装配式混凝土结构设计方法研究

2021-03-30吕涛

建材与装饰 2021年20期

吕涛

（太原市聚川建筑设计事务所，山西太原 030000）

0 引言

伴随着我国建筑行业的快速发展，传统的水泥浇筑形式逐渐朝着装配式混凝土结构方向发展。不仅如此，在先进科学技术的大力推动下，在传统装配式混凝土结构设计的基础之上，又出现了基于BIM的新型装配式混凝土结构设计方法，更好的满足了装配式混凝土结构“一体化、标准化、模块化、通用化”等设计需求。为了推动建筑行业的健康发展，有必要针对两种装配式混凝结构设计方法进行系统化研究。

1 传统的装配式结构设计方法

1.1 结构整体分析

根据《装配式混凝土结构技术规程（JGJ1—2014）》的相关要求，在绝大多数装配式混凝土结构设计中，都可采用与现浇混凝土结构相同的方法对其进行结构分析。但是，如果在同一楼层当中既有预制部分又有现浇抗侧力构件，则有必要在地震设计状况下，对现浇抗侧力构件的弯矩和剪力进行适当的放大。在实际工程中，我们常取1.1的放大系数。也就是说，当钢筋采取可靠的连接方式，新旧混凝土采取粗糙面、键槽等可靠措施保证连接成整体时，装配整体式结构与混凝土结构是完全相同的。但实际施工中，由于各种原因不一定能达到理想的效果，我们在设计中需要考虑由于连接等构造带来的不利影响。《规范》对于装配式结构最大使用高度在竖向构件采用装配时（50%、80%以上时）有所降低，以及现浇抗侧力构件地震力放大，抗震等级要求更高，都是考虑到这方面的影响。总之，结构整体计算分析，仍以常规结构模型进行分析，计算结果也仍以《抗震规范》《混凝土规范》《高规》等规范进行控制，只是一些抗震构造的要求适当提高。

1.2 结构构件的设计

在进行结构构件设计之前，需要设计人员事先针对预制柱、叠合梁及钢筋桁架叠合楼板等构件结构进行计算与分析，之后再依据分析结果展开相关设计。例如在设计叠合板时，分别对单向板和双向板进行对比分析，测算经济合理性。又或采用多种几何参数和优化钢筋的配置，以得到最合理的设计方案。

1.3 预制构件的拆分设计

在进行预制构件拆分设计的过程中，需要在满足施工要求的同时，最大限度体现建筑设计的使用功能。在设计装配式剪力墙结构时，拆分方案一般有两种，边缘构件全部现浇，非边缘构件预制和边缘构件部分现浇，水平钢筋环插筋连接。无论哪种拆分方式都存在一些问题。比如边缘构件箍筋承担水平剪力，使预制墙板变成了竖向传力构件，导致结构整体传力途径不清晰；墙体钢筋在楼层处有一半采用灌浆套筒连接，另一半不直接连接，导致此处抗剪差，墙体层与层连接削弱。目前竖向构件设计中我们还是采取边缘构件现浇，一字型墙体预制（适当比例）这种方式，今后会继续进行更多深化设计，在安全可靠的前提下，以提高竖向构件装配率。

1.4 构件的连接节点设计

从某种意义上看，装配式结构是通过各个节点之间的相互连接而实现的，而且不同的配式结构，同时时存在多种连接方式供设计人员选择。比如在高效化装配结构设计当中，标准化设计、全装配式结构体系、连接节点设计都是比较常用的设计手法；除此之外，还可以根据施工需要，采用地上装配式结构节点连接方法；通过榫接连接方式或者张拉法连接方式，同样可以保证装配式结构节点受力的可靠性[1]。在实际设计的过程中，设计人员可以在预制柱连接、叠合梁与预制柱连接、楼板与柱的连接等多种方法当中进行合理选择，还可以采用多种方法相结合的方式满足装配式混凝土结构的设计要求。

