裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

賀業(yè)飛，李鵬飛

（1.煙臺(tái)建聯(lián)勘察設(shè)計(jì)審查服務(wù)中心，山東 煙臺(tái) 264000；2.山東圣凱建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)建筑領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，建筑工程總體數(shù)量和建設(shè)規(guī)模不斷升級(jí)，裝配式建筑工程因其施工便捷性優(yōu)勢(shì)和資源節(jié)約優(yōu)勢(shì)，具有十分突出的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。裝配式混凝土建筑屬于我國(guó)建筑領(lǐng)域經(jīng)過(guò)多年發(fā)展后的一項(xiàng)重要產(chǎn)物，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)的重要組成部分，因?yàn)檠b配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)的主要建造方式與傳統(tǒng)形式的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)之間存在較大差別，所以，該技術(shù)的出現(xiàn)，讓我國(guó)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)、建造行業(yè)迎來(lái)諸多新的變革。由于很多住宅設(shè)計(jì)均會(huì)采用這種預(yù)制構(gòu)件“拆分”形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，所以，需要面臨的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題以及建筑使用安全隱患問(wèn)題較多，需要受到專業(yè)人士的高度重視。

1 裝配式住宅建筑概述

現(xiàn)階段，裝配式建筑工程的總體數(shù)量不斷增加，其市場(chǎng)應(yīng)用比例始終處于穩(wěn)步上升的狀態(tài)?；诖?，大量相關(guān)學(xué)者針對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)展開(kāi)更加深入的研究。裝配式主要指各種建筑工程主體結(jié)構(gòu)、部件能夠在車間完成批量生產(chǎn)，并在工廠內(nèi)執(zhí)行預(yù)制生產(chǎn)和加工任務(wù)，在此之后，將部件成功運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行集中裝配，通過(guò)這種形式建設(shè)而成的建筑，即為裝配式建筑[1]。與此前階段比較流行的傳統(tǒng)澆筑建筑進(jìn)行對(duì)比，裝配式建筑在環(huán)境保護(hù)、節(jié)約勞動(dòng)力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能夠更加有效的保證工程最終建成質(zhì)量、保證工程施工進(jìn)度的發(fā)展。由于上述優(yōu)勢(shì)的存在，裝配式建筑在我國(guó)建筑行業(yè)中取得前所未有的發(fā)展成果，并在行業(yè)中占據(jù)主要地位[2]。截至目前，我國(guó)各個(gè)省份地區(qū)相繼為裝配式建筑工程出臺(tái)專門的鼓勵(lì)政策，這也為建裝配式建筑在我國(guó)的快速發(fā)展提供了更加有利的政策支持，同時(shí)也為裝配式建筑賦予了全新的時(shí)代發(fā)展內(nèi)涵，在未來(lái)階段的建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)中，裝配式建筑將會(huì)發(fā)揮出至關(guān)重要的促進(jìn)作用。

2 裝配式住宅建筑工程設(shè)計(jì)主要注意事項(xiàng)

2.1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

房屋建筑企業(yè)在設(shè)計(jì)主體框架結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，首先需要對(duì)房屋在應(yīng)用過(guò)程中的實(shí)際荷載程度做出充分調(diào)查，保證建筑結(jié)構(gòu)體系布置的科學(xué)性，同時(shí)還需要對(duì)房屋的選址問(wèn)題做出充分研究，根據(jù)所在地的自然情況，設(shè)定相應(yīng)的抗雨雪和抗地震的建筑等級(jí)，保證建筑主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足建筑建成后的實(shí)際使用需求?；诖耍梢栽诮ㄖこ糖捌诓邉濍A段，合理運(yùn)用BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、模擬功能技術(shù)以及數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)技術(shù)，以此為基礎(chǔ)，完成項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告、方案比選、投資估算、概算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)以及可行性指標(biāo)數(shù)據(jù)等相關(guān)任務(wù)，并做出有效評(píng)估。其中，BIM 信息庫(kù)可以與其他類似工程數(shù)據(jù)信息與工程造價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)做出最終對(duì)比，進(jìn)一步明確最優(yōu)建設(shè)方案，并選定最優(yōu)決策。

2.2 管線設(shè)計(jì)

