裝配式混凝土結構設計方法研究

呂濤

（太原市聚川建筑設計事務所，山西 太原 030000）

0 引言

伴隨著我國建筑行業的快速發展，傳統的水泥澆筑形式逐漸朝著裝配式混凝土結構方向發展。不僅如此，在先進科學技術的大力推動下，在傳統裝配式混凝土結構設計的基礎之上，又出現了基于BIM的新型裝配式混凝土結構設計方法，更好的滿足了裝配式混凝土結構“一體化、標準化、模塊化、通用化”等設計需求。為了推動建筑行業的健康發展，有必要針對兩種裝配式混凝結構設計方法進行系統化研究。

1 傳統的裝配式結構設計方法

1.1 結構整體分析

根據《裝配式混凝土結構技術規程（JGJ1—2014）》的相關要求，在絕大多數裝配式混凝土結構設計中，都可采用與現澆混凝土結構相同的方法對其進行結構分析。但是，如果在同一樓層當中既有預制部分又有現澆抗側力構件，則有必要在地震設計狀況下，對現澆抗側力構件的彎矩和剪力進行適當的放大。在實際工程中，我們常取1.1的放大系數。也就是說，當鋼筋采取可靠的連接方式，新舊混凝土采取粗糙面、鍵槽等可靠措施保證連接成整體時，裝配整體式結構與混凝土結構是完全相同的。但實際施工中，由于各種原因不一定能達到理想的效果，我們在設計中需要考慮由于連接等構造帶來的不利影響。《規范》對于裝配式結構最大使用高度在豎向構件采用裝配時（50%、80%以上時）有所降低，以及現澆抗側力構件地震力放大，抗震等級要求更高，都是考慮到這方面的影響。總之，結構整體計算分析，仍以常規結構模型進行分析，計算結果也仍以《抗震規范》《混凝土規范》《高規》等規范進行控制，只是一些抗震構造的要求適當提高。

1.2 結構構件的設計

在進行結構構件設計之前，需要設計人員事先針對預制柱、疊合梁及鋼筋桁架疊合樓板等構件結構進行計算與分析，之后再依據分析結果展開相關設計。例如在設計疊合板時，分別對單向板和雙向板進行對比分析，測算經濟合理性。又或采用多種幾何參數和優化鋼筋的配置，以得到最合理的設計方案。

1.3 預制構件的拆分設計

在進行預制構件拆分設計的過程中，需要在滿足施工要求的同時，最大限度體現建筑設計的使用功能。在設計裝配式剪力墻結構時，拆分方案一般有兩種，邊緣構件全部現澆，非邊緣構件預制和邊緣構件部分現澆，水平鋼筋環插筋連接。無論哪種拆分方式都存在一些問題。比如邊緣構件箍筋承擔水平剪力，使預制墻板變成了豎向傳力構件，導致結構整體傳力途徑不清晰；墻體鋼筋在樓層處有一半采用灌漿套筒連接，另一半不直接連接，導致此處抗剪差，墻體層與層連接削弱。目前豎向構件設計中我們還是采取邊緣構件現澆，一字型墻體預制（適當比例）這種方式，今后會繼續進行更多深化設計，在安全可靠的前提下，以提高豎向構件裝配率。

1.4 構件的連接節點設計

從某種意義上看，裝配式結構是通過各個節點之間的相互連接而實現的，而且不同的配式結構，同時時存在多種連接方式供設計人員選擇。比如在高效化裝配結構設計當中，標準化設計、全裝配式結構體系、連接節點設計都是比較常用的設計手法；除此之外，還可以根據施工需要，采用地上裝配式結構節點連接方法；通過榫接連接方式或者張拉法連接方式，同樣可以保證裝配式結構節點受力的可靠性[1]。在實際設計的過程中，設計人員可以在預制柱連接、疊合梁與預制柱連接、樓板與柱的連接等多種方法當中進行合理選擇，還可以采用多種方法相結合的方式滿足裝配式混凝土結構的設計要求。

1.5 有限元分析設計

在有限元分析設計中，需要先將彈性連續體離散成多個有限個單元，之后再采用角點鉸接的方式進行組合。在這個離散與組合的過程中，設計人員可以對每個單元體受力與變形關系進行科學化分析，使連接件個數和間距得到優化調整，力爭在各個單元重組之后，使樓層受力情況得到最大限度的改善，更好的滿足建筑設計要求。在進行有限元設計時，設計人員可以使用ANSYS軟件獲取到各個節點的極限承載力，借助這一關鍵數據對構件節點受力特征的全面認知，以此來保證設計方案的科學合理性；還可以采用非線性有限元分析軟件對各個有限元進行更加深入透徹的分析，使單元劃分、本構模型選取以及邊界條件得到更加科學合理的設置[2]；通過使用有限元軟件ABAQUS，可以在不同受力條件下，支裝配式連接節點以及現澆節點的應力和位移情況進行精準分析。但是，這也在某種程度上說明了在裝配式混凝土節點連接的抗疲勞性方面還有待提升。

