装配式钢结构建筑深化设计研究

2022-04-16张元见

科技创新导报 2022年23期

张元见

（中冶建筑研究总院有限公司北京 100088）

现阶段，社会制造业及建筑业技术都在不断地发展与进步，升华到了一个新的层次。基于此，出现了装配式钢结构建筑形式，其打破了以往施工过程中存在的局限性，通过施工实践应用，有力地证明了装配式钢结构建筑的质量，所以，该建设形式得到了积极推广。为了推动装配式钢结构建筑形式不断发展，则需要加强对有关技术及理论知识的探究，最大限度地挖掘其优势与价值，进而从根本上提高建筑工程的施工质量。

1 装配式钢结构建筑设计的特点分析

1.1 流程细化

装配式建筑的综合性和全面性较强。相比于传统的建筑设计来说，装配式建筑更加注重建筑的整体化，所以，工作人员要在传统建筑设计的基础上加入预制构件加工图设计环节。

1.2 设计模块化

通过合理对建筑模数进行控制，有助于将建筑与构件进行统一，将模块进行组合，这样可以使得装配式钢结构的建筑标准更加规范化地发展［1］。

1.3 配合一体化

在设计的过程中，不同专业之间要相互配合，加强主体结构与预制构件的一体性，不断优化和改进设计的效果。

1.4 技术信息化

通过借助BIM技术对装配式钢结构建筑进行深化设计，可以有效提高构件设计过程中的准确性和可靠性［2］，其中涉及技术策划、工程方案设计等多个环节。

1.5 操作便捷化

装配式钢结构是利用工程设计软件进行开发与配置的建筑结构，可以在很大程度上缩短设计周期，提高设计成果的准确性与可靠性。使用工程建模软件和结构分析软件，能够更加合理地分析钢结构的尺寸与内部应力情况，而且若后期需要修改，操作也非常方便［2］。技术人员在制造钢结构构件的过程中，需要综合应用三维模型及数控机床，在保障钢结构构件成型之后，才可以将其投入到生产线中，落实制造与设计的一体化操作［3］，在增强钢结构构件精确度的同时，减少设计与建设的时间。

2 我国装配式钢结构建筑现状

2.1 设计方法落后

与传统的建筑设计形式比较来说，装配式钢结构建筑在设计结构体系、定位平面及确定基本模数等多个不同的方面都存在较大的差异。在制订施工方案时，专用结构体系与通用结构体系相比差异不大，而且工作人员并没有对标准化及数模化的设计思想给予充足的重视。在设计施工图的过程中，没有对结构构件和装配节点进行深入探究，对于部分构件的标准模型及装配节点的构造设计也没有采取有效措施进行处理，这会影响到装配式钢结构建筑的进一步优化发展。

2.2 缺乏设计的标准规范

由于装配式钢结构建筑在我国起步较晚，因此涉及相关设计及施工标准等规范文件数量较少，同时也没有设置有关的施工技术、施工工法、安全规定等。与国外发达国家的装配式钢结构建筑发展比较而言，我国在装配式钢结构建筑设计标准制定方面相对滞后，进而使得装配式钢结构建筑在设计、审批和验收的环节缺乏相应的标准约束［4］。

2.3 钢结构部件发展滞后

对装配式钢结构建筑进行分类，可以按照结构体系分成木结构、钢结构（PS）与预制混凝土结构（PC）3种。钢结构是现阶段非常流行的装配式建筑，与预制混凝土结构的不同之处在于，装配式建筑的主要承重构件材料都是钢质材料，一般情况下，各个部件是在施工现场采取焊接、螺栓或者是铆钉的方式连接在一起［5］。这些操作对于钢结构部件要求非常严格，但是，我国建筑市场对于钢材料需求比较少，这在一定程度上影响了产品的工业化发展，导致无法有效保障钢材料的质量，因此，会直接给装配式钢结构建筑发展带来不良影响。

3 装配式钢结构建筑深化设计分析

3.1 建筑设计

受当代人们思想观念的影响，现阶段，建筑除了具有高质量以外，还需要具有美观性与舒适性，更重要的是，要具有环保经济的特点，可以满足人们的生活需求。因此，对装配式钢结构建筑进行深化设计的过程中，需要围绕这些方面实施相关设计。

