裝配式住宅結構選型方法研究
——以重慶市九龍坡區某住宅為例

張銀會 王 科 彭 荃 李露凡

1. 重慶建筑工程職業學院 重慶 400072；

2. 上海建科工程咨詢有限公司 上海 200032；

3. 裝配式建筑重慶市高等職業技術院校應用技術推廣中心 重慶 400072

近年來，裝配式混凝土結構體系的使用尤為廣泛。但是在實際工程中，我們會面臨多種結構體系選擇，僅憑預制率、裝配率不能作為衡量裝配式主體結構體系適用性、合理性的標準，此，如何綜合多方面因素全面系統地優選出最合適的結構體系值得研究。在此基礎上，本文擬建立全面的裝配式混凝土結構體系指標體系和正確的選擇流程，為裝配式住宅選型提供基礎。

1 裝配式混凝土結構體系選擇范圍

我國現行規范JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》按照結構體系將預制裝配式混凝土結構分為框架結構和剪力墻結構，本文按照該分類方法列舉目前常用的結構體系及其特點（表1）。

表1 裝配式結構體系分類及特點

2 裝配式住宅結構體系影響因素分析

由于裝配式住宅結構體系的影響因素存在較強的不確定性、模糊性和隨機性，本文按環境、抗震、經濟、建造和使用性能等五大方面劃分影響因素并進行分析。

2.1 環境影響

2.1.1 場地合理性

地形地貌主要影響建筑場地的特征周期，考慮場地合理性可根據場地特征周期與結構自振頻率得到結構放大系數從而定量判斷。根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》得到鋼筋混凝土框架、框剪和剪力墻結構的基本自振周期，并與場地特征周期代入式（1）中計算：

不同裝配式結構體系通過上式計算可得值，計算結果數值越大，則相應結構體系在所在場地下就越優。

2.1.2 氣候適應性

中國各地氣候差異較大，建筑對氣候的要求也不盡相同，故應當結合當地，如太陽輻射強度、常年主導風向等氣候要素，根據結構體系的開間要求選擇適用的結構體系。例如預制裝配式框架結構的特點是開間較大，平面布置靈活，在濕熱地區進行結構體系選擇時，其所占權重就應適當放大。

2.1.3 環境影響

建筑施工對周圍環境的污染主要有水污染、土壤污染、噪聲污染和廢棄物污染。裝配式結構雖然因工廠預制加上現場拼接，少了很大一部分現場濕作業，但是對于關鍵連接處依然要進行現場混凝土澆筑，并且會發出一定施工噪聲，本文擬就統計濕作業量從而定量評價環境影響。

2.2 抗震性能

中國根據地區特點劃分抗震設防烈度地區，一般情況下，抗震設防烈度可采用中國地震參數區劃圖的地震基本烈度。不同設防烈度，其設計基本抗震加速度亦不相同，因此針對高設防烈度地區進行結構體系選擇時應著重考慮其抗震性能指標。

2.2.1 結構抗震失效概率

本文提出采用Pushover分析方法來分析結構體系在地震作用下的結構失效概率。Pushover分析方法把結構體系等效為單自由度體系，根據目標譜曲線和抗力譜曲線判定結構的抗震性能。概率Pushover分析方法是在Pushover分析方法的基礎上，在結構抗力的隨機性中考慮影響結構抗力的主要隨機因素，應用隨機地震作用模型考慮地震作用的隨機性，類似Pushover分析過程評估結構體系抗震可靠度的性能，從而定量評價不同結構體系的失效概率。

2.2.2 各規范限值

建筑物的抗震影響因素，主要包括抗震設防烈度、地震分組和地震強度。發生地震時，還受到加速度和建筑物結構類型、高度、抗震設防分類的影響。因此，在進行結構設計時，需考慮不同結構體系對最大適用抗震設防烈度、層間位移角以及最大適用高度和最大高寬比等規范限值，從而進行結構體系方案的對比評價。

2.3 經濟性能

2.3.1 工程造價

工程造價即工程的建設價格，是指為完成一個工程的建設，預期或實際所需的全部費用總和。從業主的角度來定義，工程造價是指工程的建設成本，即為建設一項工程預期支付或實際支付的全部固定資產投資費用。本文擬通過統計結構的一次性建設投資費用進行定量分析。

2.3.2 碳排放量

標準化設計、工廠化生產和現場機械化施工等特點，使裝配式住宅在生產和施工階段對材料和水等資源的消耗減少，實現節能環保。但是，不同結構體系的碳排放量水平也大不相同，目前對于建筑結構的節能水平可通過全生命周期方法進行評價，根據現場濕作業的組成成分進行碳排放量計算可得到不同結構體系的碳排量水平。

