裝配式建筑混合結(jié)構(gòu)技術(shù)分析與應用

張 坤 郭曉霞 龔 健

浙江省建材裝配式建筑設(shè)計研究院

1 前言

裝配式建筑具有諸多優(yōu)勢，當前已有廣泛應用。但在實際操作中，單一的結(jié)構(gòu)形式仍存在著一些不足之處，將其混合形成新的結(jié)構(gòu)形式，可以有效提升裝配式建筑的價值，在補足缺點的基礎(chǔ)上，提升建筑的品質(zhì)。所以，設(shè)計人員必須嚴格地按照預制裝配式建筑設(shè)計圖紙的要求設(shè)計預制構(gòu)件，避免因為建筑的設(shè)計階段出現(xiàn)偏差而影響預制裝配式建筑的施工質(zhì)量和效率。

2 混凝土預制件結(jié)構(gòu)

混凝土預制構(gòu)件是在工廠中以標準化和機械化加工方式形成的混凝土制品，澆筑施工后可直接送至施工現(xiàn)場拼裝，可依據(jù)參數(shù)指標的要求完成預制工作，從而有效降低現(xiàn)場澆筑養(yǎng)護的成本投入，提升工程效益。預制混凝土構(gòu)件主要應用于大型的水利工程、橋梁和政府保障住房項目當中，其以自身獨特的優(yōu)勢受到業(yè)內(nèi)的普遍歡迎。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)

在自然災害的地震多發(fā)區(qū)，現(xiàn)澆混凝土的建筑物抗震性能差，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失較多。而在裝配式建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能效果最為優(yōu)越，部件與部件之間使用螺釘進行組裝，優(yōu)化了房屋的整體結(jié)構(gòu)性能，防止房屋建筑物出現(xiàn)坍塌。地震多發(fā)區(qū)內(nèi)，現(xiàn)澆混凝土建筑的抗震性能不夠完善，出現(xiàn)了嚴重地人員傷亡及財產(chǎn)損失，而在裝配式建筑中，鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能，部件間采用螺釘組裝，加強了建筑結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。除此之外由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建筑構(gòu)件承載能力強、截面面積較小，節(jié)約了大量的鋼材和混凝土，并且可以降低建筑工程基礎(chǔ)建設(shè)費用。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件都可以在工廠預先加工完成，在很大程度上加快了施工進度，節(jié)約了時間成本，提高構(gòu)件質(zhì)量，減少了施工過程中由于構(gòu)件質(zhì)量不達標造成的返工費用。

4 裝配式木結(jié)構(gòu)的特點

4.1 環(huán)保性

4.2 安全性

裝配式木結(jié)構(gòu)建筑的安全性較強，其抗震性能較為理想，木結(jié)構(gòu)的自重較輕，在出現(xiàn)地震災害時，結(jié)構(gòu)無須吸收過多的地震能量，而且木質(zhì)結(jié)構(gòu)的韌性較強，能夠有效抵御疲勞損壞等問題，同時還具有較強的防火性能，結(jié)構(gòu)的碳化層能夠保護結(jié)構(gòu)，如出現(xiàn)火災，木材可迅速碳化，進而與外界隔離。

4.3 持續(xù)性和便捷性

木材是一種可再生建材，加強木材管理，合理砍伐木材能夠為建筑工程提供原材料。裝配式木結(jié)構(gòu)靈活性顯著，改造方便，技術(shù)人員可結(jié)合實際合理調(diào)整空間布局。

5 裝配式建筑混合結(jié)構(gòu)技術(shù)必要性

從前文所述可知，在我國，裝配式建筑主要包含三種形式，分別為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、木結(jié)構(gòu)。木質(zhì)結(jié)構(gòu)容易受到氣候、環(huán)境等因素的影響，且我國木材資源有限，不適合做大面積建筑材料使用。因此，在實際工程中，木結(jié)構(gòu)建筑的應用較少。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的裝配式建筑是我國裝配式建筑工程的首選形式，但仍存在諸多不如人意之處，影響了建筑的品質(zhì)。具體如下。

5.1 鋼結(jié)構(gòu)

（1）普通鋼框架與鋼框架支撐體系建筑，其梁柱結(jié)構(gòu)的截面積大，很難避免露梁和露柱的情況，長期下去，就會影響建筑的使用感受。

（2）裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，特別是住宅建筑的三板體系完善性差，體現(xiàn)的缺憾是電梯間及樓梯等位置的設(shè)備噪聲極大，而沒有很好地隔音方案，影響了建筑使用者的生活質(zhì)量；且長期生活在噪聲大的環(huán)境下，也會有損人們的身體健康。

（3）電梯與樓梯位置的鋼柱在地下室結(jié)構(gòu)深入時，使用的柱腳外包與防護會占用很大空間。例如占用樓梯疏散空間，增大電梯井道和底坑尺寸等，增加公攤，使用面積縮小。

（4）一些高層建筑因高度影響，且考慮戶型需求，支撐設(shè)置很難形成合理的抗側(cè)力體系。

5.2 混凝土結(jié)構(gòu)

