裝配整體式混凝土框架結構設計方法研究

楊 旭 李晨光 鄧思華

(1.北京建筑大學，北京100044;2.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京100039)

引言

裝配整體式混凝土結構由預制混凝土構件或部件通過各種可靠的方式進行連接并與現場后澆混凝土形成的裝配式混凝土結構。它是實現住宅產業化的一部分，也是現代建筑最為重要的結構形式之一。

目前，國外裝配整體式混凝土框架結構采用的設計方法[1][2]是基于性能的設計方法，該方法與整體現澆混凝土結構的設計方法有很大的不同，它具有優良的非線性特性。在線彈性范圍內，結構的恢復性能良好;地震作用下，彈塑性變形發生在構件的連接區域，而構件本身并不會發生破壞，并且當地震發生之后，只需要對預制構件連接處的受損部分進行更換或者修復，即可正常使用。

國內目前采用的裝配整體式混凝土框架結構的設計方法是建立在整體現澆混凝土框架結構的基礎之上的。利用該設計方法設計的建筑結構，地震作用下容易使預制構件發生破壞。

本文研究的裝配整體式混凝土框架結構設計方法，主要包括四個環節:即整體現澆混凝土框架結構設計階段、預制構件拆分與歸并階段、三維碰撞檢測階段和預制構件深化設計階段。

1 整體現澆混凝土框架結構設計

本階段與整體現澆混凝土框架結構的設計方法一致，即當設計人員得知業主的設計要求以后，根據要求，采用整體現澆混凝土框架結構設計方法，完成一個初步的設計方案。

2 預制構件拆分與歸并

當初步的設計方案完成以后，需要按照以下幾個原則完成預制構件的拆分和歸并:

1)預制構件拆分之前，設計人員需要與負責同一項目的施工方進行溝通，如果施工方尚未確定，應在業主的同意的前提下，以一般施工水平為準，確定此環節需要考慮的施工條件。譬如，預制構件的吊具及承載能力等等;

2)拆分和歸并后的預制構件盡可能地保證截面形狀相同，長度方向可自由調整，這是構件拆分時的基本原則;

3)拆分和歸并后的預制構件，構件種類要盡量減少，從而減少模板的種類，提高模板使用率;

4)了解初步設計方案中各個位置中梁、板、柱的功能和聯系，同時應了解預制構件制作方的制作方法和加工精度等內容，以便于制定預制構件的裝配方案;

5)應滿足運輸、堆放、安裝及質量的控制要求。

依據上述原則，預制構件拆分與歸并完畢以后，需要利用整體現澆混凝土框架結構的設計方法進行重新計算，如果計算結果合理，滿足現行規范的設計要求，可以進行下一環節，否則，需要根據計算結果，有針對性地調整預制構件的拆分與歸并方案，進行再次計算，直至計算結果滿足設計要求為止。

3 三維碰撞檢測

當拆分與歸并后的裝配整體式混凝土框架結構滿足設計要求以后。為了避免施工過程中，預制構件的裝配不能順利進行，特別是預制構件外伸的鋼筋發生彼此碰撞，應當在裝配整體式混凝土結構的設計過程中增加三維碰撞檢測環節。

隨著BIM(Building Information Modeling)技術的不斷發展和大力推廣[3]，空間可視化設計有了強有力的技術支持，因此也使得裝配整體式混凝土結構構件之間的三維碰撞檢測變得簡單易行。

裝配整體式混凝土框架結構的三維碰撞檢測可以采用 Autodesk Revit Structure[4]和 Autodesk NavisWorks[5]進行。

(1)Autodesk Revit Structure和Autodesk Navis-Works

Revit Structure是一款專門為結構工程師提供結構設計與出圖的強大工具，它將多材質的物理模型與獨立、可編輯的分析模型進行了集成，可實現結構建模和結構文檔的準備，并為常用的結構分析軟件提供雙向鏈接，它通過參數驅動模型即時三維呈現結構工程師的設計，實現在施工前對建筑結構進行更加精細的可視化設計。它可以通過協同工作跟建筑師、水暖工程師進行多專業協調工作;“一處修改，處處更新”的理念，最大程度地減少了項目設計變更中的失誤，極大地提高了工程師的設計效率(圖1)。

Autodesk NavisWorks能夠再現設計意圖，制定詳細的四維施工進度計劃，實現施工項目的可視化。在項目動工之前，設計人員即可在真實的環境中體驗所設計的項目，實現沖突檢測，并提供審閱解決方案，提高施工文檔的一致性、協調性和準確性，簡化貫穿企業與團隊的整個工作流程，幫助減少浪費、提升效率，同時顯著減少設計變更，更加全面地評估和驗證所用材質和紋理是否符合設計意圖。

