預制裝配式建筑設計實踐
——以某地高層住宅為例

劉永琴

（山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

混凝土是我國建筑工程最常使用的原材料，并且使用現(xiàn)澆施工的形式進行結構建設?，F(xiàn)澆施工存在一定弊端，其存在能耗較高、科技水平低、對環(huán)境的污染較大、勞動力投入量大等問題，在這些問題的影響下建筑行業(yè)難以獲得新突破，阻礙了建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化進程不斷加快，各類建筑拔地而起。建筑工程的發(fā)展速度跟不上經(jīng)濟發(fā)展的速度，城市建設對建筑行業(yè)提出了更高的要求[1]。因此，為緊跟社會發(fā)展趨勢，建筑領域興起預制裝配式建筑，因此建筑工程有了進一步的發(fā)展。

預制裝配式結構在方案設計階段需要大量配合，充分調動工程建設單位、工程設計者、相關構件生產方，各方相互配合完成建筑方案設計。因此，預制裝配式建筑結構的設計與傳統(tǒng)建筑有較大的區(qū)別，需要綜合考量預制構建的生產與安裝特點。預制裝配式建筑的設計、生產、安裝相互影響，只有多方面結合才能更好地完成預制裝配建筑[2]。

當前階段，國內、國外各機構均對預制裝配式構建進行各項性能的檢測，檢測結果表示構建以及節(jié)點的受力程度完全符合建設要求，與現(xiàn)澆施工質量基本相同[3]。本文以現(xiàn)預制裝配式建筑的設計為基礎，對裝配式建筑的設計要點、以及節(jié)點設計展開論述。

1 裝配式建筑設計要點

預制裝配式建筑將需要大量現(xiàn)場完成的建筑工作轉移到工廠之中，工廠制造可以很大程度避免現(xiàn)場作業(yè)的干擾因素，提升建筑用件的質量與美觀程度。預制裝配式結構在方案設計階段需要大量配合，充分調動工程建設單位、工程設計者、相關構件生產方，各方加強協(xié)作與配合完成建筑方案設計[4]。滿足建筑的功能要求，是裝配式建筑設計的核心，滿足功能要求后還需要提升建筑工程的品質，并控制整個工程投入的經(jīng)濟成本，利用集成技術可以有效減少預制構件的種類，從而達到減少經(jīng)濟成本的目的。

1.1 裝配式建筑的設計步驟

裝配式建筑的設計步驟為技術策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計、構件加工圖設計階段、內裝修設計階段，通過對整個建筑工程的綜合分析，制定預制要求、做好成本規(guī)劃，綜合分析總結后得出建筑方案，每一步規(guī)劃都是下一步驟的基礎，多方通力合作才能做好裝配式建筑的設計工作。

1.1.1 技術策劃

前期技術規(guī)劃有非常重要的地位，是整個裝配式建筑的核心步驟。技術規(guī)劃階段需要對整個工程進行全面分析，根據(jù)建筑要求合理制定規(guī)模、制定預制要求、做好成本規(guī)劃，綜合分析總結后得出建筑方案，注重預制構件的標準化監(jiān)督，避免構建不合規(guī)重新制作提升工程成本[5]。

1.1.2 方案設計

建筑規(guī)劃完成后，以規(guī)劃為基礎初步進行裝配建筑平面功能規(guī)劃，從而使策劃與設計有效銜接，確保裝配式建筑的有效性。方案設計不僅需要滿足建筑基礎性能，做好將工程建筑成本規(guī)劃。預制構件最好控制規(guī)格數(shù)量，提升多元組合率，做好初步設計準備。

1.1.3 初步設計

初步設計使將建筑位置、工程可行性以及經(jīng)濟性價比細化的過程，此階段涉及多個專業(yè)，具有很強的專業(yè)性與綜合性。按照合同與規(guī)劃的要求確定水電、供暖管線位置以及需要澆筑部分的層數(shù)。執(zhí)行項目標準確定建筑預制率，根據(jù)預制率確定使用預制構件的位置以及預制構件的種類、數(shù)量，通過預制率結果做出多元化預制構件的組合方案[6]。

1.1.4 施工圖設計

根據(jù)初步設計繪制施工圖，將各項數(shù)據(jù)體現(xiàn)于施工圖之上。進一步深化構建的各項參數(shù)，形成技術性施工文件。

1.1.5 構件加工圖設計階段

以建筑對功能對結構受力性的要求對連接點進行設計，并進一步對加工圖進行詳細化。

1.1.6 內裝修設計階段

遵循一體化原則，綜合考慮建筑與裝修的和諧，滿足對建筑工程環(huán)保、節(jié)能等要求，裝配式建筑的設計流程如圖1所示。

圖1 裝配式建筑的設計流程

1.2 平面設計要點

滿足建筑的功能要求是裝配式建筑設計的基礎，滿足功能要求后還需要提升建筑工程的品質，并控制整個工程投入的經(jīng)濟成本。所有的建筑平面設計必須符合國家相關規(guī)定，符合工程的整體規(guī)劃。精準把握施工現(xiàn)場的情況，保證預制構建的適配性，做好構件原屬通道與存放場地的預留。如果發(fā)生預放場地不足的情況，及時組織施工，為施工操作預留足夠的空間[7]。

