装配式建筑结构体系设计要点及发展趋势研究

文／高志强 金乡县建筑规划设计院 山东济宁 272200

李明科 山东锘大建筑工程有限公司 山东济宁 272200

引言：

装配式建筑具有建造速度快、资源消耗少、施工污染小、结构安全可靠等特点，是目前建筑行业主要的发展方向之一。装配式建筑采用的是预制构件，其施工过程中构件可以在工厂内加工，然后运输至施工现场进行安装。这种建筑形式的出现，在很大程度上节约了劳动力，减少了建筑垃圾的产生，对于改善施工环境、加快施工速度有重要的作用。装配式建筑采用预制构件，其主要由梁、柱、板、楼梯、阳台和楼梯踏步等组成。

1.装配式建筑结构体系发展趋势

（1）装配式建筑的发展趋势是由结构体系向多元化、复合化方向发展。结构体系的设计应体现结构的整体性，在满足抗震要求的基础上，实现建筑功能与建筑造型的统一，以适应不断发展变化的建筑使用功能需求。

（2）随着人们对新型节能环保材料及建筑技术的不断开发与应用，装配式建筑将向多元化、复合化方向发展。除了传统的钢结构、混凝土结构之外，将不断探索新型材料，如钢-混凝土组合结构、钢-石膏组合结构等。

（3）装配式建筑结构体系设计应体现因地制宜的原则。设计中应充分考虑当地气候特点、地质条件、地形地貌以及当地材料资源等因素，以便于因地制宜地选择符合当地实际情况的结构体系[1]。

2.装配式建筑设计中需要注意的问题

（1）设计过程中，需要注重建筑的整体性，充分考虑建筑结构体系的合理性、科学性以及功能性。在进行装配式建筑设计的过程中，要严格按照标准进行设计，保证建筑的整体性，避免出现局部破坏的问题。

（2）装配式建筑中需要注重材料选择的科学性，从材料成本上来看，选用质量好、性能稳定的材料。在进行装配式建筑设计的过程中，要保证其使用寿命与环境因素相适应。

（3）在进行装配式建筑设计的过程中，需要注重钢筋混凝土结构体系与钢结构体系之间的区别与联系。在进行装配式建筑设计的过程中，要合理地选择相关构件及部件。在进行钢结构设计的过程中，要充分考虑其连接问题，避免出现质量问题[2]。

3.装配式建筑结构设计应注意的主要问题

（1）由于装配式建筑构件尺寸大、质量大，且受装配施工和运输条件限制，其结构设计除满足《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的一般规定外，还应注意以下问题：应确保构件在运输、吊装过程中不产生变形和损坏，并在安装时确保构件的稳定性和完整性。设计时应对装配式结构进行精细化分析，选择合理的计算模型和计算参数，使计算结果更加准确、可靠。当构件高度超过一定值时，可考虑采用装配式连接节点。为保证预制外墙板与现浇混凝土结构的整体性，不宜将预制构件直接置于现浇混凝土结构上，可采用剪力墙或其它结构形式。

（2）装配式建筑设计中应注意的问题：现浇混凝土结构构件与装配式结构的连接方式有：刚性连接、柔性连接和混合连接等三种。在实际工程中应根据不同的设计方案选择最合理的连接方式。在确定设计方案时，应充分考虑材料强度的折减问题。在满足基本要求的前提下，应尽量采用强度高、自重轻、韧性好的材料。应特别注意现浇结构与装配式结构之间的连接构造。如现浇结构中采用预应力钢筋时，应充分考虑预应力筋的应力损失。为保证装配式建筑构件具有良好的整体性和抗震性能，一般情况下宜采用预制构件与现浇混凝土构件共同受力的结构体系。当采用钢梁、钢支撑或钢柱等框架体系时，应充分考虑框架柱、框架梁等构件所承受的轴力、弯矩及剪力；当采用剪力墙体系时，应充分考虑剪力墙所承受的轴力、剪力及弯矩[3]。

4.装配式建筑结构体系设计要点

4.1 预制混凝土构件

预制混凝土构件是将预制混凝土构件在工厂内生产，再运到施工现场进行组装，目前我国的预制构件生产厂家已经发展到400 多家，产品规格已经达到2000 多个，各种类型的预制构件在不同地区都有分布。随着国家对装配式建筑的大力支持，各地政府也在积极鼓励、支持和推广装配式建筑，以进一步促进我国建筑行业的发展。