3.1.1 平面设计

（1）在设计建筑平面时，需要优化承重物的分布情况，确保建筑垂直方向上的承重结构应力可以分布均匀。

（2）在设计门窗、洞口等的过程中，由于预制件具有精确性的特点，所以，可以确保上下对齐，同时几何尺寸符合建筑结构的受力需要［6］。

3.1.2 立面、外墙设计

为了尽可能地符合当代人们的居住需求，在对装配式钢结构建筑进行深化设计的过程中，要注意以下方面。（1）注重预制件结构设计的美观性，在确保满足建筑基础功能的同时，让建筑更加赏心悦目。（2）为了提高建筑的经济性和环保性，在深化设计的过程中，需要对预制件拼接结构进行检查，确定其是否存在缝隙，若有则需要及时填补，而且还需要准确掌握整体建筑结构的薄弱之处，从根本上改善建筑内部的环境［7］。

3.1.3 门窗安装节点设计

在门窗安装节点的设计过程中，使用工厂制作的预制内外墙板，其尺寸必须要满足整体的需求。设计门窗的过程中，可以充分发挥这个优势，选择无门窗副框安装的方式，然后，在实际施工过程中将两者相连接，有效处理外墙和外窗洞口的接缝处的防渗漏问题。

3.1.4 小型金属构件设计

对于小型金属构件的设计工作来说，制作人员为了保障其能够满足整体建筑的电气设备安装需求，在进行深化设计时，必须要计算金属预埋件的实际埋设位置及相关数据状况，确保埋设位置的精确性与可靠性，进而有效地防止预埋件和其他的建筑结构发生冲突。不仅如此，在深化设计的过程中，埋设预埋件的位置应该较为隐蔽和集中，这样能够有效地提高建筑内部的美观性。

3.2 结构设计

结构设计原则如下。（1）在设计过程中，考虑到建筑持久性方面时，对预制构件的承载力、变形及裂缝采取有效措施进行控制，并通过有关的计算公式进行验算。（2）考虑到建筑抗震能力时，要对预制构件的承载能力进行验算。（3）在实际的设计过程中，工作人员需要全面考虑预制构件的制作、运输及安装等很多方面不同的内容，在验算时，要保证相关数据符合国家的标准规定。（4）对于一些起固定连接作用的预制件和预埋件来说，设计的过程中应该尽可能不使用，如果必须要使用这两种预制件，那么工作人员就需要根据施工的实际状况，在满足各项数据的状态下进行合理选择［8］。

3.2.1 参数验算

在对参数进行验算时，如果已经达到了结构承载能力的极限或者是正常使用的极限水平，工作人员就需要对建筑结构的构件承载能力及形变指标等相关数据进行精确的计算分析。例如，建筑整理的抗震设计就需要对承载力进行验算，然后，根据施工的标准规定来进行执行，特别是对于预制构件来说，在制作的过程中也必须要保证相关数据的验算准确性。

3.2.2 梁柱节点设计

在进行实际的焊接工作过程中，工作人员需要将引弧板放置在翼缘坡口的两边，并在其下方设计一个扇形的切角。在后续的设计过程中，需要用圆弧来将钢梁翼缘和扇形切角端部的连接处过渡，并对两边进行有效的焊接工作，使得二者能够相互连接起来。在后续的焊接过程中，施工人员如果发现板的厚度低于16mm，那么可以采用双面角焊缝，焊缝厚度需要确保不小于5mm，这样才能提高其稳定性；若板厚度大于16mm，则需要使用K 字形的坡口，将焊缝对接起来。深化设计时，需要严格掌控主体结构，为设计方案的质量提供保障。

3.3 机电设备设计

3.3.1 给排水管道的预留预埋

通常情况下，给排水管道的预留预埋有两种形式：预埋管线和预留管道槽。设计时，需考虑下列内容。（1）按照给排水管线及型号，在构件生产图纸中，准确地表示出预留管道槽的位置。（2）在设计预留管道槽的过程中，需要对管道安装及调试过程中需要的空间范围进行考虑，对于管道弯头处的位置，工作人员需要有效提升预留槽的深度，然后在管道弯头处匹配预留槽。（3）预留管道槽的深度不仅要满足预留管道的尺寸，同时也要防止因预留的空间太小，以致在建筑施工完成之后会出现管道外漏的情况。

3.3.2 燃气专业预留预埋

燃气专业的预埋工作中，非常重要的就是入户管道和外墙的预留设计，施工人员必须对燃气专业的预埋管道进行进一步的设计优化，特别是燃气管道内部的空间与尺寸一定要符合相应的设计标准。

