装配式建筑混合结构技术分析与应用

张 坤 郭晓霞 龚 健

浙江省建材装配式建筑设计研究院

1 前言

装配式建筑具有诸多优势，当前已有广泛应用。但在实际操作中，单一的结构形式仍存在着一些不足之处，将其混合形成新的结构形式，可以有效提升装配式建筑的价值，在补足缺点的基础上，提升建筑的品质。所以，设计人员必须严格地按照预制装配式建筑设计图纸的要求设计预制构件，避免因为建筑的设计阶段出现偏差而影响预制装配式建筑的施工质量和效率。

2 混凝土预制件结构

混凝土预制构件是在工厂中以标准化和机械化加工方式形成的混凝土制品，浇筑施工后可直接送至施工现场拼装，可依据参数指标的要求完成预制工作，从而有效降低现场浇筑养护的成本投入，提升工程效益。预制混凝土构件主要应用于大型的水利工程、桥梁和政府保障住房项目当中，其以自身独特的优势受到业内的普遍欢迎。

3 装配式钢结构

在自然灾害的地震多发区，现浇混凝土的建筑物抗震性能差，造成的人员伤亡和财产损失较多。而在装配式建筑中，钢结构的抗震性能效果最为优越，部件与部件之间使用螺钉进行组装，优化了房屋的整体结构性能，防止房屋建筑物出现坍塌。地震多发区内，现浇混凝土建筑的抗震性能不够完善，出现了严重地人员伤亡及财产损失，而在装配式建筑中，钢结构具有优越的抗震性能，部件间采用螺钉组装，加强了建筑结构的整体性和稳定性。除此之外由于装配式钢结构的建筑构件承载能力强、截面面积较小，节约了大量的钢材和混凝土，并且可以降低建筑工程基础建设费用。装配式钢结构建筑中的钢构件和混凝土构件都可以在工厂预先加工完成，在很大程度上加快了施工进度，节约了时间成本，提高构件质量，减少了施工过程中由于构件质量不达标造成的返工费用。

4 装配式木结构的特点

4.1 环保性

4.2 安全性

装配式木结构建筑的安全性较强，其抗震性能较为理想，木结构的自重较轻，在出现地震灾害时，结构无须吸收过多的地震能量，而且木质结构的韧性较强，能够有效抵御疲劳损坏等问题，同时还具有较强的防火性能，结构的碳化层能够保护结构，如出现火灾，木材可迅速碳化，进而与外界隔离。

4.3 持续性和便捷性

木材是一种可再生建材，加强木材管理，合理砍伐木材能够为建筑工程提供原材料。装配式木结构灵活性显著，改造方便，技术人员可结合实际合理调整空间布局。

5 装配式建筑混合结构技术必要性

从前文所述可知，在我国，装配式建筑主要包含三种形式，分别为钢结构、混凝土、木结构。木质结构容易受到气候、环境等因素的影响，且我国木材资源有限，不适合做大面积建筑材料使用。因此，在实际工程中，木结构建筑的应用较少。钢结构与混凝土结构的装配式建筑是我国装配式建筑工程的首选形式，但仍存在诸多不如人意之处，影响了建筑的品质。具体如下。

5.1 钢结构

（1）普通钢框架与钢框架支撑体系建筑，其梁柱结构的截面积大，很难避免露梁和露柱的情况，长期下去，就会影响建筑的使用感受。

（2）装配式钢结构建筑，特别是住宅建筑的三板体系完善性差，体现的缺憾是电梯间及楼梯等位置的设备噪声极大，而没有很好地隔音方案，影响了建筑使用者的生活质量；且长期生活在噪声大的环境下，也会有损人们的身体健康。

（3）电梯与楼梯位置的钢柱在地下室结构深入时，使用的柱脚外包与防护会占用很大空间。例如占用楼梯疏散空间，增大电梯井道和底坑尺寸等，增加公摊，使用面积缩小。

（4）一些高层建筑因高度影响，且考虑户型需求，支撑设置很难形成合理的抗侧力体系。

5.2 混凝土结构

（1）预制混凝土构件重量都较大，在运输环节与起吊环节，对于运输、起吊设备的要求较高。

（3）如果容量为1MW及其以上的发电机定子绕组和引出线出现短路，需要装设纵联差动保护。其保护配置作为发电机内部短路的主要保护，能及时、灵敏地切除内部所发生的故障，确保动作的选择性与工作的安全性。

