裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

方偉

0 引言

隨著建筑施工行業(yè)水平不斷提高，建筑行業(yè)急切需要新型建筑形式，因此裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑由此產(chǎn)生。裝配式鋼結(jié)構(gòu)可以對(duì)施工過(guò)程中所需要的構(gòu)件進(jìn)行加工，工業(yè)化加工方式代替了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，可以加快建設(shè)進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，保證了施工質(zhì)量。裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要通過(guò)預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，所以設(shè)計(jì)非常重要，幾乎涵蓋施工所有過(guò)程，還需要借助信息化技術(shù)，構(gòu)建建筑工程信息化平臺(tái)，完全符合建筑行業(yè)發(fā)展理念，同時(shí)也順應(yīng)綠色施工政策。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)具有鮮明的特點(diǎn)，可以在建筑施工過(guò)程中發(fā)揮較大作用，具體如下。

1.1 縮短設(shè)計(jì)工期

裝配式鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，可以以3D 立體形式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，方便設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，選擇適合施工方案，為工程設(shè)計(jì)提供最理想的建模方案。在進(jìn)行構(gòu)件制作過(guò)程中，可以將三維模型與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行完美結(jié)合，保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、有效性，設(shè)計(jì)完成后可以投入生產(chǎn)，提高生產(chǎn)精準(zhǔn)度，縮短設(shè)計(jì)工期。

1.2 設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合

裝配式鋼結(jié)構(gòu)可以讓設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合，先將構(gòu)件、預(yù)制墻板等在工廠(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，然后直接運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，提高生產(chǎn)率和施工效率。

1.3 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是在工廠(chǎng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，能夠保證施工的工業(yè)化程度。摒棄了傳統(tǒng)施工工藝的不足，在一定程度上保證構(gòu)件的質(zhì)量和性能。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在20 世紀(jì)20 年代初期，我國(guó)就已開(kāi)始使用裝配式結(jié)構(gòu)，而在20 世紀(jì)90 年代，它才正式推行。在我國(guó)早期建筑采用的是以房屋為主的裝配式形式，可劃分成低層輕鋼住宅、多高層輕鋼住宅兩種形式。關(guān)于多層輕鋼結(jié)構(gòu)房屋，由于其結(jié)構(gòu)比較繁雜，按其受力特點(diǎn)可分為：框架-支撐系統(tǒng)、純框架體系，交錯(cuò)桁架體系、剪刀式框架體系等。

2.1 建筑設(shè)計(jì)深化

建筑設(shè)計(jì)要從整體對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使施工建筑滿(mǎn)足人們舒適性、美觀性、綠色性的要求，其中局部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、建筑平面與空間設(shè)計(jì)、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)和外墻立面設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)（如圖1 所示）。在施工準(zhǔn)備階段，工程師要進(jìn)行實(shí)地考察，了解建筑工程所在區(qū)域的地址特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，在保證施工質(zhì)量的前提下滿(mǎn)足人們的各方面需求。工程設(shè)計(jì)師在進(jìn)行立面外墻設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要應(yīng)用多樣化設(shè)計(jì)理念，保證建筑既可以符合美觀要求，又能保證墻體保溫；做好保溫、降噪處理，保證建筑物可以避免對(duì)外界的噪音干擾，降低建筑運(yùn)行能量消耗，特別是門(mén)窗和外墻連接位置，可以運(yùn)用雙重防水結(jié)合性設(shè)計(jì)。金屬構(gòu)件可以提高在設(shè)計(jì)中的實(shí)用性，在工廠(chǎng)進(jìn)行加工時(shí)要確定預(yù)埋件位置，考慮滲漏情況，加強(qiáng)拼接縫設(shè)計(jì)，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)滲漏情況。工程師要調(diào)整好裝配式鋼結(jié)構(gòu)，保證水、電、供熱通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證一體化裝修。

圖1 深化設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2 立面、外墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

內(nèi)外墻之間要選擇適合的材料，滿(mǎn)足建筑物防水、防火、保溫、降噪的要求；在門(mén)窗洞口等處，加強(qiáng)防滲漏設(shè)計(jì)。