室內(nèi)集成管線在執(zhí)行布置任務(wù)時(shí)，需要保證科學(xué)性，對(duì)于傳統(tǒng)形式的混凝土結(jié)構(gòu)而言，正式施工中會(huì)以梁下方繞行作業(yè)方式為主。在建筑設(shè)計(jì)方案中，對(duì)這一方面的處理內(nèi)容具有較強(qiáng)適用性，施工方可選擇在工廠內(nèi)完成相關(guān)組裝任務(wù)，通過(guò)這種方式提升項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的最終施工質(zhì)量水平，同時(shí)還可以進(jìn)一步保證施工效率，確保工程建設(shè)任務(wù)可以在合同約定的時(shí)間準(zhǔn)時(shí)交付。與傳統(tǒng)形式的混凝土建筑工程結(jié)構(gòu)相比，裝配式工程中的管線安裝方式更加簡(jiǎn)潔，同時(shí)這種安裝作業(yè)方式還可以有效減少工程中的彎頭數(shù)量，進(jìn)一步提升水泵設(shè)備和風(fēng)機(jī)設(shè)備的實(shí)際工作效率，大幅提升房間的室內(nèi)凈空高，為住宅工程在后續(xù)階段的空間利用方面提供良好的便捷性保障。

2.3 三板體系設(shè)計(jì)

本次工程中的所有墻板寬度均以模數(shù)為600mm標(biāo)準(zhǔn)的柱網(wǎng)尺寸為基數(shù)，完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)，墻板縫位置均設(shè)為沿柱網(wǎng)中心線處向兩邊進(jìn)行縮進(jìn)10mm 的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中墻板縫寬度標(biāo)準(zhǔn)為2×10=20（單位：mm）。根據(jù)墻板所處位置的區(qū)別，墻板寬度計(jì)算公式也存在一定差別，具體情況需要由柱網(wǎng)的實(shí)際尺寸決定。中間柱網(wǎng)處墻板寬度的計(jì)算，墻板實(shí)際寬度為柱網(wǎng)實(shí)際尺寸減去對(duì)應(yīng)墻板縫長(zhǎng)度，相應(yīng)計(jì)算公式為：D=n×600mm-2×10mm（n 為正整數(shù)）。

3 裝配式混凝土住宅建筑工程設(shè)計(jì)方法

將裝配式建筑與普通現(xiàn)澆住宅工程設(shè)計(jì)方式進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)代化裝配式建筑工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有一定的特殊性，需要將建筑要素、結(jié)構(gòu)要素、設(shè)備要素共同融合到設(shè)計(jì)方案中，并將全部建筑信息進(jìn)行綜合處理后參與裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體方案中，并交由專業(yè)設(shè)計(jì)人員以此為基礎(chǔ)，完成后續(xù)深化設(shè)計(jì)任務(wù)[3]。本文主要以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、BIM 設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)進(jìn)行討論，對(duì)裝配式住宅建筑工程設(shè)計(jì)方案展開(kāi)深入研究。

3.1 傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

常規(guī)情況下，裝配式混凝土住宅工程結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，會(huì)選定一種主結(jié)構(gòu)先整體、后拆分的設(shè)計(jì)順序，此時(shí)住宅工程的整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)被進(jìn)行合理劃分，主要由預(yù)制構(gòu)件部分與連接節(jié)點(diǎn)組成，其中，施工設(shè)計(jì)又可以劃分為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)與裝配兩項(xiàng)內(nèi)容，設(shè)計(jì)要點(diǎn)詳情如下。

（1）建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)分析，需要對(duì)工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并以最終分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)比分析結(jié)果完成構(gòu)件設(shè)計(jì)任務(wù)，以此保證所有工程構(gòu)建的設(shè)計(jì)工作均可以達(dá)到合格水平。在此期間，還需要保證所有工程預(yù)制件數(shù)據(jù)參數(shù)的準(zhǔn)確性，保證每一環(huán)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)組裝任務(wù)都可以做到有據(jù)可循，從而保證現(xiàn)場(chǎng)組裝作業(yè)的順利性[4]。

（2）建筑預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)的拆分設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)的施工要求，確保所有構(gòu)件都能夠滿足施工提出的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化要求，同時(shí)還需要確保拆分預(yù)制構(gòu)件作業(yè)的有序性，保證拆分構(gòu)件可以做到標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，通過(guò)這種方式保證自身的設(shè)計(jì)工作能夠有效節(jié)約出更多的建設(shè)材料和建筑能源，并且自身的拆分構(gòu)件施工還不會(huì)對(duì)建筑工程的功能使用造成直接影響，確保住宅建筑主體結(jié)構(gòu)受力性能穩(wěn)定，保證住宅工程在投入使用后的整體安全性。

