裝配式建筑裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點技術(shù)分析

王金濤，劉艷軍

（濰坊市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261205）

隨著改革開放的深入發(fā)展，我國早已從落后的農(nóng)業(yè)國變成較為先進的工業(yè)國，開始進入到“工業(yè)化革命”的新時期，但是我國相比發(fā)達國家，預(yù)制裝配式建筑的工業(yè)化發(fā)展進程依然速度遲緩，沒有要突破的趨勢。預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)常用構(gòu)件以預(yù)制混凝土為主，這種混凝土結(jié)構(gòu)形成流程包括裝配作業(yè)、連接處理、實施部分現(xiàn)澆，最終構(gòu)成完整的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式建筑有一大特征——生產(chǎn)環(huán)節(jié)工業(yè)化，實現(xiàn)這一特征，則需要重視加強建筑設(shè)計的標準化，最核心的環(huán)節(jié)是要建立完備的能夠有適應(yīng)性的模數(shù)及模數(shù)協(xié)調(diào)的原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在對結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)節(jié)點以及預(yù)制構(gòu)件等環(huán)節(jié)進行關(guān)注時需要考慮到裝配式結(jié)構(gòu)工程的實際情況，同時要結(jié)合業(yè)主方對建設(shè)的要求，對結(jié)構(gòu)的布置方案進行多方比對，從而選擇出合理的節(jié)點設(shè)計，這樣才能制定出科學(xué)合理的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，進而有效提升裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范性、專業(yè)性和合理性

1 裝配式建筑的特點

裝配式建筑結(jié)構(gòu)就是加工處理施工過程中用到的墻板、主體、部分板等構(gòu)件，等加工完成后再把所有構(gòu)件運送到施工現(xiàn)場，通過混凝土澆筑和焊接的方式將零散的構(gòu)件連接起來，讓其成為一個完整的整體。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑的施工水平和所使用的材料形式也發(fā)生了較大的進步，裝配式建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，而且在應(yīng)用過程中也呈現(xiàn)出愈發(fā)明顯的靈活性。

裝配式建筑結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方式是預(yù)制構(gòu)件，即在生產(chǎn)完成之后需要將預(yù)制構(gòu)件運送到建筑工程的施工現(xiàn)場，再由施工現(xiàn)場對預(yù)制構(gòu)件進行拼裝或澆筑。裝配式建筑結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)不僅在工程施工效率方面有了大幅的提升，工程的質(zhì)量也得到了保障，因此也就成為了國內(nèi)建筑行業(yè)學(xué)習(xí)的典范和發(fā)展的方向。裝配式建筑結(jié)構(gòu)在建筑構(gòu)件制造方面更加集中，即通過在施工現(xiàn)場對構(gòu)件進行拼裝，施工的整個過程也很難受到天氣和其他環(huán)境因素的影響，從而使得施工的效率得到大幅提升。裝配式建筑結(jié)構(gòu)的施工方式較為簡單便捷，能夠有效降低在人力資源方面的投入，人力資源投入的降低使得施工的成本大幅下降，能為企業(yè)的發(fā)展帶來更多的經(jīng)濟效益，也能使工程中機械設(shè)備的合理利用率得到保障，從而保證工程能夠順利施工，此外裝配式建筑結(jié)構(gòu)在施工時有著非常嚴格的管理措施，這樣能夠有效控制施工中的安全隱患，確保工程順利施工和完成，減少或避免安全事故的發(fā)生。不僅如此，裝配式建筑結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中，其生產(chǎn)線一般采用的是自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，而不像傳統(tǒng)的人工構(gòu)造對預(yù)制構(gòu)件造成破壞，合理分析建筑構(gòu)件和檢測構(gòu)件質(zhì)量也減少了建筑結(jié)構(gòu)施工中的漏水滲水現(xiàn)象，也解決了隔音隔熱效果不好的問題。裝配式建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅能夠使資源得到合理應(yīng)用，也使對環(huán)境的污染降低，揚塵和噪音現(xiàn)象大幅減少，對周圍居民的影響也有效降低，體現(xiàn)出環(huán)保效益。

裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）大幅提高生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)建筑施工過程中，通常需要設(shè)計師與施工技術(shù)人員都親自去施工現(xiàn)場實施實際操作，因為涉及到了多個工作層，所以在一定程度上會導(dǎo)致施工現(xiàn)場出現(xiàn)秩序混亂問題，不利于提高最終的施工質(zhì)量，也難免會讓客戶產(chǎn)生不好的印象。對此，可以采用裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，這樣能夠顯著提高生產(chǎn)效率，大幅提高生產(chǎn)力。

