预制装配式建筑设计实践——以某地高层住宅为例

刘永琴

（山西建筑工程集团有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

混凝土是我国建筑工程最常使用的原材料，并且使用现浇施工的形式进行结构建设。现浇施工存在一定弊端，其存在能耗较高、科技水平低、对环境的污染较大、劳动力投入量大等问题，在这些问题的影响下建筑行业难以获得新突破，阻碍了建筑行业的可持续发展。随着城市化进程不断加快，各类建筑拔地而起。建筑工程的发展速度跟不上经济发展的速度，城市建设对建筑行业提出了更高的要求[1]。因此，为紧跟社会发展趋势，建筑领域兴起预制装配式建筑，因此建筑工程有了进一步的发展。

预制装配式结构在方案设计阶段需要大量配合，充分调动工程建设单位、工程设计者、相关构件生产方，各方相互配合完成建筑方案设计。因此，预制装配式建筑结构的设计与传统建筑有较大的区别，需要综合考量预制构建的生产与安装特点。预制装配式建筑的设计、生产、安装相互影响，只有多方面结合才能更好地完成预制装配建筑[2]。

当前阶段，国内、国外各机构均对预制装配式构建进行各项性能的检测，检测结果表示构建以及节点的受力程度完全符合建设要求，与现浇施工质量基本相同[3]。本文以现预制装配式建筑的设计为基础，对装配式建筑的设计要点、以及节点设计展开论述。

1 装配式建筑设计要点

预制装配式建筑将需要大量现场完成的建筑工作转移到工厂之中，工厂制造可以很大程度避免现场作业的干扰因素，提升建筑用件的质量与美观程度。预制装配式结构在方案设计阶段需要大量配合，充分调动工程建设单位、工程设计者、相关构件生产方，各方加强协作与配合完成建筑方案设计[4]。满足建筑的功能要求，是装配式建筑设计的核心，满足功能要求后还需要提升建筑工程的品质，并控制整个工程投入的经济成本，利用集成技术可以有效减少预制构件的种类，从而达到减少经济成本的目的。

1.1 装配式建筑的设计步骤

装配式建筑的设计步骤为技术策划、方案设计、初步设计、施工图设计、构件加工图设计阶段、内装修设计阶段，通过对整个建筑工程的综合分析，制定预制要求、做好成本规划，综合分析总结后得出建筑方案，每一步规划都是下一步骤的基础，多方通力合作才能做好装配式建筑的设计工作。

1.1.1 技术策划

前期技术规划有非常重要的地位，是整个装配式建筑的核心步骤。技术规划阶段需要对整个工程进行全面分析，根据建筑要求合理制定规模、制定预制要求、做好成本规划，综合分析总结后得出建筑方案，注重预制构件的标准化监督，避免构建不合规重新制作提升工程成本[5]。

1.1.2 方案设计

建筑规划完成后，以规划为基础初步进行装配建筑平面功能规划，从而使策划与设计有效衔接，确保装配式建筑的有效性。方案设计不仅需要满足建筑基础性能，做好将工程建筑成本规划。预制构件最好控制规格数量，提升多元组合率，做好初步设计准备。

1.1.3 初步设计

初步设计使将建筑位置、工程可行性以及经济性价比细化的过程，此阶段涉及多个专业，具有很强的专业性与综合性。按照合同与规划的要求确定水电、供暖管线位置以及需要浇筑部分的层数。执行项目标准确定建筑预制率，根据预制率确定使用预制构件的位置以及预制构件的种类、数量，通过预制率结果做出多元化预制构件的组合方案[6]。

1.1.4 施工图设计

根据初步设计绘制施工图，将各项数据体现于施工图之上。进一步深化构建的各项参数，形成技术性施工文件。

1.1.5 构件加工图设计阶段

以建筑对功能对结构受力性的要求对连接点进行设计，并进一步对加工图进行详细化。

1.1.6 内装修设计阶段

遵循一体化原则，综合考虑建筑与装修的和谐，满足对建筑工程环保、节能等要求，装配式建筑的设计流程如图1所示。

图1 装配式建筑的设计流程

1.2 平面设计要点

满足建筑的功能要求是装配式建筑设计的基础，满足功能要求后还需要提升建筑工程的品质，并控制整个工程投入的经济成本。所有的建筑平面设计必须符合国家相关规定，符合工程的整体规划。精准把握施工现场的情况，保证预制构建的适配性，做好构件原属通道与存放场地的预留。如果发生预放场地不足的情况，及时组织施工，为施工操作预留足够的空间[7]。

