裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

康樂(lè)

（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西太原 030013）

依托政策支持與科技支撐，裝配式建筑近年來(lái)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，與裝配式建筑相關(guān)的研究、實(shí)踐也不斷增多。裝配式混凝土住宅是采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的住宅，相較于傳統(tǒng)住宅，裝配式混凝土住宅有著施工周期短、現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量可靠、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)。

1 裝配式建筑

1.1 特征

裝配式建筑指的是在工廠內(nèi)預(yù)制構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行裝配、安裝的一類建筑。裝配式建筑做到部品生產(chǎn)工業(yè)化、建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化、過(guò)程管理信息化、結(jié)構(gòu)裝修一體化，這也是裝配式建筑的主要特征。具體來(lái)說(shuō)：

（1）在設(shè)計(jì)階段，裝配式建筑注重一體化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)與信息化技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的緊密結(jié)合。普通建筑不強(qiáng)調(diào)一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與施工存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象。

（2）在施工階段，裝配式建筑注重設(shè)計(jì)施工一體化、施工隊(duì)伍專業(yè)化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化、現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化。普通建筑現(xiàn)場(chǎng)施工多為手工操作、濕作業(yè)較多，工人整體素質(zhì)不高。

（3）在管理階段，裝配式建筑通常采取總承包模式，全過(guò)程開(kāi)展信息化管理，可促進(jìn)效益的最大化。普通建筑通常是以包代管，依賴勞務(wù)市場(chǎng)分包，專業(yè)化協(xié)同較弱，設(shè)計(jì)與施工各自為政。

（4）在裝修階段，裝配式建筑注重建筑設(shè)計(jì)與裝修同步，主體結(jié)構(gòu)與裝修一體化。普通建筑通主要是毛坯房，需要進(jìn)行二次裝修。

（5）在驗(yàn)收階段，裝配式建筑采取的是全過(guò)程質(zhì)量檢驗(yàn)、驗(yàn)收。普通建筑為竣工分部、分項(xiàng)抽檢。

1.2 優(yōu)勢(shì)

裝配式建筑的數(shù)量近年來(lái)不斷增多，究其原因在于裝配式建筑有著諸多普通建筑不具備的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）普通建筑需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量下料，材料消耗量、耗損量均比較大。裝配式建筑實(shí)現(xiàn)了部品生產(chǎn)工業(yè)化，有效減少材料使用量的同時(shí)材料的耗損量也比較低，可有效降低材料成本，還可以避免不必要的建材資源浪費(fèi)。

（2）普通建筑需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量下料，設(shè)置滿堂模板、腳手架，外加到頂，模板工程量較大，因此施工周期較長(zhǎng)，同時(shí)用工量較大，據(jù)調(diào)查普通建筑每標(biāo)準(zhǔn)層的用工量約為185.5 工日。裝配式建筑在工廠內(nèi)預(yù)制各種配件，不需要現(xiàn)場(chǎng)下料，僅需設(shè)置2 層腳手架，減少了現(xiàn)場(chǎng)的施工量，因此可以有效縮短施工周期，還可以減少施工現(xiàn)場(chǎng)的用工量，據(jù)調(diào)查裝配式建筑每標(biāo)準(zhǔn)層的用工量約為125 工日。

（3）普通建筑現(xiàn)場(chǎng)施工中濕作業(yè)、切割作業(yè)較多，會(huì)出現(xiàn)多種污染。裝配式建筑在施工現(xiàn)場(chǎng)僅需對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行安裝，現(xiàn)場(chǎng)施工更加簡(jiǎn)便，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割作業(yè)，因此污染較小，符合環(huán)保、綠色的要求。

（4）普通建筑存在多種質(zhì)量問(wèn)題。裝配式建筑基本消除了傳統(tǒng)施工方式下的各種質(zhì)量通病。

2 裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

在裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系選擇是一項(xiàng)要點(diǎn)內(nèi)容，必須根據(jù)裝配式混凝土住宅的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理選擇。裝配式混凝土住宅的結(jié)構(gòu)體系主要包括以下幾種類型：