1.5 有限元分析设计

在有限元分析设计中，需要先将弹性连续体离散成多个有限个单元，之后再采用角点铰接的方式进行组合。在这个离散与组合的过程中，设计人员可以对每个单元体受力与变形关系进行科学化分析，使连接件个数和间距得到优化调整，力争在各个单元重组之后，使楼层受力情况得到最大限度的改善，更好的满足建筑设计要求。在进行有限元设计时，设计人员可以使用ANSYS软件获取到各个节点的极限承载力，借助这一关键数据对构件节点受力特征的全面认知，以此来保证设计方案的科学合理性；还可以采用非线性有限元分析软件对各个有限元进行更加深入透彻的分析，使单元划分、本构模型选取以及边界条件得到更加科学合理的设置[2]；通过使用有限元软件ABAQUS，可以在不同受力条件下，支装配式连接节点以及现浇节点的应力和位移情况进行精准分析。但是，这也在某种程度上说明了在装配式混凝土节点连接的抗疲劳性方面还有待提升。

2 基于BIM的装配式结构设计方法研究

2.1 装配式参数化设计方法

经过以往的设计实践表明，使用装配式参数化设计方法，可以使建筑实现从单元到整体的优化与完善，更好的满足建筑、结构以及机电设备等多个环节的专业化、综合型设计要求[3]。在基于BIM的装配式结构设计中，可以说参数化设计是结构设计标准化的核心，而标准化设计又是装配式设计的关键。所以，参数化设计装配式混凝土结构设计质量的重要保障。BIM系统可将同类构件整合到一起，组建起一个构件库。设计人员在构件库当中查询所需要的构件，如果库中没有此构件，则可以通过参数化设置创建一个新构件，使那些特殊化建筑布局要求得到满足。

2.2 装配式结构拆分设计方法

基于BIM进行装配式混凝土构件拆分设计，可以帮助设计人员绘制出更加专业的项目设计图。以装配式剪力墙结构设计为例，设计人员绘制出预制外墙拆分图，再利用BIM对各个构件进行编码，为后续施工环节提供便利条件。目前，有一种新型建筑、结构和水电等专业模型，辅助设计人员完成参数化节点拆分设计。这种方法是先使用专业软件将建筑和水电模型转换成BIM模型，使装配式混凝土结构体系以构件的形式出现，使设计过程变得更加高效便捷，设计方案也更加科学合理。国内结构设计软件PKPM、YJK均设置了与Revit Structure互通的接口，各专业设计人员可以很方便的将各自内容反映到一个平台，使BIM模型更为准确和完善。因为在Revit拆分设计流程当中融入了三维可视化环节，所以与传统的CAD拆分相比，Revit拆分更加便于构件的拆分设计与后期组装[4]。除此之外，还可以通过预制建筑集成法与BIM技术的相互结合的方式，实现模块化拆分设计，这一方法的诞生与应用，为装配式建筑的创新发展提供了巨大支持。

3 传统设计方法与基于BIM的设计方法对比

在传统的建筑设计模式下，工程图纸都是以手工制图的方式来呈现的，而基于BIM技术，实现了制图效果的可视化与模型化，极大的提升设计质量与设计效率。比如工程设计人员应用计算机系统和CAD软件，构建起标准化、批量化出图这一新型模式，极大的提高了绘图质量与设计效率。而BIM无疑提供了更加先进直观的设计模式，借助3D建筑模型为人们呈现出标准化、通用化的集成信息体。传统设计方法与基于BIM的设计方法主要存在以下区别：首先，设计依据方面。在传统的装配式混凝土结构设计模式下，是将3D建筑转变成为2D的三视图，设计人员需要依据众多建筑规范标准进行绘制，当涉及一些复杂结构时，则需要绘制大量平面图呈现出建筑设计细节。在这个过程当中，非常容易出现各种人为疏忽与纰漏，给后续施工环节造成较大影响。而BIM不仅可以直观地展示建筑，还可以准确定位某一结构的空间位置，对于那些复杂构件可以采用三维视图展示其结构形态。设计人员还可以借助BIM建立预制构件库，全面实现信息共享，还可以通过查看BIM信息模型及时检查是否存在设计缺陷，最大限度减少设计问题[5]；其次，设计思路方面。在传统的装配式混凝土结构设计中，是按照先整体后拆分这一思路完成方案设计，这种设计方法极大增加了构件数目和设计工作量，导致设计效率低下。而基于BIM进行装配式混凝土结构设计，可以将一些常用预制构件事先存入到构件库当中，设计人员直拉进行调用即可，从根本上满足了装配式混凝土结构设计工业化、模块化的发展需求，推动了建筑行业的健康发展。