裝配式建筑設(shè)計及抗震設(shè)計標準研究

袁興洪

（興義市規(guī)劃設(shè)計院，貴州 興義 562400）

隨著建筑工業(yè)化進程的加快以及綠色施工概念的普及，裝配式建筑以其高效率、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)勢逐漸成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的重要方向。這種建筑方式通過在工廠預(yù)制構(gòu)件并在現(xiàn)場進行快速裝配的方式，不僅縮短了施工周期，而且提高了建筑質(zhì)量，減少了對環(huán)境的影響。然而，由于地震災(zāi)害頻發(fā)，裝配式建筑的抗震性能成為確保其安全使用的關(guān)鍵因素之一，這使得裝配式建筑的抗震設(shè)計標準研究尤為重要。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)與裝配式結(jié)構(gòu)在材料特性、構(gòu)造方式、整體性方面存在顯著差異，這些差異對建筑物的抗震行為產(chǎn)生了深遠影響。因此，現(xiàn)有的抗震設(shè)計規(guī)范可能不完全適用于裝配式建筑，需要針對其獨特的結(jié)構(gòu)特點和震害模式進行專門研究和調(diào)整。

1 工程概況

項目總占地面積為13326.77 m2，場地現(xiàn)狀空曠，無需拆除任何建筑，且周邊沒有受保護的歷史遺跡或需保留的樹木，項目為一座12 層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其占地面積3897 m2，而總建筑面積則18584.87 m2。其中地上部分建筑面積為16058.74 m2；地下部分建筑面積則為2526.13 m2。項目地質(zhì)勘察后所在區(qū)域地震帶特征見下表1。

表1 項目地質(zhì)勘察后所在區(qū)域地震帶特征

2 裝配式建筑設(shè)計要點

按照《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》GB/T51231-2016、《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ1-2014 等標準的相關(guān)要求，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)抗震性能基本一致，但是在實際工程抗震設(shè)計環(huán)節(jié)，由于裝配式建筑預(yù)制標準構(gòu)件結(jié)構(gòu)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中相對參數(shù)誤差的存在，混凝土抗震性能指標要優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土抗震指標，因此，結(jié)合相關(guān)標準，裝配式建筑抗震設(shè)計性能要在一定程度上超過現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

2.1 結(jié)構(gòu)布局與配置

建筑的剛心（剛度中心）和質(zhì)心（質(zhì)量中心）位置對建筑動態(tài)響應(yīng)有著顯著影響。地震發(fā)生時，地面的運動會導(dǎo)致建筑產(chǎn)生平移和扭轉(zhuǎn)兩種主要響應(yīng)。當(dāng)剛心和質(zhì)心不重合時，建筑會傾向于產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的加劇。因此，設(shè)計人員應(yīng)努力使剛心和質(zhì)心盡可能重合，以最小化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而降低結(jié)構(gòu)在地震中受損的風(fēng)險。這通常涉及建筑平面布局的對稱性、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇、質(zhì)量分布的均衡性等因素的綜合考量。

建筑的水平剛度和質(zhì)量分布的均勻性對于防止地震引起的不連續(xù)響應(yīng)同樣重要。如果建筑的不同部分存在顯著的剛度或質(zhì)量差異，那么在地震作用下，這些差異可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)損壞。例如，建筑的邊角部位如果過于剛硬或過于柔軟，都可能成為薄弱環(huán)節(jié)。因此，設(shè)計人員需要確保水平方向上的結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布盡可能均勻，以避免在地震作用下產(chǎn)生較大的剛度不連續(xù)和質(zhì)量不連續(xù)。這可以通過合理的結(jié)構(gòu)布局、選用合適的建筑材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以及在設(shè)計階段進行詳細的動力學(xué)分析來實現(xiàn)。

2.2 施工材料選擇與構(gòu)件設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，選擇適當(dāng)?shù)牟牧现陵P(guān)重要，因為它們決定了結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)和耐久性。高性能混凝土（HPC）和高強度鋼材是兩種被廣泛采用以提高結(jié)構(gòu)抗震性能的材料。HPC 以其高初始剛度和優(yōu)異的能量吸收能力而著稱，其抗壓強度可超過60 MPa，顯著高于常規(guī)混凝土的25～40 MPa。這種增強的強度使得HPC 能夠在地震載荷下提供更好的性能，減少結(jié)構(gòu)損傷。

與此同時，高強度鋼材，如Q345B，擁有345 MPa 的屈服強度，遠高于普通碳鋼Q235 的235 MPa。在抗震設(shè)計中，鋼筋的作用非常關(guān)鍵，因為它能夠提供必要的延性和韌性，幫助結(jié)構(gòu)耗散地震能量，避免脆性破壞。選用屈服強度不低于400 MPa的鋼筋，可以確保結(jié)構(gòu)在遭受極端地震作用時，仍保持足夠的強度和穩(wěn)定性。因此，在制定建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要點時，應(yīng)重視材料的選擇。HPC 和高強度鋼材不僅提供了更高的承載能力，而且還通過其良好的延性和韌性，增強了結(jié)構(gòu)在面對地震動力作用時的整體抗震性能。通過合理選擇和應(yīng)用這些材料，可以設(shè)計出更加安全和經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對潛在地震威脅。

