裝配式混凝土住宅建筑結構設計研究

賀業飛，李鵬飛

（1.煙臺建聯勘察設計審查服務中心，山東 煙臺 264000；2.山東圣凱建筑設計咨詢有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

現階段，我國建筑領域發展態勢良好，建筑工程總體數量和建設規模不斷升級，裝配式建筑工程因其施工便捷性優勢和資源節約優勢，具有十分突出的發展優勢。裝配式混凝土建筑屬于我國建筑領域經過多年發展后的一項重要產物，同時也是實現城市現代化建設目標的重要組成部分，因為裝配式混凝土住宅建筑結構的主要建造方式與傳統形式的現澆結構之間存在較大差別，所以，該技術的出現，讓我國建筑設計行業、建造行業迎來諸多新的變革。由于很多住宅設計均會采用這種預制構件“拆分”形式的結構設計方案，所以，需要面臨的結構安全問題以及建筑使用安全隱患問題較多，需要受到專業人士的高度重視。

1 裝配式住宅建筑概述

現階段，裝配式建筑工程的總體數量不斷增加，其市場應用比例始終處于穩步上升的狀態。基于此，大量相關學者針對裝配式建筑結構展開更加深入的研究。裝配式主要指各種建筑工程主體結構、部件能夠在車間完成批量生產，并在工廠內執行預制生產和加工任務，在此之后，將部件成功運送到施工現場進行集中裝配，通過這種形式建設而成的建筑，即為裝配式建筑[1]。與此前階段比較流行的傳統澆筑建筑進行對比，裝配式建筑在環境保護、節約勞動力方面具有顯著優勢，同時還能夠更加有效的保證工程最終建成質量、保證工程施工進度的發展。由于上述優勢的存在，裝配式建筑在我國建筑行業中取得前所未有的發展成果，并在行業中占據主要地位[2]。截至目前，我國各個省份地區相繼為裝配式建筑工程出臺專門的鼓勵政策，這也為建裝配式建筑在我國的快速發展提供了更加有利的政策支持，同時也為裝配式建筑賦予了全新的時代發展內涵，在未來階段的建筑行業轉型和升級中，裝配式建筑將會發揮出至關重要的促進作用。

2 裝配式住宅建筑工程設計主要注意事項

2.1 工程結構設計

房屋建筑企業在設計主體框架結構的過程中，首先需要對房屋在應用過程中的實際荷載程度做出充分調查，保證建筑結構體系布置的科學性，同時還需要對房屋的選址問題做出充分研究，根據所在地的自然情況，設定相應的抗雨雪和抗地震的建筑等級，保證建筑主體結構強度能夠滿足建筑建成后的實際使用需求。基于此，可以在建筑工程前期策劃階段，合理運用BIM技術、大數據技術、模擬功能技術以及數據計算統計技術，以此為基礎，完成項目調研報告、方案比選、投資估算、概算、技術經濟以及可行性指標數據等相關任務，并做出有效評估。其中，BIM 信息庫可以與其他類似工程數據信息與工程造價數據庫做出最終對比，進一步明確最優建設方案，并選定最優決策。

2.2 管線設計

室內集成管線在執行布置任務時，需要保證科學性，對于傳統形式的混凝土結構而言，正式施工中會以梁下方繞行作業方式為主。在建筑設計方案中，對這一方面的處理內容具有較強適用性，施工方可選擇在工廠內完成相關組裝任務，通過這種方式提升項目結構的最終施工質量水平，同時還可以進一步保證施工效率，確保工程建設任務可以在合同約定的時間準時交付。與傳統形式的混凝土建筑工程結構相比，裝配式工程中的管線安裝方式更加簡潔，同時這種安裝作業方式還可以有效減少工程中的彎頭數量，進一步提升水泵設備和風機設備的實際工作效率，大幅提升房間的室內凈空高，為住宅工程在后續階段的空間利用方面提供良好的便捷性保障。

2.3 三板體系設計

本次工程中的所有墻板寬度均以模數為600mm標準的柱網尺寸為基數，完成相應設計任務，墻板縫位置均設為沿柱網中心線處向兩邊進行縮進10mm 的作業標準，其中墻板縫寬度標準為2×10=20（單位：mm）。根據墻板所處位置的區別，墻板寬度計算公式也存在一定差別，具體情況需要由柱網的實際尺寸決定。中間柱網處墻板寬度的計算，墻板實際寬度為柱網實際尺寸減去對應墻板縫長度，相應計算公式為：D=n×600mm-2×10mm（n 為正整數）。