2.4 建造性能

雖然在進行建筑結構設計的過程中，建筑的施工尚未開始，但是也必須考慮施工因素的影響，保證選擇的結構體系滿足結構的施工性要求。主要從以下3個方面考慮：

2.4.1 施工難度

任何不確定的因素都會使在建項目的施工質量受到影響，導致工程質量無法滿足。不同的結構體系由于其特點不同，裝配方式也不盡相同，部分體系鑒于抗震設防要求考慮，構件拆分不完全，結構疊合處較多，部分拆分、部分現澆，致使結合處節點多且復雜，模板支設困難，因此需對比評估。

2.4.2 施工工期

施工進度對于建筑項目的成功實施至關重要，如果選擇的結構體系過于復雜，會導致結構構件的施工難度過大，結構體系的施工安裝效率過低，嚴重拖延施工工期。因此針對不同結構體系，對于設防要求下的施工工期應該作出相應的預估。

2.4.3 預制裝配率

裝配式建筑在設計前期方案時要考慮的問題是預制裝配率，預制裝配率是指裝配式建筑在±0 m以上的預制構件、裝配式內外圍護墻等體積或面積占該部分總面積的比率。各地的預制裝配率計算可參考各地規范要求。例如，重慶市建筑裝配率可參照《重慶市裝配式建筑裝配率計算細則（試行）》按式（2）計算，具體分值按照各建筑結構裝配比例得出：

式中：P——裝配率；

Q1——主體結構指標實際得分；

Q2——圍護墻和內隔墻指標實際得分值；

Q3——裝修與設備管線指標實際得分值；

Q4——計算項目中缺少的計算項分值總和。

2.5 使用性能

在建筑設計中首先應該考慮的就是建筑物的功能要求，因此，結構設計也應該考慮結構體系對建筑功能的適應性。具體到裝配式結構上，主要是得房率和室內空間效果2個方面。

2.5.1 得房率

考慮到住宅用地緊缺，較高的得房率能更好地提高住宅使用體驗。目前關于房屋得房率有以下共3種計算方法。

1）得房率＝1－公用面積分攤系數。

2）得房率＝套內建筑面積/建筑面積。

3）得房率＝套內使用面積/建筑面積。

通過對比，第3種計算方法實用性最高，根據此方法得到不同結構體系的得房率，再進行對比分析。

2.5.2 室內空間效果

不同使用功能的建筑區塊都對客觀空間環境有特定要求，根據該項要求可以大致確定建筑物的尺度、規模和各部分的相互關系，這些都是在方案設計階段確定的，所以，在進行結構的方案設計時必須綜合考慮。選擇的結構體系，除了要滿足用戶當前的使用要求，對于建筑日后的使用情況也要預估，這就需要選擇的結構體系能夠滿足使用功能空間改變和使用空間布局調整的需求。

3 結構體系評價模型及選型流程

3.1 建立評價指標體系

為全面科學建立評價指標體系，綜合分析表1中各結構體系優劣，本文擬從環境、抗震、經濟、建造和使用性能五大方面進行分類。根據評價指標，五個方面的分類再細分為12個評價指標，其中環境影響指標3個、抗震影響指標2個、經濟性能指標2個、建造性能指標3個、使用性能指標2個。然后將12個評價指標進行定量和定性分類。最終形成評價指標體系如表2所示。

3.2 建立評價模型

本文提出針對裝配式住宅結構體系的權重算法分析，從而進行結構體系優選。整個評價模型分為3層：目標層A、準則層B和方案層C。

表2 結構選型指標體系

其中，目標層A為應用于某目標工程的合適裝配式住宅主體的結構體系；準則層B分別為場地合理性、氣候適應性、環境影響、結構抗震失效概率、各規范限值、工程造價、碳排放量、施工難度、施工工期、預制裝配率、得房率和室內空間效果，其中定量指標為黑色，定性指標為紅色；方案層C為預應力裝配式框架體系、非預應力裝配式框架體系、約束混凝土柱裝配式框架體系、內澆外掛剪力墻體系、預制疊合墻結構體系、裝配整體式剪力墻體系。層次結構模型如圖1所示。

圖1 層次結構模型示意

3.3 結構選型體系流程

本文搭建了以層次分析法為初篩方法，熵權法為終篩方法的一套裝配式住宅結構選型體系，具體流程如圖2所示。通過此套結構選型體系，能夠根據項目方案研究深度的推進而最終優選出最合適的結構體系。