3.3.3 电气管线预留预埋

该项设计重点在于预制墙板中电气管线的预留和预埋。通常情况下，需要对下列方面进行考虑。（1）需要确保墙板上材质不同的管线都满足施工的强弱电专业标准。（2）在后续的施工过程中，施工中所使用到的管线必须要满足数量和质量的需求，这样才能够有效提升电气管线的预埋质量。（3）在完成管线的预埋工作后，需要重视后续的维修管理。

3.4 管线综合深化设计

（1）需要先布置管线较大的管线，之后再布置管径较小的管线，即“小的要避让大的”。

（2）由于重力管线主要是借助重力作用输送流体，因此，压力管线与重力管线在布置的过程中很容易出现相互交叉的现象。工作人员在设计时，要考虑到两种管线距离，对重力管线的标高进行重新的设计规划。

（3）在安装热水管道时，工作人员必须先对保温层进行施工设计，因为热水管道整体的施工成本会比冷水管道的施工成本更高，所以，在设计热水管道时要优先设计，合理控制整体的设计成本。

（4）在施工中，工作人员需要将流体管道和将电缆桥架分开，如果实际施工情况不允许将二者分开布置的话，那么就需要先将电缆桥架放置在流体管道的上部分，这样放置可以避免流体管道被破坏，从而使得电缆电线出现外漏，而且需要通过设置套管的形式保护电缆。

（5）工作人员针对于管路附件少的管道施工时，必须先让这些管路附件多的管道来施工，通过这样的方式，可以有效改善后续管道附件的维护与优化管理工作。在设计管道时，尽量把管道设计为直形，实现管道之间平行不交叉，有利于施工初期的安装、施工后期的检修与维护，进而科学合理地减少工程成本支出。

4 装配式钢结构建筑深化设计案例分析

4.1 工程概述

该工程项目的实际建筑面积为1万㎡，其中，地下总面积占到了4600㎡。该建筑工程应用装配式钢结构，建筑面积要求100%，单体预制率要高于40%。所以，在实际的施工过程中，该建筑工程项目主要使用了装配式结构，地上建筑楼层总共10层，每层3.6m，总高43.1m。

4.2 标准化设计

对该建筑工程项目实施装配式的拆分，有效地减少了预制构件的种类，为构件的生产和安装提供了便利。

4.3 深化设计

4.3.1 参数化组件开发

装配式钢结构建筑的设计工作中，钢筋等类型的预制构件的设计工作是非常复杂、困难的。因此，BIM技术在该项工程中的实际应用受到了一定的限制，工作人员为了尽可能地提升装配式钢结构建筑模块的建设效率，可以通过利用Tekla软件的二次开发接口来进行优化，然后对预制柱的主次梁进行进一步的开发。后续工作人员通过设置参数来对预制的构件钢筋进行优化设计，在三维模型的基础上，形成装配式钢结构建筑的设计图纸，进而从根本上提高设计的效率。

4.3.2 智能碰撞检查

使用Tekla 软件进行装配式钢结构建筑深化设计的过程中，因为预制构件是在工厂生产之后再输送到施工现场，所以，为了提高安装的精确性和准确度，需要将预制构件的深化设计工作落实到位，科学合理地掌控生产进度。对于该建筑项目而言，其中涉及了大概2000个构件，如果想要在根本上确保构件安装的精度，最大限度地减小误差，采用人工校对的方式工作量非常庞大，但是，通过软件对构件碰撞和钢筋冲突情况进行自动化的检测，可以显著地提高工作效率。

4.3.3 自动生成图纸

使用软件进行装配式钢结构建筑深化设计的过程中，由于建筑构件的数量非常庞大，如果使用以往的二维的生成方式，那么整体图纸的生成是非常困难的，工作量较大且较为复杂，在生成图纸后，后期的修改工作难度较高。如果使用Tekla模型，就可以自动生成整体结构的建筑图纸，如果在此过程中需要修改数据，可以设置有关参数，然后系统可以自动对图纸进行更新。

4.4 深化设计效果

对装配式钢结构建筑进行深化设计，可以及时发现设计过程中存在的问题，进而最大限度地降低后期施工出现变更的概率，不但能够减小建筑成本投入，同时有助于提高工作效率。与以往建筑结构设计存在区别的是装配式建筑设计更加重视与施工的相互结合，在对构件进行拆分的过程中，需要综合构件运输和吊装的方面全面考虑。使用BIM技术，可以推动设计朝着信息化的方向发展，对于当代建筑领域而言值得积极推广，但现阶段的装配式结构设计软件还有待深入开发和探究。