2.3 柱-柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)柱截面大多是H 形，通過(guò)高強(qiáng)螺栓將腹板連接起來(lái)，應(yīng)用對(duì)接焊縫技術(shù)，使用全焊透坡口結(jié)構(gòu)處理翼緣間連接處。在H 形的結(jié)構(gòu)柱截面中，應(yīng)用高強(qiáng)螺栓對(duì)腹板和翼緣板進(jìn)行連接，通過(guò)全焊接技術(shù)處理箱形截面和圓管形截面的焊縫。例如：某鋼結(jié)構(gòu)大廈，在進(jìn)行柱-柱連接設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：（1）對(duì)箱形截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼柱拼接位置設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)在柱腳位置設(shè)計(jì)承臺(tái)面，承臺(tái)面位置設(shè)計(jì)在1.5m 以上；（2）對(duì)鋼柱的側(cè)板與節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行連接設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用全焊接方式對(duì)坡口進(jìn)行施工；（3）設(shè)計(jì)鋼柱結(jié)構(gòu)時(shí)，以全熔透焊接縫為主，連接方式采用全焊或者栓焊，對(duì)翼緣板結(jié)構(gòu)應(yīng)用全熔透焊接技術(shù)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓焊接。

2.4 樓板、墻板與主體連接節(jié)點(diǎn)

在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，首先要考慮重量、材質(zhì)，優(yōu)先選擇重量較輕、材質(zhì)均勻的結(jié)構(gòu)，將墻板與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。在符合設(shè)計(jì)相關(guān)要求的前提下，控制好樓板、墻體以及主體的連接，保證圍護(hù)系統(tǒng)能夠具有一定的受力功能，并且可以適應(yīng)不同方位層間的位移，以此滿(mǎn)足建筑物防震要求，避免出現(xiàn)墻體裂痕。

2.5 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)梁、柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不符合結(jié)構(gòu)抗剪設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以在柱腹板的梁柱節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行加厚處理，應(yīng)用加焊貼板施工技術(shù)處理H 形鋼柱截面結(jié)構(gòu)，在貼板邊緣結(jié)構(gòu)中，延伸加勁肋外部＞150mm 的長(zhǎng)度。施工人員對(duì)貼板進(jìn)行焊接過(guò)程中，應(yīng)用超過(guò)5mm 的角焊接縫為主，連接柱翼緣角焊縫。

2.6 屋面防水設(shè)計(jì)

做好屋面防水，能夠避免墻面出現(xiàn)滲透，減少降雨對(duì)屋面造成的損害，提高人們居住舒適度。為做好屋面防水，可以提高預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的防水屬性，做好各環(huán)節(jié)控制。除了加強(qiáng)設(shè)計(jì)合理性，對(duì)于屋面材料也需要加強(qiáng)，可以適當(dāng)提高鋼結(jié)構(gòu)可靠性，提高排水坡度。懸浮技術(shù)和直立鎖縫技術(shù)在屋面防水設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)懸浮技術(shù)對(duì)屋面系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫度差?？梢栽谖菝娴陌宀闹g應(yīng)用不干膠進(jìn)行封口，有效提升屋面密封性能，避免水溶物質(zhì)進(jìn)入屋面。通過(guò)調(diào)整排水坡度，可以加快排水速度，避免屋面水分過(guò)多，出現(xiàn)滲漏。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

工程師在進(jìn)行裝配式住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前，首先要對(duì)其特征和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行全面的研究。

3.1 做好準(zhǔn)備工作

首先，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理和可行的判斷，全面進(jìn)行設(shè)計(jì)，從戶(hù)型、分縫、軸網(wǎng)等各個(gè)角度進(jìn)行全面一系列的設(shè)計(jì)。工程師在設(shè)計(jì)中，應(yīng)與各有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行溝通與協(xié)調(diào)，確保工程的便捷性和安全性，真正提升整體結(jié)構(gòu)的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)最大限度的優(yōu)化效果。工程師在進(jìn)行預(yù)制件的布局時(shí)，不僅要從整體上看，還要綜合考量，例如一些比較重的預(yù)制構(gòu)件，如果沒(méi)有在施工時(shí)計(jì)算好塔吊位置、起吊載重等因素，會(huì)使預(yù)制件在制造完成后，運(yùn)輸?shù)焦さ責(zé)o法進(jìn)行吊裝，必須采用其它方法進(jìn)行吊裝，這樣會(huì)增加成本。

