裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展分析及對(duì)策研究

摘要：本文通過(guò)對(duì)預(yù)制裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分類歸納，總結(jié)分析了各類結(jié)構(gòu)體系的建筑特點(diǎn)及適用范圍。根據(jù)對(duì)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究，給出了預(yù)制裝配式建筑在我國(guó)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：裝配式;結(jié)構(gòu)體系;預(yù)制構(gòu)件;優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)策建議

引言

在建筑工業(yè)化和信息化的積極推動(dòng)下，裝配式建筑以其靈活多變的施工方法和設(shè)計(jì)自由優(yōu)勢(shì)，使得該類建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展引領(lǐng)了當(dāng)前時(shí)代建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，裝配式建筑發(fā)展迅猛。裝配式建筑結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)建筑設(shè)計(jì)各構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拆分并采用標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制、施工方案，化整為零;將各預(yù)制的構(gòu)件部分運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后集成裝配，集零為整。該類建筑結(jié)構(gòu)自動(dòng)化程度高，施工質(zhì)量、裝配效率高，可大幅縮短施工工期。

裝配式建筑是指將預(yù)制構(gòu)配件按照設(shè)計(jì)的連接方式裝配程具有特定使用功能的工業(yè)與民用建筑。根據(jù)裝配式建筑所使用的材料可以劃分為砌體結(jié)構(gòu)體系、木結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)體系及混凝土結(jié)構(gòu)體系[1]。通常根據(jù)設(shè)計(jì)功能還可將裝配式建筑結(jié)構(gòu)劃分為專用結(jié)構(gòu)體系、通用結(jié)構(gòu)體系。在裝配式建筑結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐中，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的承載機(jī)制及使用要求，采用不同方式和特點(diǎn)的裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系是裝配式結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 裝配式結(jié)構(gòu)分類及發(fā)展

1.1 輕鋼結(jié)構(gòu)體系

裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系主要是利用壓型薄鋼板制作不同受力要求的的各類形狀構(gòu)件，用以建造承載能力高、用鋼量節(jié)省、自重較輕、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的裝配式建筑結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究表明，裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)一般建造高度不超過(guò)九層[2]。該類裝配式結(jié)構(gòu)建筑的平面及立面布置靈活、抗震及抗風(fēng)性能好、施工速度快、拆裝方便、材料易回收，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體系。但由于輕鋼材料的熱阻較低，因而該類建筑結(jié)構(gòu)的墻體保溫性能相對(duì)較差，耐火及耐腐蝕性也較低。由于鋼材價(jià)格高，使得裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用在荷載較小的大跨度廠房結(jié)構(gòu)和小型民用建筑房屋結(jié)構(gòu)中，其他各類建筑應(yīng)用較少。

1.2 木結(jié)構(gòu)體系

裝配式木結(jié)構(gòu)體系將采用優(yōu)質(zhì)木材加工制作形成的各類受力構(gòu)件按設(shè)計(jì)要求裝配形成的建筑結(jié)構(gòu)體系，我國(guó)的木結(jié)構(gòu)體系具有悠久的建造歷史。木結(jié)構(gòu)具有良好的保溫隔熱、節(jié)能減排、抗震抗風(fēng)、居住舒適等性能優(yōu)勢(shì)，而通常木材來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)性好、加工方便，在國(guó)外該類結(jié)構(gòu)體系已被廣泛接受，并建有一定規(guī)模的高層裝配式建筑結(jié)構(gòu)。我國(guó)的木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)分布廣泛，但主要是傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑，新型的裝配式木結(jié)構(gòu)建筑正在作為高端的小眾產(chǎn)品在我國(guó)部分特色城鎮(zhèn)建設(shè)中逐漸展開(kāi)，木結(jié)構(gòu)的高層建筑形式在我國(guó)仍較少采用。