2.3 結(jié)構(gòu)連接與節(jié)點設(shè)計

在結(jié)構(gòu)連接與節(jié)點設(shè)計中，箍筋的配置對于確保結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要。通常，箍筋間距不應(yīng)超過柱子最小尺寸的1/12，并且箍筋直徑不得小于6 mm。這樣的規(guī)定有助于提供足夠的約束作用，防止在地震作用下柱體發(fā)生脆性破壞。

在梁柱節(jié)點區(qū)域，為了提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，通常會減小箍筋間距。如果使用直徑為20 mm的HRB400 級鋼筋，并且梁的有效深度為450 mm，則4 根鋼筋的總截面面積將達到1256 mm2。這表明在節(jié)點區(qū)采用了較高強度的鋼筋，以增強節(jié)點區(qū)的抗剪能力和整體的結(jié)構(gòu)性能。為進一步增強節(jié)點區(qū)的抗震性能，梁端的箍筋間距可能會從通常不大于300 mm 減小至100 mm，這樣做可以減少25%的箍筋間距。此外，為了避免節(jié)點區(qū)產(chǎn)生過大的剪切力，可能會導(dǎo)致脆性破壞，因此在節(jié)點區(qū)的箍筋間距通常不會超過100 mm。這樣的設(shè)計考慮有助于優(yōu)化節(jié)點配置，確保力的均勻傳遞，從而提高整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 裝配式建筑抗震設(shè)計標準

3.1 遵循的國家標準與規(guī)范

裝配式建筑在抗震設(shè)計中必須遵守一系列國家標準和規(guī)范，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。第一，設(shè)計人員需要遵循的國家標準包括《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50153-2008），該標準規(guī)定了結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，確保建筑在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常使用條件和罕遇地震作用下不會發(fā)生破壞。這要求設(shè)計人員對建筑結(jié)構(gòu)的可靠性進行細致分析和評估。

第二，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）（2015年版），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須具有足夠的延性，以便在強震作用下通過塑性變形耗散能量，從而避免脆性破壞。這意味著設(shè)計人員需要仔細選擇和配置鋼筋，以及合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的細節(jié)，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能。除了上述規(guī)范，還有其他相關(guān)的國家標準和規(guī)范，如《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2016），這些規(guī)范提供了建筑設(shè)計加速度系數(shù)、響應(yīng)修正系數(shù)以及建筑地震影響系數(shù)的具體要求。設(shè)計人員需要根據(jù)建筑的重要性、功能類別和震害預(yù)測來調(diào)整這些系數(shù)，以確保設(shè)計的合理性和安全性。

在實際應(yīng)用中，設(shè)計團隊不僅要考慮這些規(guī)范的要求，還要結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w地質(zhì)、氣候條件和施工現(xiàn)場的實際情況進行綜合考慮。例如，不同地區(qū)的地震烈度區(qū)劃、土壤類型、地形地貌等因素都會對建筑的抗震設(shè)計產(chǎn)生影響。因此，設(shè)計人員需要進行詳細的現(xiàn)場調(diào)查和分析，以確保設(shè)計方案既符合規(guī)范要求，又適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。

3.2 安全與功能性標準

裝配式建筑的抗震設(shè)計標準中，安全與功能性是兩個基本且關(guān)鍵的原則。安全性原則是至關(guān)重要的，它要求在地震作用下，首先要保證人員的生命安全不受威脅。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2016），結(jié)構(gòu)在地震中必須保持整體穩(wěn)定，不發(fā)生垮塌。為了達到這一目標，設(shè)計人員可以采取多種設(shè)計策略。

第一，增加結(jié)構(gòu)的冗余性是一種有效的設(shè)計策略。冗余性是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在部分受力構(gòu)件失效后，仍能通過其他路徑傳遞力量，從而避免整體崩潰。在實際設(shè)計中，這可以通過在關(guān)鍵支撐部位安裝多根支柱來實現(xiàn)。例如，對于框架結(jié)構(gòu)，可以在柱子周圍增設(shè)次級柱或臨時支撐，以提高結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時的冗余性和魯棒性。第二，使用超出最低標準要求的材料和構(gòu)件也是一種提升安全性的方法。這意味著選用更高強度等級的混凝土、更高級別的鋼材或其他具有更好抗震性能的新材料。例如，如果規(guī)范要求的混凝土強度等級為C30，設(shè)計時可以選擇C40 或更高等級的混凝土，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和延展性。同時，對于鋼筋，可以選擇具有較高屈服強度和良好延性的鋼筋，以增強結(jié)構(gòu)的抗震能力。第三，引入耗能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是另一種提高裝配式建筑抗震性能的設(shè)計策略。這些系統(tǒng)包括隔震支座、粘滯阻尼器、摩擦阻尼器等，它們能夠在地震作用下吸收和消散能量，有效降低結(jié)構(gòu)對地震能量的響應(yīng)。隔震支座通過隔離地震波的直接傳遞，減少上部結(jié)構(gòu)受到的力；而粘滯阻尼器則通過內(nèi)部液體或氣體的粘滯流動來耗散能量。這些裝置的應(yīng)用可以顯著降低結(jié)構(gòu)在地震中的加速度反應(yīng)，從而保護建筑和人員的安全。

