)某住宅為例

張銀會(huì) 王 科 彭 荃 李露凡

1. 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 重慶 400072；

2. 上海建科工程咨詢(xún)有限公司 上海 200032；

3. 裝配式建筑重慶市高等職業(yè)技術(shù)院校應(yīng)用技術(shù)推廣中心 重慶 400072

近年來(lái)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的使用尤為廣泛。但是在實(shí)際工程中，我們會(huì)面臨多種結(jié)構(gòu)體系選擇，僅憑預(yù)制率、裝配率不能作為衡量裝配式主體結(jié)構(gòu)體系適用性、合理性的標(biāo)準(zhǔn)，此，如何綜合多方面因素全面系統(tǒng)地優(yōu)選出最合適的結(jié)構(gòu)體系值得研究。在此基礎(chǔ)上，本文擬建立全面的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系指標(biāo)體系和正確的選擇流程，為裝配式住宅選型提供基礎(chǔ)。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系選擇范圍

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》按照結(jié)構(gòu)體系將預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)分為框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，本文按照該分類(lèi)方法列舉目前常用的結(jié)構(gòu)體系及其特點(diǎn)（表1）。

表1 裝配式結(jié)構(gòu)體系分類(lèi)及特點(diǎn)

2 裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系影響因素分析

由于裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系的影響因素存在較強(qiáng)的不確定性、模糊性和隨機(jī)性，本文按環(huán)境、抗震、經(jīng)濟(jì)、建造和使用性能等五大方面劃分影響因素并進(jìn)行分析。

2.1 環(huán)境影響

2.1.1 場(chǎng)地合理性

地形地貌主要影響建筑場(chǎng)地的特征周期，考慮場(chǎng)地合理性可根據(jù)場(chǎng)地特征周期與結(jié)構(gòu)自振頻率得到結(jié)構(gòu)放大系數(shù)從而定量判斷。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得到鋼筋混凝土框架、框剪和剪力墻結(jié)構(gòu)的基本自振周期，并與場(chǎng)地特征周期代入式（1）中計(jì)算：

不同裝配式結(jié)構(gòu)體系通過(guò)上式計(jì)算可得值，計(jì)算結(jié)果數(shù)值越大，則相應(yīng)結(jié)構(gòu)體系在所在場(chǎng)地下就越優(yōu)。

2.1.2 氣候適應(yīng)性

中國(guó)各地氣候差異較大，建筑對(duì)氣候的要求也不盡相同，故應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)?，如太?yáng)輻射強(qiáng)度、常年主導(dǎo)風(fēng)向等氣候要素，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的開(kāi)間要求選擇適用的結(jié)構(gòu)體系。例如預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是開(kāi)間較大，平面布置靈活，在濕熱地區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系選擇時(shí)，其所占權(quán)重就應(yīng)適當(dāng)放大。

2.1.3 環(huán)境影響

建筑施工對(duì)周?chē)h(huán)境的污染主要有水污染、土壤污染、噪聲污染和廢棄物污染。裝配式結(jié)構(gòu)雖然因工廠預(yù)制加上現(xiàn)場(chǎng)拼接，少了很大一部分現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，但是對(duì)于關(guān)鍵連接處依然要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑，并且會(huì)發(fā)出一定施工噪聲，本文擬就統(tǒng)計(jì)濕作業(yè)量從而定量評(píng)價(jià)環(huán)境影響。

2.2 抗震性能

中國(guó)根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)劃分抗震設(shè)防烈度地區(qū)，一般情況下，抗震設(shè)防烈度可采用中國(guó)地震參數(shù)區(qū)劃圖的地震基本烈度。不同設(shè)防烈度，其設(shè)計(jì)基本抗震加速度亦不相同，因此針對(duì)高設(shè)防烈度地區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系選擇時(shí)應(yīng)著重考慮其抗震性能指標(biāo)。

2.2.1 結(jié)構(gòu)抗震失效概率

本文提出采用Pushover分析方法來(lái)分析結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的結(jié)構(gòu)失效概率。Pushover分析方法把結(jié)構(gòu)體系等效為單自由度體系，根據(jù)目標(biāo)譜曲線和抗力譜曲線判定結(jié)構(gòu)的抗震性能。概率Pushover分析方法是在Pushover分析方法的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)抗力的隨機(jī)性中考慮影響結(jié)構(gòu)抗力的主要隨機(jī)因素，應(yīng)用隨機(jī)地震作用模型考慮地震作用的隨機(jī)性，類(lèi)似Pushover分析過(guò)程評(píng)估結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度的性能，從而定量評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)體系的失效概率。