3.3.1 基于層次分析法的初步篩選

在進行結構選型的初始階段，結構方案數據不全備，可以將定性和定量評價的全部12個指標作為基礎，根據層次分析法-模糊評價法的指標體系評價模型進行準則層各評價指標權重計算和評價指標對各方案層權重計算，基于權重算法分析，從6個方案層中初步篩選得到少數比較合適的結構體系。

層次分析法的優勢在于能夠將定性分析和定量分析有機地結合在一起，可以用作非定量事件的定量分析。

圖2 結構體系選型過程示意

3.3.2 基于信息熵權法的最終篩選

當項目設計方案進入深入對比分析階段時，可通過方案設計的數據，以8個定量評價指標為基礎，基于信息熵權法的指標體系評價模型進行定量分析對比，進行終篩，最終得到最適合建筑項目的優選結構體系。熵權法基于指標信息量的大小來評判該指標的權重大小，能夠反映該指標在所有指標中的地位，其較主觀權重具有很強的規律性。

4 工程案例分析——重慶市九龍坡區某住宅

某住宅小區位于重慶市九龍坡區，四周均有規劃道路，整個小區四周都有便捷的交通道路，地理位置較優越。整個小區分A、B、C、D、E、F共6個區，本文要論述的D區為一期工程共分D1和D2兩個單元，每單元各為24層，總高74.4 m，頂層為天臺，底層層高5.4 m，為架空層；2層以上為標準層，層高3 m，其樓層平面布置見圖3。

圖3 2～23層樓層平面布置示意

4.1 基于層次分析法-模糊評價法的結構體系初次篩選

在建立判斷矩陣的過程中，綜合考慮以往各文獻對不同因素重要程度的判斷，以及來自開發商、設計單位和施工單位的專家的意見，在此基礎上最終建立了各層次的判斷矩陣，利用數學軟件Matlab計算出各判斷矩陣的特征值及對應的標準化特征向量，具體方法如下。

4.1.1 計算準則層指標權重、最大特征值以及判斷是否滿足一致性

準則層各評價指標的權值如表3。

表3 準則層各評價指標的權值

表4 準則層計算結果

以預制裝配率為例，如表5所示。

表5 預制裝配率對方案層的權值

表6 評價指標對各方案層的權值

4.1.3 最終評價權重

通過(wBC)6×12·(w0)12×1，可求得各方案最終評價權重，結果如表7所示。

結果顯示，對于該高層住宅建筑，預應力裝配式框架體系、非預應力裝配式框架體系和預制疊合墻結構體系為較優結構方案。

故接下來將選擇預應力裝配式框架體系（C1）、非預應力裝配式框架體系（C2）和預制疊合墻結構體系（C5）作為下一步深化方案的研究對象。

表7 初篩后方案層評價權重

4.2 基于信息熵權法的結構體系最終篩選

4.2.1 定量評價指標數值的確定

根據前文對指標的分類，進一步的深化方案僅針對能定量計算的指標研究。接下來將確定預應力裝配式框架體系、非預應力裝配式框架體系和預制疊合墻結構體系各指標的具體數值。

根據項目實際數據，最終確定各定量評價指標的原始數據如表8所示。

表8 各定量評價指標的原始數據

4.2.2 矩陣無量綱化及歸一化處理

通過基于層次分析法的初篩后，共有3個評價方案，8個評價指標，形成矩陣R=(rij)3×8，矩陣R中原始數據來源于表7。

矩陣R中原始數據無量綱化后，記為矩陣S=(sij)3×8，記S中每列的最優值為：

正相關指標是指指標的值越大越好，而負相關指標正好相反。

對Sij進行歸一化處理，如式（7）所示：

表9 準則層各評價指標的熵權

4.2.6 最終評價權重

通過(S')3×8·(β)8×1，可求得各方案最終評價權重，結果如表10所示。

表10 終篩后方案層評價權重

由上表可知，預應力裝配式框架體系（C1）為本工程案例最合理的結構體系。

5 結語

本文從環境、抗震、經濟、建造和使用性能等5個方面考慮，構建了一套綜合的指標體系，以及方案比選方法，引導裝配式主體結構設計技術水平的整體提升。首先本文結合工程經驗，擬定了具有5個方面，共12個評價指標（8個定量指標、4個定性指標）的適宜結構體系的評價指標體系。在此基礎上，形成了裝配式結構體系方案優選的整體流程：當方案研究深度尚淺，可使用層次分析法，以12個評價指標為基礎進行結構體系方案初篩；當研究較深，數據較完整后，可使用信息熵權法，以8個定量指標為基礎進行終篩，最終得到最優的結構體系方案。若在其他地區使用該方法，可根據地區特點更新指標。