某高层装配式建筑结构方案比选研究

2023-05-23吴江泠

中国建筑金属结构 2023年4期

吴江泠

（上海市堤防泵闸建设运行中心，上海 200080）

0 引言

装配式建筑是指用预制部品部件在工地装配而成的建筑[1]。2016 年，国务院办公厅发布了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，意见指出要因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑。力争用10 年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2021 年11 月，上海市住建委发布了《上海市装配式建筑“十四五”规划》，报告指出“十三五”期间，上海装配式建筑发展态势良好、成效显著，标准规范体系逐步完善，装配式建筑面积实现跨越式增长。“十四五”时期，需继续推动装配式建筑的发展，实现装配式建筑“从有到优”的升级发展，使装配式建筑成为上海地区的主要建设方式[2]。报告还指出需在学校、医院等公共建筑及工业厂房中大力推进装配式钢结构、钢－混凝土组合结构等新型结构体系。纵斌[3]等人的研究成果表明，上海市765 号文调整了装配式建筑指标计算方法，充分考虑外围护的占比分值，使评价体系更为科学合理。胡开华[4]等人研究了上海50m 左右高层办公楼的结构体系，研究表明钢结构体系和装配式混凝土体系的经济性相近。胡松[5]等人对比了70m 高度装配式混凝土框架－现浇核心筒与装配式钢框架－现浇核心筒的结构方案，结果表明PC－核心筒相比钢框架－核心筒，土建成本略低，但施工工期长，综合考虑钢框架－核心筒方案更合理。本文以上海市闵行区某办公建筑为分析对象，对比分析装配式混凝土结构和装配式钢—混凝土组合结构两种体系的受力特点，尽可能在满足结构安全和预制率的要求下，节省工程造价和工期。

1 工程概况

上海市闵行区某地块新建建筑项目，规划总用地面积为9 万m2，由两层地下室和地上9 个建筑单体组成，建筑功能有商务、办公及酒店。根据上海市住建委《关于进一步明确装配式建筑实施范围和相关工作要求的通知》[6]，本工程实施装配式建筑，装配式建筑落实比例为100%，建筑单体预制率不低于40%或单体装配率不低于60%。因本项目建筑平面功能单一，各单体建筑平面布置类似，以总建筑高度最高的1 号单体为分析对象，对比分析钢筋混凝土框架－混凝土核心筒结构和钢框架－混凝土核心筒结构两种体系的受力特点。在满足预制率的前提下，尽可能减少工程造价，节省工期。

2 方案对比分析

2.1 结构计算参数

1 号单体地上10 层，标准层高3.6m，结构高度59.4m，结构三维模型如图1 所示。结构设计使用年限为50 年，抗震设防烈度7 度，建筑设防类别为标准设防类（丙类）。设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅳ类，设计基本地震加速度0.10g[7]。用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法进行计算，并考虑双向地震和偶然偏心影响的地震作用。附加恒荷载按100mm 厚建筑面层考虑，取3.0kN/m2，活荷载根据业主要求取5.0kN/m2。基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度B 类[8]。

图1 结构体系示意图

2.2 结构计算结果

方案一采用钢筋混凝土框架－混凝土核心筒结构，方案二采用钢框架－混凝土核心筒体系。标准层结构平面布置图如图2 所示，采用YJK 软件进行初步试算，其主要结构构件截面尺寸信息及计算分析结果如表1 所示。

图2 标准层结构平面布置图

表1 两种不同装配式结构体系分析结果对比

2.3 单体预制率分析

考虑结构受力特性，框架－核心筒结构的剪力墙、核心筒内部梁、板均采用现浇；楼梯、外围护墙、无防水要求的非核心筒区域的梁及楼板、底部加强区外的结构柱等构件可采用预制构件，以满足政策要求。预制率计算依据沪建建材765号文《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》[9]中的方法二（权重系数法）。其计算公式为：

建筑单体预制率=∑[权重系数×∑（构件修正系数×预制构件比例）] （1）

2.3.1 方案一（钢筋混凝土框架+钢筋混凝土核心筒）

钢筋混凝土框架－钢筋混凝土核心筒结构的装配式构件范围如表2 所示，按公式（1）计算的预制率结果详见表3，可满足预制率40%的要求。

表2 装配式构件范围

表3 预制率计算

2.3.2 方案二（钢框架+钢筋混凝土核心-）

钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的装配式构件范围如表4所示，主体结构采用钢柱、钢梁、组合楼板，核心筒采用钢筋混凝土现浇。钢结构的应用大大提高了预制率，在不考虑外围护墙预制装配的情况下，按式（1）计算的预制率结果详表5，可满足预制率40%的要求。

表4 装配式构件范围

表5 预制率计算

2.3.3 楼盖形式

从近几年的工程应用来看，由于现浇混凝土板需现场支模，施工速度慢，且不符合装配式要求，故工程应用较少；而钢筋桁架板具备自重轻、施工速度快、造价适中、传力方式与现浇板相同、且符合装配式要求等优势，采用钢筋桁架组合楼盖的项目比例较高。钢管桁架预应力叠合板（PK 板）对传统的钢筋桁架楼承板进行改进，上部受压区为砂浆钢管，中部传力机构为钢筋桁架，下部受拉区为预应力钢丝。PK 板能实现大跨度板预制构件，解决了避免板底生锈、适应板跨较小等问题，在工程实践中有越来越多的工程应用。

2.4 施工技术成熟性

从技术的成熟度方面考虑，钢筋混凝土方案由于要满足上海市装配式率的要求，大量楼板，梁及部分框架柱需要现场装配，对施工人员技术要求比较高，工程质量较难控制。而钢结构方案节点均为工厂预先制作好在现场安装拼接，技术较为成熟，工程质量容易控制。装配式混凝土结构根据规范要求连接性能等同现浇混凝土结构，装配式混凝土结构和钢结构节点抗震性能均满足规范要求。

从施工速度方面考虑，钢筋混凝土方案一般9～10d 一层，钢结构方案一般6～7d 一层。相对而言钢结构方案施工速度较快、资金周转快。

另外钢结构方案框架梁、柱截面相对较小，对建筑效果影响较小。同时由于钢筋混凝土方案楼板和梁均为预制，后期一旦确定，结构楼板留洞及建筑功能修改的可能性很小，因此钢筋混凝土方案建筑功能调整的适应性较差。