裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計研究

張元見

（中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088）

現(xiàn)階段，社會制造業(yè)及建筑業(yè)技術(shù)都在不斷地發(fā)展與進步，升華到了一個新的層次?；诖?，出現(xiàn)了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑形式，其打破了以往施工過程中存在的局限性，通過施工實踐應(yīng)用，有力地證明了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量，所以，該建設(shè)形式得到了積極推廣。為了推動裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑形式不斷發(fā)展，則需要加強對有關(guān)技術(shù)及理論知識的探究，最大限度地挖掘其優(yōu)勢與價值，進而從根本上提高建筑工程的施工質(zhì)量。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的特點分析

1.1 流程細化

裝配式建筑的綜合性和全面性較強。相比于傳統(tǒng)的建筑設(shè)計來說，裝配式建筑更加注重建筑的整體化，所以，工作人員要在傳統(tǒng)建筑設(shè)計的基礎(chǔ)上加入預(yù)制構(gòu)件加工圖設(shè)計環(huán)節(jié)。

1.2 設(shè)計模塊化

通過合理對建筑模數(shù)進行控制，有助于將建筑與構(gòu)件進行統(tǒng)一，將模塊進行組合，這樣可以使得裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建筑標(biāo)準(zhǔn)更加規(guī)范化地發(fā)展［1］。

1.3 配合一體化

在設(shè)計的過程中，不同專業(yè)之間要相互配合，加強主體結(jié)構(gòu)與預(yù)制構(gòu)件的一體性，不斷優(yōu)化和改進設(shè)計的效果。

1.4 技術(shù)信息化

通過借助BIM技術(shù)對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行深化設(shè)計，可以有效提高構(gòu)件設(shè)計過程中的準(zhǔn)確性和可靠性［2］，其中涉及技術(shù)策劃、工程方案設(shè)計等多個環(huán)節(jié)。

1.5 操作便捷化

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是利用工程設(shè)計軟件進行開發(fā)與配置的建筑結(jié)構(gòu)，可以在很大程度上縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計成果的準(zhǔn)確性與可靠性。使用工程建模軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件，能夠更加合理地分析鋼結(jié)構(gòu)的尺寸與內(nèi)部應(yīng)力情況，而且若后期需要修改，操作也非常方便［2］。技術(shù)人員在制造鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的過程中，需要綜合應(yīng)用三維模型及數(shù)控機床，在保障鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件成型之后，才可以將其投入到生產(chǎn)線中，落實制造與設(shè)計的一體化操作［3］，在增強鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件精確度的同時，減少設(shè)計與建設(shè)的時間。

2 我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)狀

2.1 設(shè)計方法落后

與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計形式比較來說，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計結(jié)構(gòu)體系、定位平面及確定基本模數(shù)等多個不同的方面都存在較大的差異。在制訂施工方案時，專用結(jié)構(gòu)體系與通用結(jié)構(gòu)體系相比差異不大，而且工作人員并沒有對標(biāo)準(zhǔn)化及數(shù)模化的設(shè)計思想給予充足的重視。在設(shè)計施工圖的過程中，沒有對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝配節(jié)點進行深入探究，對于部分構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)模型及裝配節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計也沒有采取有效措施進行處理，這會影響到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的進一步優(yōu)化發(fā)展。

2.2 缺乏設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國起步較晚，因此涉及相關(guān)設(shè)計及施工標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范文件數(shù)量較少，同時也沒有設(shè)置有關(guān)的施工技術(shù)、施工工法、安全規(guī)定等。與國外發(fā)達國家的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展比較而言，我國在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定方面相對滯后，進而使得裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計、審批和驗收的環(huán)節(jié)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)約束［4］。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)部件發(fā)展滯后

對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行分類，可以按照結(jié)構(gòu)體系分成木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)（PS）與預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)（PC）3種。鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段非常流行的裝配式建筑，與預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的不同之處在于，裝配式建筑的主要承重構(gòu)件材料都是鋼質(zhì)材料，一般情況下，各個部件是在施工現(xiàn)場采取焊接、螺栓或者是鉚釘?shù)姆绞竭B接在一起［5］。這些操作對于鋼結(jié)構(gòu)部件要求非常嚴(yán)格，但是，我國建筑市場對于鋼材料需求比較少，這在一定程度上影響了產(chǎn)品的工業(yè)化發(fā)展，導(dǎo)致無法有效保障鋼材料的質(zhì)量，因此，會直接給裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展帶來不良影響。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計分析