（2）提高了建筑工程的質(zhì)量。施工建設(shè)所包含的內(nèi)容較多，所以在施工時很可能會出現(xiàn)沖突，尤其在沒有監(jiān)管制度的管理模式下，施工現(xiàn)場很容易出現(xiàn)“臟亂差”問題，給生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率都造成了很大的影響。采用組件與裝配式施工，能夠有效生產(chǎn)各種構(gòu)件，做好相關(guān)組裝工作，也使得建筑施工的準確性得到提高，有效保障了建筑工程的質(zhì)量。

（3）環(huán)保性和安全性較高。傳統(tǒng)的施工建設(shè)會受到多方面因素的影響，如果施工人員沒有密切關(guān)注建筑的方法，則很可能嚴重破壞施工效果，導(dǎo)致工程的質(zhì)量出現(xiàn)嚴重問題。但是通過運用裝配式建筑結(jié)構(gòu)，在管理人員的監(jiān)督下，零件組裝和室內(nèi)設(shè)計的質(zhì)量都得到了有效保障。傳統(tǒng)的建筑施工中出現(xiàn)的噪音和粉塵污染等會對居民的正常生活造成影響，而運用裝配式建筑則可以使環(huán)境污染問題得到有效改善。

2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點分析

2.1 建立起裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計體系

在設(shè)計裝配式建筑結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳統(tǒng)模式下的設(shè)計的差異很大。如果裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準化體系不完善，必然會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，不利于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)的發(fā)展。因而，必須著重健全結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，確保裝配式建筑設(shè)計方案的規(guī)范化與科學(xué)化，這樣也可以使裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計更為簡單、合理。標準化體系建立后，在標準化模塊化設(shè)計中，只需根據(jù)實際情況調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸以滿足用戶的要求，然后對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間進行完美的設(shè)計，確保裝配式建筑本身可以得到全面的優(yōu)化。

圖1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

2.2 設(shè)計預(yù)制構(gòu)件

裝配式構(gòu)件是裝配式建筑的重要階段。在設(shè)計過程中，必須遵循模塊化的原則，盡可能減少構(gòu)件的種類，以獲得準確、標準的構(gòu)件，從而大幅降低工程造價。裝配式建筑的主要部分包括落板、開口和特殊形狀?，F(xiàn)澆施工是最常用的方法。當然也要考慮到當?shù)氐倪\輸條件，包括加工生產(chǎn)能力、部件吊裝等因素。同時，預(yù)制構(gòu)件應(yīng)充分體現(xiàn)耐久性、耐火性等性能。在設(shè)計預(yù)制構(gòu)件時，要保證生產(chǎn)的可行性和成品的安全性。對于大型預(yù)制構(gòu)件，可增加相應(yīng)的構(gòu)件脫模、預(yù)埋吊點等。根據(jù)具體的保溫要求，可設(shè)計預(yù)制外墻板，滿足空調(diào)、散熱器的安裝要求。如果建筑結(jié)構(gòu)中含有非承重內(nèi)墻，則應(yīng)選擇重量輕、安裝方便、隔音性好的隔墻板。

2.3 重視裝配式構(gòu)件及連接設(shè)計

預(yù)制構(gòu)件應(yīng)檢查承載力、變形和裂縫，還應(yīng)計算地震條件下的承載力。此外，應(yīng)注意短期設(shè)計工況（如傾覆、吊裝、運輸、堆放、安裝等）下的校核計算。由于構(gòu)件在各工況下受力方式不同或構(gòu)件混凝土強度未達到設(shè)計強度，構(gòu)件的最終截面和配筋不同。此外，在預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計中，應(yīng)選擇合理的連接部位（一般在受力較小的部位），合理劃分構(gòu)件尺寸和形狀。預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要注重預(yù)制構(gòu)件之間的連接設(shè)計，保證各個節(jié)點安全可靠，符合規(guī)范要求，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計和抗震設(shè)計。防止由于節(jié)點的缺點導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)不合理和隱患。如組合構(gòu)件表面粗糙度比要求、組合梁對接要求、主次梁連接結(jié)構(gòu)、預(yù)制柱與預(yù)制梁連接節(jié)點結(jié)構(gòu)等。

圖2 裝配式建筑構(gòu)件的連接設(shè)計

2.4 把握好參數(shù)標準

（1）計算振型數(shù)。一般情況下，在建筑剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要計算更多的振型，并把握好質(zhì)量系數(shù)，保證能超過初始設(shè)定值，從而保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性。模態(tài)數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)建筑類型確定，如高層建筑多在15層以上。（2）要對墻體垂直分布的配筋率進行精確計算。一般情況下，配筋率將實際配筋率作為基準，以此確保整體計算結(jié)果的準確性，減少偏差。如果沒有按照實際配筋率進行計算，就很容易導(dǎo)致抗彎配筋的數(shù)值出現(xiàn)變化。（3）要科學(xué)計算和界定最小地震剪切系數(shù)。縱觀建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，不難看出確定建筑結(jié)構(gòu)計算參數(shù)與最小地震剪力系數(shù)至關(guān)重要，建筑在后期產(chǎn)生的地震效應(yīng)多用于衡量抗壓性和穩(wěn)定性。一般來說，在低烈度地區(qū)和較高建筑物的底部，最小地震剪力系數(shù)通常小于設(shè)計要求。

