裝配式混凝土建筑深化設計及應用解析

鄭 強

1. 同濟大學土木工程學院 上海 200092

2. 中建四局第五建筑工程有限公司 廣東 深圳 518000

與傳統的建筑施工的現場作業模式不同，裝配式建筑就如同“像造汽車一樣造房子”，通過深化設計將建筑物拆分為梁、板、柱、墻等預制部件，在工廠以工業化的模式流水生產，并在項目現場借助機械設備將各預制部件拼裝完成建筑物的施工。

近年來，裝配式建筑的發展獲得國家及地方的政策支持與推動。在國家層面，2017年3月，住建部出臺《“十三五”裝配式建筑行動方案》，明確到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上，其中重點推進地區（京津冀、長三角、珠三角）達到20%以上，積極推進地區（常住人口超過300萬的城市）達到15%以上，鼓勵推進地區達到10%以上。

在地區層面，上海市從2013年起陸續下發了多項推進裝配式混凝土建筑的政策文件，文件中對裝配式建筑的比例、總量、優惠政策、實施規劃等都有明確規定，為廣大開發企業、建筑企業能夠深入開展裝配式建筑的設計與應用保駕護航。

在規范方面，國家層面和上海市已在設計、生產制作、施工、質量驗收等環節頒布了相應的標準供參照執行。在深化設計層面，雖然國家和地方也頒布了相應的圖集，但仍未有較全面系統的指導性實施細則。深化設計作為裝配式建筑實施過程中的先行環節，對裝配式建筑質量控制、成本控制和進度控制有至關重要的作用[1-5]。

1 深化設計簡介

預制混凝土構件深化設計，是在常規建筑設計的基礎上增加對預制混凝土構件在生產及施工環節應用的延伸 設計。

在深化設計過程中，不僅需要做到符合現有國家相關建筑設計、施工、驗收規范，不改變原設計圖的建筑及結構尺寸，不改變原建筑空間功能，還要做到預制構件要有利于生產與施工的尺寸、質量、公差、安全保護措施。設計構件高度時要充分考慮構件的生產、運輸方式和運輸距離，較長距離運輸時不宜超高超寬，并且考慮減少物料種類。設計清單應詳細清楚，便于生產和施工的統計和 管理。

按深化設計內容劃分，可分為構件拆分設計、生產模具設計、構件詳圖設計和運輸安裝裝配式設計。

2 深化設計解析及主要問題分析

2.1 構件拆分設計

構件拆分設計是指根據項目情況和需求，在設計圖紙中拆分出可供生產及裝配施工的單個預制部件，繪制出拆分構件布置圖，對構件進行編號并繪制出構件的節點圖。

拆分的構件主要有：疊合樓板、疊合梁、預制柱、預制墻體、預制樓梯、預制陽臺、預制凸窗、預制空調板等。根據分布的不同，可分為水平構件和豎向構件兩大類。構件拆分應滿足項目的預制率要求，并優選易于工業化生產的標準構件或現場施工難度較大的構件進行拆分設計，同時應考慮生產及裝配的便利性，構件組合分布合理、經濟可靠。

常見問題：構件拆分不合理、節點設計不合理等。

如圖1所示，拆分的樓板短邊寬度達到3.3 m以上，加上出筋長度后總寬度超過3.5 m，會對生產和運輸造成極大的不便。因此需要對此處拆分進行優化，確保樓板短邊寬度在3.0 m以內，最好不超過2.8 m。

圖1 構件拆分

如圖2所示，該節點有3個預制件的梁底筋伸入現澆柱中，鋼筋數量、錨固長度等對柱鋼筋綁扎造成很大影響。對于此處節點，如果不可避免地需要拆分為3個預制件的話，應對錨入鋼筋進行優化，比如等面積代換減少鋼筋數量、取消彎鉤改為錨固板等，同時底筋位置對預制件的吊裝順序也有要求，需要重點說明，避免因吊裝順序錯誤造成返工。