3.1 建筑設(shè)計

受當(dāng)代人們思想觀念的影響，現(xiàn)階段，建筑除了具有高質(zhì)量以外，還需要具有美觀性與舒適性，更重要的是，要具有環(huán)保經(jīng)濟的特點，可以滿足人們的生活需求。因此，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行深化設(shè)計的過程中，需要圍繞這些方面實施相關(guān)設(shè)計。

3.1.1 平面設(shè)計

（1）在設(shè)計建筑平面時，需要優(yōu)化承重物的分布情況，確保建筑垂直方向上的承重結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以分布均勻。

（2）在設(shè)計門窗、洞口等的過程中，由于預(yù)制件具有精確性的特點，所以，可以確保上下對齊，同時幾何尺寸符合建筑結(jié)構(gòu)的受力需要［6］。

3.1.2 立面、外墻設(shè)計

為了盡可能地符合當(dāng)代人們的居住需求，在對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行深化設(shè)計的過程中，要注意以下方面。（1）注重預(yù)制件結(jié)構(gòu)設(shè)計的美觀性，在確保滿足建筑基礎(chǔ)功能的同時，讓建筑更加賞心悅目。（2）為了提高建筑的經(jīng)濟性和環(huán)保性，在深化設(shè)計的過程中，需要對預(yù)制件拼接結(jié)構(gòu)進行檢查，確定其是否存在縫隙，若有則需要及時填補，而且還需要準(zhǔn)確掌握整體建筑結(jié)構(gòu)的薄弱之處，從根本上改善建筑內(nèi)部的環(huán)境［7］。

3.1.3 門窗安裝節(jié)點設(shè)計

在門窗安裝節(jié)點的設(shè)計過程中，使用工廠制作的預(yù)制內(nèi)外墻板，其尺寸必須要滿足整體的需求。設(shè)計門窗的過程中，可以充分發(fā)揮這個優(yōu)勢，選擇無門窗副框安裝的方式，然后，在實際施工過程中將兩者相連接，有效處理外墻和外窗洞口的接縫處的防滲漏問題。

3.1.4 小型金屬構(gòu)件設(shè)計

對于小型金屬構(gòu)件的設(shè)計工作來說，制作人員為了保障其能夠滿足整體建筑的電氣設(shè)備安裝需求，在進行深化設(shè)計時，必須要計算金屬預(yù)埋件的實際埋設(shè)位置及相關(guān)數(shù)據(jù)狀況，確保埋設(shè)位置的精確性與可靠性，進而有效地防止預(yù)埋件和其他的建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。不僅如此，在深化設(shè)計的過程中，埋設(shè)預(yù)埋件的位置應(yīng)該較為隱蔽和集中，這樣能夠有效地提高建筑內(nèi)部的美觀性。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下。（1）在設(shè)計過程中，考慮到建筑持久性方面時，對預(yù)制構(gòu)件的承載力、變形及裂縫采取有效措施進行控制，并通過有關(guān)的計算公式進行驗算。（2）考慮到建筑抗震能力時，要對預(yù)制構(gòu)件的承載能力進行驗算。（3）在實際的設(shè)計過程中，工作人員需要全面考慮預(yù)制構(gòu)件的制作、運輸及安裝等很多方面不同的內(nèi)容，在驗算時，要保證相關(guān)數(shù)據(jù)符合國家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。（4）對于一些起固定連接作用的預(yù)制件和預(yù)埋件來說，設(shè)計的過程中應(yīng)該盡可能不使用，如果必須要使用這兩種預(yù)制件，那么工作人員就需要根據(jù)施工的實際狀況，在滿足各項數(shù)據(jù)的狀態(tài)下進行合理選擇［8］。

