装配式建筑结构设计分析

蔡杞芝

湖南格瑞工程建设集团有限公司，湖南 长沙 410000

当前建筑技术逐渐向轻建筑系统发展，且将其应用于多层建筑。装配式建筑结构符合“绿色建筑”要求，也顺应了建筑行业可持续发展需求。结构设计是建筑项目建设的重要内容，在设计阶段需对项目要求、周边地质、结构性能等进行综合考量，并建立相应的建筑模型，绘制图纸，为后续施工提供依据。文章基于装配式建筑结构特征对具体设计方法进行说明。

1 装配式建筑结构概述

装配式建筑建筑指集合系统结构、外墙围护系统、设备综合管线与内装系统等部件的预制式建筑形式，其为系统性工程，主要是通过提前预制标准化构件，在现场组装成一体化建筑[1]。装配式建筑适用于非抗震设计与抗渗设防烈度为6～8度的乙类及以下民用建筑，主要结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框架-现浇核心筒结构等。此类建筑的主要特点如下：采用标准化生产模式，构件尺寸更为精准；生产效率高，现场拼装构件，工期缩短；减少工地湿作业，节约资源，污染较少；设计、生产与施工协同发展，应用BIM技术等，设计方案更为科学合理。

2 装配式建筑结构体系设计要点

2.1 设计流程

（1）方案阶段。方案设计阶段必须通知所有工程参与方组织会议，明确各自职权范围，对建筑平面设计方案、立面设计方案与户型等进行研讨并敲定，对厨房、卫生间等功能空间区域尺寸进行标准化处理，确定开窗等模数。对于预制构件，必须经过经济性与可行性方案论证，确保工程建设质量与经济效益。同时，生产厂家按照设计方案中提出的构件尺寸与节点构造参数等进行生产，对制作、运输与施工方案的经济性与可行性进行论证，确保结构布设的科学合理，节约成本。

（2）初步设计阶段。对户型中剪力墙体的位置进行调整，确定无异形楼板与墙板的空间位置关系。各专业部门必须共享信息，相互配合，对暖通工程管线、电力工程管线等布置方案进行模拟分析，目的是减少施工冲突。

（3）施工图阶段。采用计算机技术与BIM工程软件对施工图设计方案进行优化，以预制构件拼装为例，可创建相关模型，对构件连接方式等进行科学处理，如预制构件连接部位的处理方式等，如图1所示。深化设计阶段，预制构件生产厂家需提前做好孔洞预留、预埋件等工作，确保施工构件完整且美观。

图1 装配式预制件拼接显示模型

2.2 结构体系选择

当前装配式建筑结构体系主要分为装配整体式剪力墙结构、叠合剪力墙结构与整体框架结构[2]。设计过程中需对工程现场进行全面考察，确定建筑高程、抗震级别与风荷载水平，后基于现行规范合理选择结构形式。

2.3 构造节点设计

对于门窗等防水性能较差的位置，需细化构造节点设计方案，根据工程所处区域的气候特征与地质条件等进行设计。若忽略抗震性设计，结构主体荷载为风荷载，则构件节点设计需满足内力要求。若考虑抗震性能设计，主体荷载为地震荷载，地震荷载过大建筑结构可能呈塑性状态，则需基于极限状态应力特征进行承载力设计。

3 实例分析

某科技产业园综合楼建筑总面积为6346m2，地上6层楼，集办公、会议等于一体，为多功能建筑类型。经方案比选，最终选用预制装配整体式混凝土框架结构，装配率高达91.3%，为地区绿色建筑重点示范工程。

3.1 标准化设计

（1）平面标准化。项目平面规整，模数为2000mm，柱网尺寸分别为8000mm×8600mm、8000mm×6000mm。平面设计需对相同户型实行标准化设计，减少构件数量。综合楼2～5层为宿舍与部分办公室，采用规格相同的开窗与分板。设计单位经模拟计算与比较分析确定了遮阳板尺寸，符合“少规格、多组合”设计要求。

