装配式建筑结构设计关键点技术分析

2022-08-08孙杰王飞

中国建筑金属结构 2022年7期

孙杰王飞

0 引言

装配式建筑结构有不同的结构类型，适用范围很广，各种结构类型各有特征，从不同方面推动了装配式结构的发展；从分析装配式结构的设计入手，可以看出，在进行装配式结构的设计时，应先确定其设计原理，并强化其平面布局与三维图形的设计。在设计叠合板时，要根据跨度选用适当的叠合板；在进行剪力墙设计时，要注重保证竖向构件连接的可靠性；对楼梯进行设计时，要考虑梯板重量吊装问题，并对其进行细致的设计，以保证其使用性能。

1 装配式建筑的原则

装配式建筑的基本原则和现浇结构的基本原则是相同的：在混凝土构件厂将拆分的预制构件加工，运输到现场再用可靠的连接方式拼装连接成整体。在装配式建筑中，构件连接节点的数量较多，其连接性能的不同也会对工程质量产生一定的影响。要改善结构的整体抗震性能，必须针对实际情况，合理地进行结构节点的设计。装配式建筑结构既能有效提高建筑的使用效率，又能使建筑设计和建造之间达到整体的和谐统一。在实际施工中，可以预先进行有关构件的设计与预制，以保证在同一时间内完成其他的工作，从而有效地提高工作效率。在这种情况下，利用构件的重复性进行工厂化生产，不但可以大大提高工作效率，还可以保证构件的质量（图1 为装配式建筑展示图）。此外，装配式建筑结构是一种标准化施工技术，它可以推动建筑行业的整体规范。随着社会科学与科技的持续发展，材料与技术的飞速发展，制造结构所需要的零件越来越多，越来越精确。生产和施工技术的规范化，使得施工项目节约了投入资金，同时减少了返工费用。最后，在保证安全和可靠的情况下，装配式建筑的优点将会极大地提高施工效率，缩短工程工期。在实施工程技术作业时，所有施工企业都要进行大量的资料处理与分析，并运用计算机技术对工程整体进行分析与改善。因此，在施工中应用装配式建筑结构设计，既能提高施工质量，又能大大缩短工程工期，确保施工的质量与安全。

图1 装配式建筑展示

2 装配式建筑结构性能

2.1 保障建筑物的环境和安全

传统的现浇建筑施工现场受多种因素的影响，建筑质量参差不齐。如某个施工环节出了问题，将会对最终的工程质量和施工的安全性产生很大的影响。同时，由于缺少有效的管理环境，在过程中很容易出现不合理的运行，导致资源的浪费。在装配式建筑中，很多环节包括零件的装配和装修，都在工厂进行生产和加工，以保证操作的规范化，降低了噪音、灰尘、操作不利造成的影响，同时能有效保障建筑的环保与安全。

2.2 生产力的大幅度提升

在传统的施工技术中，各种材料在现场加工生产，比如钢筋在现场加工、连接，混凝土在现场浇筑，在一定程度上会造成工程现场的混乱，影响工程的最终质量，而装配式建筑构件在预制工厂进行生产，具有重复性集约化，规模化。在此背景下，可以应用于装配式建筑结构设计，从而大大提高了生产效率和生产力。

2.3 改善施工质量

由于工程建设的内容较多，现场施工过程中会出现各种矛盾，尤其是在缺乏监测的情况下，施工场地往往会出现脏、乱、差现象，严重影响了工程的质量和效益。而装配式建筑结构构件在工厂生产，无论是钢筋的绑扎连接，还是混凝土养护，都有利于现场质量的提升，从而有效确保了工程的质量。

3 装配式建筑结构设计关键点的探讨

3.1 重视装配式构件及连接设计

对混凝土结构承载力、变形、裂缝进行了测试，并对其进行了结构强度计算。此外，对于短时的颠覆、吊装、运输、堆放、安装等也要注意。在不同工况下，构件的拉力形态发生改变，或构件的强度未达到设计强度，从而使构件的最终截面尺寸和配筋也存在一定程度的差别。另外，在构件设计中，为了合理地分割构件的大小和尺寸，应选用适当的连接方式。在预制件的整体设计中，应注意预制件的连接，确保构件的安全可靠，符合技术规范。包括竖向构件常规的套筒灌浆连接，叠合梁、叠合板的连接、主次梁连接结构、预制柱与预制梁的连接结构等。