预制混凝土构件是以水泥为胶结材料，采用特殊的混凝土拌合技术，通过模具成型而成的。它具有承载能力大、整体性好、抗震性能好和施工方便等特点。我国预制混凝土构件主要应用在高层住宅、大型商场、办公建筑等领域。

由于预制混凝土构件制作需要使用大量的水泥和钢筋等材料，在建筑施工中会产生大量的废弃物和污染，所以国家一直提倡绿色建筑理念。装配式混凝土结构体系则是将这些废弃物进行合理利用，避免了废弃物对环境造成污染。与此同时，预制混凝土结构体系在施工中采用工业化生产方法，极大地提高了生产效率、缩短了施工工期，还可以大大减少建筑垃圾的产生和对环境的污染。因此预制混凝土构件是建筑行业可持续发展的必然选择。预制混凝土构件在建筑中的应用，主要包括现浇混凝土构件和装配式混凝土构件。现浇混凝土构件是将预制混凝土构件与现浇混凝土结合起来，可以充分利用两者的优点，减少现场作业量，降低施工成本。但在建筑施工中现浇混凝土结构构件存在接缝多、整体性差、受力不均匀等问题，而装配式混凝土结构体系则可以很好地克服这些问题，具有承载能力强、整体性好、抗震性能好等优点[4]。

装配式混凝土结构体系在建筑施工中主要应用的是预制剪力墙结构和预制叠合剪力墙结构。装配式剪力墙结构具有整体性好、抗震性能好、施工方便和节省材料等优点，因此装配式剪力墙结构在建筑施工中得到了广泛应用。

4.2 钢结构设计

（1）钢结构构件的设计与制作：装配式建筑钢结构构件采用工厂加工，现场安装，制作过程中采用钢模板支撑，现场进行螺栓连接。一般的钢结构构件主要包括：钢梁、钢柱、钢桁架、钢梁等。其中钢梁、钢柱的设计与制作是整个装配式建筑钢结构设计的重点和难点，根据《建筑钢结构设计标准》GB50017-2017,对钢结构构件进行详细的分类，并给出不同种类构件的制作安装要求。

（2）钢梁的设计：一般情况下，装配式建筑钢结构采用焊接H 型钢。在设计过程中，需要注意焊接H 型钢的截面形式和腹板厚度等，一般情况下，采用焊接H 型钢。如果采用螺栓连接时，要考虑螺栓预拉力大小对腹板厚度、螺栓孔布置等的影响。

（3）钢梁与钢管混凝土柱的连接：一般情况下，钢结构构件与钢管混凝土柱之间采用焊接H 型钢连接。在设计过程中需要注意钢材及焊接H 型钢的选择、焊缝长度及焊缝形式、焊缝等级等。在设计过程中需要注意高强螺栓的安装要求、高强螺栓预拉力、高强螺栓接头的承载力计算方法。

（4）钢梁与墙体之间的连接：装配式建筑钢梁与墙体之间采用焊接H 型钢进行连接，同时需要注意墙体竖向荷载对连接构造及构件截面的影响。在设计过程中需要注意预埋件、预埋钢板及管道等构件。

（5）钢结构与混凝土结构之间的连接：装配式建筑钢结构与混凝土结构之间的连接方式主要包括：焊接、栓焊、螺栓连接等。其中焊接连接方式主要有：焊缝对接连接、栓焊结合连接等，栓焊连接方式主要有：焊接套筒连接、螺栓套筒连接等；螺栓连接方式主要有：高强螺栓接头、高强螺栓偏心受压翼缘连接、高强螺栓摩擦面节点等[5]。

（6）钢结构与其他构件的连接：在设计过程中，需要注意钢梁与其他构件之间的竖向、水平和斜向支座，并且在设计过程中需要根据不同的装配式建筑结构类型，选择合理的钢结构构件连接方式，保证整个建筑结构的稳定性。

