浅谈装配式混凝土结构设计优化

张晓娜 孟祥龙

1.沈阳玖弘建筑科技有限公司；2.沈阳燃气有限公司

1 引言

我国装配式建筑的发展还处于初期阶段，装配式混凝土建筑包括设计环节在内的各环节的专业人员尚比较稀缺，大部分设计人员装配式设计经验还比较欠缺，装配式设计能力还比较薄弱，规范及标准体系也在逐步完善中，导致设计方面还存在一些问题，需要不断改进及优化。

2 装配式建筑概述

按照国家标准的定义，装配式建筑是“结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管线系统的主要部分采用预制部件集成的建筑”。这个定义强调的是整体的概念，强调四个系统的预制集成缺一不可。国家标准强调四个系统的预制集成，而不仅仅是结构系统的预制装配，主要基于“补课”原因：目前中国建筑标准低，适宜性、舒适度和耐久性差，交付毛坯房，管线埋设在混凝土中，天棚无吊顶，地面不架空，排水不同层等强调四个系统集成，有助于建筑标准。装配式建筑按结构材料不同可以分为：装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑、装配式组合结构建筑。装配式建筑的结构体系包括框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒体结构等。其中框架结构、筒体结构由于结构构件主要是柱和梁，所以又统称为柱梁结构。装配式建筑的基本特征也是很多工业产品的基本特征，即标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用。

3 装配式建筑的优点

3.1 提升建筑品质

装配式建筑要求设计必须精细化，设计的各专业以及装配式建筑的各环节必须全过程协同，由此会提高设计建筑品质；采用工厂生产预制构件精度和质量更高，误差以毫米计，预制构件的高精度还可以带动施工现场现浇混凝土的精度；建筑、结构、装饰集成化、一体化，会大量减少质量隐患；工厂化生产更有利于实现自动化和智能化；集成部品部件、同层排水、管线分离、大跨度、大开间等技术的应用会提高建筑质量、增加舒适度，延长建筑物使用寿命。

3.2 提高效率

预制构件制作可以实现机械化、自动化和智能化，大幅度提高生产效率；装配式建筑使一些高处和高空作业转移到车间进行，同时不受冬雨期影响，即使没有搞自动化，生产效率也会提高；施工安装采用了更多的专业化施工设备和工具，施工效率大幅提高。

3.3 节约材料

装配式建筑可以实现免抹灰、免支撑、免外架，从而减少材料消耗；集约化、模块化装修与交付毛坯房由住户装修相比会节约大量装修材料；工厂化生产利于钢筋边角余料、混凝土剩余残料及废旧模具的回收再利用。装配式建筑可节省材料20%以上。

3.4 节能减排环保

装配式建筑可节约原材料，自然会降低能源消耗，减少碳排放量；装配式建筑大幅度减少工地建筑垃圾，最多可减少80%；减少工地浇筑混凝土振捣作业，减少模板和砌块和钢筋切割作业，减少现场支拆模板，由此会减轻施工噪声污染。

3.5 改善劳动条件

装配式施工现场比传统施工现场环境要好，工厂生产环境比施工现场更好，也有利于作业安全；工人分工更细、更专业，作业强度也相对较小，利于提高工人素质，使农民工向产业工人转变。

3.6 缩短工期

装配式建筑要求前期决策和设计更加精细，预制构件生产、施工安装、管线设备和装修环节可能产生的问题都可前置解决，避免了调整和返工现象，同时与现浇建筑相比还减少一些工序和环节，施工安装效率更高，由于干作业较多，内装修可紧随主体结构进行施工，总工期可以大大缩短。

4 装配式混凝土建筑设计原则

PC 建筑设计应遵循统筹、集成、模数化、试验、一张图等原则，并尽可能遵循少规格多组合原则、全链条信息化原则。下面分别介绍。

4.1 统筹原则

由于PC建筑受到部品部件制作条件、运输条件和施工安装条件的制约，PC设计也必须将制作与安装环节的荷载、构造、预埋件要求考虑进去，所以，PC 建筑设计不同于普通现浇混凝土建筑设计，必须与制作、运输和安装各个环节互动，进行统筹考虑，实现协同设计。例如，PC 构件有一些制作和施工需要的预埋件，包括脱模、翻转、安装、临时支撑、调节安装高度、后浇筑模板固定、安全护栏固定等预埋件，这些预埋件设置在什么位置合适，如何锚固，会不会与钢筋、套筒、箍筋太近影响混凝土浇筑，会不会因位置不当导致构件裂缝，如何防止预埋件应力集中产生裂缝等，设计师只有与制作厂家和施工单位技术人员互动才能给出安全可靠的设计。

