装配式建筑结构设计关键点分析

蒋国灼

广东华方工程设计有限公司，广东 广州 510120

目前，我国已经进入新的“工业化革命”时期，但是与发达国家相比，我国预制装配式建筑工业化发展进程迟缓。结构设计人员需要结合业主方的建设要求和装配式结构工程实际情况，全面关注结构体系、结构节点和预制构件等关键环节，进行结构布置多方案比选和合理的节点设计，从而制订科学可行的装配式结构设计方案，让装配式结构设计更具规范性、合理性和专业性。

1 工程概况

文章重点分析的案例为广东某剪力墙结构住宅，总建筑面积约为50689.87m2，包括4栋高层住宅楼、1栋商业和配电房。其中1、2栋层数为27层，3栋层数为22层，5栋层数为21层，设计抗震设防烈度为7度（0.10g）。所有住宅楼的装配率不小于50%，1、2栋的预制率满足40%，其中1栋住宅楼预制率为41.4%，2栋住宅楼预制率为40.8%，3、5栋的预制率需满足20%，预制率为36.6%。该项目工程高层住宅楼除了公共区域内墙布置不同，其他都采用了相同预制构件种类，装配式结构类型为全现浇混凝土外墙、预制内墙、叠合楼板、预制空调板、预制楼梯。该结构方案不仅提高了项目的建筑户型标准化程度，而且构件重复率高，提高了构件模板复用率，实现了提质增效目标。

2 装配式结构设计关键点分析

该项目装配式结构所用到的预制构件全部由厂家流水线加工制作完成，项目装配式标准化设计包括楼型标准化、户型标准化和厨卫模块标准化，其中户型标准主要为户型模块标准化和开间模数标准化，通过采用两种基本户型模块，便于项目实现产业化设计。项目设计中运用BIM三维正向设计方法，建立预制构件库、结构设计、结构分析、装配式BIM深化设计，将BIM技术的优势与装配式结构设计相结合，模拟各部分预制构件安装，完成信息的互动和传递，进一步提高装配式的精确度。综合分析，该装配式结构工程设计主要围绕以下关键阶段展开。

2.1 基础设计流程优化

进行装配式结构设计前，需要全面了解项目建设场地实际情况、项目建设规模和项目造价要求等，同时结合相关标准文件要求，对非砌筑内隔墙、内隔墙墙面、内隔墙与管线一体化部分内容进行设计流程优化，而且要设计概括出项目的基础数据。在明确这些基础数据之后，还需要保证各构件连接节点位置的合理性和尺寸的科学性。另外，设计人员还需要加强对结构设计中装配式构件生产技术要求的了解，通过预制件与管线预埋之间协调、设计流程的调整，使各构件的受力更为合理。加强与施工单位的联系，共同商讨各项技术流程和技术实施方案，为结构设计优化提供支持，确保结构设计环节的顺利开展。

2.2 预制构件标准化设计

进行住宅楼的预制构件标准化设计时，需要结合该装配式住宅项目的建筑参数和当地施工单位的吊装水平进行设计，不仅要确保构件节点的科学性，符合混凝土结构产业化住宅项目技术管理要点各项规定，还需要在遵循“少规格、多组合”的设计原则基础上，采用相同的楼梯、空调板及内墙板预制构件。同时，为了确保该装配式项目结构的安全性，需要全面了解构件的受力情况，结合不同位置构件的承载能力进行设计。另外，预制构件的制作需要充分考虑机电管线位置、建筑部件等安装要求，实现建筑质量的提高。下面主要结合2栋住宅楼进行预制水平构件和全现浇外围护墙具体分析。

2栋住宅楼预制水平构件主要包括叠合楼板、全预制空调板和预制楼梯，其中预制楼梯应用于首层及以上楼层部位，叠合楼板、全预制空调板应用于第2层及以上部位，不包括屋面层。该项目的叠合板选用桁架钢筋混凝土叠合板，其中单向板采用分离式后浇接缝进行连接，如图1所示，有效地避免了密拼接缝连接有沿可能板缝出现裂缝的问题。双向板采用整体式接缝连接，接缝采用后浇带形式，后浇带两侧板底纵向受力钢筋在后浇带中采用锚固搭接连接，预制底板外伸钢筋端部采用135°弯钩。2栋住宅楼的水平构件应用比例为85.7%。