（3）建筑構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，面對(duì)不同構(gòu)件需要選用不同形式的連接方式，主要包括建筑預(yù)制柱連接任務(wù)、疊合梁與預(yù)制柱連接任務(wù)、樓板與柱的連接任務(wù)等幾項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。其中，預(yù)制內(nèi)隔墻需要與剪力墻、疊合板與疊合板之間留出足夠作業(yè)空間，同時(shí)還需要保證任一預(yù)制構(gòu)件在與現(xiàn)澆構(gòu)件進(jìn)行連接施工時(shí)，都有與施工任務(wù)相匹配的補(bǔ)充說(shuō)明，確保自身的設(shè)計(jì)驗(yàn)算工作可以落實(shí)到位，進(jìn)而保證現(xiàn)場(chǎng)組裝施工任務(wù)可以順利完成。

（4）住宅建筑工程的有限元分析設(shè)計(jì)，首先需要將彈性連續(xù)體進(jìn)行離散處理，進(jìn)而獲得有限各單元位于角點(diǎn)鉸接狀態(tài)下的組合體信息，其次可以有針對(duì)性地分析所有單元體的實(shí)際受力情況與結(jié)構(gòu)變形間的作用關(guān)系，此后方可執(zhí)行各單元構(gòu)件的組裝任務(wù)。運(yùn)用這種設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)ㄖB接件個(gè)數(shù)、間距進(jìn)行有效調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化每個(gè)樓層的實(shí)際受力狀況，做到受力均勻的同時(shí)，保證住宅建筑主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度可以達(dá)到要求。

3.2 BIM裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

住宅建筑工程施工任務(wù)正式開(kāi)始前，BIM 技術(shù)的運(yùn)用可以使裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路變得清晰，各種設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用也可以做到有據(jù)可查。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)至生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是工程預(yù)制件產(chǎn)品的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因此，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位需要共享工廠的預(yù)制構(gòu)件庫(kù)信息，同時(shí)設(shè)計(jì)單位還需要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件廠方給出的數(shù)據(jù)選擇最終預(yù)制構(gòu)件類型和強(qiáng)度，這一階段的設(shè)計(jì)可劃分為4 個(gè)不同步驟：①面向預(yù)制構(gòu)件；②構(gòu)建BIM 模型；③優(yōu)化模型分析；④應(yīng)用BIM 模型建造。基于此，可以進(jìn)一步達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)，并保證設(shè)計(jì)與生產(chǎn)兩個(gè)環(huán)節(jié)的工作可以順利銜接，提升設(shè)計(jì)方案的可執(zhí)行性[5]。

4 工程實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概述

某房建工程項(xiàng)目中分別包括5 棟保障性住房工程（即1～4 號(hào)居民樓）、4 層地下車庫(kù)、3 棟配套商業(yè)、變電所和門衛(wèi)。建筑基地用地總面積約為15013.6m2，建筑總面積約為78972.08m2。工程使用年限設(shè)定為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)設(shè)定為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中，50 年重現(xiàn)期設(shè)定基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)為0.55kN/m2；工程地面粗糙度類別設(shè)定為B 類，其中，50 年重現(xiàn)期設(shè)定基本雪壓標(biāo)準(zhǔn)為0.40kN/m2；建筑抗震強(qiáng)防烈度設(shè)定為Ⅶ度（0.1g），地震分組設(shè)定為第二組，工程場(chǎng)地類別屬于Ⅱ類，多遇地震時(shí)展現(xiàn)出的特征周期Tg=0.45s。

4.2 結(jié)構(gòu)體系選型

本次住宅建筑工程中，項(xiàng)目結(jié)構(gòu)選則的計(jì)算方法與傳統(tǒng)形式的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本相同，借助采PKPM 完成多遇地震彈性狀態(tài)下的建筑信息分析，最終計(jì)算結(jié)果顯示本次工程中的構(gòu)件在承載力水平、變形方面均可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)

本次住宅建筑工程中，設(shè)計(jì)工作需要始終堅(jiān)持模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，保證預(yù)制構(gòu)件可以滿足拆分設(shè)計(jì)提出的各方面要求。因?yàn)楸敬喂こ讨械牧⒚媸┕?nèi)容十分豐富，設(shè)計(jì)方案初期階段設(shè)定的預(yù)制凸窗類型更是多達(dá)幾十種，并且重復(fù)率低，導(dǎo)致項(xiàng)目造價(jià)成本較高。為進(jìn)一步控制工程建設(shè)成本，需要對(duì)方案做出合理調(diào)整，取消一部分凹進(jìn)凸出形式的設(shè)計(jì)，盡量減少凸窗類型；同時(shí)還需要對(duì)項(xiàng)目樓梯尺寸做出合理調(diào)整，確保兩部樓梯之間的尺寸處于一致水平，在這樣的情況下，僅需一套模具即可完成所有樓梯預(yù)制件的生產(chǎn)任務(wù)，能夠有效降低工程造價(jià)成本，為建筑企業(yè)節(jié)約大量建設(shè)資金的同時(shí)，還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化施工現(xiàn)場(chǎng)的組裝任務(wù)。