4.3 混凝土剪力墙结构

混凝土剪力墙结构是将主要承重构件（如墙、柱）通过剪力墙与框架梁或剪力墙与梁板连成整体的结构。它是由钢筋混凝土梁、柱、板、墙等主要承重构件组成的框架-剪力墙结构体系。装配式混凝土剪力墙结构具有便于工厂预制生产，施工方便快捷，施工精度高，工厂化程度高，施工速度快等特点。

在装配式混凝土剪力墙结构设计时应注意：（1）墙肢的截面尺寸和配筋应符合相关规范的要求；（2）框架与剪力墙的连接方式，剪力墙水平分布钢筋的连接应采用焊接连接或机械连接；（3）混凝土墙体厚度宜控制在100～250 mm 之间；（4）剪力墙竖向分布钢筋宜采用焊接连接或机械连接；（5）应保证墙肢截面高度和边缘构件截面高度。

装配式混凝土剪力墙结构设计时应注意：（1）在进行装配式混凝土剪力墙结构设计时，应注意剪力墙的平面布置和尺寸，同时应尽量避免剪力墙开洞；（2）装配式混凝土剪力墙结构在竖向荷载作用下的水平变形应符合相关规范要求。

在进行装配式混凝土剪力墙结构设计时，应注意以下几点：（1）尽量避免剪力墙开洞；（2）在进行剪力墙结构设计时，当剪力墙不能满足洞口边缘构件截面尺寸要求时，可采用“先跨后壁”的方案，但应采取措施保证洞口边缘构件的配筋，防止洞口开裂；（3）在进行剪力墙结构设计时，应充分考虑剪力墙的平面外稳定性[6]。

4.4 钢框架-支撑结构

钢框架-支撑结构是一种由框架和支撑组成的、抗侧刚度较大的结构体系。在框架中布置适当数量的支撑，形成骨架结构，框架柱作为骨架，支撑则作为骨架的抗侧刚度。当地震作用下，由于框架柱不能正常工作或框架柱轴力过大而破坏时，框架内的支撑在地震作用下不屈服或发生弹性变形，使支撑在水平荷载作用下有较大变形。这种结构体系可以有效地吸收地震能量，能满足大震不倒的要求。

钢结构因其材料强度高、自重轻、抗震性能好、施工周期短等优点被广泛应用于高层建筑和大型公共建筑。钢结构设计主要包括以下几个方面：

（1）结构布置：钢框架-支撑结构体系应满足《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ3 和《高层工业厂房钢结构技术规程》JGJ/T461 中规定的“布置原则”。

（2）柱截面：当采用型钢混凝土柱时，应满足《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 中的相关要求；当采用钢骨混凝土柱时，应满足《型钢混凝土组合结构技术规程》GB50013-2003 中的相关要求；当采用钢管混凝土柱时，应满足《钢管混凝土组合结构技术规程》JGJ/T 463 中的相关要求。

4.5 大跨度空间结构

大跨度空间结构是指跨度大于1m 的结构。其特点是：建筑形式多种多样，如网架、网壳、网架-钢桁架混合结构、箱型截面等，结构形式有张拉膜结构、索膜结构等，一般为空间网格状。空间大跨度空间结构的抗震设计与其他类型的抗震设计方法有所不同。一般需要采用抗震规范规定的相关抗震分析方法进行计算。但由于大跨度空间结构跨度较大，且材料和制作工艺的特点，使其与其他类型的结构有明显不同。在进行大跨度空间结构设计时，应进行专门的抗震分析和设计，以确保大跨度空间结构满足规范要求，保证在大跨度空间结构中使用的各种材料和构件在承受较大荷载时能够保持其应有的强度和刚度。

4.6 高层及超高层建筑结构

高层及超高层建筑结构体系是一种多功能、多目标、多任务的综合体系，它集建筑功能、结构安全、环境保护、资源利用等诸多功能于一体，在高层及超高层建筑中起着重要的作用。随着城市土地资源的日益紧缺，高层建筑得到了快速的发展。为了达到节约土地的目的，提高建筑物的空间利用率，人们在设计中不断探索新的结构体系。其中，框架-剪力墙结构体系是目前我国高层及超高层建筑中应用最多的结构体系，具有良好的抗震性能，其设计关键在于结构材料选用、构件连接和节点构造等方面。框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙组成的抗侧力结构体系，目前在高层及超高层建筑中应用最广泛。其特点是整体性强、刚度大、变形小、延性好、抗震性能优良、施工方便。框架-剪力墙结构体系在地震作用下表现出较好的抗震性能，其研究与应用逐渐引起了人们的重视[7]。

