模塊化裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

閆 濱 （山東華邦建設(shè)集團有限公司，山東 濰坊 262500）

在各地城鎮(zhèn)化發(fā)展的推動作用下，城市涌入了大量人口，為保障城市人口的居住需求，應(yīng)加大城市中的房屋建筑工作。因此，如何實現(xiàn)對項目建設(shè)工作的持續(xù)推進，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)注重點。綠色建筑是將可持續(xù)發(fā)展理念與建筑設(shè)計工作相結(jié)合，建筑綠色理念的提出，既能保證建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，又能減少工程項目建設(shè)施工中存在的環(huán)境污染問題，是今后建筑行業(yè)持續(xù)化建設(shè)的核心方向[1]。為滿足建筑產(chǎn)業(yè)的綠色、健康發(fā)展，有關(guān)單位提出了“四節(jié)”政策，從評估、規(guī)劃、設(shè)計、施工等各個方面對建筑全壽命周期中的各個環(huán)節(jié)進行全面、系統(tǒng)的研究。而建筑產(chǎn)業(yè)化作為綠色建筑發(fā)展的一個重要方向，是從根本上改變當(dāng)前建筑業(yè)粗放式發(fā)展模式的保障[2]。“十三五”期間，我國擬投入13 億元進行“綠色建筑及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展”研究，明確裝配式結(jié)構(gòu)施工是建設(shè)工業(yè)化進程中不可或缺的一環(huán)，也是建設(shè)工業(yè)化進程中必須走的一條道路。為助力裝配式結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，本文以某裝配式結(jié)構(gòu)建筑為例，對建筑的模塊化設(shè)計展開研究。

1 工程實例與關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

1.1 工程概況

裝配式房屋是將建筑構(gòu)件預(yù)制完成后，以可靠的連接形式組裝在一起從而形成的一種新型房屋結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的建筑建造方式，組合式結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量可控、節(jié)約材料、降低環(huán)境污染等優(yōu)點，在工地上可以實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的施工，滿足現(xiàn)代化建筑行業(yè)發(fā)展的需要[3]。

與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)建造相比，模塊化建筑結(jié)構(gòu)與其最大的區(qū)別在于：它是一個箱形的空間模塊，其裝配率可達85%，施工周期可縮短60%，且施工工藝更先進[4]。為滿足建筑的模塊化設(shè)計，應(yīng)進行工程項目基本情況的分析，建筑基本構(gòu)成如表1所示。

1.2 主要設(shè)計參數(shù)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為規(guī)范建筑的模塊化設(shè)計，可按照下述內(nèi)容進行建筑中主要參數(shù)的設(shè)計。相關(guān)內(nèi)容如表2、表3所示。

表2 建筑中的主要設(shè)計參數(shù)

表3 建筑中的主要結(jié)構(gòu)材料設(shè)計

1.3 模塊化組合構(gòu)件受力分析

掌握上述內(nèi)容后，根據(jù)工程實際情況，結(jié)合建筑中恒荷載、活荷載的分項系數(shù)，進行建筑中的樓屋面均布荷載取值的分析，相關(guān)內(nèi)容如表4所示。

表4 建筑中的樓屋面均布荷載取值/kN·m2

在明確建筑中的樓屋面均布荷載取值的基礎(chǔ)上，考慮到本次研究的工程項目需按照模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為滿足建筑在設(shè)計中的模塊化表達，在進行建筑中梁、柱等截面的組合設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將其截面劃分為由模塊梁、模塊柱組成的結(jié)構(gòu)[5]。在進行模塊結(jié)構(gòu)的組合時，需要進行頂部梁板、底部梁板的拼接，以此種方式在建筑內(nèi)部形成一個雙向受力的組合式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，但在此過程中，考慮到系統(tǒng)的綜合受力會受到構(gòu)件安裝精度和材料特性等綜合因素的影響，導(dǎo)致底梁和頂梁的受力特性難以把握，與理想的受力狀態(tài)有較大差異，為避免設(shè)計后結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)偏差，對建筑雙梁體系的受力過程進行分析，此過程如圖1所示。

圖1 建筑雙梁體系的受力過程

在模塊化設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合工程具體情況選擇較小的截面（剛度不大于模塊梁的1/10），在理想情況下，可以將上層鋼梁忽略，從而降低模塊化雙層梁受力體系所帶來的誤差。

2 模塊化裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)模塊單元劃分

對裝配式建筑結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計可分為模塊單元的劃分和模塊單元的設(shè)計兩部分。模塊化建筑所需的模塊化單元類型由模塊化結(jié)構(gòu)和模塊化形式共同確定[6]。模塊式建筑在不同的功能定位下，其單元的構(gòu)成方式也不盡相同。以“少規(guī)范、多組合”為設(shè)計理念，以保證建筑物的使用功能與安全為目的，以構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化與系列化為原則。在模塊化墻體中埋置型鋼，可有效提高其抗震性能，因此，在模塊化墻體設(shè)計時應(yīng)合理布置型鋼[7]。引入HBS體系當(dāng)中的裝配式模塊結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HBS體系中裝配式模塊結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)中包含了箱型柱、預(yù)留接口、鋼梁構(gòu)件等。通常情況下，需要在預(yù)留接口的位置上安裝輕質(zhì)鋼筋以及鋼筋網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上安裝鋼模板。通過現(xiàn)澆混凝土使上下結(jié)構(gòu)連接成一個整體。在該結(jié)構(gòu)當(dāng)中，模塊柱是由帶有連接件的箱形鋼柱結(jié)構(gòu)組成，在其上下兩個位置上都裝有連接件，以便在模組內(nèi)部元件之間互相連接。模塊化單元的上部梁柱，只起到了結(jié)構(gòu)吊裝、安裝、定位的作用，不能承受整個結(jié)構(gòu)的荷載，只能起到模塊化單元在施工時的穩(wěn)定與完整性的作用[8]。所以，在實際應(yīng)用中可以采用更小截面的等角鋼。接頭應(yīng)該以套管的形式埋設(shè)在箱形支柱的兩個端部。在裝配過程中，在梁端預(yù)留了螺釘孔，將模件直接與模件的頂端連接，采用預(yù)應(yīng)力螺釘進行連接。模架下部鋼梁承擔(dān)著從樓層傳下來的垂直荷載，其截面大小要以結(jié)構(gòu)總體設(shè)計為依據(jù)，以槽鋼為截面形式。類似于上面的橫梁和下面的橫梁用螺釘固定在模塊柱的底部。