裝配式建筑的設計要有總體感，需要牢牢把握全局。需要精準測量現(xiàn)場當時使用空間的尺寸，并根據(jù)施工過程中的現(xiàn)實情況適當進行針對性調整，因此不同時期下建筑的要求可能會發(fā)生改變。建筑應當使用大開間布置，可以在一定程度上降低預購件制作的難度，降低建筑的生產成本。大開間的設置由于面積較大，必須采用單元制設計，通過對單元受力特點的分析審計更加滿足建筑條件的構件，提升建筑工程建設的便捷性[8]。

裝配式建筑對建筑的形狀的要求較為嚴格，保證建筑的安全性。鉸接與剛接是裝配構件連接的兩種主要方式，有較強的抗震功能，并且建筑形狀越規(guī)則安全性越高。建筑平面規(guī)整可以減少預制構件種類，降低經(jīng)濟成本與施工難度。

1.3 立面及剖面設計要點

建筑的外觀設計應滿足經(jīng)濟性與美觀性的要求，因此預制建筑設計必須多元化，避免傳統(tǒng)建筑的單調性?？梢猿浞掷妙A制構件的特點多元化組合構件形成不同樣式的套間，以達成多風格建筑的目的。立面的設計有以下6種方式：①多形式平面組合。②多元化建筑群組合。③充分利用光影效果。④變換門窗的布局與組合。⑤多樣化利用外部裝飾。⑦多元化構建預制構件的組合情況，使其有豐富的組合滿足建筑的多樣性[9]。

裝配置建筑框架是由預制構件搭建的，立面與平面的設計更考驗技術。設計中利用集成技術可以有效減少預制構件的種類，從而能達到減少經(jīng)濟成本的目的?？茖W化組合可以提升裝配建筑的豐富性，提升建筑的美感，并且使建筑立面整齊劃一，凸顯建筑整潔的特點。

門窗大小以及樣式的設計使立面設計的重點部分，保證建筑內部的通風與采光是立面設計的基礎，并且保證門窗功能的基礎上遵循節(jié)能與協(xié)調性原則[10]。門窗設計盡量簡約大方，統(tǒng)一規(guī)格，并減少預制構件的種類，更便于大批量生產門窗，提升預制構件的生產效率，并且可以很大程度的降低現(xiàn)場安裝的難度，提升各構件之間連接的穩(wěn)固性。門窗立面率先考量連接處的承重問題，提升預制構件安裝的安全性。門窗安裝應通過對建筑整體的分析選擇合適的位置，必須方便預制構件的安裝工作。避免轉角處設置窗戶，轉角處設置窗戶不利于安裝，轉角窗預制構件的生產難度較大，并且影響整體工程的抗震性，降低工廠建筑的安全性。外掛板墻的尺寸是設計的要點，尺寸合理可以提升吊裝的安全性與便捷性，并對綜合因素進行考量，使門窗設計根據(jù)豐富性與多樣化。

裝配式建筑的外墻面裝飾材料的選擇應予整體建筑形式相匹配，符合整體審美要求，秉承綠色環(huán)保原則。裝配式建筑的外墻板使提前生產好的預制式，工廠生產的外墻板質量與外觀均優(yōu)于現(xiàn)場操作。預制外墻板優(yōu)先使用彩色混凝土，可以滿足不同建筑設計的要求，并且選擇反打工藝制作，可以提升預制外墻板的質量，延長使用壽命。

1.4 建筑設計協(xié)同

裝配式建筑的規(guī)模與結構必須嚴格遵循設計原則，科學設計實現(xiàn)構件的多樣化組合，提升施工的便捷性與高效性，控制構建的設計種類減少規(guī)格的數(shù)量。豎向構件應該滿足直上直下的標準，建筑內所有門窗洞整齊劃一、上下對齊。綜合考量建筑內管井與管線的分布，使其相對集中，避免混合交叉與水平布置。預留公共區(qū)域的管線位置，與室內裝修形成整體布局。

裝配式建筑的建設依賴于前期各方的全力配合，對預制構件的設計、安裝做出細化方案，使整體建筑更具協(xié)調性。根據(jù)初期方案科學做好平面設計、立面設計、剖面設計。平面設計以建筑基礎功能為基礎，經(jīng)過多方的模數(shù)協(xié)調提升模板使用率。立面設計重視構件組合，實現(xiàn)建筑多樣化。最后通過建筑設計協(xié)同使整體建筑系統(tǒng)化、標準化。

