装配式结构设计案例分析——以重庆第二交通技工学校实训楼为例

石晓飞

中铁十一局集团第五工程有限公司 重庆 400037

引言

装配式建筑是指由预制构件通过可靠的连接方式连接在一体建造而成的建筑，按照结构体系分类，有框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构、无梁板结构、预制钢筋混凝土柱单层厂房结构等[1]。与现浇混凝土建筑相比，装配式建筑的优点非常多，不仅可提高现场施工效率，缩短总施工工期，减小构件表面后期修补的工作量，还可节约大量的建筑材料，从而减少碳排放，在工程领域为国家早日实现碳中和做贡献。

1 装配式结构设计案例

1.1 工程概况

本工程为重庆第二交通技工学校实训楼项目，地下2层，地上14层，地下建筑面积2361m2，地上建筑面积17625m2，结构体系为框架-剪力墙结构，建筑高度为49.950m。抗震设防烈度为6度（0.05g），抗震设防类别为乙类，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，基本风压为0.40kN/m2。

图1 实训楼效果图

本工程地下1～2层为车库，地上1~3层为局部凸出的底部裙楼，主要功能为供在校学生进行学习培训使用的实训教室，建筑面积为50～400m2不等。上部4～14层为标准层，主要功能为休息室。根据《重庆市装配式建筑装配率计算细则（2021版）》计算，本工程整体装配率为52.8%，可认定为装配式建筑。本文主要对标准层的叠合楼板结构设计进行探讨分析。

1.2 设计方案

本工程墙、柱、梁等抗侧力构件均为高精度铝模现浇混凝土，部分水平构件为预制构件。装配率主要体现在：楼板、阳台板等水平构件采用预制装配式叠合楼板，抗震墙、框架柱、框架梁等受力构件采用高精度铝模施工工艺，非承重外围护墙采用现场吊装的预制外墙板，内隔墙采用轻质ALC条板并且实现了管线一体化，标准层休息室的独立卫生间均为集成卫生间，楼栋内部采用全装修。除此之外，BIM三维建模技术的使用，及BIM数据在设计、生产、施工阶段的有效传递，实现了现场施工作业行为和管理行为的数字化，为本工程的建造过程增添了智慧。

1.3 叠合楼板结构设计

楼板作为将楼面恒、活荷载传递至梁上的关键水平构件，其重要性不言而喻。本工程采用预制底板+现浇面层的叠合楼板结构形式，其中预制底板厚度为60mm，现浇面层厚度为70mm，预制底板在工厂制作完成后运送至施工现场进行吊装拼接。预制底板采用四周出筋的形式，被拆分底板采用后浇带式的连接方式，宽度为300～320mm，钢筋弯折135°相互绑扎后浇混凝土封闭。林彦等对后浇带式叠合楼板进行破坏性加载试验结果表明，拼缝范围内预制底板受力钢筋的应力较小，弯矩主要由构造设置的附加钢筋承担[2]，接缝的数量、位置，以及后浇混凝土层的厚度均会对接缝处的抗弯刚度有一定影响[3]。因此拼缝应设置在板受力较小处以减少钢筋用量、减小裂缝宽度，且预制底板的拆分应满足“少规格，多组合”的原则。

预制叠合楼板适用于除去结构转换层、平面复杂或开洞较大的楼层以及作为上部结构嵌固部位的地下室楼层，本工程2～14层楼面板均采用叠合楼板的形式进行设计。

根据对以上对叠合楼板结构设计，总结出以下要点：①混凝土强度不小于C30，为增加预制板与现浇层的抗剪能力，预制底板应留设不小于结合面面积80%且不小于4mm凹凸深度的粗糙面。②叠合楼板配筋计算与现浇板相同，最小构造配筋率应满足现行规范规定的数值max{0.15，45ft/fy}%。③钢筋桁架的布设应沿主要受力方向或平行于板长边方向，还应满足距离板边≤300mm且间距≤600mm的规定。④跨度小于3m的叠合板，可不需布设桁架钢筋或只在跨端附近各设一道兼做吊点的钢筋桁架即可。

2 BIM技术在本工程中的应用

为了提升结构设计的有效性，提高装配式建筑的设计精度，各专业设计人员将三维BIM技术应用于本工程初步设计阶段的深化分析。首先，根据本工程实际概况，明确了建筑、结构、水、暖、电各专业的分析流程，创建网格及楼层线，再导入各专业二维CAD设计图纸，从而搭建本工程三维BIM模型。开展三维可视化设计，从而明确了建筑空间与各专业之间的系统关系，充分地考虑了水、暖、电专业的预留、预埋，以及明确了重要结构连接节点的三维分析和辅助设计，对管线综合碰撞检查，进而提高了整体设计效率。

结合本工程的装配式设计工作，设计人员既要保证结构整体受力及抗震性能符合规范要求，各结构构件受力合理，又要对建筑平面布置进行合理的优化，还要深入了解装配式构件的生产技术要求，协调好设计、生产、施工环节之间的关系，必须保证各环节之间衔接无误。本文在此基础上总结了保证装配式建筑现场准确施工在前期设计时应重点做好的五个阶段。

第一阶段：方案设计。

与全现浇混凝土建筑设计相比，装配式建筑的设计流程更加精细和全面，对设计人员的技术能力要求也更高。在方案设计阶段，建筑方案策划对项目的实施起到了非常关键的作用。设计单位应充分考虑到项目定位、建设规模、装配化目标、成本限额以及各种外部条件影响因素，制定合理的建筑概念方案，优化建筑平面布置，提高预制构件的标准化程度，增强工程建设的经济性与合理性，为后续设计阶段的工作提供设计依据。