圖1 三維模型圖

(2)三維檢測方法

三維碰撞檢測時，首先應該利用Autodesk Revit Structure軟件進行三維建模，然后利用Autodesk NavisWorks軟件中的“Clash Detective”模塊進行三維碰撞檢測。

Autodesk Navisworks中的“Clash Detective”工具可以有效的識別、檢查和報告三維項目模型中的碰撞，有助于降低模型檢測過程中出現人為錯誤的風險。

三維碰撞檢測的具體步驟如下:

1)從批處理中選擇需要進行的測試項目;

2)根據檢測要求設置碰撞檢測的規則;

3)選擇要在碰撞檢測中包括的所需項目，然后設置檢測類型選項;

4)查看三維碰撞檢測結果;

5)對碰撞檢測的結果進行排序，以表格的形式列出碰撞檢測結果，進而根據使用者需求，選擇指定的格式生成碰撞檢測報告。

4 預制構件深化設計

預制構件的深化設計是裝配整體式混凝土結構設計過程中最為重要的一個環節。預制構件深化設計的深度應滿足建筑、結構和機電設備等各專業以及構件、制作、運輸、安裝等各環節的綜合要求。

深化設計階段主要分三個階段，即鋼筋組裝圖設計、模具圖設計和吊裝圖設計三個環節。

(1)鋼筋組裝圖設計

預制構件的深化設計圖本質上是鋼筋的組裝圖。本環節需要對每種類型的鋼筋進行編號標示，且保證編號唯一(圖2)。

(2)模具圖設計

圖2 鋼筋組裝圖

鋼筋組裝圖設計完成后，設計人員需要根據預制構件的尺寸及配筋完成預制構件模具圖;根據預制構件的裝配方法完成預制構件裝配模具圖。

模具設計過程中，必須要對模具的強度、剛度以及穩定性進行計算，以防止構件制作過程中水泥砂漿從預制構件面和模板的連接面處溢出，同時應保證模具和構件連接緊密和混凝土的養護(圖3)。

當預制構件裝配模具圖設計時，由于后澆混凝土在連接部位使用的混凝土量較少，對模具的側面壓力也較小，設計時，可以適當對模具的強度和剛度進行折減，但必須保證澆筑混凝土時模具不能發生移動或者膨脹。

(3)吊裝圖設計

吊裝圖設計是裝配整體式混凝土結構設計中的一項重要環節。本環節主要包括豎向構件的吊裝設計和水平構件的吊裝設計(圖4)。

在具體設計過程中需要考慮以下幾個因素:

1)吊具的種類和承載能力;

2)預制構件上的吊環對預制構件的運輸和裝配的影響;

3)預制構件的堆放和運輸。

5 裝配整體式混凝土框架結構設計總結

設計人員在設計過程中需加強與同一項目施工方的溝通，了解施工水平，以便于項目能夠順利完成;同時應了解預制構件的安裝和裝配方法，以保證設計完成的預制構件不影響節點的裝配。

三維碰撞檢測階段，要盡可能細化模型分類，便于操作和定位;同時，當模型載入NavisWorks時，應先漫游一下模型，找出一些明顯的問題，調整以后再使用“Clash Detective”，這樣可以減少一些碰撞檢測。

設計人員設計完成的預制構件圖，應保證預制構件裝配時，外伸鋼筋不發生碰撞，同時應預留一定的設計公差，避免生產環節發生事故;設計完成的模具圖，在滿足功能要求基礎上，盡可能地提高模具使用的重復率和易操作性;預制構件深化設計時，預制構件深化設計圖要明確標明預制構件與后澆混凝土結合面的制作形式及方法，準確傳達出設計意圖，以保證施工的便捷性和結構的抗震性能。

圖3 模具圖

圖4 吊裝圖

[1]社團法人預制建筑協會.預制建筑總論:預制建筑技術集成[M].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[2]社團法人預制建筑協會.預制建筑技術集成[M].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[3]蘇駿，葉紅華.基于BIM的設計可視化技術在世博會德國館中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2009(1):87-91.

[4] Autodesk Asia Pte Ltd.Autodesk Revit Structure 2012應用寶典[M].上海:同濟大學出版社，2012.

[5]韓克勇.NavisWorks在項目設計和施工中的應用[J].城市建設理論研究(電子版)，2013，(11).

[6]龔志宏.裝配式住宅中預制構件的施工技術[J].科技資訊，2010，22:81-82.

[7]陳介華.預制裝配式住宅施工技術的研究[J].建筑施工，2013，06:552-553+556.