1.3 砌體結(jié)構(gòu)體系

裝配式砌體結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的砌筑工藝集零為整，通過(guò)配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的預(yù)制化裝配，達(dá)到工業(yè)化建造[3]，提高砌體結(jié)構(gòu)體系的施工效率和質(zhì)量，引入工業(yè)化的加工制造方法，從而解放勞動(dòng)力，使該類結(jié)構(gòu)體系煥發(fā)新活力。該類結(jié)構(gòu)一般具備抗震性能好、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保、裝配效率高、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)合理地施工組織，可達(dá)到施工質(zhì)量可靠、工期縮短、環(huán)境保護(hù)、節(jié)省造價(jià)等建造目標(biāo)，是村鎮(zhèn)建筑的優(yōu)選結(jié)構(gòu)建造方案。

1.4 混凝土結(jié)構(gòu)體系

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系是目前裝配式應(yīng)用范圍最廣的一種，裝配式混凝土建筑的通用結(jié)構(gòu)體系與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本相同，其主要可分為框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。下面介紹幾種較典型的特殊混凝土建筑結(jié)構(gòu)體系。

（1）裝配式框架結(jié)構(gòu)體系

預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的梁、柱等主要受力構(gòu)件均以預(yù)制裝配的方式進(jìn)行預(yù)制和連接，其與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系相似，在各關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)及拼縫處采用現(xiàn)澆方式連接，使得裝配式框架結(jié)構(gòu)具有較好的整體性，滿足結(jié)構(gòu)受力及變形需要[4]。該類裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的預(yù)制部件主要包括梁、柱、樓梯、樓板及外掛墻板等，其構(gòu)件預(yù)制養(yǎng)護(hù)條件好、裝配效率高、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，符合預(yù)制裝配工業(yè)化的發(fā)展方向，具有較好的發(fā)展前景。

（2）預(yù)制裝配式剪力墻體系

我國(guó)的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系主要包括部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)、全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)、疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和多層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)等。對(duì)于部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)其是采用內(nèi)墻現(xiàn)澆而外墻預(yù)制的形式建造，各預(yù)制構(gòu)件間的連接方式采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑;全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系是所有的剪力墻均由預(yù)制構(gòu)件拼裝而成，預(yù)制墻體間的接縫采用濕連接，該類結(jié)構(gòu)體系的性能略小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。疊合板式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是在內(nèi)外疊合剪力墻板間澆筑混凝土，形成高度不宜超過(guò)18層，且抗震設(shè)防烈度不大于7度的裝配式疊合板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系[5]。多層裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是適當(dāng)降低預(yù)制墻體間的連接作用，該類裝配式建筑的建造高度不宜超過(guò)6層。

（3）預(yù)制大板結(jié)構(gòu)體系

我國(guó)在上世紀(jì)70年代的裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)主要采用大板結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制構(gòu)件包括大型屋面板、預(yù)制圓孔板、樓梯板及槽形板等，該類結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用于低層及多層建筑。該類結(jié)構(gòu)體系預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、安裝方便、施工效率高，但其各構(gòu)件的連接方式可靠性低，結(jié)構(gòu)面臨較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，且使用功能也面臨眾多挑戰(zhàn)[6]，如：混凝土構(gòu)件的接縫開(kāi)裂、滲漏及圍護(hù)構(gòu)件的隔聲、保暖等。因而該類結(jié)構(gòu)體系已逐漸被新型裝配建筑體系所取代。

2 裝配式建筑優(yōu)點(diǎn)

2.1 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化，施工質(zhì)量可靠

對(duì)于經(jīng)過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)的各預(yù)制裝配式構(gòu)件，建筑構(gòu)配件的加工尺寸及預(yù)制施工方式標(biāo)準(zhǔn)一致，良好的工廠室內(nèi)預(yù)制和養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)環(huán)境，能夠最大限度的確保預(yù)制構(gòu)件各項(xiàng)施工指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)，改善構(gòu)件施工及養(yǎng)護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各類建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)施工，達(dá)到工程質(zhì)量構(gòu)件高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。