（1）預制混凝土構(gòu)件重量都較大，在運輸環(huán)節(jié)與起吊環(huán)節(jié)，對于運輸、起吊設(shè)備的要求較高。

（3）如果容量為1MW及其以上的發(fā)電機定子繞組和引出線出現(xiàn)短路，需要裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。其保護配置作為發(fā)電機內(nèi)部短路的主要保護，能及時、靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障，確保動作的選擇性與工作的安全性。

（2）當前，一些全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的拼接節(jié)點尚存在不足。例如，鋼筋錨固連接的節(jié)點設(shè)計施工都處于試驗階段，很多方案都在不斷地嘗試中，沒有形成一套成熟的、安全的且施工便捷性強的節(jié)點構(gòu)造規(guī)范。為此，在實際項目中，多采用豎向構(gòu)件現(xiàn)澆與橫向構(gòu)件預制方式補足缺憾。

（3）當前，針對全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震性與整體性的研究存在空白。

（4）結(jié)構(gòu)存在很多新舊混凝土結(jié)合面與構(gòu)件接縫，針對這部分的抗震性能與承載力研究進展很慢。

（5）鋼筋套筒灌漿連接位置與預埋件性能的檢測試驗缺少經(jīng)驗。上述種種都體現(xiàn)全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)存在很多我們無法控制的情況，施工或運營過程中會因這些問題影響建筑質(zhì)量與使用體驗。

由上可知，單一的結(jié)構(gòu)存在很多弊端，不適合作為全部結(jié)構(gòu)使用，但裝配式建筑還是存在很多優(yōu)勢的，我們可以將這些優(yōu)勢結(jié)合，如混合結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的建筑建設(shè)，發(fā)揮裝配式建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，為人們提供優(yōu)質(zhì)空間，推進建筑行業(yè)的更好發(fā)展。

6 裝配式建筑混合結(jié)構(gòu)技術(shù)的具體應用

以高層裝配式混合結(jié)構(gòu)建筑為例，借助混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢提升建筑質(zhì)量，規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)露梁露柱及噪聲等問題，減少混凝土結(jié)構(gòu)存在的抗震性能與承載力隱患，提升建筑施工速度，強化建筑工業(yè)化水平，并同時為人們提供宜居的生活環(huán)境。

6.1 設(shè)置混合結(jié)構(gòu)體系

本項目的鋼框架中柱6梁7、支撐結(jié)構(gòu)4、核心筒5等均為混合結(jié)構(gòu)，其中柱6是鋼管混凝土柱與管混凝土組合異形柱組成。案例中其他鋼管混凝土異形柱體是中心支柱20 與側(cè)支柱19 組成的L 形異形柱1、T 形異形柱2 以及十字形異形柱3。同時，中心支柱20 與側(cè)支柱19 通過肋板22 與連接板21 連接，其中肋板22是鋼板結(jié)構(gòu)，連接板21是有孔和無孔兩種鋼板結(jié)構(gòu)。所有支柱與以上鋼管混凝土柱的橫向截面均使用正方形截面布置，這樣可以保證主體嵌入墻體時不外露；支撐結(jié)構(gòu)4主要是鋼支撐與剪力墻兩種構(gòu)成形式，主要位于分戶墻及端墻部分；核心筒5位于電梯間與樓梯間，與剪力墻以鋼節(jié)點連接。

6.2 平面布置

本項目電梯間采用普通建筑戶型布置方式置于平面一側(cè)位置，梯井及樓梯間部分使用核心筒5進行全部布置，也可以選擇預制剪力墻組成的核心筒布置。此剪力墻選擇形式很多，可以是混凝土剪力墻、鋼板剪力墻或混合結(jié)構(gòu)。其中混合結(jié)構(gòu)又有多種形式，可以在鋼板間澆筑混凝土，也可以是兩塊鋼板間放置一塊鋼板，兩邊澆筑混凝土；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的異形柱尺寸與形式根據(jù)所處位置、荷載及墻體開洞等綜合確定。

6.3 鋼板剪力墻設(shè)置

鋼板剪力墻是鋼板、縱向加勁肋9 與水平加勁肋10 構(gòu)成。柱內(nèi)側(cè)位置設(shè)置應預先進行魚尾板11的焊接，并使用高強螺栓12 連接兩端柱體。按照構(gòu)造要求及計算選取剪力墻形式，可以選擇非加勁或結(jié)構(gòu)合理的鋼板剪力墻，也可以選擇混合結(jié)構(gòu)。本項目中鋼板剪力墻鋼梁7間應使用水平加勁肋8。

6.4 支柱設(shè)置

使用鋼構(gòu)件支撐13作為支撐，底端柱與支撐結(jié)構(gòu)一端連接，上部結(jié)構(gòu)梁7 與另一端連接。本項目中的鋼梁7 主要以H 型為主，依據(jù)構(gòu)造要求與計算獲取鋼梁的截面尺寸大小。借助外肋環(huán)板的節(jié)點實現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)異形柱與鋼梁7之間的剛性相連。單柱與鋼梁7之間借助隔板貫通節(jié)點相連。核心筒與鋼梁借助預埋件進行鉸接。同時，鋼構(gòu)件支撐13 與鋼梁7 及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)異形柱之間使用焊接、栓焊或全螺栓方式連接，具體連接形式選擇應依據(jù)構(gòu)造要求及計算確定。鋼構(gòu)件支撐13的支撐形式可以選擇交叉支撐、單斜撐、人字形支撐等形式，具體形式需依據(jù)墻體開洞情況及計算選擇。