4.7 抗震设防烈度高的装配式建筑结构体系

抗震设防烈度高的装配式建筑结构体系，包括高层建筑和超高层建筑。此类结构体系的抗震设防烈度高，由于其抗侧刚度大，地震时能有效耗散地震能量，减轻对上部结构的破坏，而使上部结构不出现严重破坏甚至倒塌。此类建筑的抗震设防烈度通常为6 度。

对这种装配式结构体系而言，其抗侧刚度主要取决于连接节点的构造、连接方式和抗震性能。因此，连接节点构造要尽量简单，易于制作；连接方式应尽可能可靠、可靠；连接节点处的构造应合理，满足所用材料的性能要求；连接节点应具有足够的承载能力和抗剪能力。对于采用装配式钢筋混凝土楼盖结构体系的高层建筑而言，由于其使用功能要求比较高，所以其抗侧刚度较大。因此，在设计时应充分考虑高层建筑和超高层建筑对构件截面尺寸和配筋等方面的要求。对于采用装配式钢结构楼盖结构体系的高层建筑而言，其抗侧力构件截面尺寸一般为700～800mm。

4.8 新型施工工艺及设备的研发与应用

为了提高装配式建筑的施工效率，在技术上需要进行不断地创新与研发，而最具代表性的就是装配式建筑施工过程中新型的施工工艺。

在装配式建筑施工过程中，最为关键的就是构件的组装，在组装完成以后，就会对其进行现场拼装，所以构件安装的质量对于整个装配式建筑的质量有着至关重要的作用。同时，装配式建筑施工过程中，构件之间的连接是关键所在，如果连接不牢固就会导致构件出现脱落或者是变形等现象。所以，在施工过程中要特别注意构件之间的连接。比如在一些较大构件上安装预制构件时，需要使用高强度螺栓来连接不同部位的构件，为了提高装配式建筑施工质量，可以使用高强螺栓进行连接。并且，为了提高施工效率，在构件安装前还可以利用一些新型的技术对其进行有效地控制。比如在浇筑混凝土时采用合理的混凝土振捣工艺等。

5.未来发展趋势

建筑工业化是装配式建筑发展的必然趋势。我国拥有丰富的人力资源、低廉的劳动力成本，装配式建筑具有巨大的发展空间。但是，目前装配式建筑与发达国家相比仍有较大差距，主要体现在：设计水平有待提高。设计人员对结构性能的认识不够，缺乏对新型结构体系、新型材料和新技术的研究与应用。我国装配式建筑施工技术人员整体素质不高，施工管理水平有待提高。部品部件质量问题仍有发生。部品部件生产企业和施工企业技术力量薄弱，部品部件质量检验监管和质量验收制度不完善；施工中存在违规操作等现象，导致结构质量问题时有发生。产业链尚不完善。由于装配式建筑产业规模小、技术水平低、设备落后、产能过剩等原因，致使产品附加值不高、产业链条短。政策法规亟待完善。目前，我国尚无国家层面的装配式建筑发展政策法规，也没有统一的行业标准，这就使得各地在制定本地区的装配式建筑发展政策时缺乏依据和标准。我国装配式建筑企业管理水平较低，管理手段落后；管理人员缺乏对现代管理知识的掌握和运用；在管理模式上多采用传统的“人海战术”。专业人才缺乏。在装配式建筑结构体系中，设计、生产、施工、装修等专业人员严重不足；从事结构设计工作的工程师不足5%；从事结构构件生产工作的工人不足10%。

结语：

综上，装配式建筑体系是在传统建筑体系的基础上进行改进和提升，在生产和施工过程中大量采用装配化施工工艺，具有工期短、施工质量好、能耗低等优点。但目前装配式建筑结构体系还存在很多问题，如标准化程度低、设计技术和手段滞后、构件连接节点不可靠等。针对上述问题，可通过加强标准化设计和构件连接技术研发力度，提高装配式建筑构件设计水平，完善施工工艺，提高工程质量和减少建筑垃圾。