圖2 梁柱節點

2.2 生產模具設計

生產模具設計是指根據構件外形、配筋、預留預埋留設、節點做法等要求，設計出可供工廠生產構件用的鋼材質或其他材質的模具。

模具設計是目前深化設計中最容易被忽略的一個環節，而深化設計過程中如果不考慮模具因素，往往會在模具拼裝、脫模、線條處理等方面存在問題。以凸窗構件為例，窗臺、外立面線條等部位應有脫模斜角、滴水線、企口做法要考慮拼模和脫模的可行性，部分棱角宜由直角設計改為圓角，空調等預留洞口宜考慮設置有外低內高的斜度，預埋件應有防偏位措施，對于較大開洞、懸挑的構件還要考慮加固措施以及模具防變形措施等等。此外，除疊合樓板等少數預制構件外，模具費用一般能占到預制構件總費用的15%左右，如果能在設計階段對模具用鋼量做到有效控制，對降低整體造價也會有非常明顯的效果。

常見問題：沒有設計封堵措施、滴水線沒有設置或設置不合理、未設置防偏位措施等。

如圖3所示，該構件的模具設計沒有考慮箍筋出筋處模具的封堵措施要求，生產時僅通過泡沫條堵塞無法達到效果，振搗時漏漿影響構件質量[6-8]。

圖3 模具封堵

2.3 構件詳圖設計

構件詳圖設計，是整個深化設計階段中工作量最大也是最核心的階段，需要將設計圖紙轉化為可用于生產的構件加工圖。詳圖主要包含5個方面的內容：

1）構件尺寸圖，包含平、立面各角度視圖、必要的剖面圖以及局部大樣圖等。

2）配筋圖，包含構件主筋、箍筋、構造筋、附加鋼筋等，同樣會有多個視圖。

3）預留預埋布置圖，預留主要是各種洞口，預埋則是構件在生產、吊裝及后續施工中需要的部件，如灌漿套筒、脫模用套筒、支撐用套筒、模板用套筒、吊釘吊具、線盒管線等構配件的布置圖。

4）料表清單，主要為鋼筋翻樣表。

5）構件詳圖相關說明。

目前對于構件詳圖的編制單位并沒有資質要求，設計單位、構件生產廠家、第三方機構都可以完成，但詳圖設計內容必須能滿足設計圖紙和國家相關規范的要求，并且滿足構件生產及裝配的需要。雖然構件詳圖不需要經過審圖公司的審查，但應交付原設計單位審核確認，避免因疏漏和錯誤影響項目的順利實施。

常見問題：企口沒有設置或設置不合理、結構薄弱處或脫模薄弱處無補強措施、吊點構配件選型不當等。

如圖4所示，此大開洞構件側翼挑出70 cm卻僅厚5 cm，本身拆分設計就不合理，同時側翼連接處補強措施不當，導致構件脫模時開裂。

圖4 構件開裂

如圖5所示，該疊合墻板僅厚5 cm，卻在詳圖設計時選用了常規的吊釘作為吊裝件，由于生產偏差和保護層不足造成吊釘處混凝土破損。吊點構配件選型不當會在吊裝時極易發生安全事故，造成嚴重后果。

圖5 吊點部位缺陷

2.4 運輸安裝設計

運輸安裝設計是指構件在保障運輸及吊裝施工環節順利完成所進行的設計。構件的裝運應有裝車計劃、運輸架設計、支撐加固設計等，對門窗框、外飾面、棱角線條等也應有完善的成品保護設計，超長、超重、超高（寬）及特殊構件必須有專項方案，避免構件在運輸和裝配環節發生變形、破損，影響正常使用。

深化設計時也應考慮現場裝配的環境和需求，如控制單個構件最大質量、現場運輸路線、堆場布置、吊裝順序、節點處理等。有些內容可能在設計階段無法確認，但應在施工交底階段與施工方做好溝通，并協助施工方在施工組織設計和預制構件專項施工方案中完善和優化上述 問題。

常見問題：大開洞構件無運輸補強措施。

對于大開洞、高寬比過大的構件，應在深化設計中考慮洞口補強措施，包括不限于鋼筋補強（圖6）、設置豎向或斜支撐等。如果未設計補強措施或者設置不當，有可能在運輸、吊裝施工過程中造成構件開裂（圖7）。

3 裝配式建筑設計體系及預制率分析

圖6 構件洞口補強措施

圖7 構件裂縫

從結構角度來說，目前大部分裝配式建筑都是裝配整體式結構，是由預制混凝土構件通過可靠方式連接，并與現場后澆混凝土形成整體的混凝土結構，只是通常表述為裝配式結構。

根據應用部位和結構體系的不同，目前裝配式建筑設計體系主要有：預制剪力墻體系、預制框架體系、疊合剪力墻體系、豎向現澆水平疊合體系、內澆外掛體系等，其中預制剪力墻體系和預制框架體系應用的比較廣泛。

