裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蔡杞芝

湖南格瑞工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000

當(dāng)前建筑技術(shù)逐漸向輕建筑系統(tǒng)發(fā)展，且將其應(yīng)用于多層建筑。裝配式建筑結(jié)構(gòu)符合“綠色建筑”要求，也順應(yīng)了建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑項(xiàng)目建設(shè)的重要內(nèi)容，在設(shè)計(jì)階段需對(duì)項(xiàng)目要求、周邊地質(zhì)、結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行綜合考量，并建立相應(yīng)的建筑模型，繪制圖紙，為后續(xù)施工提供依據(jù)。文章基于裝配式建筑結(jié)構(gòu)特征對(duì)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說(shuō)明。

1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)概述

裝配式建筑建筑指集合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外墻圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備綜合管線與內(nèi)裝系統(tǒng)等部件的預(yù)制式建筑形式，其為系統(tǒng)性工程，主要是通過(guò)提前預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，在現(xiàn)場(chǎng)組裝成一體化建筑[1]。裝配式建筑適用于非抗震設(shè)計(jì)與抗?jié)B設(shè)防烈度為6～8度的乙類(lèi)及以下民用建筑，主要結(jié)構(gòu)體系包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-現(xiàn)澆核心筒結(jié)構(gòu)等。此類(lèi)建筑的主要特點(diǎn)如下：采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式，構(gòu)件尺寸更為精準(zhǔn)；生產(chǎn)效率高，現(xiàn)場(chǎng)拼裝構(gòu)件，工期縮短；減少工地濕作業(yè)，節(jié)約資源，污染較少；設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工協(xié)同發(fā)展，應(yīng)用BIM技術(shù)等，設(shè)計(jì)方案更為科學(xué)合理。

2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)流程

（1）方案階段。方案設(shè)計(jì)階段必須通知所有工程參與方組織會(huì)議，明確各自職權(quán)范圍，對(duì)建筑平面設(shè)計(jì)方案、立面設(shè)計(jì)方案與戶型等進(jìn)行研討并敲定，對(duì)廚房、衛(wèi)生間等功能空間區(qū)域尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定開(kāi)窗等模數(shù)。對(duì)于預(yù)制構(gòu)件，必須經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)性與可行性方案論證，確保工程建設(shè)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，生產(chǎn)廠家按照設(shè)計(jì)方案中提出的構(gòu)件尺寸與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造參數(shù)等進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)制作、運(yùn)輸與施工方案的經(jīng)濟(jì)性與可行性進(jìn)行論證，確保結(jié)構(gòu)布設(shè)的科學(xué)合理，節(jié)約成本。

（2）初步設(shè)計(jì)階段。對(duì)戶型中剪力墻體的位置進(jìn)行調(diào)整，確定無(wú)異形樓板與墻板的空間位置關(guān)系。各專(zhuān)業(yè)部門(mén)必須共享信息，相互配合，對(duì)暖通工程管線、電力工程管線等布置方案進(jìn)行模擬分析，目的是減少施工沖突。

（3）施工圖階段。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與BIM工程軟件對(duì)施工圖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以預(yù)制構(gòu)件拼裝為例，可創(chuàng)建相關(guān)模型，對(duì)構(gòu)件連接方式等進(jìn)行科學(xué)處理，如預(yù)制構(gòu)件連接部位的處理方式等，如圖1所示。深化設(shè)計(jì)階段，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家需提前做好孔洞預(yù)留、預(yù)埋件等工作，確保施工構(gòu)件完整且美觀。

圖1 裝配式預(yù)制件拼接顯示模型

2.2 結(jié)構(gòu)體系選擇

當(dāng)前裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系主要分為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)、疊合剪力墻結(jié)構(gòu)與整體框架結(jié)構(gòu)[2]。設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面考察，確定建筑高程、抗震級(jí)別與風(fēng)荷載水平，后基于現(xiàn)行規(guī)范合理選擇結(jié)構(gòu)形式。

2.3 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于門(mén)窗等防水性能較差的位置，需細(xì)化構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)工程所處區(qū)域的氣候特征與地質(zhì)條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)。若忽略抗震性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)主體荷載為風(fēng)荷載，則構(gòu)件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需滿足內(nèi)力要求。若考慮抗震性能設(shè)計(jì)，主體荷載為地震荷載，地震荷載過(guò)大建筑結(jié)構(gòu)可能呈塑性狀態(tài)，則需基于極限狀態(tài)應(yīng)力特征進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

某科技產(chǎn)業(yè)園綜合樓建筑總面積為6346m2，地上6層樓，集辦公、會(huì)議等于一體，為多功能建筑類(lèi)型。經(jīng)方案比選，最終選用預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，裝配率高達(dá)91.3%，為地區(qū)綠色建筑重點(diǎn)示范工程。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

（1）平面標(biāo)準(zhǔn)化。項(xiàng)目平面規(guī)整，模數(shù)為2000mm，柱網(wǎng)尺寸分別為8000mm×8600mm、8000mm×6000mm。平面設(shè)計(jì)需對(duì)相同戶型實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少構(gòu)件數(shù)量。綜合樓2～5層為宿舍與部分辦公室，采用規(guī)格相同的開(kāi)窗與分板。設(shè)計(jì)單位經(jīng)模擬計(jì)算與比較分析確定了遮陽(yáng)板尺寸，符合“少規(guī)格、多組合”設(shè)計(jì)要求。

