預制裝配式建筑結構體系與設計研究

劉鍵

（云南省設計院集團有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

在綠色經濟發展的背景下，世界各國對預制裝配式建筑的重視程度不斷提高，裝配式建筑是指利用現代工業手段將工廠加工制成的建筑用構件和配件運送至施工現場，通過可靠連接方式裝配完成的建筑物，具有施工效率快、綠色環保和質量高等特點。上海市政府部門為推廣預制裝配式建筑，于2013年制訂了《關于本市進一步推進裝配式建筑發展若干意見》，意見中指出上海市及轄區，裝配式住宅的落實面積應超過20%，且要保持不斷增長。李克強總理在人大會議上要求我國建筑行業大力發展預制裝配式建筑，確保建筑工程的質量。因此對此項課題進行研究，其意義十分重大。

1 預制裝配式建筑結構體系的特點

（1）有利于勞動生產效率的提高。與傳統建筑施工方式相比，預制裝配式建筑施工具有機械化生產和裝配的優勢，能夠縮短30%左右的施工周期，可以減輕勞動人員的勞動強度和壓力。

（2）建筑工程標準和質量的提升。預制裝配式建筑的構件的生產方式主要是工廠化生產，故建筑各項性能指標均有顯著提升，以裝修混凝土飾面和墻板為例，預制的部件強度是人工作業的9倍，可以實現對墻體裂縫、滲漏等常見問題的規避。

（3）綠色環保。預制裝配式建筑所采用的技術為現代制造技術，在資源和能源節約方面，具有良好的效果，在查閱統計資料后得知，相較于傳統建筑方式，預制裝配式建筑作業，可以節省各項資源，主要包括50%的水、60%的抹灰砂漿、80%的節約木模板，同時，還能減少施工對環境的污染和破壞[1]。總之，預制裝配率越高，節省的能源比例越大。預制裝配式施工如圖1所示。

（4）各產業鏈條高度融合。預制裝配式建筑屬于集設計、生產、施工和管理于一身的產物，其特征可以用技術遷移和管理前置來概括，需要將設計作為導向，并實施工程總承包和技術咨詢制度。因此，對技術和管理融合提出十分嚴格的要求。在設計施工階段，要求與部品部件生產能力、采購產品的規格型號、運輸條件和施工安裝條件相結合，并在此基礎上制定并落實規劃。總而言之，預制裝配式建筑的發展，需要各產業鏈條高度融合和協同發展。

圖1 預制裝配式建筑施工

（5）對從業人員素質要求顯著上升。伴隨著社會生產水平的提高，集成集約、綠色創新和產業高效逐漸成為建筑建造方式未來發展的趨勢，但與此同時，卻對從業人員素質提出更高的要求。要求其具備創新能力，專業協同能力和先進工具使用能力。簡言之，傳統的農民工隊伍，必須在當前背景下轉型成為現代建筑產業工人[2]。

目前，民用建筑應用最多的預制裝配式建筑結構有以下幾種：

（1）剪力墻結構，以剪力墻為代表的豎向承重構件采用預制方式，水平結構構件采用疊合梁、疊合樓板形式，且針對內隔墻樓梯等均采用預制混凝土構件。

（2）框架結構，是由預制梁、預制柱組成的框架結構，用于承受房屋全部荷載，并以框架作為承重結構，常采用預制柱、現澆梁或柱梁預制接頭現澆的施工方法。

（3）內澆外掛式框架，這種結構體系就是在框架梁上安裝外掛裝飾板，實現外墻和保溫系統的集成，目前在住宅建筑中較為常見。

（4）內澆外掛式剪力墻，內墻采用混凝土澆筑大模板，在墻體內配置鋼筋網架；外墻掛預制混凝土復合樓板，配合構造柱和圈梁。

（5）鋼結構體系，采用熱軋、焊接或格構式型鋼作為受力構件，采用螺栓連接或焊接方式形成結構骨架，選取鋼筋混凝土疊合樓面板作為底板，通過現場澆筑混凝土形成鋼結構。

2 預制裝配式建筑的設計要點

2.1 設計標準

預制裝配式建筑是建筑施工方式未來發展的趨勢，可以推動建筑工業化目標的實現。在預制裝配式建筑設計過程中，建筑企業需將工業化生產理念作為關注點，在設計過程中對其進行體現，確保預制裝配式建筑結構與生產標準相符。如果實際設計與設計標準存在差距，需及時予以調整。在制作標準件時，還要基于標準化的模型，提高構件制造效率。如果構件要求較為特殊，需要在遵循設計標準的前提下進行創新，以增強預制裝配式建筑的適用性。