第二阶段：初设、施工图设计。

初步设计阶段应协调各专业技术要点，优化构件规格种类，“少规格、多组合”，考虑管线预留预埋，与各专业进行协同设计，进一步细化和落实所采用的技术方案的可行性。同时还对参建各方主体工作的协同性提出了更高的要求，建筑结构设计与预制构件生产的协同，内部装修与工厂生产的协同，主体结构施工与内部装修施工的协同等。

施工图设计应按照初步设计阶段制定的技术措施进行设计，形成完整可实施的施工图设计文件。落实初步设计阶段的技术措施，配合内装部品的设计参数，协调设备管线的预留预埋；推敲节点大样的构造工艺，考虑防水、防火的性能特征，满足隔声、节能的规范要求。

第三阶段：预制构件深化设计。

建筑专业可根据需要提供预制构件的尺寸控制图，构件加工图纸可由设计单位与预制构件加工厂配合设计完成，同时可采用BIM技术，提高预制构件设计完成度与精确度，减小因设计人员的认为疏忽导致的管线碰撞等问题。

第四阶段：内部全装修设计。

装配式建筑的内装修设计应遵循建筑、装修、部品一体化的设计原则，应满足现行国家规范标准要求，达到适用、安全、经济、节能、环保等各项指标的要求。

装配式建筑的内装修应采用工厂化生产的内装部品，实现集成化的成套供应。部品和构件宜通过优化参数、公差配合和接口技术等措施，提高部品、构件互换性和通用性。装修部品应有限选用绿色、环保材料，并具有可变性和适应性，便于施工安装、使用维护和维修改造。

第五阶段：协同设计。

装配式建筑的协同设计应充分考虑装配式建筑的特点及项目的技术经济条件，利用信息化技术手段实现各专业间的协同配合，保证内装修设计、建筑结构、机电设备及管线、生产、施工形成完整的系统，利于实现装配式建筑建造的设计技术要求。

建筑、结构专业：建筑体型规整、平面布置合理、门窗洞口成列布置、受力符合规范、竖向构件连续。

给排水专业：管井布置集中、管线减少交叉、优选隔层排水、热能一体设计。

暖通专业：分户计量集中布置、设备精确定位、辐射供暖协调垫层、优设分集水器、排风合理经济。

电气专业：暗装设备不应连同、插座开关精准定位、电气原件预埋预留、套管保护敷设管线、锚固段不应埋管线。

3 装配式结构设计的重点环节

随着近些年来我国对装配式建筑的大力推进，不管是从国家还是各省市政府层面，装配式工程的建造数量也在稳步增长中，不仅局限于政府投资的一些公建项目，社会投资的公寓、住宅等民建项目中也应用的越来越广泛。针对于此，设计人员应对工程设计阶段以下环节进行重点把控。

3.1 优化结构体系

结构体系的选定是结构优化的重中之重，结构体系受到结构总高、层高、平面布置等多种因素的控制。结构体系大多在方案阶段就已确定，合理的结构体系不仅能减小墙、柱等竖向受力构件的截面面积，还能减少预制构件的规格数量，从而能更大限度的节约工程总投资。本工程1～3层为实训教室，4层以上标准层均为休息室，各房间面积相差不大，开间规整。本工程抗震设防烈度为6度（0.05g），平面长宽比为1.5，经对比后选取框架-剪力墙结构体系较合理，剪力墙核心筒在平面居中布置，框架柱布置在四周环绕，在限制了层间侧移的同时也较好地控制了结构平面扭转。经计算后底层框架柱截面尺寸最大仅800×800mm即可满足安全要求，有效地减小了框架柱的截面尺寸。

3.2 优化拆分位置，减少预制底板规格数量

叠合楼板的预制底板需在预制构件工厂中生产，周转性模板工具的使用决定了造价成本，因此应以少规格、多组合、强连接的原则来对不同平面构件结构设计来进行整体优化，才能体现出标准化、规范化、系统化的设计优势。本工程通过优化房间的平面布局，调整框架梁的布置，来达到减少预制底板的规格数量。

3.3 优化管线布设

当装配式建筑未设计“管线分离”时，需要在叠合楼板中预埋机电、设备管线。线盒通过在预制底板上预留孔洞来实现，线管则在浇筑面层前固定在底板桁架钢筋上。本工程搭建了三维BIM模型，设计人员根据电气专业的要求，优化了叠合楼板的拆分方案，就孔洞、线盒、套管等预留位置提前考虑，避免其落在预制底板边缘。同时根据叠合楼板厚度130mm的限制，对电气线路套管走向进行合理优化，套管上下布设层数最多为2层，避免预埋管线后导致楼板超厚问题的产生。

4 结束语

综上所述，通过对以上装配式实际工程的结构设计分析可知，与现浇混凝土结构相比，装配式结构设计有其典型的特点，不仅对结构设计从业人员的专业能力有着更高的要求，也对设计阶段各专业间的协同性提出了更严的标准，同时也对设计、生产、施工等工程建设参与方的协同性提出了新要求。三维BIM软件作为一个供各方协同设计的平台，可在一定程度上避免由于人为核查引起的失误，提高工程建造的准确度，降低建造成本。