初步階段的設計需要各專業(yè)的深度合作，將建筑外立面設計方案、構件組合方案等正式確定?？紤]整體建筑效果后預留位置用以預埋件準備。對建筑資金進行細化分析，并評估其對實施方案性存在的影響，最終確定施工圖。具體操作流程如下：①進一步深化初步設計，做好預制構件與連接點的設計，保證其符合標準化要求。②制定最終使用的裝配率與預制率。③根據(jù)平面圖的指示，對現(xiàn)場構件的運輸、存儲以及安裝做出細化方案。④從多個方面綜合研究構件連接節(jié)點安全性、合理性。⑤通過對整體建組規(guī)格的把握確定外墻裝飾方案與預制工藝。⑥綜合考慮經(jīng)濟、節(jié)能，選擇性價比高的外墻保溫材料。⑦對進行吊裝的塔吊進行能力、距離的研究，并根據(jù)塔吊能力進一步優(yōu)化構件尺寸，使構件安裝更加便捷；優(yōu)化構件的生產效率，制定好合理的構建運輸路線，保證建筑工程開始后構建的供應；加強檢查巡視安保工作，保證預制構件安裝的安全性。

施工圖設計階段進一步深化各方的配合，做好構件組合并細化施工圖。①外墻板挑選應嚴格、謹慎，墻板選擇耐用的高質量材料，并且容易清潔。選擇反打工藝的制品，分格材料做好尺寸的規(guī)劃。②預制構件的選擇應考慮到保溫因素。③門窗制定與廠家做好溝通，必須保證尺寸與預制墻板完美契合，并做好安裝的防水、隔音措施。④做好水電、暖通部分的協(xié)調，確定各部分管道線路的預留。管線進行集中處理，避免交叉。⑤個別管道會穿越墻體，提前做好規(guī)劃并預留穿墻孔洞，安裝管線需提前預埋件。

2 節(jié)點設計

節(jié)點的設計具有多樣性，常用的連接方式為干連式、濕連式。節(jié)點將各個預制構件進行緊密的連接，使其成為一個完整的建筑主體。國內外都對節(jié)點的連接強度進行過測試，并得出節(jié)點設計的重要原則：①裝配式建筑的節(jié)點必須符合建筑強度的標準，強化節(jié)點在建筑中的重要地位。②連接點必須具備較好的延展性。因此，節(jié)點連接的設計必須嚴格遵照上述標準，保證節(jié)點的安全性與穩(wěn)定性。

2.1 連接疊合板

預制板與現(xiàn)場澆筑的混凝土相結合形成了疊合板，二者通過連接成為一個整體。疊合板使現(xiàn)在最常用于裝配式建筑項目。連接疊合板的主要手段使預留鋼筋，兩塊疊合板之間預留好現(xiàn)場澆筑的空間，通過毛處理提升二者之間的整體性，預制構件與現(xiàn)場澆筑常規(guī)采用鋼筋連接[11]。疊合板連接如圖2所示。

圖2 兩塊疊合板之間連接節(jié)點

2.2 連接疊合板與疊合梁

疊合板將其受力面的荷載傳遞至與其強鄰的疊合梁之上，疊合板下部分鋼筋插入疊合梁的長度不能小于10cm。當單向板受力方向為垂直向上時，疊合板下部鋼筋不能插入疊合梁之內，但是疊合板現(xiàn)澆部分需要使用鋼筋進行補強。疊合板與疊合梁連接如圖3所示。

圖3 疊合板與疊合梁連接

2.3 疊合梁與預制柱連接的節(jié)點

疊合梁與預制柱連接的節(jié)點一般情況下使用現(xiàn)場澆筑的方式，將預制段的鋼筋使用焊接或者彎折的方式進行加固。疊合梁與預制柱連接的節(jié)點做成上下契合的形狀，以此提升該節(jié)點的延伸性?，F(xiàn)場澆筑的節(jié)點部分可以使用跟高強度的混凝土，增加節(jié)點連接的穩(wěn)定性。鋼筋較為密集的節(jié)點可利用自密混凝土進行填充，加強節(jié)點連接的強度。

3 結語

預制裝配式建筑打破傳統(tǒng)建筑的建造方式，將需要大量現(xiàn)場完成的建筑工作轉移到工廠之中，工廠制造可以最大限度避免現(xiàn)場作業(yè)的干擾因素，提升建筑用件的質量與美觀程度。將規(guī)范化生產的預制構件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行吊裝，提升建筑的便捷性，并在一定程度上降低了經(jīng)濟成本。裝配式建筑通過專業(yè)化設計、信息化管理，使建筑工程更具科學性，是現(xiàn)代化工業(yè)生產的重要代表。裝配式建筑促進建筑行業(yè)朝著高效、便捷、規(guī)范化改變，建筑行業(yè)進入了全新的發(fā)展時代。預制裝配建筑的實施符合經(jīng)濟、環(huán)保的理念，是促進建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。