3.1 預制剪力墻體系及預制率分析

預制剪力墻體系為預制剪力墻、疊合梁、疊合樓板構建成的混凝土結構。根據項目需要，建筑外圍墻體可預制成夾心保溫墻體（圖8）。

圖8 預制剪力墻體系（帶夾心保溫）

預制剪力墻體系通常應用在住宅項目的樓棟中。以上海地區裝配率計算公式分析，預制剪力墻體系以豎向墻板（包括預制剪力墻板和外墻非受力墻板）＋疊合樓板的組合可輕松達到30%以上的預制率，如加上其他預制構件，預制率最高可達50%。預制剪力墻體系可做預制構件的部位有：非邊緣約束構件的剪力墻墻體、外墻非受力墻體、疊合樓板、疊合梁、陽臺、凸窗、樓梯、空調板等，邊緣約束構件、底部加強區域構件、屋面樓板不適宜做預制，非受力內隔墻受政策要求以及經濟性的考慮，通常也不做預制。

以上海市奉賢區某動遷安置房項目為例，4棟住宅為16～18層、剪力墻結構，總建筑面積37 837.94 m2，其中地上建筑面積35 629.58 m2。按土地出讓要求，本項目裝配式建筑實施比例為100%，單體預制率不低于40%。根據要求，該項目選擇了疊合梁、疊合樓板、墻板和樓梯，以其中1#樓為例，總預制率為42.18%（表1）。

表1 某預制剪力墻體系項目預制率

3.2 預制框架體系及預制率分析

預制框架體系為預制柱、疊合梁、疊合樓板構建成的混凝土結構。根據項目需要，外圍護可采用夾心保溫外墻板。預制剪力墻體系通常應用在公共建筑的樓棟中。以上海地區裝配率計算公式分析，預制柱＋部分疊合梁＋疊合樓板的組合可以達到25%以上的預制率，如加上其他預制構件，預制率可達40%左右。

預制框架體系可做預制構件的部位有：柱、疊合樓板、疊合梁、樓梯等。核心筒體、電梯間部位墻體、屋面樓板等則不適宜做預制。有相交的主次梁，由于節點處理較復雜、施工難度大，在構件拆分設計時要謹慎考慮是否預制。

以上海市靜安區某商務辦公樓綜合體項目為例，12棟高層及多層框架結構公共建筑，總用地面積49 981.8 m2，總建筑面積209 557.52 m2，其中地上計容建筑面積124 954.50 m2。按土地出讓要求，本項目裝配式建筑實施比例為100%，單體預制率不低于25%。根據要求，該項目選擇了疊合梁、疊合樓板、靠近塔吊的部分柱子和樓梯，以其中1#樓為例，總預制率為26.66%（表2）。

表2 某預制框架體系項目預制率

3.3 夾心保溫

以保溫一體化形式劃分，與傳統的外保溫、內保溫形式不同的是，裝配式結構還有特有的夾心保溫形式。夾心保溫集合圍護、保溫、防水、防火等功能，在構件生產環節即可完成保溫一體化的生產作業。夾心保溫在預制剪力墻體系及預制框架體系中均可應用，目前上海地區對夾心保溫應用有獎勵政策，在深化設計時可根據項目需求情況選擇使用[9-10]。

4 結語

隨著裝配式混凝土建筑應用的深入推進，深化設計還將在技術體系、結構體系和部品體系環節等方面進一步發展和完善。在技術體系層面，將完善相關標準和規范體系，進行標準化、多樣化和工業化結合的標準設計。在結構體系層面，將會不斷研發和應用新型結構體系，如新型連接處理的裝配式受力體系、裝配式預應力混凝土體 系等。

在部品體系方面，將開始施行部品生產系列開發、規模生產和配套供應。而隨著深化設計的不斷完善優化，會給裝配式建筑在質量保障、生產施工效率、建筑物壽命、造價成本、綠色能耗等方面帶來更優異的效果，為裝配式建筑的發展提供更加廣闊的空間！