装配式建筑结构设计关键点及存在问题的改进——以某大型装配式住宅项目为例

甘 肃 李心雨

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

0 引言

目前我国正在大力推进减污降碳和环境污染防控的协同发展，加快调整当前能源结构和推进低能耗建筑的发展。大力发展现代装配式建筑（相对我国装配式古建筑而言，以下简称“装配式建筑”），探索建筑设计精益化和施工智慧化可以保证资源的高效利用，能从根本上减少总体能耗。作为结构设计人员，应结合项目建设要求，做好前提策划和设计，确定适宜的结构形式，提出设计合理、针对性强的装配式结构设计策略，以确保装配式建筑安全、高效地落地[1]。本文主要结合相关项目实践经验，就装配式结构体系设计的关键点进行阐述。

1 装配式建筑的优势与存在问题的改进

1.1 装配式建筑的优势

装配式建筑是在“碳达峰”目标、“碳中和”愿景、建筑业工人数量持续下降等背景下得到了大力发展的。装配式建筑采用“标准化设计、工厂化生产、装配式施工”的形式，符合绿色发展要求。为展现装配式建筑的优势，笔者主要从建筑品质、节能环保、工期和职业健康等多角度与现浇结构建筑进行对比分析，具体总结如表1所示。

表1 装配式建筑与现浇结构建筑的对比分析

从表1可知，装配式建筑有着自身鲜明的特征，如通过精细化流程，进一步提高建筑流程的精细化程度；通过智能化技术的应用，有助于改善设计的精准性与科学性；通过配合一体化，多方在设计前进行深入沟通和交流，确定最佳设计方案，提高各个部件配合度，并获得良好的装配效果。因而，从长远发展来说，装配式建筑从设计、生产、施工、运维多方面都具有节约资源的优势[2]。

1.2 装配式建筑存在的问题

20世纪50至80年代，我国通过借鉴国外相关经验和基于我国建筑行业特点发展装配式建筑，但当时受方法和技术的限制，装配式建筑存在墙体隔音和保温差等问题。发展到21世纪初期，装配式建筑随着现浇式建筑的崛起而越发衰落。2012年起，特别是2016年后，装配式建筑再度崛起，国家也不断出台相关行动方案、各项标准、技术要求和政策去促进装配式建筑发展，并明确到2025年我国装配式建筑占新建建筑的比例要达到30%以上。与此同时，随着装配式建筑行业发展环境不断完善优化，装配式建设内容也更加具备实施条件。但是，目前我国装配式建筑的社会投资热情和积极性不高，仍然需要依靠政府的强烈推动，主要面临以下问题需要解决。

1.3 改进建议

实践证明，以上结构设计要点的把控，使该大型住宅装配式项目建成后不仅满足了相关要求，还达到了提质增效的目的[4]。但仍存在需要改进的地方，具体如下：

（1）结合目前装配式结构建筑造价普遍高于传统现浇混凝土结构建筑的现状，需要做好项目成本优化，项目设计前期需要以标准化设计为指导，以预制构件少规格和多组合搭配思路降低成本。

（2）结合目前装配式结构安装效率低和连接方式存在不足的问题，需要不断优化装配式构件的连接技术，如进行刚度体系或非对称刚度构件改进，实现构件标准化程度提升。

（3）以我国相关政策方针和目标为方向，强调装配式建筑集成与协调设计，借助全生命周期BIM系统和技术，充分发挥结构专业主动担当、积极协调作用的同时，也促进装配式构件智能安装，提升装配式项目设计和安装效率[5]。

装配式建筑的发展需要完整的产业链去支撑，但目前我国装配式建筑产业化链条发展还不够成熟，装配式建筑产业化供给能力和技术需求存在脱节，未能充分发挥装配式技术产业化发展的优势。通过对某装配式建筑方案和现浇式建筑经济技术指标对比，具体从土建部分、装饰装修部分、给排水工程和电气工程对比分析可知，装配式建筑一次性建设造价成本高于现浇式建筑，成本劣势仍是阻碍装配式建筑推广的主要因素。装配式建筑的全寿命周期成本优势重点体现在运营维护阶段，但投资人往往只关心一次性建设成本，不愿意选择装配式建筑[3]。

2 工程概况

案例工程为某大型住宅项目，总建筑面积约80万m2，主要由住宅、商业、配套用房、幼儿园组成。其中住宅建筑由33层、24层、18层和15层等建筑物搭配组成。为了推进装配式项目在当地的应用，该项目住宅采用装配整体式混凝土剪力墙结构形式，并要求装配率不低于50%。在该项目中，如何在提升项目结构性能基础上又能促进装配式建筑成本的有效控制非常重要，因此需求从设计流程出发，多方面对该住宅装配式结构设计关键点进行具体分析。

3 装配式建筑结构设计关键点分析

根据案例工程的实际情况，笔者从设计流程、方案设计、施工图设计、装配率、预制构件深化设计多方面进行设计关键点分析。

3.1 设计流程

装配式建筑与传统建筑设计存在很大的区别，其前期方案设计不是简单总结为功能布置和外立面设计，需要结合装配式结构的集成化、标准化和模数化进行综合考虑。因而在设计流程上有别于传统建筑，具体流程如图1所示。