2.5 預(yù)制裝配式的結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

在裝配式建筑設(shè)計工作中，構(gòu)件連接節(jié)點的設(shè)計是最為重要的作業(yè)。確保整體工程施工設(shè)計質(zhì)量，必須著重優(yōu)化結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計方案。在設(shè)計節(jié)點的過程中，設(shè)計師應(yīng)著重參考連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的安全指標，謹遵相關(guān)標準，努力提升節(jié)點結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保傳力效率。同時，要準確計算節(jié)點處的實際受力，全面改善建筑結(jié)構(gòu)整體功能，針對節(jié)點，科學(xué)采取定位防火措施與防水處理措施以提升安全質(zhì)量。

2.6 做好細節(jié)的優(yōu)化

首先，對邊緣構(gòu)件進行約束。采用科學(xué)的約束措施有助于高效把控剪力墻的承載力。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，使用比例高達40%以上的約束力，就可以有效增強剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力；采用比例為20%的約束力，則可以改善建筑的抗震性能。在具體設(shè)計工作中，設(shè)計師應(yīng)注意合理選擇邊緣構(gòu)件。在設(shè)計剪力墻邊緣構(gòu)件的過程中，應(yīng)遵循三項基本原則：第一，如果用底部加強部位設(shè)計的軸壓比，而并未達到相關(guān)標準要求，就需要增設(shè)構(gòu)造邊緣構(gòu)件。如果超出了規(guī)范標準要求，則需要采用增設(shè)約束邊緣構(gòu)件的方式予以處理。第二，落實強度設(shè)計與性能優(yōu)化設(shè)計方案。謹遵建筑剪力墻結(jié)構(gòu)標準設(shè)計方案做好設(shè)計工作，確保配筋率符合標準要求。在具體設(shè)計工作中，與建筑抗震作用相結(jié)合，對剪力墻邊緣構(gòu)件的數(shù)量進行合理控制，從而充分確保建筑整體的性能。第三，做好延性處理作業(yè)。在建筑延性設(shè)計工作中，應(yīng)科學(xué)使用均衡布置方案，采取對稱設(shè)計方法，對剪力墻的支撐能力予以增強，確保結(jié)構(gòu)性能。

3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要改進的地方

雖然裝配式建筑結(jié)構(gòu)在建筑工程中有著十分突出的優(yōu)勢，但實際上還要很多地方需要改進。首先，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的造價和傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)建筑相比要高一些，所以在后續(xù)的使用過程中需要對造價方面進行降低和優(yōu)化，尤其是在設(shè)計的前期應(yīng)當需要設(shè)立標準化的原則，在預(yù)制構(gòu)件上要少規(guī)格、多組合，從而有效推動工業(yè)化的生產(chǎn)。其次，還需要對建筑行業(yè)內(nèi)部使用較多的裝配式混凝土構(gòu)件連接技術(shù)進行進一步的優(yōu)化，從而有效解決安裝效率低、剛性節(jié)點構(gòu)造處理困難的問題，可以和裝配式建筑的節(jié)點連接特點進行結(jié)合，從而研究和改進定剛度體系或非對稱剛度構(gòu)件，使構(gòu)件的標準化和產(chǎn)品化程度得到提升。最后，結(jié)合我國裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)、安裝一體化、智能化的長遠發(fā)展目標，在裝配式結(jié)構(gòu)的實際研究過程中，推動標準模塊化產(chǎn)品的應(yīng)用，實現(xiàn)無現(xiàn)澆連接處理，并最大限度地簡化連接。強調(diào)裝配式建筑的一體化協(xié)同設(shè)計，結(jié)合全生命周期的BIM信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)構(gòu)件的自動選型，智能迭代計算優(yōu)化和積木式智能安裝，同時充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)專業(yè)的主動責(zé)任和主動協(xié)調(diào)作用，進一步提高設(shè)計安裝效率。

4 結(jié)語

總而言之，在預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，因為這種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作不同于傳統(tǒng)建筑設(shè)計，所以必須重視兩者的差異性，在項目實施階段充分考慮裝配式建筑設(shè)計要點，履行相關(guān)標準，就可以有效提升設(shè)計工作效率，減少返工現(xiàn)象的發(fā)生，同時也能讓整個項目獲得更高的經(jīng)濟收益。所以，應(yīng)當充分考慮到裝配式建筑發(fā)展的合理性。