裝配式建筑的特點與設計

陳 溥

(華林中創建筑規劃設計有限公司，山西 太原 030027)

伴隨著建筑市場長期的粗放式發展，以現澆為主的傳統房屋建筑方式已不能適應現代社會對建筑功能、品質以及節能環保等方面的要求。而裝配式建筑相對于傳統建筑在節約資源和能源、減少污染、提高勞動生產效率及工程質量等方面都有很多積極的作用。但裝配式建筑又有其獨有的特點和設計方法，故如何進行合理的裝配式建筑設計，則對裝配式建筑的健康發展有著非常重要的作用。

1 裝配式建筑的概念

裝配式建筑是指結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統的主要部分采用預制部品部件集成的建筑。從材料類別上來說分為三大類：裝配式木結構建筑、裝配式鋼結構建筑、裝配式混凝土建筑。目前我國建造的建筑類型以剪力墻住宅為主，而剪力墻住宅建筑材料又以鋼筋混凝土為主，故本文所闡述的裝配式建筑主要是指裝配式混凝土建筑。

裝配式混凝土建筑是指建筑的結構系統由混凝土部件(預制構件)通過可靠的連接方式裝配而成的建筑。與國內傳統現澆混凝土建筑相比較而言，裝配式混凝土建筑的主要結構構件均采用工廠預制而成，具有以下幾方面的特點：1)設計精細化程度要求比較高，專業協同要求比較高，嚴禁后鑿后開孔現象，構件一旦生產出來就難以再修改；2)工廠化生產能夠提高混凝土產品質量，提高生產效率，實現節能環保的目標；3)施工人員的工程實踐經驗以及技術水平、管理能力要求更高，安裝誤差以毫米為單位；4)要求建筑全裝修，相比較現澆結構，裝配式混凝土建筑的后期隨意裝修造成的結構破壞更容易引起重大質量事故；5)信息化程度較高，結合BIM技術，集成了建筑全壽命周期的重要信息。裝配式建筑的特殊性使其能夠將設計、生產、施工、裝修、管理等建造環節全部打通，從而實現對建筑全產業鏈的協調整合。

2 裝配式建筑的設計

2.1 裝配式建筑設計的總原則和技術

裝配式混凝土建筑設計以其對建筑模數化、標準化、通用化的要求，按照少規格、多組合的設計原則，使建筑戶型以及部品部件等能達到系列化和多樣化的建筑目標。當裝配整體式混凝土剪力墻建筑的設計做到了標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理后，住宅建筑的質量品質就能得到較大的提升，也可以降低房屋建造的成本和將來使用的圍護成本。

裝配整體式混凝土結構設計的主要結構技術是等同現澆。所謂等同現澆技術，其工作機理是鋼筋之間通過可靠有效的連接方式(主要指鋼筋機械連接、漿錨搭接連接、套筒灌漿連接等)，將混凝土構件的預制部分與現澆部分有效連接起來,使裝配式結構具有與現澆結構相同的整體性能，以保證建筑結構安全可靠。

2.2 裝配式建筑設計的流程及各設計階段的關鍵點

從裝配式建筑設計流程參考圖(如圖1所示)可以看出裝配式建筑的設計與傳統現澆結構多了幾個重要的階段，技術策劃、內裝修設計以及構件加工設計生產三個階段，并且對各參建單位的協同工作提出了更多更高的要求。

首先，必須重視技術策劃階段，這一階段的關鍵點是明確裝配率(裝配率指單體建筑室外地坪以上的主體結構、圍護墻和內隔墻，裝修和設備管線等采用預制部品部件的綜合比例)。裝配率既是評價裝配式建筑的重要指標，也是各地政府制定裝配式扶持政策的主要依據，更是裝配式技術路徑實行的重要參考。例如當裝配率設定在15%的時候，可以僅對水平樓蓋采用裝配式樓蓋就可以滿足裝配目標；當裝配率設定在30%的時候，僅對水平樓蓋采用裝配式樓蓋就比較難滿足了，還必須考慮一定比例的非砌筑隔墻，外圍護墻以及干式地面做法、全裝修等其他內容；當裝配率設定在40%以上的時候，則一般必須要考慮豎向構件采用裝配式構件。由此可見裝配率的確定對整個項目裝配式技術路線的制定以及后期項目設計的順利進行有著十分重要的作用。

第二，在方案設計階段則需要根據在技術策劃階段制定的裝配式技術路線進行合理的平立面設計，這一階段的關鍵點是“少規格、多組合”。通過對住宅套型進行標準化與系列化的設計，使建筑物不但滿足建筑功能的需求，還可以提高工廠的生產效率，達到技術先進、經濟合理的裝配目標。