裝配式建筑的抗震設(shè)計必須遵循安全性和功能性標準。通過增加結(jié)構(gòu)冗余性、使用超出最低標準的材料和構(gòu)件及引入耗能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以顯著提高建筑在地震作用下的安全性能，確保人員的生命安全不受威脅，并保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。這些設(shè)計策略的有效實施需要依據(jù)具體工程條件和地震環(huán)境進行詳細分析和計算，以確保設(shè)計的合理性和可靠性。

3.3 經(jīng)濟與可操作性標準

在裝配式建筑的抗震設(shè)計中，除了安全性原則外，經(jīng)濟性與可操作性也是重要的考量因素。設(shè)計人員需要在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和施工方法上權(quán)衡，確保設(shè)計方案既經(jīng)濟實用又便于施工。

首先，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選型是影響經(jīng)濟性和可操作性的關(guān)鍵因素。例如，選擇框架結(jié)構(gòu)還是剪力墻結(jié)構(gòu)，會直接影響到材料用量、施工難度及最終成本?？蚣芙Y(jié)構(gòu)雖然施工較為靈活，但可能需要更多的梁柱連接節(jié)點，而剪力墻結(jié)構(gòu)則可能在材料消耗上更為經(jīng)濟，但對施工精度要求更高。根據(jù)一項對比研究，剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積成本可能比框架結(jié)構(gòu)低10%～15%，但具體數(shù)據(jù)會根據(jù)地區(qū)、材料價格和勞動力成本有所不同。其次，施工方法的選擇也會對經(jīng)濟性和可操作性產(chǎn)生影響，預(yù)制構(gòu)件的使用可以減少現(xiàn)場作業(yè)時間，提高施工效率，但需要較高的前期投資和精準的制造工藝。例如，采用預(yù)制樓板代替現(xiàn)場澆筑樓板，可以縮短工期20%～30%，但預(yù)制樓板的單價可能會比傳統(tǒng)樓板高出15%～25%。此外，運輸和吊裝預(yù)制構(gòu)件也需要特殊的設(shè)備和技術(shù)，這些都需要在成本計算中予以考慮。最后，材料選擇是另一個需要權(quán)衡的方面。雖然高強度材料可能提供更好的抗震性能，但其成本相對較高。例如，使用高強度鋼筋（如HRB600）相比普通強度鋼筋（如HRB400），可能使結(jié)構(gòu)成本增加10%～20%。然而，通過精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化材料利用率，可以在一定程度上減少成本差異。在某些情況下，通過減少構(gòu)件尺寸和數(shù)量來降低材料使用量，可能會抵消因選擇更高強度材料而增加的成本。

在裝配式建筑抗震設(shè)計中，經(jīng)濟性與可操作性是不可或缺的考慮因素。設(shè)計人員需要在選擇結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、施工方法和材料時進行評估和權(quán)衡，確保設(shè)計方案既滿足安全性要求，又具有經(jīng)濟效益和施工便利性。這要求設(shè)計人員具備跨學(xué)科知識，能夠綜合考慮工程、經(jīng)濟和管理等多方面的因素，以實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計解決方案。

4 結(jié)束語

經(jīng)過深入研究，文章對裝配式建筑的設(shè)計及其抗震設(shè)計標準進行了系統(tǒng)探討。研究表明，裝配式建筑由于其預(yù)制構(gòu)件的標準化、模塊化，以及現(xiàn)場快速裝配的特點，在提高建筑效率、節(jié)約能源和減少環(huán)境污染方面具有顯著優(yōu)勢。然而，其抗震性能受多種因素影響，包括材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計和連接方式等，因此需要專門針對裝配式建筑制定或調(diào)整抗震設(shè)計規(guī)范。研究強調(diào)了進一步制定和完善裝配式建筑抗震設(shè)計標準的重要性，并建議相關(guān)規(guī)范應(yīng)不斷吸納新的研究成果、材料技術(shù)及設(shè)計理念，以適應(yīng)日益增長的建筑市場需求，確保裝配式建筑在面對地震災(zāi)害時的安全性和可靠性。