裝配式混凝土結構應用與設計關鍵點探討

張紅州

摘 要 裝配式建筑因綠色化優勢較為突出，在美國、日本等地得到廣泛應用，且形成較為完善、規范、標準化的設計標準和有效的產業鏈。相比之下我國裝配式建筑結構仍然處于推廣階段，探索空間還比較大，有必要在裝配式建筑結構設計關鍵點的研究上多下功夫。基于此，通過査閱文獻資料，結合裝配式工程實例，介紹了裝配式混凝土結構設計關鍵點及施工難點，可為類似的裝配式結構設計提供參考，有利于提高工程質量。

關鍵詞 裝配式建筑;混凝土;關鍵點;結構設計

引言

裝配式建筑從結構材料上一般分為：預制裝配式混凝土結構體系、裝配式鋼結構體系、裝配式混合結構體系。市場上傳統土建企業占大多數，這些企業一般更愿意發展混凝土裝配式建筑。本文對目前住宅建筑中應用最多的裝配式混凝土結構設計進行討論。

裝配式混凝土建筑的主體結構系統，由預制混凝土構件通過可靠的連接方式裝配而成。與現澆結構相比，裝配式建筑具有工業化程度高、混凝土構件質量更好、現場噪聲小、揚塵和建筑垃圾少、現場用工量明顯降低等優勢。順應了國家發展裝配式建筑的政策，正在各地得到發展和推廣。

1裝配式結構的分類和優點分析

1.1 裝配式混凝土結構體系的分類[1]

按結構類型劃分，常用裝配式混凝土結構主要分為：裝配整體式剪力墻結構、裝配整體式框架結構、裝配整體式框架-現澆剪力墻結構。裝配整體式框架結構具有空間布置靈活、施工速度快等特點，目前主要被應用于商業、辦公樓、廠房等建筑中。但該結構形式也存在一定的缺點，如建筑層數較多時，其抗震性能、適用性變差。

裝配整體式剪力墻結構主要通過裝配式墻體與后澆圈梁或水平后澆帶、疊合板等構件構成，經過科學的設計，通過可靠的節點構造和現場澆筑，形成整體式結構。因剛度大、抗震性能好，具有剪力墻不突出室內空間的優點，在多、高層住宅建筑中應用較多。

裝配整體式框架-現澆剪力墻結構體系，具備框架結構的空間布置靈活與剪力墻結構的抗震性能優越的雙重優勢，但同時也存在預制裝配率低，節點連接部分構造復雜，施工難度大的缺點。

1.2 裝配式結構的優點

在建筑行業的實際應用中，與現澆結構相比，裝配式混凝土結構有很多的優點，主要體現在以下幾個方面：

（1）縮短工期，裝配式結構可以實現連續多個工程按照順序完成施工，減少工程機械進場的數量，消除工序銜接的時間，實現立體交叉作業。另外，預制裝配式結構避免了在施工現場的煩瑣施工流程，建筑所用墻、柱、梁、樓梯等構件均能的工廠直接完成，大幅加快了施工速度。

（2）節能環保，與傳統現澆混凝土結構相比，采用裝配式建筑結構大多成品和半成品，不會產生大量廢鋼絲、廢木材、廢棄混凝土等建筑垃圾。同時，對耗材的需求量比較少，降低施工現場的噪聲、粉塵、強光、污水等污染，從而達到節能環保的目的。

（3）保障工程質量和降低工程量，裝配式結構大多數采用預制構件，直接由生產廠家加工生產，減少現場制作和拼接時間，大量減少了工程量。另外，傳統施工中經常出現因施工人員素質、技術參差不齊而導致的質量、安全問題，而基于預制裝配式結構的施工能有效提高工程質量，減少施工風險。

2案例設計分析

（1）工程概況。某工程為多層住宅，設置1層地下室，地上6層，層高3.2m，嵌固端位于地下室頂板。建筑結構安全等級按照二級進行設計，結構按照標準設防類進行抗震設防。該結構處于7度設防區，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度0.10g。擬采用裝配整體式剪力墻結構，裝配率不低于40%。

（2）設計原則。為使裝配后的墻板整體性能等同現澆剪力墻結構，根據已有裝配式剪力墻結構的工程實踐經驗及相關節點試驗結論，本項目對預制剪力墻的選擇采用以下原則：豎向受力相對較小，承重構件豎向應上下對齊無轉換。方便現場裝配連接，利于發揮預制結構精度高、質量好的部位。

（3）設計流程。與現澆結構相比，裝配式結構的設計工作呈現出了流程精細化、設計模數化、配合一體化、成本精準化等特點。由于裝配式建筑結構在建設的前期和設計階段均需要水暖電各專業的參與，本工程項目結構設計階段可以劃分為5個過程，即前期策劃階段、方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段和深化設計階段。裝配式結構的前期設計過程中，需要根據建設的場地、項目定位、建設目標、成本要求等，制定全面的結構方案。在方案設計過程中，依據前期確定的技術措施，對工程項目進行科學設計，方案要符合建設單位對功能方面的需求，同時要符合當前國內規范和標準的要求。進而整體達到“少規格、多組合”的工程建設的要求，并滿足工程建設的多中多樣化與個性化的要求。對于構件的深化加工圖設計過程中，要結合預制廠家共同完成，保證不同專業之間能夠協同作業。