4.4 BIM 裝配式一體化三維模型設(shè)計(jì)

本次住宅工程設(shè)計(jì)中采取BIM 裝配式一體化三維模型設(shè)計(jì)方法，為全面保證設(shè)計(jì)工作的完成質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)所有預(yù)制構(gòu)件的實(shí)際尺寸、重量及體積信息等因素做出精確測(cè)算，同時(shí)還需要將所有測(cè)得的最終數(shù)據(jù)使用表格清單進(jìn)行呈現(xiàn)，并利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與輸出處理，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)所有工程建設(shè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)利用，并保證數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的完整性，為后續(xù)階段的數(shù)據(jù)調(diào)用提供奠定良好基礎(chǔ)。在此期間，BIM 模型的建立，可以讓設(shè)計(jì)人員更加直觀地觀察到建筑各部分構(gòu)件在工程中的具體位置關(guān)系，從而為施工圖碰撞檢查工作創(chuàng)造出更為有利的條件。除上述內(nèi)容外，本次住宅工程中還主動(dòng)應(yīng)用到透視功能，該功能可以對(duì)混凝土內(nèi)部空間的鋼筋分布、埋件位置合理性進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而有效避免鋼筋出現(xiàn)碰撞問(wèn)題發(fā)生，為工程建設(shè)質(zhì)量提供全方位保障作用。

5 裝配式混凝土住宅工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果分析

5.1 質(zhì)量保障效果更佳

與此前傳統(tǒng)建筑形式進(jìn)行對(duì)比，裝配式建筑具有施工效率更高的優(yōu)勢(shì)，特別是在裝配式建筑應(yīng)用過(guò)程中，可以提前對(duì)工程中的地點(diǎn)信息進(jìn)行了解，并對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行提前預(yù)配作用，在對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行分析后可提前進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)部件的制作，在將制好的建筑結(jié)構(gòu)配件運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)后，只需要在現(xiàn)場(chǎng)完成拼接工作即可。因此，這種新型的建筑施工形式可以更加有效地降低現(xiàn)場(chǎng)工人與實(shí)際施工強(qiáng)度，同時(shí)還可以使原本比較復(fù)雜的諸多建筑結(jié)構(gòu)施工任務(wù)變得更加簡(jiǎn)單，對(duì)傳統(tǒng)建筑形式中的砌筑、抹灰等工程進(jìn)行分化處理，這些施工任務(wù)并不需要全部在施工現(xiàn)場(chǎng)完成。

5.2 建筑安全級(jí)別更高

對(duì)傳統(tǒng)形式的建筑工程進(jìn)行分析，大部分施工作業(yè)均需要在露天環(huán)境下完成施工任務(wù)，所以，在面對(duì)惡劣天氣時(shí)，往往會(huì)被迫停工，此時(shí)會(huì)耽誤施工進(jìn)程的正常推進(jìn)，同時(shí)也會(huì)為后續(xù)施工埋下諸多安全隱患，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員造成生命和財(cái)產(chǎn)威脅。但是，在應(yīng)用新型裝配式建筑施工方式后，建筑中的各個(gè)施工構(gòu)件均可以在工廠提前完成，并為其進(jìn)行預(yù)配作用，此時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)僅需配備相應(yīng)的專業(yè)人員，即可根據(jù)裝配式施工標(biāo)準(zhǔn)完成相關(guān)安裝任務(wù)，并有效保證安裝質(zhì)量。在這樣的情況下，既能夠有效節(jié)約施工時(shí)間，同時(shí)又可以避免露天操作需要面對(duì)的各種類型的施工風(fēng)險(xiǎn)，大大提高施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)安全性，為現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供更為有效的生命和財(cái)產(chǎn)安全保障，因此，裝配式建筑工程施工方式具有更高的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)形式的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)存在較大區(qū)別，并不是在原有基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)單的“拆分”即可，而是要做到工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、信息化相結(jié)合，利用全新的思維設(shè)計(jì)模式，重新建立起專門的裝配式建筑設(shè)計(jì)體系，確保設(shè)計(jì)工作可以充分滿足建筑提出的適用性和安全性要求，在充分掌握裝配式結(jié)構(gòu)體系后，才可以全面了解并深入掌握技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)裝配式混凝士住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)。