图1 分离式后浇接缝形式

该项目采用全现浇外围护墙外围，新型建筑围护墙体的应用能有效提高建筑品质，同时改变建筑模式。该项目装配式结构外墙采用全现浇外墙设计，一次性浇筑成型墙体，不易产生漏缝，省时省力。同时，采用一种结构拉缝技术，利用结构拉缝解决不同墙体间连接刚度问题，使建筑结构受力良好，避免墙体不避震和开裂问题出现。一般来说，结构拉缝主要采用左、右、下三边拉缝或左（右）下两边拉缝与主体剪力墙隔开，结构拉缝立面示意图如图2所示。另外，为了避免竖向拉缝材料移位，项目交替分段进行结构拉缝构造墙体和承重剪力墙体混凝土的浇筑。通过借助拉缝构造墙，减少了砌筑、抹灰、贴砖等湿作业交叉工序作业，该项目实现了节约工期的目标。

图2 结构拉缝立面示意图

2.3 以BIM技术深化结构设计

为了进一步提升工程设计的有效性，该项目将装配式结构设计与BIM技术相结合，运用BIM三维正向设计方法提高装配式建筑结构的精确度。

（1）建立预制构件库。在装配式建筑结构设计中，最终的拆分设计图不仅需要综合考虑建筑结构布置的科学合理性、构件规格的统一性、构件接缝位置的精准性，还需要考虑对建筑整体造型的影响，以及预制构件生产、运输和施工吊装可行性等。在该项目预制构件库创建完成后，以“预制构件库”为导向，利用BIM技术对装配式结构进行拆分处理，主要结合构件的类型、荷载大小、层高等条件，通过拆分与组合等不同的操作，减少装配式预制件类型。

（2）BIM模型优化。进行BIM碰撞分析、绿色分析，并对结构功能进行进一步优化。该项目钢筋深化设计中应用了BIM技术，在结合设计图纸要求的基础上，借助BIM技术开展混凝土预制件的钢筋排布。同时，借助Revit软件建立深化设计3D模型，加强对钢筋排布合理性和碰撞检查，列出全部碰撞问题，按照该结果开展检修，以免出现现浇位置和预制构件连接点钢筋的碰撞问题。

3 结论

该项目装配式结构设计在充分结合项目特点的基础上，在满足相关要求的同时，实现了外围护墙的非砌筑应用比例高于80%，墙体与保温、装饰一体化比例高于80%，内隔墙非砌筑应用比例高于80%，卫生间集成管线和吊顶比例高于90%，厨房集成管线和吊顶比例高于90%，达到了提质增效的目的。另外，在项目施工过程中基本没有出现由于设计原因而修改的情况，这也表明该项目通过各专业集成设计前置是具有一定优势的，但仍存在需要改进或后续研究的地方，具体如下：

（1）装配式结构建筑造价高于传统现浇混凝土结构建筑，需要在降低造价上进行优化，在设计前期树立标准化原则，通过预制构件少规格、多组合推动工业化生产。

（2）目前，我国建筑行业使用较多的装配式节点连接方式还有待改善，需要在装配式混凝土构件连接技术上进行优化。结合装配式工程实践中存在的安装效率低、刚性节点构造处理困难等问题，可结合装配式建筑的节点连接特点进行定刚度体系或非对称刚度构件的研究与改进，提升构件的标准化和产品化程度。

（3）结合我国远期装配式建筑结构设计、生产、安装一体化和智能化的发展目标，在进行装配式结构实践研究的过程中，推动标准模块化产品应用，实现无现浇连接处理，最大化简化连接。强调装配式建筑集成与协调设计，结合全生命周期BIM信息数据管理系统，实现自动选择构件、智能迭代计算优化和搭积木式智能安装，同时充分发挥结构专业主动担当、积极协调的作用，进一步提高设计及安装效率。