4.2 集成原则

装配式建筑设计的集成原则包括两个含义：

一是结构系统、外围护系统、设备管线系统和内装系统尽可能地实现集成化，采用工厂化生产的部品部件，以实现装配式的目标。如PC 构件、夹心保温墙板、整体浴室、整体厨房、整体收纳柜、单元式组合机电箱柜等。二是各个系统要尽可能地集成，实现一体化；或者系统间衔接便利化。如结构、门窗、保温一体化的剪力墙外墙板、布置了内装系统需要的各种预埋件的PC构件、埋设了机电管线或防雷引下线的PC构件等。由于各个专业关于预埋件或埋设物的要求都要汇集到PC构件上，不能像现浇混凝土建筑那样在现场敷设安置，PC建筑设计的集成是非常重要的，一旦遗漏就会出大问题。比如拆分设计，建筑师要考虑建筑立面的艺术效果，结构设计师要考虑结构的合理性和可行性，为此需要建筑师与结构工程师互动。再比如，PC建筑围护结构应尽可能实现建筑、结构、保温、装饰一体化，内部装饰也应当集成化，为此，需要建筑师、结构设计师和装饰设计师密切合作。再比如，避雷带需要埋设在预制构件中，需要建筑、结构和防雷设计师衔接。总之，水、暖、电、通、设备、装饰各个专业对预制构件的要求都要通过建筑师和结构设计师汇总集成。

4.3 模数化原则

模数化原则是通用化标准化的前提，是构件制作实现机械化、自动化，构件安装实现便利化的前提，是发挥装配式建筑工业化优势、降低成本的基本条件，在设计中必须贯彻。

4.4 试验原则

PC建筑在中国刚刚兴起，经验不多。国外PC建筑的经验主要是框架、框-剪和筒体结构，高层剪力墙结构的经验很少；装配式建筑的一些配件和配套材料目前国内也处于刚刚开发阶段。由此，试验尤为重要。设计在采用新技术选用新材料时，涉及结构连接等关键环节，应基于试验获得可靠数据。例如保温夹心板内外叶墙板的拉结件，既有强度、刚度要求，又要减少热桥，还要防火和耐久，这些都需要试验验证。有的国产拉结件采用与塑料钢筋一样的玻璃纤维增强树脂制成，但塑料钢筋用的不是耐碱玻璃纤维，埋置在水泥基材料中耐久性得不到保障，目前国外只用于临时工程。将其用于混凝土夹心板中是不安全的。

4.5 一张图原则

PC建筑多了构件制作图环节，与目前工程图的表达习惯有很大的不同。PC 构件制作图应当表达所有专业所有环节对构件的要求，包括外形、尺寸、配筋、结构连接、各专业预埋件、预埋物和孔洞、制作施工环节的预埋件等，都清清楚楚地表达在一张或一组图上，不用制作和施工技术人员自己去查找各专业图纸，也不能让工厂人员自己去标准图集上找大样图。一张（组）图原则不仅会给工厂技术人员带来便利，最主要的是会避免或减少出错、遗漏和各专业的“撞车”。

4.6 少规格、多组合原则

装配式建筑的行业标准和国家标准都提出了“装配式建筑设计应遵循少规格、多组合的原则”。这个原则对一部分部品部件适用，但无法覆盖装配式建筑全部部品部件，包括主要部品部件。以PC 外墙挂板或剪力墙外墙板为例，一般为整间板，不同的建筑不同的开间不同的门窗布置有不同的规格，无法像ALC板那样实现少规格、多组合。主要的PC构件梁、柱、墙板等也都是如此。所以，对此原则的贯彻笔者认为应当灵活一些。

4.7 全链条信息化原则

装配式建筑国家标准要求装配式建筑宜运用BIM技术进行全链条信息给管理，并把运用BIM 作为装配式建筑5 个特点之一。装配式建筑全链条信息模型的建立应当从设计开始，但这不是设计部门所能决策的，运用BIM需要花钱，只有建设方才能决策。所以，从设计角度，一方面尽可能说服甲方运用BIM，一方面要会用和用好BIM，在设计中更好地实现统筹和集成，减少错漏碰缺，提高设计质量，并为制作、运输、施工精细化可视化数据化管理奠定基础。

5 装配式混凝土建筑设计优化

目前阶段，由于部分装配式混凝土建筑设计人员水平不高、经验不足，标准规范保守及覆盖不够等原因，有些装配式混凝土项目的设计成果还不够完善和理想，甚至出现一些设计错误、设计遗漏，导致项目成本增量过大、工期延长、生产制作和施工安装难度加大等，这些设计问题亟待完善和优化，本文对部分应优化内容进行阐述和分析。

5.1 剪力墙设计方案优化要点

装配整体式剪力墙结构在进行剪力墙布置时，除了遵循传统剪力墙结构布置设计要点外，还应考虑预制装配的特点，确定合理的布置原则，并进行形状控制，以方便制作与施工。

（1）剪力墙布置原则。①应遵循少规格、多组合的原则。②承重墙、柱等竖向构件宜上下连续。③门窗洞口宜上下对齐，成列布置。④宜大跨度大开间布置。⑤不宜采用转角窗布置等。