2.2.2 各規(guī)范限值

建筑物的抗震影響因素，主要包括抗震設(shè)防烈度、地震分組和地震強(qiáng)度。發(fā)生地震時(shí)，還受到加速度和建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型、高度、抗震設(shè)防分類(lèi)的影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮不同結(jié)構(gòu)體系對(duì)最大適用抗震設(shè)防烈度、層間位移角以及最大適用高度和最大高寬比等規(guī)范限值，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系方案的對(duì)比評(píng)價(jià)。

2.3 經(jīng)濟(jì)性能

2.3.1 工程造價(jià)

工程造價(jià)即工程的建設(shè)價(jià)格，是指為完成一個(gè)工程的建設(shè)，預(yù)期或?qū)嶋H所需的全部費(fèi)用總和。從業(yè)主的角度來(lái)定義，工程造價(jià)是指工程的建設(shè)成本，即為建設(shè)一項(xiàng)工程預(yù)期支付或?qū)嶋H支付的全部固定資產(chǎn)投資費(fèi)用。本文擬通過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的一次性建設(shè)投資費(fèi)用進(jìn)行定量分析。

2.3.2 碳排放量

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化施工等特點(diǎn)，使裝配式住宅在生產(chǎn)和施工階段對(duì)材料和水等資源的消耗減少，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。但是，不同結(jié)構(gòu)體系的碳排放量水平也大不相同，目前對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)能水平可通過(guò)全生命周期方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)的組成成分進(jìn)行碳排放量計(jì)算可得到不同結(jié)構(gòu)體系的碳排量水平。

2.4 建造性能

雖然在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，建筑的施工尚未開(kāi)始，但是也必須考慮施工因素的影響，保證選擇的結(jié)構(gòu)體系滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的施工性要求。主要從以下3個(gè)方面考慮：

2.4.1 施工難度

任何不確定的因素都會(huì)使在建項(xiàng)目的施工質(zhì)量受到影響，導(dǎo)致工程質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足。不同的結(jié)構(gòu)體系由于其特點(diǎn)不同，裝配方式也不盡相同，部分體系鑒于抗震設(shè)防要求考慮，構(gòu)件拆分不完全，結(jié)構(gòu)疊合處較多，部分拆分、部分現(xiàn)澆，致使結(jié)合處節(jié)點(diǎn)多且復(fù)雜，模板支設(shè)困難，因此需對(duì)比評(píng)估。

2.4.2 施工工期

施工進(jìn)度對(duì)于建筑項(xiàng)目的成功實(shí)施至關(guān)重要，如果選擇的結(jié)構(gòu)體系過(guò)于復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工難度過(guò)大，結(jié)構(gòu)體系的施工安裝效率過(guò)低，嚴(yán)重拖延施工工期。因此針對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于設(shè)防要求下的施工工期應(yīng)該作出相應(yīng)的預(yù)估。

2.4.3 預(yù)制裝配率

裝配式建筑在設(shè)計(jì)前期方案時(shí)要考慮的問(wèn)題是預(yù)制裝配率，預(yù)制裝配率是指裝配式建筑在±0 m以上的預(yù)制構(gòu)件、裝配式內(nèi)外圍護(hù)墻等體積或面積占該部分總面積的比率。各地的預(yù)制裝配率計(jì)算可參考各地規(guī)范要求。例如，重慶市建筑裝配率可參照《重慶市裝配式建筑裝配率計(jì)算細(xì)則（試行）》按式（2）計(jì)算，具體分值按照各建筑結(jié)構(gòu)裝配比例得出：

式中：P——裝配率；

Q1——主體結(jié)構(gòu)指標(biāo)實(shí)際得分；

Q2——圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻指標(biāo)實(shí)際得分值；

Q3——裝修與設(shè)備管線指標(biāo)實(shí)際得分值；

Q4——計(jì)算項(xiàng)目中缺少的計(jì)算項(xiàng)分值總和。

2.5 使用性能

在建筑設(shè)計(jì)中首先應(yīng)該考慮的就是建筑物的功能要求，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑功能的適應(yīng)性。具體到裝配式結(jié)構(gòu)上，主要是得房率和室內(nèi)空間效果2個(gè)方面。

2.5.1 得房率

考慮到住宅用地緊缺，較高的得房率能更好地提高住宅使用體驗(yàn)。目前關(guān)于房屋得房率有以下共3種計(jì)算方法。

1）得房率＝1－公用面積分?jǐn)傁禂?shù)。

2）得房率＝套內(nèi)建筑面積/建筑面積。

3）得房率＝套內(nèi)使用面積/建筑面積。

通過(guò)對(duì)比，第3種計(jì)算方法實(shí)用性最高，根據(jù)此方法得到不同結(jié)構(gòu)體系的得房率，再進(jìn)行對(duì)比分析。