3.2 规范的设计过程

各有关企业应加强对设计单位的管理，不断优化与完善设计过程与制度，从制度上为设计企业提供有效保障。为设计者提供设计流程，并为他们的设计工作提供指导。同时，要加强对设计者的管理，使其能够更好地按照规范进行设计。在进行装配式建筑结构设计时，必须综合考虑各种因素对工程质量和抗震性能的影响。使其符合工程整体的要求，同时还要兼顾工程造价，防止工程造价与预算偏差。因此，设计者在设计时应尽量避开设计流程中的复杂构件，以保证构件的加工与生产与建筑进度同步。

3.3 设计预制件

预制件是预制板建造过程中的一个关键环节。在进行构件的设计时，应遵循模块化的原则，尽可能减少构件的类型，以获得准确、规范的构件，达到降低工程造价的目的。装配式建筑的主体构件有多种形式。现浇成形是目前应用最广泛的一种施工方式。同时，要考虑到当地的交通状况，包括加工能力、构件吊装等。同时，预制件的耐久性、耐火性等特性也应得到充分的体现。在设计预制件时，要保证产品的安全和制造的可能性。对大型预制件，可增设相关的拆卸和预埋吊点。根据不同的隔热要求，可以设计出满足保温节能要求的预制外墙。如图2 所示。

图2 预制外墙施工

3.4 构件类型的规范化

装配式建筑结构中的构件形式多样，因此必须确保构件种类、构件质量的规范化，以确保其设计质量和施工质量。首先，要保证整体的一致性，在进行设计时要认真考虑各种规范，并且要把这些规范有机地结合在一起，形成一个标准的布局。其次，在进行标准化的空间布局设计时，设计师要充分考虑到不同的户型以及周边的交通情况。在构件的设计中，还要兼顾电梯、楼梯之类的运输问题。建筑的设计要建立在住户自己的体验之上。另外，在设计时，要充分考虑到使用者的个性化需要，为使用者提供特定的空间，以保证不同的组合，满足业主的多元化需要。

3.5 楼梯结构设计

楼梯结构按照混凝土结构规范进行设计。在装配式结构设计中，为了增强结构的稳定性和整体的抗压承载力，通常采用预埋钢板和平台进行焊接。设计者在设计时应留意混凝土结构和护栏之间的细微差异。在吊装过程中，要考虑预制楼梯的升降通道，同时考虑钢筋通道、扶手等，确保在吊装过程中不会对预制楼梯造成损伤，同时保证楼梯的安装是一致的。在设计楼梯时，应充分考虑施工安装的要求，比如当建筑层高较高时，楼梯梯板相对较长，单个梯板构件重量一般会有3～4t，重量超过一般常规的塔吊规格。为节省人员、提高工程质量，建筑结构应按人的功效进行设计，如图3 所示。

图3 装配式楼梯

3.6 优化细节

首先，在方案设计时要考虑好相应的装配式要求，一般分为按国标或各省市装配式标准执行，要选择好相应的主体结构体系。平面规则、造型简单、立面简洁较少线条；或者虽然造型复杂但有很多标准层重复率高的建筑更容易实现标准化设计的目标，从而提高生产和施工效率，提高模具周转次数、降低成本。围护墙装饰保温一体化，可解决传统建筑的质量通病，采用吊顶方式进行管线分离以及采用同层排水、集成厨卫灯可提高建筑功能品质，延长建筑使用寿命。