（2）剪力墙布置形状控制。①高层剪力墙结构，边缘构件目前多采用现浇，宜布置成L形、T形等，这样可以使得墙身部分相对完整，有利于墙身拆分预制；避免在L形、T形等剪力墙中再加翼缘，导致墙身被拆成零碎的小段墙肢。②剪力墙布置时，需要对所预制剪力墙板进行尺寸标准化调整，使得所预制的剪力墙板尺寸尽可能统一，减少预制剪力墙板的规格，提高模具重复使用率。③当考虑采用填充墙预制时，外围周边的剪力墙在窗洞和门洞边需考虑退让，留设不小于200mm的填充墙垛，这样可以采用立面为口字形和门字形预制外墙，避免剪力墙暗柱预制。

5.2 优化装配式住宅结构体系设计

在我国，剪力墙结构是住宅建筑的主要结构形式，当国家大力推行装配式建筑时，装配式经验不多、技术不成熟的剪力墙结构也仓促上马，开始大规模搞起装配式。但剪力墙结构采用装配式，就目前的技术、经验和规范规定而言，很难达到实现经济效益、环境效益和社会效益的初衷，效率难提高、工期难缩短，成本却增加不少。在主体结构与管线分离的趋势下，应打破凡住宅必为剪力墙结构的心理定式。国外高层、超高层装配式混凝土建筑应用较多的是含有大空间柱梁体系的多种结构形式，我国规范中的装配式框架—现浇剪力墙结构和装配式框架—现浇核心筒结构也属于此类。在此类结构体系下，可将剪力墙体仅布置在交通核、设备管井、分户墙等有限区域，户内空间则置于预制框架范围内，业主可以用轻质隔墙进行功能空间划分和改造。外围护墙体通过外挂或梁柱围合与外框架相连，因为不是承重墙体，外墙立面可以更丰富灵活。至于框架部分梁柱凸出的不利因素则在提倡管线分离的趋势下会得到弱化。传统剪力墙结构节省空间的前提是建立在管线预埋在受力墙体内的，如果在剪力墙结构内实施管线分离，其实还需要用龙骨和外挂装饰板材将墙体架空，无疑增加了板厚，占用了空间。相比而言，框架内可采用各类轻质隔墙，将管线布置在隔墙内。不仅如此，结构梁柱也会在全装修处理下得到很好的遮蔽。更为最重要的是，从装配式设计和建造出发，大开间下的梁、柱、板（跨度较大时可采用预应力板）有助于抛开户型的限制，最大限度地减小预制构件种类和模具数量，有助于提高效率、降低成本、缩短工期。

5.3 次梁布置优化设计

现浇结构次梁布置方案，一般比较自由，约束条件少，主要根据跨度、所托内隔墙位置按需要进行布置，但是在预制装配时，需要考虑适合装配安装的标准化设计。结构次梁布置方案直接决定了预制构件的标准化、连接接头的数量、施工安装的难易程度，对生产安装效率以及预制构件成本都有较大的影响。

次梁布置比较适合采用单向双次梁、单向单次梁方案；而双向十字梁和双向井字梁则要尽可能避免采用。当采用预制预应力板方案时，标准跨还可以做到无此梁方案设计，构件数量可以大幅度减少，成本优势也较为明显。

5.4 简化低设防烈度区或低层建筑的连接形式

我国装配式混凝土建筑采用的都是整体装配式结构，结构构件的连接均采用套筒灌浆和后浇混凝土等湿连接方式，尤其是剪力墙结构体系的连接，大多是线连接、面连接，且点多面广，对施工成本和效率影响较大，因此研发新型的、便捷的可靠连接方式势在必行。GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》第5.8.5条规定，多层装配式墙板结构纵横墙板交接处及楼层内相邻承重墙板之间可采用水平钢筋环锚灌浆连接，这极大简化了连接形式。低设防烈度区或低层建筑的地震作用较小，应和高层建筑有所区别，期望规范按照上述思路，探索诸如干法连接、干湿混合连接等更多的简便连接方式。

6 结束语

综上所述，随着经济全球化的不断加剧，人类对于自身的居住环境的要求也在不断提高，长时间对于资源的浪费使得自然资源消耗越来越大，并且由此引发的环境破坏、能源枯竭等问题也在成为人类社会发展的难题。而装配式建筑以其品质高、节能环保等优点逐渐得到应用推广，虽然我国装配式建筑还处在起步阶段，但是相信经过相关技术人员的不懈努力，我国装配式混凝土建筑的设计水平和成果质量会不断提升，也将推动我国装配式建筑快速健康发展。