装配式绿色建筑梁柱节点固定方法研究

2022-12-31胡智源山西应用科技学院

中国建筑装饰装修 2022年13期

胡智源山西应用科技学院

随着经济、科技的飞速发展及绿色发展理念的不断深入，我国城市中出现了越来越多的装配式绿色建筑。装配式绿色建筑由于既具有装配式建筑的优势，又具有绿色建筑的优势，已成为我国建筑的主要趋势。但装配式绿色建筑的设计要求也相对较高，尤其是梁柱节点固定设计。为有效提高其梁柱节点固定设计水平，应加强相关实践与研究，寻找科学有效的措施。

1 装配式绿色建筑的概念

装配式绿色建筑是装配式建筑与绿色建筑的结合。在装配式建筑的建造模式方面，可以将其类比为机械设备的生产模式，即先提前在零部件工厂中加工好各类零部件，再将零部件统一运送到机械设备生产工厂中拼装组合成机械设备产品。装配式建筑具备以下几个特征：一是标准化设计，在一定共性条件下对各类预制结构和构件实施统一的标准，采取统一的模式；二是工厂化生产，遵照特定的标准提前批量化生产品质统一的预制结构和构件；三是综合成本低，主要因为减少了现场施工，实现了预制结构和构件的批量生产；四是节能环保，主要因为无废料、少污染[1]。

而绿色建筑是一种致力于实现节约资源、减少污染、保护环境、与自然和谐共生，提供健康、适用、高效使用空间的建筑，要求在建筑全寿命周期内尽可能将对各种资源、能源的消耗量控制在最低水平，同时实现各种污染物质（如废气、废水、废渣）排放量的最低化[2-3]。建设绿色建筑的根本目的是推动生态环境与建筑的协调发展。

2 装配式绿色建筑梁柱节点固定设计概述

在装配式绿色建筑设计中，梁柱节点固定设计是重点也是难点，其目的是提高结构整体的稳定性，使结构的应力可靠。因此，有必要针对装配式绿色建筑梁柱节点固定设计方面的问题展开深入研究，找出更加科学、合理且有效的方法。一般来说，在具体梁柱节点固定设计实践中，都是基于装配式绿色建筑梁柱节点力学参数优化指标，同时结合数值模拟与力学分析设计梁柱节点固定方案。

在相关固定技术方面，目前常用的装配式绿色建筑梁柱节点固定技术主要有3 种，分别是锚节点固定技术、基坑固定技术以及对拉钢筋固定技术。应根据装配式绿色建筑的实际情况及其梁柱节点的固定要求选择适合的固定技术，并结合双钢板混凝土组合墙的设计形式，最大限度保证梁柱节点的稳定性。

3 装配式绿色建筑梁柱节点固定设计的优化策略

目前，针对装配式绿色建筑梁柱节点固定设计相关方面的问题，不同业内人士提出过不同的方法。例如，有业内人士提出借助承载力与刚度，并根据裂缝形态对梁柱节点实施固定控制，根据其实际的锚固性能进行全面分析和有效参数解析。该方法在具体的实践应用中虽然实现了梁柱节点的固定，但仍存在固定搭接强度不够理想的问题[4]。

还有业内人士提出以若干非接触式的锚固钢筋为基础，对梁柱节点实施固定控制。该方法在具体的实践应用中虽然从细节构造方面提高了梁柱节点固定的可靠性、从传力机制方面提高了梁柱节点固定的稳定性，但客观存在相应理论和试验支撑不足的问题[5]。

基于此，本文针对现有各种方法中存在的这些问题提出一种新的梁柱节点固定策略，即依托于节点受剪性能对整体结构实施全面优化。首先，利用框架中节点混凝土应力分析法，通过科学、全面的分析合理选择出剪力墙结构的埋件锚固方式；其次，基于预应力度与屈服响应分析，实现梁柱节点的等强连接；最后，通过缩短搭接钢筋与钢板间的距离、增大钢筋与钢板间的不平衡力矩来提高梁柱节点固定的稳定性和可靠性。