2 基于BIM的裝配式結構設計方法研究

2.1 裝配式參數化設計方法

經過以往的設計實踐表明，使用裝配式參數化設計方法，可以使建筑實現從單元到整體的優化與完善，更好的滿足建筑、結構以及機電設備等多個環節的專業化、綜合型設計要求[3]。在基于BIM的裝配式結構設計中，可以說參數化設計是結構設計標準化的核心，而標準化設計又是裝配式設計的關鍵。所以，參數化設計裝配式混凝土結構設計質量的重要保障。BIM系統可將同類構件整合到一起，組建起一個構件庫。設計人員在構件庫當中查詢所需要的構件，如果庫中沒有此構件，則可以通過參數化設置創建一個新構件，使那些特殊化建筑布局要求得到滿足。

2.2 裝配式結構拆分設計方法

基于BIM進行裝配式混凝土構件拆分設計，可以幫助設計人員繪制出更加專業的項目設計圖。以裝配式剪力墻結構設計為例，設計人員繪制出預制外墻拆分圖，再利用BIM對各個構件進行編碼，為后續施工環節提供便利條件。目前，有一種新型建筑、結構和水電等專業模型，輔助設計人員完成參數化節點拆分設計。這種方法是先使用專業軟件將建筑和水電模型轉換成BIM模型，使裝配式混凝土結構體系以構件的形式出現，使設計過程變得更加高效便捷，設計方案也更加科學合理。國內結構設計軟件PKPM、YJK均設置了與Revit Structure互通的接口，各專業設計人員可以很方便的將各自內容反映到一個平臺，使BIM模型更為準確和完善。因為在Revit拆分設計流程當中融入了三維可視化環節，所以與傳統的CAD拆分相比，Revit拆分更加便于構件的拆分設計與后期組裝[4]。除此之外，還可以通過預制建筑集成法與BIM技術的相互結合的方式，實現模塊化拆分設計，這一方法的誕生與應用，為裝配式建筑的創新發展提供了巨大支持。

3 傳統設計方法與基于BIM的設計方法對比

在傳統的建筑設計模式下，工程圖紙都是以手工制圖的方式來呈現的，而基于BIM技術，實現了制圖效果的可視化與模型化，極大的提升設計質量與設計效率。比如工程設計人員應用計算機系統和CAD軟件，構建起標準化、批量化出圖這一新型模式，極大的提高了繪圖質量與設計效率。而BIM無疑提供了更加先進直觀的設計模式，借助3D建筑模型為人們呈現出標準化、通用化的集成信息體。傳統設計方法與基于BIM的設計方法主要存在以下區別：首先，設計依據方面。在傳統的裝配式混凝土結構設計模式下，是將3D建筑轉變成為2D的三視圖，設計人員需要依據眾多建筑規范標準進行繪制，當涉及一些復雜結構時，則需要繪制大量平面圖呈現出建筑設計細節。在這個過程當中，非常容易出現各種人為疏忽與紕漏，給后續施工環節造成較大影響。而BIM不僅可以直觀地展示建筑，還可以準確定位某一結構的空間位置，對于那些復雜構件可以采用三維視圖展示其結構形態。設計人員還可以借助BIM建立預制構件庫，全面實現信息共享，還可以通過查看BIM信息模型及時檢查是否存在設計缺陷，最大限度減少設計問題[5]；其次，設計思路方面。在傳統的裝配式混凝土結構設計中，是按照先整體后拆分這一思路完成方案設計，這種設計方法極大增加了構件數目和設計工作量，導致設計效率低下。而基于BIM進行裝配式混凝土結構設計，可以將一些常用預制構件事先存入到構件庫當中，設計人員直拉進行調用即可，從根本上滿足了裝配式混凝土結構設計工業化、模塊化的發展需求，推動了建筑行業的健康發展。

4 結語

在當前的建筑工程領域內，裝配式混凝土結構設計呈現出越來越高應用率與應用水平，各種新型裝配式結構體系也得了大規模推廣應用。與傳統設計方式相比，基于BIM的裝配式混凝土結構設計，為整個設計工作提供了極大的技術支持與數據支撐。而裝配式建筑的未來發展，也借助BIM技術獲得更加順暢的發展。