2.5.2 室內(nèi)空間效果

不同使用功能的建筑區(qū)塊都對(duì)客觀空間環(huán)境有特定要求，根據(jù)該項(xiàng)要求可以大致確定建筑物的尺度、規(guī)模和各部分的相互關(guān)系，這些都是在方案設(shè)計(jì)階段確定的，所以，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮。選擇的結(jié)構(gòu)體系，除了要滿(mǎn)足用戶(hù)當(dāng)前的使用要求，對(duì)于建筑日后的使用情況也要預(yù)估，這就需要選擇的結(jié)構(gòu)體系能夠滿(mǎn)足使用功能空間改變和使用空間布局調(diào)整的需求。

3 結(jié)構(gòu)體系評(píng)價(jià)模型及選型流程

3.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為全面科學(xué)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合分析表1中各結(jié)構(gòu)體系優(yōu)劣，本文擬從環(huán)境、抗震、經(jīng)濟(jì)、建造和使用性能五大方面進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，五個(gè)方面的分類(lèi)再細(xì)分為12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中環(huán)境影響指標(biāo)3個(gè)、抗震影響指標(biāo)2個(gè)、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)2個(gè)、建造性能指標(biāo)3個(gè)、使用性能指標(biāo)2個(gè)。然后將12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量和定性分類(lèi)。最終形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2所示。

3.2 建立評(píng)價(jià)模型

本文提出針對(duì)裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系的權(quán)重算法分析，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選。整個(gè)評(píng)價(jià)模型分為3層：目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和方案層C。

表2 結(jié)構(gòu)選型指標(biāo)體系

其中，目標(biāo)層A為應(yīng)用于某目標(biāo)工程的合適裝配式住宅主體的結(jié)構(gòu)體系；準(zhǔn)則層B分別為場(chǎng)地合理性、氣候適應(yīng)性、環(huán)境影響、結(jié)構(gòu)抗震失效概率、各規(guī)范限值、工程造價(jià)、碳排放量、施工難度、施工工期、預(yù)制裝配率、得房率和室內(nèi)空間效果，其中定量指標(biāo)為黑色，定性指標(biāo)為紅色；方案層C為預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系、非預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系、約束混凝土柱裝配式框架體系、內(nèi)澆外掛剪力墻體系、預(yù)制疊合墻結(jié)構(gòu)體系、裝配整體式剪力墻體系。層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型示意

3.3 結(jié)構(gòu)選型體系流程

本文搭建了以層次分析法為初篩方法，熵權(quán)法為終篩方法的一套裝配式住宅結(jié)構(gòu)選型體系，具體流程如圖2所示。通過(guò)此套結(jié)構(gòu)選型體系，能夠根據(jù)項(xiàng)目方案研究深度的推進(jìn)而最終優(yōu)選出最合適的結(jié)構(gòu)體系。

3.3.1 基于層次分析法的初步篩選

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的初始階段，結(jié)構(gòu)方案數(shù)據(jù)不全備，可以將定性和定量評(píng)價(jià)的全部12個(gè)指標(biāo)作為基礎(chǔ)，根據(jù)層次分析法-模糊評(píng)價(jià)法的指標(biāo)體系評(píng)價(jià)模型進(jìn)行準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算和評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各方案層權(quán)重計(jì)算，基于權(quán)重算法分析，從6個(gè)方案層中初步篩選得到少數(shù)比較合適的結(jié)構(gòu)體系。

層次分析法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒍ㄐ苑治龊投糠治鲇袡C(jī)地結(jié)合在一起，可以用作非定量事件的定量分析。

圖2 結(jié)構(gòu)體系選型過(guò)程示意

3.3.2 基于信息熵權(quán)法的最終篩選

當(dāng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)入深入對(duì)比分析階段時(shí)，可通過(guò)方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，以8個(gè)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，基于信息熵權(quán)法的指標(biāo)體系評(píng)價(jià)模型進(jìn)行定量分析對(duì)比，進(jìn)行終篩，最終得到最適合建筑項(xiàng)目的優(yōu)選結(jié)構(gòu)體系。熵權(quán)法基于指標(biāo)信息量的大小來(lái)評(píng)判該指標(biāo)的權(quán)重大小，能夠反映該指標(biāo)在所有指標(biāo)中的地位，其較主觀權(quán)重具有很強(qiáng)的規(guī)律性。