3.1 梁柱节点连接形式

在装配式绿色建筑梁柱节点固定设计中，对于具体梁柱节点连接形式的确定是一项关键问题。在具体的实践应用中，结合具体的梁柱节点应力参数进行分析，基础选用的是钢筋混凝土筏板，对嵌入式锚固法、埋件式锚固法两种方法进行综合利用，建立梁柱节点的锚固连接模块，结合各种先进的固定技术，配置双钢板混凝土组合墙，并充分借助梁柱节点两侧的栓钉，以达到最终的梁柱节点固定目的。

由于基础是钢筋混凝土筏板，因此需要先在梁柱节点的嵌入钢板上做穿孔处理，再采用锚杆固定法。与此同时，针对带肋钢筋采用埋件式锚固法实现有效搭接，并结合相应的力学参数分析，依据对拉钢筋检测结果和钢板应变检测结果合理确定梁柱节点的墙—钢筋混凝土基础参数，以此来进一步优化配置，提高梁柱单元的抗震性能。

3.2 梁柱节点材料的本构关系

在装配式绿色建筑梁柱节点固定中，需要应用多种多样的梁柱节点材料，因此在进行梁柱节点固定设计之前，先要深入研究装配式绿色建筑梁柱节点材料的本构关系。一般情况下，梁柱节点材料主要应用在墙面预处理的粘接中、贴墙的粘接中、板材的粘接中、陶瓷墙地砖铺设的粘接中、地板铺设的粘接中以及地毯铺设的粘接中等。总的来说，梁柱节点材料的应用一是能够大大提高防水性能，二是能够大大提高密封性能，三是能够大大提高弹性性能，四是能够大大提高抗冲击性能，而这些性能既关系着建筑的美观度与舒适度，又关系着实际施工质量和施工效率。

在具体的实践应用中，采用框架中节点的混凝土应力分析法对梁柱节点的承载力与预应力进行准确计算，构建梁柱节点材料的本构关系模型，再进一步针对单轴受力下的梁柱节点本构关系展开分析。

3.3 梁柱节点受剪性能整体结构的参数分析

首先，通过采取搭接钢筋的具体布置方式，综合且全面地分析梁柱节点的搭接传力情况，对其节点的承载力、刚度等重要参数进行充分明确，构建梁柱节点的应力参数分析模型，实现在钢板底部焊接的钢板间对柱与基础锚固区域的应力参数进行解算。其次，构建抗剪承载力计算模型，结合埋件式锚固法，依据预应力度分析、屈服响应分析等明确节点纵向强度。最后，构建有限元模型，计算混凝土受压应力。

3.4 梁柱节点应力优化

通过静力单调拉伸试验法，使钢筋与钢板间的不平衡力矩增大，构建梁柱节点搭接模型，得出搭接位置变化指标。参考锚杆体支护的实际顺序，根据具体的混凝土支撑柱情况来综合、全面详细地对梁柱节点的应力结构参数展开分析，真正实现梁柱节点的强有力固定。

4 装配式绿色建筑梁柱节点固定的BIM 设计

在装配式绿色建筑梁柱节点固定设计中，可以引入先进的BIM 技术，基于BIM 系统进行设计优化。BIM 技术主要有以下几个优势：一是模拟性，在建筑设计过程中通过结合BIM 技术可以行之有效地实现对设计方案的全方位模拟，从而及时检测出设计方案中的不足之处，并摆脱了时间、空间对建筑设计的限制，支持随时随地观看模拟结果、进行设计优化调整；二是协调性，利用BIM 技术进行建筑设计，可以通过有效协调多方来实现对设计方案的合理优化；三是可视化，在利用BIM 技术开展具体的建筑设计工作时，可以构建出一个建筑三维BIM 模型，从而将建筑空间结构关系显示出来，实现可视化[6-8]。

4.1 梁柱节点构件优化设计

梁柱节点构件设计是装配式绿色建筑梁柱节点固定设计中的关键，利用BIM技术可以实现梁柱节点构件的优化设计。

首先，应明确标准化与模数化原则，尽量减少梁柱节点构件类型，从而降低成本，同时对于一些较为复杂的梁柱节点构件，若采用预制构件无法满足要求，则可以选择采用现浇方式进行处理。其次，需做好对梁柱节点构件在加工、生产以及运输等各项环节的综合性分析，尤其要充分考虑到构件生产和运输的可行性与便利性。再次，在梁柱节点构件的拆分方面，BIM 系统中的Structural Precast for Revit 插件具有重要的应用价值，通过该插件可对构件进行合理分类与高效整理。最后，在梁柱节点构件深化设计中，需先基于BIM 系统建立一个完善的构件库，从构件库中选择合适的梁柱节点构件，并构建相应的建筑三维BIM 模型，从而辅助开展深化设计。