通過上文分析可知，預制裝配式剪力墻結構是目前應用最為廣泛的建筑結構，但這種建筑結構卻很難在高層建筑中適用，故相關施工經驗匱乏。因此，建筑施工企業應加大技術創新和研發力度，在標準化的框架內，探索適用于高層建筑的結構體系和設計方法，以推動預制裝配式建筑結構的發展。

2.2 預制構件設計要點

預制構件是預制裝配式建筑的重要組成部分。在實際設計階段，需要把模數化和標準化的原則進行貫徹落實，從而實現對構件類型的有效控制，這是確保構件精度和標準度的有效措施。構件類型的減少，有利于控制工程造價。比如：預制裝配式建筑存在異形、降板以及開洞等部位，如果處理不當，會導致這些部位成為質量隱患，在設計階段應考慮這些施工部位的注意要點，并在此基礎上選擇合適的施工方式，針對這些部位，選擇現澆施工方式最為合理，在施工方式確定后，還需對工廠的構件加工和運輸能力進行考慮，確保工廠所生產的構件，其耐火性和耐久性與設計標準相符。如果預制構件尺寸較大，需要使構件脫模和預埋吊點的數量增加，并基于所在地區的隔熱保溫規定，完成預制外墻板的設計，通過這種方式的應用，增強建筑的通風散熱能力。在設計非承重內墻時，必須選擇合適的隔墻板，所選隔墻板應具有良好的隔聲性能、重量輕和安裝難度低。此外，還要考慮非承重墻的使用功能，對建筑空間進行合理的規劃，以保證主體結構和非承重墻板之間的連接質量，預制混凝土構件如圖2所示。

圖2 預制混凝土構件

2.3 連接性設計要點

在預制裝配式建筑之中，套筒灌漿是最常用的連接方式，這種技術方法的應用，可以確保鋼筋連接的牢固性，值得注意的是，鋼筋接頭需要與裝配式建筑設計要求相吻合。以剪力墻為例，在進行鋼筋接頭部位的設計時，需要確保鋼筋套管的箍筋保護層厚度不小于2cm，且套管之間的距離不小于2.5cm。預制梁體和后澆混凝土需要采取疊合的方式進行施工，在結合面形成后，粗糙處理方能落實。此外，還要對預制梁體預制面進行粗糙處理，同時依據設計標準，確定鍵槽數量和尺寸。最后在進行預制剪力墻的設計時，需要在墻體頂部和底部設計粗糙面[3]。

2.4 整體構造設計要點

單向板是預制裝配式建筑疊合板的主要形式，在制作單向板時，應該將開洞位置在地板上提前留出，并控制其與桁架鋼筋間的距離。如果開洞的寬度大于300mm，鋼筋不能直接穿過洞口。如果洞口寬度超過300mm，且不超過1000mm，需要將附加鋼筋設置到洞口附近，且控制其數量，簡言之，設計人員在設計階段，必須遵循先進的設計理念，考慮預制裝配式建筑設計過程中可能會出現的質量隱患，并在此基礎上，對設計方案進行優化和調整，從而實現對結構失穩現象的有效控制。以立面樓層為例，針對此類建筑，設計人員需要在剪力墻位置確定后，合理設計密封后澆鋼筋和混凝土圈梁，確保混凝土圈梁、疊合樓以及房屋建筑成為一個整體。

2.5 結構防水設計要點

外部環境因素對建筑質量的影響，會隨著建筑使用時間的延長而增加，質量問題一旦出現，就會威脅房屋建筑的安全。因此，在預制裝配式建筑設計時，選擇合適的混凝土材料尤為關鍵，設計人員應考慮到建筑工程所在地區的實際情況，選擇防水能力和耐久性強的混凝土材料。在材料選擇完成后，還要做好外墻和樓板的防水設計，究其原因，主要是這些預制構件需要與外界環境直接接觸，容易在雨水的侵蝕下出現質量問題。

3 結論

綜上所述，在社會經濟高速發展的背景下，預制裝配式建筑的發展備受關注，與傳統建筑相比，這種建筑具有諸多方面的優勢，主要包括施工效率高、質量好和成本低，故具有推廣的價值。在結構體系設計過程中，設計人員應加強對設計標準的掌握，并在此基礎上，做好構件、連接性、整體構造以及防水設計等工作。