装配式建筑的设计要有总体感，需要牢牢把握全局。需要精准测量现场当时使用空间的尺寸，并根据施工过程中的现实情况适当进行针对性调整，因此不同时期下建筑的要求可能会发生改变。建筑应当使用大开间布置，可以在一定程度上降低预购件制作的难度，降低建筑的生产成本。大开间的设置由于面积较大，必须采用单元制设计，通过对单元受力特点的分析审计更加满足建筑条件的构件，提升建筑工程建设的便捷性[8]。

装配式建筑对建筑的形状的要求较为严格，保证建筑的安全性。铰接与刚接是装配构件连接的两种主要方式，有较强的抗震功能，并且建筑形状越规则安全性越高。建筑平面规整可以减少预制构件种类，降低经济成本与施工难度。

1.3 立面及剖面设计要点

建筑的外观设计应满足经济性与美观性的要求，因此预制建筑设计必须多元化，避免传统建筑的单调性。可以充分利用预制构件的特点多元化组合构件形成不同样式的套间，以达成多风格建筑的目的。立面的设计有以下6种方式：①多形式平面组合。②多元化建筑群组合。③充分利用光影效果。④变换门窗的布局与组合。⑤多样化利用外部装饰。⑦多元化构建预制构件的组合情况，使其有丰富的组合满足建筑的多样性[9]。

装配置建筑框架是由预制构件搭建的，立面与平面的设计更考验技术。设计中利用集成技术可以有效减少预制构件的种类，从而能达到减少经济成本的目的。科学化组合可以提升装配建筑的丰富性，提升建筑的美感，并且使建筑立面整齐划一，凸显建筑整洁的特点。

门窗大小以及样式的设计使立面设计的重点部分，保证建筑内部的通风与采光是立面设计的基础，并且保证门窗功能的基础上遵循节能与协调性原则[10]。门窗设计尽量简约大方，统一规格，并减少预制构件的种类，更便于大批量生产门窗，提升预制构件的生产效率，并且可以很大程度的降低现场安装的难度，提升各构件之间连接的稳固性。门窗立面率先考量连接处的承重问题，提升预制构件安装的安全性。门窗安装应通过对建筑整体的分析选择合适的位置，必须方便预制构件的安装工作。避免转角处设置窗户，转角处设置窗户不利于安装，转角窗预制构件的生产难度较大，并且影响整体工程的抗震性，降低工厂建筑的安全性。外挂板墙的尺寸是设计的要点，尺寸合理可以提升吊装的安全性与便捷性，并对综合因素进行考量，使门窗设计根据丰富性与多样化。

装配式建筑的外墙面装饰材料的选择应予整体建筑形式相匹配，符合整体审美要求，秉承绿色环保原则。装配式建筑的外墙板使提前生产好的预制式，工厂生产的外墙板质量与外观均优于现场操作。预制外墙板优先使用彩色混凝土，可以满足不同建筑设计的要求，并且选择反打工艺制作，可以提升预制外墙板的质量，延长使用寿命。

1.4 建筑设计协同

装配式建筑的规模与结构必须严格遵循设计原则，科学设计实现构件的多样化组合，提升施工的便捷性与高效性，控制构建的设计种类减少规格的数量。竖向构件应该满足直上直下的标准，建筑内所有门窗洞整齐划一、上下对齐。综合考量建筑内管井与管线的分布，使其相对集中，避免混合交叉与水平布置。预留公共区域的管线位置，与室内装修形成整体布局。

装配式建筑的建设依赖于前期各方的全力配合，对预制构件的设计、安装做出细化方案，使整体建筑更具协调性。根据初期方案科学做好平面设计、立面设计、剖面设计。平面设计以建筑基础功能为基础，经过多方的模数协调提升模板使用率。立面设计重视构件组合，实现建筑多样化。最后通过建筑设计协同使整体建筑系统化、标准化。