（1）裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這一結(jié)構(gòu)體系是住宅類建筑現(xiàn)階段普遍采用的一種結(jié)構(gòu)體系，具有安全性以及抗震性能較好的優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件是梁、板、剪力墻，主要是疊合板，部分為疊合梁以及預(yù)制混凝土墻板。針對(duì)裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)對(duì)預(yù)制剪力墻的橫縱布置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，從現(xiàn)場(chǎng)裝配施工以及外墻保溫、裝飾一體化等方面考慮，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇外圍護(hù)預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)。

（2）裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。這一結(jié)構(gòu)體系與預(yù)制剪力墻相比，預(yù)制梁、柱、板的質(zhì)量更小、更加便于運(yùn)輸，所以目前裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)在裝配式混凝土住宅領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。預(yù)制梁、柱、板是在工廠內(nèi)生產(chǎn)完成，對(duì)疊合層的鋼筋進(jìn)行預(yù)留，為保障結(jié)構(gòu)的整體性，在現(xiàn)場(chǎng)裝配施工的時(shí)候，應(yīng)確保疊合板、疊合梁的中軸線處于同一水平，盡可能地控制偏差。此外，應(yīng)確保裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的支撐能力可以滿足施工中承載能力的要求。

（3）裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這一結(jié)構(gòu)是采取部分現(xiàn)澆、部分預(yù)制工藝制作而成的鋼筋混凝土剪力墻，可分為單面保溫疊合剪力墻、雙面疊合剪力墻兩種類型。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括構(gòu)件質(zhì)量較小、防水性能較好、容錯(cuò)性較強(qiáng)以及對(duì)運(yùn)輸設(shè)備、起吊設(shè)備的要求不高。但裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)也有一定的缺點(diǎn)，即與其他兩種結(jié)構(gòu)體系相比，裝配整體式疊合剪力墻結(jié)構(gòu)的用鋼量較大，因此成本較高。

2.2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)

裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循模塊化、多組合、少規(guī)格的原則，全面考慮預(yù)制裝配率、結(jié)構(gòu)體系、建筑實(shí)際情況等因素，對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)選擇。同時(shí)，應(yīng)盡量提高預(yù)制構(gòu)件的重復(fù)利用率，以實(shí)現(xiàn)工程成本的降低。在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、主體結(jié)構(gòu)形式等，選擇便于重復(fù)生產(chǎn)、適合裝配施工、模數(shù)協(xié)調(diào)的部位，如樓板、墻板、空調(diào)板、樓梯板、陽(yáng)臺(tái)板、框架梁和柱等為預(yù)制構(gòu)件。上述部品部件易于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)，也可以減少腳手架、模板的使用量，有利于提高施工效率、縮短施工周期、降低后期維護(hù)成本。

2.3 預(yù)制構(gòu)件拆分

建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化是裝配式建筑的一個(gè)主要特征，其核心在于科學(xué)拆分預(yù)制構(gòu)件。通常情況下，可根據(jù)主體結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)構(gòu)件拆分部位進(jìn)行科學(xué)確定，按照模數(shù)協(xié)調(diào)原則，拆分預(yù)制構(gòu)件。在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行拆分的過(guò)程中，應(yīng)遵循便于構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，盡可能地減少構(gòu)件的種類，對(duì)構(gòu)件的規(guī)格進(jìn)行統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件重復(fù)使用率的提高，降低整體成本。在拆分預(yù)制構(gòu)件的時(shí)候，應(yīng)堅(jiān)持工廠便于生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件、運(yùn)輸預(yù)制構(gòu)件、預(yù)制構(gòu)件吊裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝的原則。尤其是混凝土構(gòu)件，不僅要容易堆放，還要節(jié)省空間，應(yīng)做到不超高、不超寬、不超重，以便于運(yùn)輸、吊裝。此外，在預(yù)制構(gòu)件截面尺寸相同的情況下，鋼筋數(shù)量、間距應(yīng)當(dāng)盡可能一致，以防邊模過(guò)于多樣化而給生產(chǎn)效率帶來(lái)的不利影響、避免吊裝時(shí)出錯(cuò)。對(duì)預(yù)制構(gòu)件的拆分方案進(jìn)行合理確定，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，盡量提高預(yù)制構(gòu)件的通用性、重復(fù)使用率，實(shí)現(xiàn)成本的降低，充分發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)。