3.2.1 參數(shù)驗算

在對參數(shù)進行驗算時，如果已經(jīng)達到了結(jié)構(gòu)承載能力的極限或者是正常使用的極限水平，工作人員就需要對建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件承載能力及形變指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)進行精確的計算分析。例如，建筑整理的抗震設(shè)計就需要對承載力進行驗算，然后，根據(jù)施工的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來進行執(zhí)行，特別是對于預(yù)制構(gòu)件來說，在制作的過程中也必須要保證相關(guān)數(shù)據(jù)的驗算準(zhǔn)確性。

3.2.2 梁柱節(jié)點設(shè)計

在進行實際的焊接工作過程中，工作人員需要將引弧板放置在翼緣坡口的兩邊，并在其下方設(shè)計一個扇形的切角。在后續(xù)的設(shè)計過程中，需要用圓弧來將鋼梁翼緣和扇形切角端部的連接處過渡，并對兩邊進行有效的焊接工作，使得二者能夠相互連接起來。在后續(xù)的焊接過程中，施工人員如果發(fā)現(xiàn)板的厚度低于16mm，那么可以采用雙面角焊縫，焊縫厚度需要確保不小于5mm，這樣才能提高其穩(wěn)定性；若板厚度大于16mm，則需要使用K 字形的坡口，將焊縫對接起來。深化設(shè)計時，需要嚴(yán)格掌控主體結(jié)構(gòu)，為設(shè)計方案的質(zhì)量提供保障。

3.3 機電設(shè)備設(shè)計

3.3.1 給排水管道的預(yù)留預(yù)埋

通常情況下，給排水管道的預(yù)留預(yù)埋有兩種形式：預(yù)埋管線和預(yù)留管道槽。設(shè)計時，需考慮下列內(nèi)容。（1）按照給排水管線及型號，在構(gòu)件生產(chǎn)圖紙中，準(zhǔn)確地表示出預(yù)留管道槽的位置。（2）在設(shè)計預(yù)留管道槽的過程中，需要對管道安裝及調(diào)試過程中需要的空間范圍進行考慮，對于管道彎頭處的位置，工作人員需要有效提升預(yù)留槽的深度，然后在管道彎頭處匹配預(yù)留槽。（3）預(yù)留管道槽的深度不僅要滿足預(yù)留管道的尺寸，同時也要防止因預(yù)留的空間太小，以致在建筑施工完成之后會出現(xiàn)管道外漏的情況。

3.3.2 燃氣專業(yè)預(yù)留預(yù)埋

燃氣專業(yè)的預(yù)埋工作中，非常重要的就是入戶管道和外墻的預(yù)留設(shè)計，施工人員必須對燃氣專業(yè)的預(yù)埋管道進行進一步的設(shè)計優(yōu)化，特別是燃氣管道內(nèi)部的空間與尺寸一定要符合相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.3 電氣管線預(yù)留預(yù)埋

該項設(shè)計重點在于預(yù)制墻板中電氣管線的預(yù)留和預(yù)埋。通常情況下，需要對下列方面進行考慮。（1）需要確保墻板上材質(zhì)不同的管線都滿足施工的強弱電專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（2）在后續(xù)的施工過程中，施工中所使用到的管線必須要滿足數(shù)量和質(zhì)量的需求，這樣才能夠有效提升電氣管線的預(yù)埋質(zhì)量。（3）在完成管線的預(yù)埋工作后，需要重視后續(xù)的維修管理。

3.4 管線綜合深化設(shè)計

（1）需要先布置管線較大的管線，之后再布置管徑較小的管線，即“小的要避讓大的”。

（2）由于重力管線主要是借助重力作用輸送流體，因此，壓力管線與重力管線在布置的過程中很容易出現(xiàn)相互交叉的現(xiàn)象。工作人員在設(shè)計時，要考慮到兩種管線距離，對重力管線的標(biāo)高進行重新的設(shè)計規(guī)劃。

（3）在安裝熱水管道時，工作人員必須先對保溫層進行施工設(shè)計，因為熱水管道整體的施工成本會比冷水管道的施工成本更高，所以，在設(shè)計熱水管道時要優(yōu)先設(shè)計，合理控制整體的設(shè)計成本。

（4）在施工中，工作人員需要將流體管道和將電纜橋架分開，如果實際施工情況不允許將二者分開布置的話，那么就需要先將電纜橋架放置在流體管道的上部分，這樣放置可以避免流體管道被破壞，從而使得電纜電線出現(xiàn)外漏，而且需要通過設(shè)置套管的形式保護電纜。