6.5 鋼梁、核心筒設(shè)置

鋼梁7 與核心筒5 的連接形式有很多種，可以隨意選擇，但應選擇鉸接連接。裝配式核心筒5 有多種形式，分別為整體預制、剪力墻構(gòu)造連接及鋼板結(jié)構(gòu)，接縫位置應選擇層高1/3 位置設(shè)置。鋼梁7及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)異形柱之間的連接形式選擇剛性連接，鋼梁與核心筒鉸接相適應借助節(jié)點14，核心筒單元間借助單元分界線連接，構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)與鋼梁及異形柱借助焊接、栓焊及全螺栓方式連接，具體形式通過構(gòu)造要求及計算確定。方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)異形柱是由連接板、方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱肢、肋板等組成，異形柱的柱肢通過焊接形式與連接板相連，按照構(gòu)造要求，支柱與連接板之間相隔一定高度設(shè)置一道肋板，以此保證連接板的穩(wěn)定性。當柱荷載要求較大時，使用兩條鋼板進行支柱連接，混凝土灌注支柱與鋼板間的空腔，灌注密實。

6.6 實施效果

本工程與單一裝配式結(jié)構(gòu)建筑相比，具有以下效果：（1）框架使用方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)異形柱，其柱體截面小，避免了鋼結(jié)構(gòu)建筑露柱露梁，滿足了建筑的使用要求與性能要求，提升了建筑品質(zhì)；（2）電梯與樓梯間使用核心筒結(jié)構(gòu)，可以減少對樓梯疏散寬度及電梯井道等占用，減小公攤，同時降低噪聲；（3）核心筒是預制拼裝，不需要現(xiàn)場制作，避免了環(huán)境濕度影響，提升了建筑施工效率，促進了建筑工業(yè)化發(fā)展；（4）傳統(tǒng)建筑中樓電梯間常常偏置帶來的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，本項目支撐架構(gòu)較少，緩解了結(jié)構(gòu)剛度。

7 預制裝配式建筑發(fā)展趨勢

我國預制裝配式建筑的發(fā)展雖然有了一些新氣象，但還沒有形成規(guī)模和完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為了不斷推動城市建筑的現(xiàn)代化以及產(chǎn)業(yè)化，我國需要參考西方國家做法，強化基礎(chǔ)性的研究，不斷完善健全裝配型建筑的技術(shù)規(guī)范體系，深入研究裝配建筑的推廣中對目前的施工設(shè)計帶來良性影響，學習成熟先進技術(shù)的應用，加大投入，推動科技創(chuàng)新，形成完善的現(xiàn)代化的裝配建筑體系，通過實施工程建設(shè)一體化、加大人才培養(yǎng)、提高技術(shù)管理、逐步完善預制裝配式建筑的標準與法律法規(guī)，保證預制裝配式建筑持續(xù)平穩(wěn)的發(fā)展。

隨著我國預制裝配式建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，預制裝配技術(shù)在公共建筑、工業(yè)建筑領(lǐng)域、綜合管廊等方面的應用定會逐步增多，而且對造價較大的連接構(gòu)件、預埋件進行經(jīng)濟性優(yōu)化，降低套筒等預埋鋼結(jié)構(gòu)的造價，此外針對常規(guī)的生產(chǎn)的流程形成流水生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

8 結(jié)語

在分析裝配式混合結(jié)構(gòu)的性能時，根據(jù)混合結(jié)構(gòu)的必要操作標準對裝配式混合結(jié)構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)進行分析，并對上部結(jié)構(gòu)的整個技術(shù)應用進行評估，有效加強裝配結(jié)構(gòu)剪力墻標準分析，整體框架形狀的確定和建筑應用整體特征更加明確，為有效加強建筑技術(shù)的精確研究，落實實際建筑結(jié)構(gòu)配置的應用，保證建筑結(jié)構(gòu)配置設(shè)計研究的合理性，落實其結(jié)構(gòu)性能、標準化水平、綜合應用等內(nèi)容，提高了施工研究技術(shù)的發(fā)展影響，擴大了裝配的合理性，達到了預制裝配結(jié)構(gòu)和施工的技術(shù)標準。

裝配式建筑混合結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢，既補足了單一結(jié)構(gòu)裝配式建筑的缺憾，也規(guī)避了傳統(tǒng)建筑無法克服的缺點，在提升建筑質(zhì)量及施工效率的同時，為環(huán)保與成本節(jié)約做出了很大貢獻。為此，我們應積極研究相關(guān)技術(shù)，以實現(xiàn)更好地混合結(jié)構(gòu)建筑，促進建筑行業(yè)的更好發(fā)展。