4.2 方案可视化设计

传统的建筑设计中主要是应用CAD二维设计系统，但很容易出现数据错误或一些其他方面的问题。BIM 技术具有可视化设计功能，因此利用BIM 技术进行装配式绿色建筑梁柱节点固定设计能够将梁柱节点的相关信息数据直观、清晰地展示出来，以实现梁柱节点固定方案的可视化设计。

首先，在实践中，只需在BIM 系统中输入装配式绿色建筑梁柱节点的相关信息数据，以构建出相应的建筑三维BIM模型，即能够清晰全面地展示出梁柱节点固定设计方案。其次，基于BIM 技术能够从全局上把控装配式绿色建筑梁柱节点固定设计中的数据修改问题，并自动实现设计更新，从而大大提升设计的科学性与合理性。最后，依托建筑三维BIM 模型能够有效发现实际装配式绿色建筑梁柱节点固定方案中存在的缺陷，从而在施工前及时发现和解决问题，避免后期出现返工情况。

4.3 智能化设计

BIM 设计本质是利用了“族”的方式来体现建筑工程中的各类构件，从而及时进行设计反馈，为后续设计提供科学参考。依托BIM 系统中自带的Revita、MagiCAD 等先进绘图软件和插件，可以根据实际需求对装配式绿色建筑梁柱节点构件做出任意调整和修改，并精准确定各类组件的具体位置，实时掌握组件在不同位置时的具体表现情况，从而大大提升设计的智能化水平。

4.4 多专业协同设计

梁柱节点固定设计是装配式绿色建筑设计中的重要内容之一，其并非一项完全独立的工作，而是与其他专业的设计相互联系、相互影响。因此在装配式绿色建筑梁柱节点固定设计中，需与其他专业做好配合，通过多专业协同来有效完成设计工作，从而避免不同专业之间产生冲突。

BIM 技术是目前最有效的多专业协同设计技术，在BIM 系统中构建出建筑三维BIM 模型后，将梁柱节点固定设计与其他专业设计进行互通，即可轻松实现多专业协同设计，无论哪个专业的哪项设计发生了改变，梁柱节点固定设计中与其相关联的部分也都会随之进行自动调整。

4.5 模拟施工演示

模拟性功能是BIM 技术的代表性功能之一，利用BIM 技术进行装配式绿色建筑梁柱节点固定设计能够实现对梁柱节点固定施工全过程的有效模拟演示。在实践中，只需在BIM 系统中输入装配式绿色建筑梁柱节点的相关信息数据，以构建出相应的建筑三维BIM 模型，再基于建筑三维BIM 模型来仿真模拟梁柱节点固定施工的过程。当整个施工过程被模拟出来以后，便能在施工前发现一些与实际施工相悖的设计缺陷或不合理地方，并及时进行优化调整。

4.6 碰撞检测

在建筑设计中，碰撞检测是一项重要工作，其目的是检查建筑设计方案中各部分之间是否存在冲突，若存在冲突，则需进行优化调整。由于BIM 系统具备碰撞检测功能，利用BIM 技术进行装配式绿色建筑梁柱节点固定设计能够实现对梁柱节点固定方案的高效化、智能化以及精准化碰撞检测，并同时指导后续的优化调整工作。在实践中，只需在BIM系统中输入装配式绿色建筑梁柱节点的相关信息数据，以构建出相应的建筑三维BIM 模型，再启动BIM 系统自带的碰撞检测功能，即可有效完成碰撞检测工作，同时系统还会给出异常问题报告。

4.7 三维技术交底

过去的装配式绿色建筑梁柱节点固定施工中，都是基于二维图纸进行技术交底，容易导致施工人员出现认知偏差，不能清晰了解设计意图，由此引发一系列施工问题。但BIM 技术的应用能够有效解决该问题。基于BIM 技术可以进行三维技术交底，通过对工程的三维BIM模型进行渲染处理，来向施工人员直观立体地呈现出设计效果与施工流程。