（2）立面標(biāo)準(zhǔn)化。因該項(xiàng)目樓層中空間功能多樣，立面設(shè)計(jì)難度較大。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)目標(biāo)，確保裝配工作的有序進(jìn)行，構(gòu)件生產(chǎn)必須符合施工工藝特征與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)范流程。該工程主跨位置裝有2塊外掛墻板，墻板開(kāi)窗形式與窗口參數(shù)相同。按照當(dāng)前綠色建筑相關(guān)規(guī)范與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)預(yù)制外墻掛板進(jìn)行合理設(shè)置，改善立面設(shè)計(jì)效果。預(yù)制外墻掛板與遮陽(yáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)一，建筑立面的秩序感較強(qiáng)，但外觀也略顯單調(diào)。為此，加設(shè)6組大窗，突出虛實(shí)對(duì)比，充分展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)線性輪廓，豐富立面效果。

（3）模數(shù)化。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算分析確定，各構(gòu)件模數(shù)如下：平面柱網(wǎng)模數(shù)為8m，預(yù)制外墻掛板模數(shù)為4m，預(yù)制遮陽(yáng)板模數(shù)為1m。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目中預(yù)制率為91.3%，預(yù)制構(gòu)件主要包括預(yù)制柱、預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制復(fù)合外掛板、預(yù)制內(nèi)墻板、預(yù)制樓梯板與預(yù)制女兒墻等[3]。工程基礎(chǔ)采用錘擊高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，地基設(shè)計(jì)等級(jí)設(shè)置為乙級(jí)。

預(yù)制柱尺寸為600mm×600mm，端頭局部加設(shè)了尺寸為600mm×700mm的預(yù)制柱，有效提高了結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度，上下層柱間采用單孔套筒灌漿連接方式；框架梁選用疊合梁，疊合層厚度為150mm，尺寸包括400mm×600mm、400mm×700mm兩類(lèi)，梁柱節(jié)點(diǎn)均采用梁主筋插入式進(jìn)行處理；樓板均采用厚度為80mm的疊合板，要求四側(cè)邊不能出筋；外墻板為無(wú)機(jī)保溫微孔混凝土復(fù)合板，厚度為250mm，復(fù)合板與上層梁疊合位置采用濕式連接法進(jìn)行處理。

3.3 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該建筑預(yù)制外墻板水平縫、垂直縫、十字縫等接縫及門(mén)窗洞口等部位均選用耐久性強(qiáng)、力學(xué)性能突出且具有裝飾性的材料。工程中選用的防水材料主要為發(fā)泡聚乙烯棒與密封膠，采用企口縫對(duì)建筑水平縫進(jìn)行處理，垂直縫則采用綜合處理模式，聯(lián)合應(yīng)用結(jié)構(gòu)自防水、材料防水與構(gòu)造防水措施。建筑中的所有門(mén)窗均采用先裝法，這種防水構(gòu)造形式能夠提高建筑主體的防水性能，避免滲漏問(wèn)題。

3.4 信息化協(xié)同管理

（1）方案階段。根據(jù)工程前期現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，采用適宜的技術(shù)類(lèi)型有效避免設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工及裝修等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如該工程基于已提出的裝配式技術(shù)路線與產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，遵循構(gòu)件拆分原則進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。對(duì)于尺寸、類(lèi)型不同的預(yù)制構(gòu)件，將實(shí)際構(gòu)件尺寸、材料特性與位置等相關(guān)信息作為參考標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建基本的預(yù)制構(gòu)件族，后依此建立Revit模型。對(duì)其中單個(gè)模型族的幾何屬性進(jìn)行可視化分析，確定構(gòu)件的數(shù)量與類(lèi)型。

（2）施工圖、深化圖階段。該工程應(yīng)用BIM軟件對(duì)預(yù)制構(gòu)件的幾何形狀、物理參數(shù)等進(jìn)行分析，為工程構(gòu)件優(yōu)化提供依據(jù)，確定最終構(gòu)件的類(lèi)型、數(shù)量?；贐IM技術(shù)對(duì)工程管線進(jìn)行合理布設(shè)，協(xié)同土建與暖通工程等，在BIM平臺(tái)上進(jìn)行碰撞檢測(cè)，明確預(yù)制構(gòu)件、鋼筋與預(yù)埋件等布設(shè)沖突，及時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，就已確定的材料用量方案提出整改意見(jiàn)，以達(dá)到BIM技術(shù)在裝配式建筑中的專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)目的。該項(xiàng)目聯(lián)合應(yīng)用BIM技術(shù)與Revit模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)“錯(cuò)、漏、碰、缺”進(jìn)行細(xì)致檢查。該工程中樓板、梁柱等構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)安裝較為復(fù)雜，需預(yù)留孔洞，因此對(duì)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提出了較高要求。為此，該工程將深化的BIM模型導(dǎo)入Navisworks軟件，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能化碰撞檢查，然后將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型等均導(dǎo)入Navisworks軟件，進(jìn)行碰撞檢查，避免了管線與土建的碰撞問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑形式相較優(yōu)勢(shì)突出，表現(xiàn)為施工效率高、施工進(jìn)度快、設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確、綠色環(huán)保，具有較大的技術(shù)研究空間與發(fā)展?jié)摿ΑＴ谠O(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，可充分應(yīng)用BIM信息技術(shù)對(duì)預(yù)制構(gòu)件、結(jié)構(gòu)布局等進(jìn)行優(yōu)化，確定平面模數(shù)、結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)等，確保裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系符合設(shè)計(jì)要求，建筑防水、防滲性能理想。