2.2 勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作環(huán)境改善

在工業(yè)化程度提高的現(xiàn)代建筑施工過(guò)程中，采用預(yù)制裝配式的建造方法，不僅可以通過(guò)大量的工業(yè)機(jī)械化設(shè)備來(lái)代替粗重、重復(fù)的建設(shè)勞動(dòng)，一些工業(yè)化的機(jī)械操作可大幅降低施工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還可改善工人的施工工作環(huán)境，提高建筑施工的安全保障。

2.3 建筑信息化，建造技術(shù)高效

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的持續(xù)深入發(fā)展，結(jié)合建筑工業(yè)化的助推，通過(guò)考慮建筑選型、給排水管線布設(shè)、強(qiáng)弱電線路、建筑裝飾等參數(shù)，將BIM技術(shù)全過(guò)程融入裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造[7]，能夠較大程度提高裝配式建筑的營(yíng)建效率，同時(shí)為技術(shù)融合和創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 人力成本低，工業(yè)化程度高

模式統(tǒng)一的各類建筑構(gòu)配件在工廠進(jìn)行預(yù)制加工，工廠預(yù)制的機(jī)械化程度提高，節(jié)省了資源較為稀缺的人力成本，同時(shí)也符合我國(guó)勞動(dòng)力發(fā)展的基本趨勢(shì)，利用工業(yè)機(jī)械代替人力勞動(dòng)，減小了建筑施工對(duì)人力資源的過(guò)度依賴。

2.5 建設(shè)效率高，施工周期縮短

將各類建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)受力、使用性能等拆分為不同部件，通過(guò)考慮建筑節(jié)能減排設(shè)計(jì)需求，對(duì)不同結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，開(kāi)展大范圍、全類型、多功能的構(gòu)件工廠化預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配施工，這樣可較容易開(kāi)展施工組織，優(yōu)化資源配置，提高工程建設(shè)效率高，大幅縮短建設(shè)工期[8]。在惡劣的氣候環(huán)境條件下，裝配式建筑的構(gòu)建預(yù)制施工影響程度較小。

2.6 建材利用高，減少資源浪費(fèi)

在有組織、有計(jì)劃的精細(xì)工廠預(yù)制加工中，建筑材料的高效利用被得到完備保障，既可滿足建筑施工精度的可靠控制，同時(shí)也能夠大幅減少建筑施工產(chǎn)生的各類建筑垃圾，從而達(dá)到節(jié)能減排及環(huán)保施工標(biāo)準(zhǔn)，滿足國(guó)家中長(zhǎng)期關(guān)于減碳降碳的生產(chǎn)要求。

3 裝配式建筑缺點(diǎn)

3.1 構(gòu)件多單調(diào)，難滿足個(gè)性化

在進(jìn)行裝配式建筑構(gòu)件拆分時(shí)，為確保工廠對(duì)構(gòu)配件預(yù)制質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)施工安裝方便性，通常裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件多被拆分為形狀簡(jiǎn)單、便于施工的規(guī)則構(gòu)件?，F(xiàn)場(chǎng)裝配施工的方法單一、連接簡(jiǎn)便，使得建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)格單調(diào)，不能較好滿足現(xiàn)代人群對(duì)建筑結(jié)構(gòu)個(gè)性化的使用需求。

3.2 前期投入高，成本不易控制

從裝配式建筑的整體建造及運(yùn)維角度看，裝配式建筑成本相較現(xiàn)澆低，但采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)往往前期需要較大的生產(chǎn)線投入，建設(shè)數(shù)量、規(guī)模較大的機(jī)械加工設(shè)備，而且由于建造環(huán)節(jié)多，施工牽涉面廣，各項(xiàng)施工成本不易直接控制，間接施工費(fèi)占比大且不易壓縮。

3.3 構(gòu)件數(shù)量多，運(yùn)輸成本高昂

對(duì)于裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系，在進(jìn)行構(gòu)配件拆分設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮預(yù)制裝配建筑的加工、運(yùn)輸及吊裝要求，數(shù)量眾多的預(yù)制構(gòu)件均需借助大型運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備由工廠運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)制裝配建筑的建設(shè)運(yùn)輸費(fèi)用昂貴，運(yùn)輸成本高。