模塊化單位的地面可采用預(yù)制混凝土地面。在工廠生產(chǎn)時，可將下部的鋼梁和下部的梁柱結(jié)合起來，形成鋼結(jié)構(gòu)。把地板上的鋼筋安放在鋼架之上，還可以將鋼筋和鋼梁焊接起來。在此基礎(chǔ)上，采用模子澆筑混凝土，形成模塊化結(jié)構(gòu)的預(yù)制樓層。為了避免上部鋼桁架的失穩(wěn)，預(yù)制樓板必須在局部或整體上與上部鋼桁架相連接。按照組合件的運輸及吊裝的需要，在地面上安裝適當(dāng)數(shù)量的吊鉤。

在整體設(shè)計過程中，對墻體部分進行了模塊化剪力墻單元的設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)剪力墻的構(gòu)造特征，對其進行加固，在其單邊或兩邊各加一條輕鋼龍骨。由于每一個模組都只有一層加勁鋼網(wǎng)和輕鋼龍骨。按照模塊單元的通用性需求，在劃分模塊類型時，要盡量減少模塊的數(shù)量，對非功能性的模塊，要盡量考慮其是否有類似的模塊，對剪力墻、樓梯、衛(wèi)生間等具有功能性的模塊，要分別設(shè)計。在鋼架裝配完畢后，用螺栓將兩根梁和柱連接在一起，形成一個整體；然后，在輕鋼龍骨上澆筑混凝土，并與加勁肋網(wǎng)架相連接，構(gòu)成了一種新型剪力墻。

2.2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)模塊單元設(shè)計

在劃分模塊單元時，可分為常規(guī)模塊單元結(jié)構(gòu)（A）、剪力墻模塊單元結(jié)構(gòu)（B）、阻尼墻模塊單元結(jié)構(gòu)（C）和其他功能模塊單元（D），如圖3所示。

圖3 模塊單元劃分類型

在模塊單元設(shè)計時，將模塊柱設(shè)置在模塊的四個角上，在完成拼接后，通過連接件實現(xiàn)焊接連接或螺栓連接。在此基礎(chǔ)上，為方便后續(xù)施工操作，針對圖4 所示的格構(gòu)式雙箱型柱截面，可采用節(jié)點雙柱單元設(shè)計與連接的方式。

圖4 雙柱單元模塊設(shè)計與連接方案

從圖4 可以看出，在節(jié)點位置上，僅有水平雙柱可以進行拼接，模塊單元的連接邊需要在一側(cè)設(shè)置模塊柱，在另一側(cè)設(shè)置懸臂梁結(jié)構(gòu)。在懸臂梁的下方，為提高模塊單元整體的穩(wěn)定性，可以設(shè)置臨時支撐。采用圖4 中的連接方式，可以有效降低鋼框架的桿件數(shù)目，從而增加了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中建模的方便性。在整個設(shè)計過程中，模塊柱間距可沿模塊體邊長方向變化，以保證建筑空間具有良好的適應(yīng)性。柱間的跨度越大，越需要在吊裝和運輸?shù)倪^程中在兩個柱結(jié)構(gòu)之間設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)，以確保整個模塊單元的穩(wěn)定性。同時，在后續(xù)吊裝時，必須保證結(jié)構(gòu)受力的均勻性。組裝好后，應(yīng)及時運至施工現(xiàn)場進行吊裝、安裝。多高層建筑中，模塊化構(gòu)件可以直接拼裝為一體，鋼構(gòu)模塊化構(gòu)件的施工過程是：首先，模塊化構(gòu)件吊裝至設(shè)計位置；其次，通過螺栓或焊接將模板梁、模板柱節(jié)點進行連接；最后，在樓板連接縫和剪力墻的位置上澆筑混凝土，形成完整的整體。根據(jù)實際情況，為實現(xiàn)更高層的建筑設(shè)計，可在上述設(shè)計的模塊化單元結(jié)構(gòu)當(dāng)中設(shè)置型鋼，不僅可以提升結(jié)構(gòu)整體承載能力，還能夠在極大程度上延緩剛度降低的速率，使結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈服剛度和最終剩余剛度均得到提升。

3 結(jié)語

裝配式建筑的大部分建造工作是在工廠中進行的，因此，裝配式建筑的施工周期比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑要短。同時，此類項目在市場內(nèi)的推廣，還可實現(xiàn)低環(huán)境污染和低碳排放，滿足我國綠色建筑發(fā)展的需要。模塊化建筑是一種具有高生產(chǎn)效率、高質(zhì)量、高裝配率等優(yōu)點的預(yù)制裝配式建筑，是我國建筑工業(yè)化發(fā)展的最終產(chǎn)物。將模塊化建筑與可裝配、可集成的一體化建造技術(shù)相結(jié)合，通過此種方式，實現(xiàn)對建筑模塊化建造水平的全面提升，進而帶動建筑行業(yè)的工業(yè)化建設(shè)與發(fā)展。