3 裝配式混凝土住宅建筑工程設計方法

將裝配式建筑與普通現澆住宅工程設計方式進行對比，現代化裝配式建筑工程中的結構設計方法具有一定的特殊性，需要將建筑要素、結構要素、設備要素共同融合到設計方案中，并將全部建筑信息進行綜合處理后參與裝配式結構設計的整體方案中，并交由專業設計人員以此為基礎，完成后續深化設計任務[3]。本文主要以傳統設計方法、BIM 設計方法為基礎進行討論，對裝配式住宅建筑工程設計方案展開深入研究。

3.1 傳統裝配式結構設計方法

常規情況下，裝配式混凝土住宅工程結構的傳統設計方案中，會選定一種主結構先整體、后拆分的設計順序，此時住宅工程的整個結構會被進行合理劃分，主要由預制構件部分與連接節點組成，其中，施工設計又可以劃分為預制構件生產與裝配兩項內容，設計要點詳情如下。

（1）建筑結構構件設計分析，需要對工程主體結構進行計算，并以最終分析結果為基礎，對比分析結果完成構件設計任務，以此保證所有工程構建的設計工作均可以達到合格水平。在此期間，還需要保證所有工程預制件數據參數的準確性，保證每一環節的現場組裝任務都可以做到有據可循，從而保證現場組裝作業的順利性[4]。

（2）建筑預制構件結構的拆分設計，設計人員需要充分考慮到現場的施工要求，確保所有構件都能夠滿足施工提出的標準化與通用化要求，同時還需要確保拆分預制構件作業的有序性，保證拆分構件可以做到標準化、模塊化，通過這種方式保證自身的設計工作能夠有效節約出更多的建設材料和建筑能源，并且自身的拆分構件施工還不會對建筑工程的功能使用造成直接影響，確保住宅建筑主體結構受力性能穩定，保證住宅工程在投入使用后的整體安全性。

（3）建筑構件連接節點設計，面對不同構件需要選用不同形式的連接方式，主要包括建筑預制柱連接任務、疊合梁與預制柱連接任務、樓板與柱的連接任務等幾項關鍵內容。其中，預制內隔墻需要與剪力墻、疊合板與疊合板之間留出足夠作業空間，同時還需要保證任一預制構件在與現澆構件進行連接施工時，都有與施工任務相匹配的補充說明，確保自身的設計驗算工作可以落實到位，進而保證現場組裝施工任務可以順利完成。

（4）住宅建筑工程的有限元分析設計，首先需要將彈性連續體進行離散處理，進而獲得有限各單元位于角點鉸接狀態下的組合體信息，其次可以有針對性地分析所有單元體的實際受力情況與結構變形間的作用關系，此后方可執行各單元構件的組裝任務。運用這種設計方法，能夠對建筑連接件個數、間距進行有效調整，進一步優化每個樓層的實際受力狀況，做到受力均勻的同時，保證住宅建筑主體結構的實際強度可以達到要求。

3.2 BIM裝配式結構設計方法

住宅建筑工程施工任務正式開始前，BIM 技術的運用可以使裝配式結構設計思路變得清晰，各種設計方法的運用也可以做到有據可查。建筑結構設計環節至生產環節，是工程預制件產品的主要生產環節，因此，設計、生產單位需要共享工廠的預制構件庫信息，同時設計單位還需要根據預制構件廠方給出的數據選擇最終預制構件類型和強度，這一階段的設計可劃分為4 個不同步驟：①面向預制構件；②構建BIM 模型；③優化模型分析；④應用BIM 模型建造。基于此，可以進一步達成設計目標，并保證設計與生產兩個環節的工作可以順利銜接，提升設計方案的可執行性[5]。

4 工程實例分析

4.1 項目概述

某房建工程項目中分別包括5 棟保障性住房工程（即1～4 號居民樓）、4 層地下車庫、3 棟配套商業、變電所和門衛。建筑基地用地總面積約為15013.6m2，建筑總面積約為78972.08m2。工程使用年限設定為50 年，建筑結構安全等級設定為二級標準，其中，50 年重現期設定基本風壓標準為0.55kN/m2；工程地面粗糙度類別設定為B 類，其中，50 年重現期設定基本雪壓標準為0.40kN/m2；建筑抗震強防烈度設定為Ⅶ度（0.1g），地震分組設定為第二組，工程場地類別屬于Ⅱ類，多遇地震時展現出的特征周期Tg=0.45s。