3.4 裝配精度高，施工容錯(cuò)率小

在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各類構(gòu)配件進(jìn)行裝配連接施工時(shí)，因構(gòu)件尺寸及規(guī)格已確定，因而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工建造的精度控制要求高，當(dāng)施工誤差超出相關(guān)范圍時(shí)，預(yù)制構(gòu)件及預(yù)埋件的連接施工困難，且難以補(bǔ)救，造成裝配困難。因而，裝配式建筑的各預(yù)制構(gòu)件裝配式施工容錯(cuò)、容差范圍較小。

3.5 結(jié)構(gòu)連接弱，建筑整體性差

在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)時(shí)，要求每斷面內(nèi)鋼筋的連接數(shù)量不超過(guò)50%，而對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，通常要求全斷面接長(zhǎng)連接，且節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜，施工質(zhì)量難保證，結(jié)構(gòu)的整體性能低，水平抗側(cè)能力差，不適宜用于高層建筑和高烈度地區(qū)[9]。

4 裝配式建筑發(fā)展對(duì)策

通過(guò)分析該類建筑的設(shè)計(jì)及建造特點(diǎn)，我們應(yīng)避免如下建設(shè)盲區(qū)：

（1）過(guò)度提倡高效施工，降低結(jié)構(gòu)的安全可靠指標(biāo)。裝配式建筑施工過(guò)程中，主要通過(guò)預(yù)埋件的螺栓連接、焊接連接、企口連接、插承連接及濕連接等方式進(jìn)行裝配建造，但各類連接方式的安全承載機(jī)制復(fù)雜、性能不一，且各構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體承載的薄弱區(qū)域，也是裝配式建筑結(jié)構(gòu)安全可靠指標(biāo)的重要關(guān)注點(diǎn)，因而高效裝配施工不應(yīng)以降低結(jié)構(gòu)安全性能為代價(jià)，忽視了建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性。

（2）一味強(qiáng)調(diào)降低人力資源，造成經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。在人力資源逐漸緊缺，人力成本逐漸提高，建筑工業(yè)化能很大程度減緩人力資源成本稀缺的沖擊，但在降低人力資源要求的同時(shí)，加大了對(duì)工業(yè)機(jī)械等設(shè)備的依賴，可能裝配式建筑施工成本整體略有提升，但如不加以對(duì)比權(quán)衡，可能導(dǎo)致裝配式建筑施工的經(jīng)濟(jì)性欠佳。

（3）盲目為了裝配率，開(kāi)展大范圍的裝配式建筑。在政府部門(mén)持續(xù)強(qiáng)力的推廣下，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了全面發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式及施工技術(shù)日趨成熟。但仍不能忽視，在我國(guó)部分地區(qū)將建筑裝配率作為基層建設(shè)部門(mén)政績(jī)考核的重要指標(biāo)，變相推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展和落地，將裝配建筑的高質(zhì)量發(fā)展本末倒置，不利于該類建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期持續(xù)健康發(fā)展。

（4）過(guò)分追求高端一流化廠房設(shè)備，忽視建筑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。裝配式建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)生效率和施工質(zhì)量一定程度上取決于預(yù)制機(jī)械設(shè)備的性能，高度的工業(yè)化機(jī)械設(shè)備支持是裝配式建筑的基礎(chǔ)，而該類設(shè)備成本普遍偏高，通用性不強(qiáng)。在進(jìn)行預(yù)制裝配式建筑的推廣和發(fā)展規(guī)劃時(shí)，應(yīng)循序漸進(jìn)，合理開(kāi)發(fā)成本可靠的通用型機(jī)械設(shè)備，不能忽視裝配式建筑發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)的工業(yè)程度提高，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的理論研究及施工技術(shù)日益成熟，加之政府部門(mén)的持續(xù)加力推廣，我國(guó)裝配式建筑發(fā)展日新月異。通過(guò)本文的分析研究，以其促進(jìn)裝配式建筑在我國(guó)的快速高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張保榮，男，1988年7月出生，漢族，本科，陜西延安，工程師，研究方向：BIM+裝配式。