4 工程案例分析——重慶市九龍坡區(qū)某住宅

某住宅小區(qū)位于重慶市九龍坡區(qū)，四周均有規(guī)劃道路，整個(gè)小區(qū)四周都有便捷的交通道路，地理位置較優(yōu)越。整個(gè)小區(qū)分A、B、C、D、E、F共6個(gè)區(qū)，本文要論述的D區(qū)為一期工程共分D1和D2兩個(gè)單元，每單元各為24層，總高74.4 m，頂層為天臺(tái)，底層層高5.4 m，為架空層；2層以上為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3 m，其樓層平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 2～23層樓層平面布置示意

4.1 基于層次分析法-模糊評(píng)價(jià)法的結(jié)構(gòu)體系初次篩選

在建立判斷矩陣的過(guò)程中，綜合考慮以往各文獻(xiàn)對(duì)不同因素重要程度的判斷，以及來(lái)自開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)單位和施工單位的專(zhuān)家的意見(jiàn)，在此基礎(chǔ)上最終建立了各層次的判斷矩陣，利用數(shù)學(xué)軟件Matlab計(jì)算出各判斷矩陣的特征值及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，具體方法如下。

4.1.1 計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重、最大特征值以及判斷是否滿(mǎn)足一致性

準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值如表3。

表3 準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值

表4 準(zhǔn)則層計(jì)算結(jié)果

以預(yù)制裝配率為例，如表5所示。

表5 預(yù)制裝配率對(duì)方案層的權(quán)值

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各方案層的權(quán)值

4.1.3 最終評(píng)價(jià)權(quán)重

通過(guò)(wBC)6×12·(w0)12×1，可求得各方案最終評(píng)價(jià)權(quán)重，結(jié)果如表7所示。

結(jié)果顯示，對(duì)于該高層住宅建筑，預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系、非預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系和預(yù)制疊合墻結(jié)構(gòu)體系為較優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

故接下來(lái)將選擇預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系（C1）、非預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系（C2）和預(yù)制疊合墻結(jié)構(gòu)體系（C5）作為下一步深化方案的研究對(duì)象。

表7 初篩后方案層評(píng)價(jià)權(quán)重

4.2 基于信息熵權(quán)法的結(jié)構(gòu)體系最終篩選

4.2.1 定量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值的確定

根據(jù)前文對(duì)指標(biāo)的分類(lèi)，進(jìn)一步的深化方案僅針對(duì)能定量計(jì)算的指標(biāo)研究。接下來(lái)將確定預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系、非預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系和預(yù)制疊合墻結(jié)構(gòu)體系各指標(biāo)的具體數(shù)值。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)，最終確定各定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 各定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

4.2.2 矩陣無(wú)量綱化及歸一化處理

通過(guò)基于層次分析法的初篩后，共有3個(gè)評(píng)價(jià)方案，8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成矩陣R=(rij)3×8，矩陣R中原始數(shù)據(jù)來(lái)源于表7。

矩陣R中原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后，記為矩陣S=(sij)3×8，記S中每列的最優(yōu)值為：

正相關(guān)指標(biāo)是指指標(biāo)的值越大越好，而負(fù)相關(guān)指標(biāo)正好相反。

對(duì)Sij進(jìn)行歸一化處理，如式（7）所示：

表9 準(zhǔn)則層各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)

4.2.6 最終評(píng)價(jià)權(quán)重

通過(guò)(S')3×8·(β)8×1，可求得各方案最終評(píng)價(jià)權(quán)重，結(jié)果如表10所示。

表10 終篩后方案層評(píng)價(jià)權(quán)重

由上表可知，預(yù)應(yīng)力裝配式框架體系（C1）為本工程案例最合理的結(jié)構(gòu)體系。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從環(huán)境、抗震、經(jīng)濟(jì)、建造和使用性能等5個(gè)方面考慮，構(gòu)建了一套綜合的指標(biāo)體系，以及方案比選方法，引導(dǎo)裝配式主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的整體提升。首先本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，擬定了具有5個(gè)方面，共12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（8個(gè)定量指標(biāo)、4個(gè)定性指標(biāo)）的適宜結(jié)構(gòu)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，形成了裝配式結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)選的整體流程：當(dāng)方案研究深度尚淺，可使用層次分析法，以12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系方案初篩；當(dāng)研究較深，數(shù)據(jù)較完整后，可使用信息熵權(quán)法，以8個(gè)定量指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行終篩，最終得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系方案。若在其他地區(qū)使用該方法，可根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)更新指標(biāo)。