（2）当前，一些全装配式混凝土结构建筑的拼接节点尚存在不足。例如，钢筋锚固连接的节点设计施工都处于试验阶段，很多方案都在不断地尝试中，没有形成一套成熟的、安全的且施工便捷性强的节点构造规范。为此，在实际项目中，多采用竖向构件现浇与横向构件预制方式补足缺憾。

（3）当前，针对全装配式混凝土结构建筑抗震性与整体性的研究存在空白。

（4）结构存在很多新旧混凝土结合面与构件接缝，针对这部分的抗震性能与承载力研究进展很慢。

（5）钢筋套筒灌浆连接位置与预埋件性能的检测试验缺少经验。上述种种都体现全装配式混凝土结构存在很多我们无法控制的情况，施工或运营过程中会因这些问题影响建筑质量与使用体验。

由上可知，单一的结构存在很多弊端，不适合作为全部结构使用，但装配式建筑还是存在很多优势的，我们可以将这些优势结合，如混合结构就可以实现更优质的建筑建设，发挥装配式建筑结构的优势，为人们提供优质空间，推进建筑行业的更好发展。

6 装配式建筑混合结构技术的具体应用

以高层装配式混合结构建筑为例，借助混合结构的优势提升建筑质量，规避钢结构露梁露柱及噪声等问题，减少混凝土结构存在的抗震性能与承载力隐患，提升建筑施工速度，强化建筑工业化水平，并同时为人们提供宜居的生活环境。

6.1 设置混合结构体系

本项目的钢框架中柱6梁7、支撑结构4、核心筒5等均为混合结构，其中柱6是钢管混凝土柱与管混凝土组合异形柱组成。案例中其他钢管混凝土异形柱体是中心支柱20 与侧支柱19 组成的L 形异形柱1、T 形异形柱2 以及十字形异形柱3。同时，中心支柱20 与侧支柱19 通过肋板22 与连接板21 连接，其中肋板22是钢板结构，连接板21是有孔和无孔两种钢板结构。所有支柱与以上钢管混凝土柱的横向截面均使用正方形截面布置，这样可以保证主体嵌入墙体时不外露；支撑结构4主要是钢支撑与剪力墙两种构成形式，主要位于分户墙及端墙部分；核心筒5位于电梯间与楼梯间，与剪力墙以钢节点连接。

6.2 平面布置

本项目电梯间采用普通建筑户型布置方式置于平面一侧位置，梯井及楼梯间部分使用核心筒5进行全部布置，也可以选择预制剪力墙组成的核心筒布置。此剪力墙选择形式很多，可以是混凝土剪力墙、钢板剪力墙或混合结构。其中混合结构又有多种形式，可以在钢板间浇筑混凝土，也可以是两块钢板间放置一块钢板，两边浇筑混凝土；钢管混凝土结构的异形柱尺寸与形式根据所处位置、荷载及墙体开洞等综合确定。

6.3 钢板剪力墙设置

钢板剪力墙是钢板、纵向加劲肋9 与水平加劲肋10 构成。柱内侧位置设置应预先进行鱼尾板11的焊接，并使用高强螺栓12 连接两端柱体。按照构造要求及计算选取剪力墙形式，可以选择非加劲或结构合理的钢板剪力墙，也可以选择混合结构。本项目中钢板剪力墙钢梁7间应使用水平加劲肋8。