2.4 結(jié)構(gòu)布置

應(yīng)結(jié)合裝配化，對(duì)裝配式混凝土住宅的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不接按現(xiàn)澆設(shè)計(jì)再進(jìn)行拆分。裝配式混凝土住宅的結(jié)構(gòu)布置主要包括現(xiàn)澆和裝配部分。通常來(lái)說(shuō)，樓板應(yīng)當(dāng)使用疊合樓板，開(kāi)間較大或者是平面復(fù)雜的樓層、結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層、作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層，應(yīng)當(dāng)采用現(xiàn)澆樓板；地下室部分、框架結(jié)構(gòu)首層柱、剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的剪力墻、電梯井筒等部分，應(yīng)當(dāng)采用現(xiàn)澆；樓板與墻體、樓板與樓板之間的接縫，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全。豎向構(gòu)件如承重預(yù)制外墻等應(yīng)當(dāng)上下連續(xù)，截面應(yīng)當(dāng)規(guī)則、簡(jiǎn)單，同時(shí)沿兩個(gè)方向進(jìn)行布置；預(yù)制墻的門窗洞口應(yīng)當(dāng)成列布置、上下對(duì)齊，不應(yīng)使用轉(zhuǎn)角窗，且平面位置、尺寸應(yīng)滿足預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力的要求。易出現(xiàn)剛度突變、豎向承載力的位置，可以局部使用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

2.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

計(jì)算工作在裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要的地位，必須給予高度重視。計(jì)算工作的內(nèi)容主要包括接縫承載力驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)主體受力計(jì)算以及施工階段脫模起吊、運(yùn)輸、堆放等的驗(yàn)算。在結(jié)構(gòu)主體計(jì)算的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使用現(xiàn)澆建筑的計(jì)算方法，但需要適當(dāng)放大現(xiàn)澆墻肢地震力，同時(shí)合理調(diào)整位移比、周期比。在計(jì)算預(yù)制墻板水平接縫的受剪承載力時(shí)，應(yīng)對(duì)墻板受拉時(shí)的折減進(jìn)行重點(diǎn)考慮，并要復(fù)核底部加強(qiáng)區(qū)預(yù)制墻板接縫的承載力。有必要的情況下，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，例如構(gòu)件裝配施工中需要對(duì)吊點(diǎn)、重心進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)使用階段應(yīng)對(duì)預(yù)制墻、柱水平接縫以及預(yù)制梁豎向接縫進(jìn)行驗(yàn)算，并要計(jì)算連接節(jié)點(diǎn)。在開(kāi)展計(jì)算工作的過(guò)程中，應(yīng)高度重視窗洞口下墻體剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，按照在樓層頂面標(biāo)高處設(shè)縫的雙連梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)制墻板長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，可以在其中部設(shè)置結(jié)構(gòu)洞，以減小結(jié)構(gòu)剛度，確保結(jié)構(gòu)剛度的合理性，同時(shí)將聚苯板填充在洞中，可以實(shí)現(xiàn)墻板質(zhì)量的減輕。但如果結(jié)構(gòu)計(jì)算的過(guò)程中只考慮結(jié)構(gòu)洞口，未考慮聚苯板，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算與實(shí)際存在較大的差距。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與普通建筑相比，裝配式建筑有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在我國(guó)建筑行業(yè)有良好的應(yīng)用前景。裝配式混凝土住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮建筑的實(shí)際情況，把握好結(jié)構(gòu)體系選擇、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件拆分、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算等要點(diǎn)，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，從而為實(shí)現(xiàn)裝配式混凝土住宅建設(shè)質(zhì)量的提高奠定良好基礎(chǔ)。