初步阶段的设计需要各专业的深度合作，将建筑外立面设计方案、构件组合方案等正式确定。考虑整体建筑效果后预留位置用以预埋件准备。对建筑资金进行细化分析，并评估其对实施方案性存在的影响，最终确定施工图。具体操作流程如下：①进一步深化初步设计，做好预制构件与连接点的设计，保证其符合标准化要求。②制定最终使用的装配率与预制率。③根据平面图的指示，对现场构件的运输、存储以及安装做出细化方案。④从多个方面综合研究构件连接节点安全性、合理性。⑤通过对整体建组规格的把握确定外墙装饰方案与预制工艺。⑥综合考虑经济、节能，选择性价比高的外墙保温材料。⑦对进行吊装的塔吊进行能力、距离的研究，并根据塔吊能力进一步优化构件尺寸，使构件安装更加便捷；优化构件的生产效率，制定好合理的构建运输路线，保证建筑工程开始后构建的供应；加强检查巡视安保工作，保证预制构件安装的安全性。

施工图设计阶段进一步深化各方的配合，做好构件组合并细化施工图。①外墙板挑选应严格、谨慎，墙板选择耐用的高质量材料，并且容易清洁。选择反打工艺的制品，分格材料做好尺寸的规划。②预制构件的选择应考虑到保温因素。③门窗制定与厂家做好沟通，必须保证尺寸与预制墙板完美契合，并做好安装的防水、隔音措施。④做好水电、暖通部分的协调，确定各部分管道线路的预留。管线进行集中处理，避免交叉。⑤个别管道会穿越墙体，提前做好规划并预留穿墙孔洞，安装管线需提前预埋件。

2 节点设计

节点的设计具有多样性，常用的连接方式为干连式、湿连式。节点将各个预制构件进行紧密的连接，使其成为一个完整的建筑主体。国内外都对节点的连接强度进行过测试，并得出节点设计的重要原则：①装配式建筑的节点必须符合建筑强度的标准，强化节点在建筑中的重要地位。②连接点必须具备较好的延展性。因此，节点连接的设计必须严格遵照上述标准，保证节点的安全性与稳定性。

2.1 连接叠合板

预制板与现场浇筑的混凝土相结合形成了叠合板，二者通过连接成为一个整体。叠合板使现在最常用于装配式建筑项目。连接叠合板的主要手段使预留钢筋，两块叠合板之间预留好现场浇筑的空间，通过毛处理提升二者之间的整体性，预制构件与现场浇筑常规采用钢筋连接[11]。叠合板连接如图2所示。

图2 两块叠合板之间连接节点

2.2 连接叠合板与叠合梁

叠合板将其受力面的荷载传递至与其强邻的叠合梁之上，叠合板下部分钢筋插入叠合梁的长度不能小于10cm。当单向板受力方向为垂直向上时，叠合板下部钢筋不能插入叠合梁之内，但是叠合板现浇部分需要使用钢筋进行补强。叠合板与叠合梁连接如图3所示。

图3 叠合板与叠合梁连接

2.3 叠合梁与预制柱连接的节点

叠合梁与预制柱连接的节点一般情况下使用现场浇筑的方式，将预制段的钢筋使用焊接或者弯折的方式进行加固。叠合梁与预制柱连接的节点做成上下契合的形状，以此提升该节点的延伸性。现场浇筑的节点部分可以使用跟高强度的混凝土，增加节点连接的稳定性。钢筋较为密集的节点可利用自密混凝土进行填充，加强节点连接的强度。

3 结语

预制装配式建筑打破传统建筑的建造方式，将需要大量现场完成的建筑工作转移到工厂之中，工厂制造可以最大限度避免现场作业的干扰因素，提升建筑用件的质量与美观程度。将规范化生产的预制构件运输到施工现场进行吊装，提升建筑的便捷性，并在一定程度上降低了经济成本。装配式建筑通过专业化设计、信息化管理，使建筑工程更具科学性，是现代化工业生产的重要代表。装配式建筑促进建筑行业朝着高效、便捷、规范化改变，建筑行业进入了全新的发展时代。预制装配建筑的实施符合经济、环保的理念，是促进建筑行业可持续发展的重要方向。