第三，初步設計階段的關鍵點是協同。在這一階段內，就需要在前期技術方案的指導下，再結合各專業的技術特點進行協同設計，結構專業需要依據方案策劃以及規范標準制定出裝配式構件具體采用的部位以及結構類型、連接方式等，設備專業則配合制定出管線在預制構件中的敷設方式及處理原則以及安裝時需要預埋預留的位置，構件生產單位和施工單位則可以提出自己方面的一些需求，例如構件生產單位是否只可以生產二維構件，施工單位的安裝塔吊規格是否存在一定限制等。通過各專業的協同工作，制定出既經濟又合理的裝配式技術措施。

第四，施工圖設計階段的關鍵點是裝配式構件的拆分。在這一階段內，根據初步設計階段制定的裝配式技術措施，將既定的結構構件拆分成工廠可以生產，公路可以運輸，施工可以安裝，協同了各專業技術的裝配式構件則體現著設計人員對裝配式建筑設計的了解程度。拆分設計的總原則要考慮以下幾個方面：1)構件的標準化，少規格多組合；2)工廠生產的限制條件；3)公路運輸的限制條件；4)施工起吊設備的限制條件；5)結構受力是否合理。

第五，構件施工圖設計階段的關鍵點是審核。構件施工圖是最終的構件生產圖，它決定著最終構件是否能達到既定的設計目標。但繪制構件施工圖的往往不是建筑設計單位的設計人員，而是由工藝生產單位的設計人員，這些設計人員又大多都不是結構專業出身，根本不了解結構，僅僅能起到繪圖員的職責，這就需要原建筑設計單位對構件施工圖進行嚴格的審核校對，審核合格后才能形成最后的構件加工圖，從而進行生產施工，以避免出現較大的質量事故。

3 裝配整體式剪力墻結構設計注意事項

1)結構整體分析計算時，由于采用了等同現澆的結構技術，設計計算時可以按照現澆結構的計算分析進行。需要注意的是由于裝配式剪力墻結構后澆段拼縫的存在，故對現澆剪力墻墻段部分地震工況下的內力放大1.1倍；另外，注意查看在規定水平力作用下底部預制墻段的剪力占總剪力的比值，當這個比值超過50%時，裝配式剪力墻結構的最大適用高度需要適當降低。

2)在高層剪力墻結構拆分設計時，不應選擇底部加強區的墻體。因為底部加強區的抗震能力要求較高，設置了約束邊緣構件，配筋也比較大；在底部加強區以上的部位，往往就到了標準層階段，墻體的構造配筋較小且比較統一，可選擇這些部位作為進行預制墻體的拆分。此時，尚應注意優先選擇剪力墻外墻進行拆分，可以結合建筑結構保溫一體化設計，減少施工期間火災的發生。另外預制外墻安裝時可以采用簡易構件安裝支架即可，避免大型施工爬架或整體腳手架的應用，從而達到很好的經濟效果。在拆分帶洞口預制剪力墻時，洞口兩側的墻體寬度不應小于200 mm，并且當洞口為門洞時，則需要設置臨時型鋼安裝件進行固定，保證墻體在脫模、運輸、吊裝過程中的安全穩定；雖然一般結構軟件可以對預制墻體水平接縫的承載力進行計算，但因為設計師在實際配筋時可能會進行相應的調整，此時設計師應按規范進行手算校核，以避免出現設計結果與軟件不符的情況，影響結構安全。

3)在鋼筋混凝土樓板拆分設計時，建議設置施工臨時支撐，在此狀況下考慮施工階段預制底板的受力計算(同時需要進行脫模、吊裝等環節的驗算)，以及使用階段作為疊合樓板的整體受力分析。現行裝配式結構技術規范主要采用的是鋼筋桁架混凝土疊合樓板，接縫形式主要有密拼式分離接縫和整體式接縫兩種。采用整體式接縫拆分的樓板周邊有很多的胡子筋伸出，生產和安裝的效率都相對較低，而分離式接縫的樓板僅兩側有鋼筋伸出，大大提高了生產和安裝的效率。我國的住宅建筑大多層高較低，沒有吊頂，故采用整體式接縫，房屋頂部相對分離式接縫觀感質量較好，用戶滿意度相對較高；對于工業建筑、辦公樓等建筑則可以采用密拼式分離接縫，雖然有一定的觀感質量略差，但可以大幅提高裝配式建筑構件廠的生產效率和施工現場的安裝速度，充分發揮裝配式建筑的工業化優勢。

4 結語

裝配式建筑是實現建筑產業現代化的主要途徑，合理的裝配式建筑設計則可以促進裝配式建筑的健康發展。本文對裝配式建筑的特點、設計思路以及各設計階段的關鍵點進行了簡要的闡述，對裝配式剪力墻結構設計及拆分中的注意事項進行了總結，對裝配式建筑的合理設計起到了一定的指導作用。