4.2 結構體系選型

本次住宅建筑工程中，項目結構選則的計算方法與傳統形式的現澆結構基本相同，借助采PKPM 完成多遇地震彈性狀態下的建筑信息分析，最終計算結果顯示本次工程中的構件在承載力水平、變形方面均可以達到設計要求。

4.3 預制構件拆分設計

本次住宅建筑工程中，設計工作需要始終堅持模數化、標準化設計原則，保證預制構件可以滿足拆分設計提出的各方面要求。因為本次工程中的立面施工內容十分豐富，設計方案初期階段設定的預制凸窗類型更是多達幾十種，并且重復率低，導致項目造價成本較高。為進一步控制工程建設成本，需要對方案做出合理調整，取消一部分凹進凸出形式的設計，盡量減少凸窗類型；同時還需要對項目樓梯尺寸做出合理調整，確保兩部樓梯之間的尺寸處于一致水平，在這樣的情況下，僅需一套模具即可完成所有樓梯預制件的生產任務，能夠有效降低工程造價成本，為建筑企業節約大量建設資金的同時，還可以進一步簡化施工現場的組裝任務。

4.4 BIM 裝配式一體化三維模型設計

本次住宅工程設計中采取BIM 裝配式一體化三維模型設計方法，為全面保證設計工作的完成質量，需要設計人員針對所有預制構件的實際尺寸、重量及體積信息等因素做出精確測算，同時還需要將所有測得的最終數據使用表格清單進行呈現，并利用計算機系統進行數據的輸入與輸出處理，借此實現對所有工程建設數據的精準利用，并保證數據儲存的完整性，為后續階段的數據調用提供奠定良好基礎。在此期間，BIM 模型的建立，可以讓設計人員更加直觀地觀察到建筑各部分構件在工程中的具體位置關系，從而為施工圖碰撞檢查工作創造出更為有利的條件。除上述內容外，本次住宅工程中還主動應用到透視功能，該功能可以對混凝土內部空間的鋼筋分布、埋件位置合理性進行檢測和分析，從而有效避免鋼筋出現碰撞問題發生，為工程建設質量提供全方位保障作用。

5 裝配式混凝土住宅工程結構設計成果分析

5.1 質量保障效果更佳

與此前傳統建筑形式進行對比，裝配式建筑具有施工效率更高的優勢，特別是在裝配式建筑應用過程中，可以提前對工程中的地點信息進行了解，并對建筑構件進行提前預配作用，在對施工現場條件進行分析后可提前進行建筑結構部件的制作，在將制好的建筑結構配件運送至施工現場后，只需要在現場完成拼接工作即可。因此，這種新型的建筑施工形式可以更加有效地降低現場工人與實際施工強度，同時還可以使原本比較復雜的諸多建筑結構施工任務變得更加簡單，對傳統建筑形式中的砌筑、抹灰等工程進行分化處理，這些施工任務并不需要全部在施工現場完成。

5.2 建筑安全級別更高

對傳統形式的建筑工程進行分析，大部分施工作業均需要在露天環境下完成施工任務，所以，在面對惡劣天氣時，往往會被迫停工，此時會耽誤施工進程的正常推進，同時也會為后續施工埋下諸多安全隱患，對現場施工人員造成生命和財產威脅。但是，在應用新型裝配式建筑施工方式后，建筑中的各個施工構件均可以在工廠提前完成，并為其進行預配作用，此時施工現場僅需配備相應的專業人員，即可根據裝配式施工標準完成相關安裝任務，并有效保證安裝質量。在這樣的情況下，既能夠有效節約施工時間，同時又可以避免露天操作需要面對的各種類型的施工風險，大大提高施工現場的作業安全性，為現場施工人員提供更為有效的生命和財產安全保障，因此，裝配式建筑工程施工方式具有更高的安全性。

6 結語

綜上所述，裝配式混凝土建筑結構設計，與傳統形式的現澆結構工程設計存在較大區別，并不是在原有基礎上對現有預制構件進行簡單的“拆分”即可，而是要做到工業化、產業化、信息化相結合，利用全新的思維設計模式，重新建立起專門的裝配式建筑設計體系，確保設計工作可以充分滿足建筑提出的適用性和安全性要求，在充分掌握裝配式結構體系后，才可以全面了解并深入掌握技術，進一步實現裝配式混凝士住宅結構設計的現代化發展目標。