图1 装配式建筑设计流程

案例工程的标准化设计流程主要以楼型设计标准化、户型设计标准化、立面设计标准化、厨卫模块设计标准化、部品部件、预制构件设计等顺序进行层层递进的方式推进。

3.2 方案设计

该项目住宅面积较大，包括58栋单体，为了确保标准化设计的同时避免建筑风格过于单一，需要合理协调两者的关系。该项目将不同户型通过不同层数的两种或两种以上进行高低搭配，以有效控制装配模具成本的同时解决户型风格单一的问题。通过标准化设计，该项目最终确定为5种户型。具体设计时遵循以下关键原则：

（1）需要结合装配式建筑评价标准相关规范进行装配率科学计算，以实现对该项目结构水平构件和竖向构件预制比例的合理分配，并满足项目规划要求的装配率；

（2）结合项目特点，重视该项目预制水平构件和竖向构件的拆分图绘制，精准落实好项目所需预制范围、层数和竖向构件连接预埋件的布置图；

（3）在分析结构施工图和结合预制构件拆分图基础上完成预制构件加工详图的科学绘制。

3.3 施工图设计

该项目进行结构施工图设计需要强调以下关键点：

（1）装配式楼板厚度取值与现浇结构差异较大，与现浇结构楼板最小板厚取100mm不同，装配式建筑楼板所采用的叠合板的预制层厚度一般为60mm，加上现浇层厚度最小不少于70mm，可知叠合板最小厚度为130mm。采用叠合板的楼层需要采用现浇的区域一般为卫生间和公共走道区域，板厚按现浇结构取值。该项目采用的叠合板的区域主要为卧室、客厅、餐厅、厨房区。

（2）在荷载取值以及荷载导荷上，要注意外墙荷载的输入。确定非承重外墙的预制层数，结合相关标准规范确保非承重外墙预制面积不低于80%。另外模型输入时，如叠合板采用单向板时，结合现浇层的构造是双向板考虑，板的配筋需要采用单向导荷和双向导荷包络设计。本装配式住宅项目的叠合板采用密拼单向板设计，可能存在拼缝处在后期抹灰容易产生构造裂缝，影响观感。因此在该项目浇完现浇层后，采用高压注浆形式对拼缝进行注浆。

（3）在剪力墙结构的抗震等级考虑上，结合装配式建筑与现浇建筑的划分高度界限不同，需要加强重视。在实际模型输入时，需要考虑该放大系数影响。另外，在完成结构模型计算后，需要结合相关规划要求，在地震设计状况下验证剪力墙水平接缝的受剪承载力能否满足标准要求。

3.4 拆分方案和预制构件深化设计

3.4.1 拆分方案设计

户型拆分方案设计图纸与主体结构施工图一起报送图审，并将作为预制构件深化设计的依据。因此，需要确保拆分方案的科学合理，才能有效提升项目的经济性。在进行该项目的拆分方案设计时，需要注意以下几点：

（1）基于经济性和主体结构抗震受力性能两方面考虑，在进行竖向承重构件拆分时，如条件允许，预制比例控制满35%即可，符合竖向预制比例低节约造价，竖向承重构件现浇比例越大，建筑的抗震性越好的条件。

（2）从节约工期角度考虑，优先选择外围剪力墙预制，有效减少外墙模板搭设，节约实际工期。

（3）从安全和操作方便角度考虑，电梯间和楼梯间区域楼层由于无水平构件楼板支撑，其周边的竖向承重构件不适宜划分为预制构件，可降低吊装安装难度和避免出现需要反复验算复核墙肢的竖向稳定性的情况。

（4）进行水平构件拆分时，需按装配率计算分值分配的要求，装配率计算得分值尽可能超过14分。另外为提高规则构件比例，对于一些异形构件尽可能采用现浇方式以降低异形预制构件的比例。例如在该项目中，将带挂板的空调板划入现浇区域。

（5）为了确保吊装安全和吊装过程操作的简便性，进行水平构件和竖向构件划分时，尽量注重控制好预制构件的单体重量不高于5t。

3.4.2 预制构件的深化设计

综合建筑和机电安装图纸、拆分方案设计图纸等进行构件的深化设计，主要包括钢筋排布、吊装吊点布置、管线预埋、洞口预留等。该项目水平构件采用单向叠合板形式，拼缝采取密拼构造。

竖向预制构件包括预制实心墙和预制叠合墙两种结构形式，且两种形式的连接构造不同，因此，在进行竖向构件深化设计之前需要进行生产厂家的确定。经过综合考虑，该项目的竖向预制构件采用的是预制实心墙结构体系，承重剪力墙和非承重外墙的竖向连接分别采用灌浆套筒和螺纹盲孔连接。

从提高抗震性能角度出发，在进行预制楼梯的深化设计时可考虑楼梯斜段采用预制、一般楼梯平台现浇的方式。该项目由33层、24层、18层和15层等建筑物搭配组成，在18层和15层的住宅楼梯采用双跑，且整个斜段预制时，满足构件重量低于5t的吊装要求。根据33层和24层楼栋楼梯多为单跑，整个斜段预制重量高于5t的现状，在进行深化设计时需要将该楼梯沿斜段方向从中间分为两部分，同时为了确保在不影响结构受力要求基础上又能满足吊装要求，在楼梯斜段采用企口连接两部分，拼缝后期注浆密封。

4 结束语

装配式结构是建筑业技术水平突破性发展的重要标志，促进了我国建筑业沿着产业化和绿色化的方向发展。装配式结构具有智能化、精细化和模板化等特点，但蕴含的技术种类多且复杂，在进行装配式结构设计时，需要充分了解项目结构特点基础上，结合相关规范要求，从项目的各个环节和性能入手，实现装配式项目的结构优化设计，以取得良好的经济效果。