（4）結構方案及計算分析。根據以上原則和流程，考慮裝配效率及成本因素，本工程采用裝配式混凝土剪力墻結構。單體預制裝配率大于40%。±0.00以下地下室采用全現澆鋼筋混凝土結構，屋面采用現澆鋼筋混凝土梁板結構。內外填充墻均采用蒸壓輕質加氣混凝土墻板，采用統一模數進行設計。套型、廚房、衛生間開間進深尺寸采用統一設計。套型平面規整，承重墻上下貫通，無結構轉換，形體上沒有過大凹凸變化，符合建筑功能和結構抗震安全要求。構件連接采用標準設計，符合安全、經濟、方便施工要求。

通過節點的可靠連接，裝配式混凝土結構采用等同現澆的設計分析方法。考慮到預制剪力墻的接縫對墻體抗側剛度有有一定的削弱，應對彈性計算的內力進行調整。對現澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力乘以1.1的增大系數。本工程在各種設計狀況下，裝配式結構預制構件的連接安全牢固是主要考慮的問題，通過連接節點合理的構造措施，保證其結構性能具有與現澆混凝土結構等同的整體性、延性、承載力和耐久性能。

為增強結構的抗震性能，在預制剪力墻轉角、縱橫墻交接部位設置高度250mm的后澆混凝土暗柱。各層墻頂設置連續的水平后澆帶，屋面設置封閉的后澆鋼筋混凝土圈梁。預制混凝土墻板接縫實現強連接，整體計算可按現澆剪力墻進行，并對接縫的受剪承載力進行驗算。按彈性方法計算的風荷載或小震標準值作用下的樓層層間位移角限值控制與現澆結構相同。在結構內力與位移計算時，對于現澆樓蓋和疊合樓蓋，均可假定樓蓋在其自身平面內為無限剛性進行整體結構分析。

（5）裝配式剪力墻連接節點的設計。裝配式剪力墻節點及接縫處的縱向鋼筋連接形式主要有：機械連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接連接。漿錨搭接連接具有易施工、易檢測、易后補灌漿等特點。因本工程剪力墻直徑較小，上下層相鄰預制剪力墻縱筋連接采用約束漿錨搭接連。要求對預留孔成孔工藝、孔道形狀和長度、灌漿料和被連接鋼筋等，進行力學性能以及適用性的試驗驗證。保證接頭承載力滿足設計要求[2-3]。

（6）裝配式預制構件設計。本工程裝配式構件主要包括剪力墻、疊合梁、樓梯板、陽臺、凸窗板等混凝土預制構件。地下室為現澆剪力墻結構，一至六層采用預制剪力墻結構，屋面采用現澆鋼筋混凝土梁板結構。

預制剪力墻板上預埋窗框，窗框周邊的縫打膠，避免雨水滲漏，確保門窗洞口的密閉性。預制剪力墻板生產時應以外側作為模板面，保證外墻的平整度和感觀效果。

疊合樓板的預制板厚度為80mm，疊合層厚度為70mm，在疊合層內預埋管線，通過管線綜合設計，保證管線布置的合理、經濟和安全可靠。

一層及以上的樓梯采用預制樓梯梯段，樓梯休息平合和結構梁為現澆混凝土。預制樓梯踏面采用倒角設計，在工廠一次加工成型防滑措施。預制樓梯用清水混凝土飾面，采取措施加強成品保護[4]。

工程采用外墻外保溫做法，外墻保溫材料采用40厚復合發泡水泥板（燃燒性能A級）。預埋窗框的預制外墻板，其窗洞口與窗框間的密閉性應滿足窗的密閉性的相關要求。

3設計體會

預制構件質量和現場拼接現澆節點質量，是決定裝配式混凝土結構質量的關鍵點。本項目施工過程中就出現預制構件精度不夠，導致現場豎向構件鋼筋位置不對應，無法準確連接。混凝土構件重量大，導致施工安裝難度偏大。預制墻板安裝時分倉、塞縫或坐漿要求不明等問題。

在較高的裝配率時，裝配式混凝土造價偏高，甚至高于裝配式鋼結構建筑。在保證節點安全的同時，如何提高節點的施工質量、施工效率和降低成本是需要進一步詳細的研究。

4展望

鋼結構建筑體系結構本身就屬于裝配式體系。相比混凝土建筑，裝配式鋼結構用工量少，建造效率高，施工中節水、節電、節材、節地等方面優勢明顯;鋼結構體系延性好，結構自重小，更利于抗震。近年來，發展裝配式鋼結構建筑政策密集出臺，在住宅中采用鋼結構體系，實現裝配化，已經是建筑業界的共識[5]。

參考文獻

[1] 裝配式混凝土結構技術規程：JGJ1--2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[2] 馬海英，戎文杰，李新華.裝配式結構在百年住宅中的研究與應用[J].建筑結構，2019，45（19）：14-31.

[3] 李志武，宋佳，白聰敏，等.高層裝配整體式剪力墻結構底部加強部位預制設計方案研究[J].施工技術，2020，49（8）：31-35.

[4] 鐘微.裝配式剪力墻結構預制構件安裝及質量控制[J].廣東土木與建筑，2018，25（7）：83-85，94.

[5] 郝際平，薛強，郭亮，等.裝配式多、高層鋼結構住宅建筑體系研究與進展[J].中國建筑金屬結構，2020，（19）：27-34.