3.7 降低费用

如果装配式建筑结构造价太高，很难在市场上得到普及，进而影响其应用与发展。因此，在进行装配式建筑结构的设计时，必须充分考虑到造价的影响，在保证工程质量的前提下，尽可能减少工程造价，目前规范要求装配率、预制率对项目成本影响很大。根据装配式建筑发展的规律，装配率越高，说明建筑重复率高，集约化程度高，成本应该越低，而发达国家的经验也已经证明。但实际在我国的情况相反，装配率越高，建筑成本反而越高。如果只采用预制水平构件（楼板、楼梯、阳台、设备平台）成本相对不高，但是按现行国家《装配式建筑评价标准》（GB/T 51231—2016）要求公建装配率达到60%，因此除了水平构件预制以外，还需要增加竖向预制构件，会导致成本增量进一步加大。因此，要在设计阶段对构件拆分问题进行充分预估，通过设计减少成本投入，从而提高工程效益。

3.8 合理安排建筑物的平面布置

为了尽量减少工程施工的困难，提高工程造价，设计者应注重规划的各个环节，以保证整体的建筑布置最合理，不管是在运输线路上，还是在吊车的位置上，都要保证最佳的平面布置。

3.9 掌握参量准则

（1）一般情况下，为了保证建筑物的结构设计合理，必须对各种不同的振动状况进行分析。根据不同的建筑类型来选择交通工具，如15 层以上的高楼。

（2）准确求取垂直分布的钢筋比例。通常采用实际配筋比例来确定钢筋的配筋比例，从而保证总体的计算精度，减小误差。若不按实际的配筋比例来计算，会使钢筋的抗弯性系数发生变化。

3.10 结构技术系统设计

在装配式建筑中，技术系统是决定其设计的关键。为了保证工程的质量，设计者应在设计和建造中不断强化这种技术。在生产结构设计中采用先进的技术，可以使结构设计系统得到进一步的改进与优化，从而促进整个建筑业的良性发展。结合我国建筑行业的实际情况，为了确保装配式建筑的整体设计质量，设计者应根据工程的具体情况，合理选取技术系统，并进行有针对性的设计。在工程实践中，设计者要加强对工程现场的研究，并根据工程的具体情况，对其进行风荷载、地震作用等分析，再进行结构形式的选取与设计，以保证技术系统的合理选取。

3.11 以BIM 技术深化结构设计

为了进一步提高工程的设计效率，在BIM 技术的基础上，应用BIM 技术三维设计方法进行了三维前向设计，以提高其施工质量。

（1）建立一个预制组件库。在进行预制构件的设计时，应充分考虑构件布局的科学合理性、构件规格的统一性、构件接缝的精确性、构件的总体形状、构件的构造、运输、施工等方面。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 模型的最佳化。进行BIM 的碰撞分析及环保分析，并对其结构及性能进行进一步优化。该项目采用BIM 技术进行钢筋深化，并根据设计图纸的要求，利用BIM 技术对预制块进行加固。同时，运用Revit 软件，对混凝土结构进行深度分析，强化钢筋排列与碰撞检测的合理性，对碰撞问题进行列举，并按试验结果进行维修，防止钢筋在浇注部位与预制件的连接处发生碰撞。

4 关于装配式建筑的结构设计有待完善之处

虽然装配式建筑结构设计在施工技术上具有很大的优越性，但是还存在很多不足之处。首先，装配式建筑结构设计的成本高于传统的浇筑混凝土建筑的成本，因此有必要降低和优化后续使用过程的成本，特别是在设计的早期，应确立标准化的原则，而预制构件应该是更小的规格和更多的组合，以有效促进工业化生产。其次，为了有效解决刚性节点安装效率低、施工难度大的问题，必须对预制混凝土构件的连接技术进行进一步的优化。该方法能够将预制件的连接特征相结合，进行固定刚性系统或不对称刚性部件的研究与改善，从而使其规范化、生产化。在此基础上，提出了基于国内预制构件设计、制造、安装一体化的长期发展目标，在预制构件的研制中，采用标准化模块化的产品，实现无现浇接头的技术，并将其连接尽可能地简化。着重于装配式建筑的一体化协同设计。将BIM 的生命周期信息与数据管理相结合，可以自动选择构件，智能迭代优化，以及智能装配。同时，该系统还能充分利用结构的主动性，使其在设计、施工中的工作效率得到了进一步的提升。