（5）工作人員針對于管路附件少的管道施工時，必須先讓這些管路附件多的管道來施工，通過這樣的方式，可以有效改善后續(xù)管道附件的維護與優(yōu)化管理工作。在設(shè)計管道時，盡量把管道設(shè)計為直形，實現(xiàn)管道之間平行不交叉，有利于施工初期的安裝、施工后期的檢修與維護，進而科學(xué)合理地減少工程成本支出。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計案例分析

4.1 工程概述

該工程項目的實際建筑面積為1萬㎡，其中，地下總面積占到了4600㎡。該建筑工程應(yīng)用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，建筑面積要求100%，單體預(yù)制率要高于40%。所以，在實際的施工過程中，該建筑工程項目主要使用了裝配式結(jié)構(gòu)，地上建筑樓層總共10層，每層3.6m，總高43.1m。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

對該建筑工程項目實施裝配式的拆分，有效地減少了預(yù)制構(gòu)件的種類，為構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝提供了便利。

4.3 深化設(shè)計

4.3.1 參數(shù)化組件開發(fā)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計工作中，鋼筋等類型的預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計工作是非常復(fù)雜、困難的。因此，BIM技術(shù)在該項工程中的實際應(yīng)用受到了一定的限制，工作人員為了盡可能地提升裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊的建設(shè)效率，可以通過利用Tekla軟件的二次開發(fā)接口來進行優(yōu)化，然后對預(yù)制柱的主次梁進行進一步的開發(fā)。后續(xù)工作人員通過設(shè)置參數(shù)來對預(yù)制的構(gòu)件鋼筋進行優(yōu)化設(shè)計，在三維模型的基礎(chǔ)上，形成裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計圖紙，進而從根本上提高設(shè)計的效率。

4.3.2 智能碰撞檢查

使用Tekla 軟件進行裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計的過程中，因為預(yù)制構(gòu)件是在工廠生產(chǎn)之后再輸送到施工現(xiàn)場，所以，為了提高安裝的精確性和準(zhǔn)確度，需要將預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計工作落實到位，科學(xué)合理地掌控生產(chǎn)進度。對于該建筑項目而言，其中涉及了大概2000個構(gòu)件，如果想要在根本上確保構(gòu)件安裝的精度，最大限度地減小誤差，采用人工校對的方式工作量非常龐大，但是，通過軟件對構(gòu)件碰撞和鋼筋沖突情況進行自動化的檢測，可以顯著地提高工作效率。

4.3.3 自動生成圖紙

使用軟件進行裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計的過程中，由于建筑構(gòu)件的數(shù)量非常龐大，如果使用以往的二維的生成方式，那么整體圖紙的生成是非常困難的，工作量較大且較為復(fù)雜，在生成圖紙后，后期的修改工作難度較高。如果使用Tekla模型，就可以自動生成整體結(jié)構(gòu)的建筑圖紙，如果在此過程中需要修改數(shù)據(jù)，可以設(shè)置有關(guān)參數(shù)，然后系統(tǒng)可以自動對圖紙進行更新。

4.4 深化設(shè)計效果

對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行深化設(shè)計，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中存在的問題，進而最大限度地降低后期施工出現(xiàn)變更的概率，不但能夠減小建筑成本投入，同時有助于提高工作效率。與以往建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在區(qū)別的是裝配式建筑設(shè)計更加重視與施工的相互結(jié)合，在對構(gòu)件進行拆分的過程中，需要綜合構(gòu)件運輸和吊裝的方面全面考慮。使用BIM技術(shù)，可以推動設(shè)計朝著信息化的方向發(fā)展，對于當(dāng)代建筑領(lǐng)域而言值得積極推廣，但現(xiàn)階段的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件還有待深入開發(fā)和探究。

5 結(jié)語

總而言之，在未來，我國建筑領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展離不開裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用。在對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進行進一步的深化設(shè)計過程中，為了確保設(shè)計的效果和質(zhì)量，需要做好建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電設(shè)備設(shè)計、管線綜合深化設(shè)計等工作，最大限度地減少設(shè)計中存在的問題，確保建設(shè)工作順利實施。