6.4 支柱设置

使用钢构件支撑13作为支撑，底端柱与支撑结构一端连接，上部结构梁7 与另一端连接。本项目中的钢梁7 主要以H 型为主，依据构造要求与计算获取钢梁的截面尺寸大小。借助外肋环板的节点实现钢管混凝土结构异形柱与钢梁7之间的刚性相连。单柱与钢梁7之间借助隔板贯通节点相连。核心筒与钢梁借助预埋件进行铰接。同时，钢构件支撑13 与钢梁7 及钢管混凝土结构异形柱之间使用焊接、栓焊或全螺栓方式连接，具体连接形式选择应依据构造要求及计算确定。钢构件支撑13的支撑形式可以选择交叉支撑、单斜撑、人字形支撑等形式，具体形式需依据墙体开洞情况及计算选择。

6.5 钢梁、核心筒设置

钢梁7 与核心筒5 的连接形式有很多种，可以随意选择，但应选择铰接连接。装配式核心筒5 有多种形式，分别为整体预制、剪力墙构造连接及钢板结构，接缝位置应选择层高1/3 位置设置。钢梁7及钢管混凝土结构异形柱之间的连接形式选择刚性连接，钢梁与核心筒铰接相适应借助节点14，核心筒单元间借助单元分界线连接，构建支撑结构与钢梁及异形柱借助焊接、栓焊及全螺栓方式连接，具体形式通过构造要求及计算确定。方钢管混凝土结构异形柱是由连接板、方钢管混凝土结构柱肢、肋板等组成，异形柱的柱肢通过焊接形式与连接板相连，按照构造要求，支柱与连接板之间相隔一定高度设置一道肋板，以此保证连接板的稳定性。当柱荷载要求较大时，使用两条钢板进行支柱连接，混凝土灌注支柱与钢板间的空腔，灌注密实。

6.6 实施效果

本工程与单一装配式结构建筑相比，具有以下效果：（1）框架使用方钢管混凝土结构异形柱，其柱体截面小，避免了钢结构建筑露柱露梁，满足了建筑的使用要求与性能要求，提升了建筑品质；（2）电梯与楼梯间使用核心筒结构，可以减少对楼梯疏散宽度及电梯井道等占用，减小公摊，同时降低噪声；（3）核心筒是预制拼装，不需要现场制作，避免了环境湿度影响，提升了建筑施工效率，促进了建筑工业化发展；（4）传统建筑中楼电梯间常常偏置带来的结构扭转问题，本项目支撑架构较少，缓解了结构刚度。

7 预制装配式建筑发展趋势

我国预制装配式建筑的发展虽然有了一些新气象，但还没有形成规模和完整的产业链。为了不断推动城市建筑的现代化以及产业化，我国需要参考西方国家做法，强化基础性的研究，不断完善健全装配型建筑的技术规范体系，深入研究装配建筑的推广中对目前的施工设计带来良性影响，学习成熟先进技术的应用，加大投入，推动科技创新，形成完善的现代化的装配建筑体系，通过实施工程建设一体化、加大人才培养、提高技术管理、逐步完善预制装配式建筑的标准与法律法规，保证预制装配式建筑持续平稳的发展。

随着我国预制装配式建筑技术的不断发展，预制装配技术在公共建筑、工业建筑领域、综合管廊等方面的应用定会逐步增多，而且对造价较大的连接构件、预埋件进行经济性优化，降低套筒等预埋钢结构的造价，此外针对常规的生产的流程形成流水生产线，提高生产效率，降低生产成本，提高经济效益。

8 结语

在分析装配式混合结构的性能时，根据混合结构的必要操作标准对装配式混合结构的实际结构进行分析，并对上部结构的整个技术应用进行评估，有效加强装配结构剪力墙标准分析，整体框架形状的确定和建筑应用整体特征更加明确，为有效加强建筑技术的精确研究，落实实际建筑结构配置的应用，保证建筑结构配置设计研究的合理性，落实其结构性能、标准化水平、综合应用等内容，提高了施工研究技术的发展影响，扩大了装配的合理性，达到了预制装配结构和施工的技术标准。

装配式建筑混合结构具有诸多优势，既补足了单一结构装配式建筑的缺憾，也规避了传统建筑无法克服的缺点，在提升建筑质量及施工效率的同时，为环保与成本节约做出了很大贡献。为此，我们应积极研究相关技术，以实现更好地混合结构建筑，促进建筑行业的更好发展。