（2）立面标准化。因该项目楼层中空间功能多样，立面设计难度较大。为实现标准化生产目标，确保装配工作的有序进行，构件生产必须符合施工工艺特征与现场作业规范流程。该工程主跨位置装有2块外挂墙板，墙板开窗形式与窗口参数相同。按照当前绿色建筑相关规范与节能标准，需对预制外墙挂板进行合理设置，改善立面设计效果。预制外墙挂板与遮阳系统设计参数统一，建筑立面的秩序感较强，但外观也略显单调。为此，加设6组大窗，突出虚实对比，充分展现建筑结构线性轮廓，丰富立面效果。

（3）模数化。该项目设计严格遵循建筑模数协调标准，经计算分析确定，各构件模数如下：平面柱网模数为8m，预制外墙挂板模数为4m，预制遮阳板模数为1m。

3.2 结构设计

该项目中预制率为91.3%，预制构件主要包括预制柱、预制叠合梁、预制叠合板、预制复合外挂板、预制内墙板、预制楼梯板与预制女儿墙等[3]。工程基础采用锤击高强预应力混凝土管桩基础，地基设计等级设置为乙级。

预制柱尺寸为600mm×600mm，端头局部加设了尺寸为600mm×700mm的预制柱，有效提高了结构的整体抗扭刚度，上下层柱间采用单孔套筒灌浆连接方式；框架梁选用叠合梁，叠合层厚度为150mm，尺寸包括400mm×600mm、400mm×700mm两类，梁柱节点均采用梁主筋插入式进行处理；楼板均采用厚度为80mm的叠合板，要求四侧边不能出筋；外墙板为无机保温微孔混凝土复合板，厚度为250mm，复合板与上层梁叠合位置采用湿式连接法进行处理。

3.3 构造节点设计

该建筑预制外墙板水平缝、垂直缝、十字缝等接缝及门窗洞口等部位均选用耐久性强、力学性能突出且具有装饰性的材料。工程中选用的防水材料主要为发泡聚乙烯棒与密封胶，采用企口缝对建筑水平缝进行处理，垂直缝则采用综合处理模式，联合应用结构自防水、材料防水与构造防水措施。建筑中的所有门窗均采用先装法，这种防水构造形式能够提高建筑主体的防水性能，避免渗漏问题。

3.4 信息化协同管理

（1）方案阶段。根据工程前期现场勘察结果进行方案设计，采用适宜的技术类型有效避免设计、生产、施工及装修等环节的设计问题。例如该工程基于已提出的装配式技术路线与产业化目标，遵循构件拆分原则进行方案设计。对于尺寸、类型不同的预制构件，将实际构件尺寸、材料特性与位置等相关信息作为参考标准，创建基本的预制构件族，后依此建立Revit模型。对其中单个模型族的几何属性进行可视化分析，确定构件的数量与类型。

（2）施工图、深化图阶段。该工程应用BIM软件对预制构件的几何形状、物理参数等进行分析，为工程构件优化提供依据，确定最终构件的类型、数量。基于BIM技术对工程管线进行合理布设，协同土建与暖通工程等，在BIM平台上进行碰撞检测，明确预制构件、钢筋与预埋件等布设冲突，及时修改设计方案，就已确定的材料用量方案提出整改意见，以达到BIM技术在装配式建筑中的专业协同设计目的。该项目联合应用BIM技术与Revit模型进行协同设计，对“错、漏、碰、缺”进行细致检查。该工程中楼板、梁柱等构件的现场安装较为复杂，需预留孔洞，因此对原有结构设计方案提出了较高要求。为此，该工程将深化的BIM模型导入Navisworks软件，对每个节点进行智能化碰撞检查，然后将建筑、结构、机电模型等均导入Navisworks软件，进行碰撞检查，避免了管线与土建的碰撞问题。

4 结束语

综上所述，装配式建筑与传统建筑形式相较优势突出，表现为施工效率高、施工进度快、设计参数准确、绿色环保，具有较大的技术研究空间与发展潜力。在设计建筑结构时，可充分应用BIM信息技术对预制构件、结构布局等进行优化，确定平面模数、结构体系、预制构件节点等，确保装配式建筑结构体系符合设计要求，建筑防水、防渗性能理想。