3.2 細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

在設(shè)計(jì)初期，工程師不僅要保證模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化，還必須在結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，減少預(yù)制件的類(lèi)型，降低模具的折舊率，并降低構(gòu)件的生產(chǎn)費(fèi)用。比如在進(jìn)行疊合梁設(shè)計(jì)時(shí)，工程師在完成初步設(shè)計(jì)后，梁截面基本已定，在施工圖上進(jìn)行梁配筋，在深化設(shè)計(jì)時(shí)，工程師要準(zhǔn)確地定位和調(diào)節(jié)梁縱筋的間隔，并盡可能地減小梁端部出筋的形狀和間隔，從而減小梁端端模應(yīng)用類(lèi)型，控制施工成本。

3.3 拆分要點(diǎn)

拆分的關(guān)鍵有：（1）按少規(guī)格多組合的方式進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件，各構(gòu)件的結(jié)點(diǎn)銜接要簡(jiǎn)潔、靈活。（2）大段構(gòu)件可在拆分成時(shí)，將其對(duì)稱(chēng)中心居中拆開(kāi)（即使用性能更高）；單構(gòu)件重量盡可能地相近，通常不要大于5 t，并且不能越過(guò)層高。（3）普通的模具的周轉(zhuǎn)次數(shù)在100 次以上；暗柱宜采用現(xiàn)澆法（在地震中，墻體承受很大荷載，并采用暗柱現(xiàn)澆法進(jìn)行施工有利于構(gòu)建連接）。（4）凸窗應(yīng)該是整體預(yù)制，并且有較高的重復(fù)性。（5）各部件構(gòu)件拆分按樓層進(jìn)行分割，不作跨層處理。（6）降低次梁量，使應(yīng)用建筑物面層降板方式，降低拼接縫等。

3.4 裝配式住宅節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

影響裝配式房屋節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要有：主體構(gòu)造、內(nèi)外維修、設(shè)備管線(xiàn)和內(nèi)部裝修等。在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足加工方便、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。所以，為了減少工程造價(jià)，應(yīng)對(duì)裝配式建筑的連接進(jìn)行優(yōu)化。以確保建筑的安全性，推動(dòng)住宅產(chǎn)業(yè)化的穩(wěn)步發(fā)展，例如：衛(wèi)生間降板做法、飄窗連接節(jié)點(diǎn)做法、疊合板出筋等，通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)，對(duì)各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了創(chuàng)新性的優(yōu)化，使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)合理。

PC 部件連結(jié)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要綜合考量，由于其復(fù)雜的結(jié)點(diǎn)，會(huì)造成工廠(chǎng)的生產(chǎn)制造費(fèi)用過(guò)高，現(xiàn)場(chǎng)安裝施工難度較大等問(wèn)題；如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)太過(guò)簡(jiǎn)單，那么它就很難達(dá)到連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)需求。這要求設(shè)計(jì)者與有關(guān)方面密切聯(lián)系，確保其可靠性，從生產(chǎn)安裝的方便程度、節(jié)點(diǎn)造價(jià)費(fèi)用等幾個(gè)角度來(lái)綜合考量，最終選擇出最適合的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，裝配式鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用，通過(guò)深化設(shè)計(jì)，能夠保證施工順利進(jìn)行，對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的設(shè)計(jì)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)信息化技術(shù)，可以對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)輸、安裝等，實(shí)現(xiàn)多環(huán)節(jié)調(diào)控，保證施工周期。工程師要認(rèn)真分析裝配式鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行解決。此外，要根據(jù)施工項(xiàng)目的實(shí)際情況，確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，不斷對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高鋼結(jié)構(gòu)屬性和性能。