裝配式鋼結構建筑深化設計研究

張元見

（中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088）

現階段，社會制造業及建筑業技術都在不斷地發展與進步，升華到了一個新的層次。基于此，出現了裝配式鋼結構建筑形式，其打破了以往施工過程中存在的局限性，通過施工實踐應用，有力地證明了裝配式鋼結構建筑的質量，所以，該建設形式得到了積極推廣。為了推動裝配式鋼結構建筑形式不斷發展，則需要加強對有關技術及理論知識的探究，最大限度地挖掘其優勢與價值，進而從根本上提高建筑工程的施工質量。

1 裝配式鋼結構建筑設計的特點分析

1.1 流程細化

裝配式建筑的綜合性和全面性較強。相比于傳統的建筑設計來說，裝配式建筑更加注重建筑的整體化，所以，工作人員要在傳統建筑設計的基礎上加入預制構件加工圖設計環節。

1.2 設計模塊化

通過合理對建筑模數進行控制，有助于將建筑與構件進行統一，將模塊進行組合，這樣可以使得裝配式鋼結構的建筑標準更加規范化地發展［1］。

1.3 配合一體化

在設計的過程中，不同專業之間要相互配合，加強主體結構與預制構件的一體性，不斷優化和改進設計的效果。

1.4 技術信息化

通過借助BIM技術對裝配式鋼結構建筑進行深化設計，可以有效提高構件設計過程中的準確性和可靠性［2］，其中涉及技術策劃、工程方案設計等多個環節。

1.5 操作便捷化

裝配式鋼結構是利用工程設計軟件進行開發與配置的建筑結構，可以在很大程度上縮短設計周期，提高設計成果的準確性與可靠性。使用工程建模軟件和結構分析軟件，能夠更加合理地分析鋼結構的尺寸與內部應力情況，而且若后期需要修改，操作也非常方便［2］。技術人員在制造鋼結構構件的過程中，需要綜合應用三維模型及數控機床，在保障鋼結構構件成型之后，才可以將其投入到生產線中，落實制造與設計的一體化操作［3］，在增強鋼結構構件精確度的同時，減少設計與建設的時間。

2 我國裝配式鋼結構建筑現狀

2.1 設計方法落后

與傳統的建筑設計形式比較來說，裝配式鋼結構建筑在設計結構體系、定位平面及確定基本模數等多個不同的方面都存在較大的差異。在制訂施工方案時，專用結構體系與通用結構體系相比差異不大，而且工作人員并沒有對標準化及數模化的設計思想給予充足的重視。在設計施工圖的過程中，沒有對結構構件和裝配節點進行深入探究，對于部分構件的標準模型及裝配節點的構造設計也沒有采取有效措施進行處理，這會影響到裝配式鋼結構建筑的進一步優化發展。

2.2 缺乏設計的標準規范

由于裝配式鋼結構建筑在我國起步較晚，因此涉及相關設計及施工標準等規范文件數量較少，同時也沒有設置有關的施工技術、施工工法、安全規定等。與國外發達國家的裝配式鋼結構建筑發展比較而言，我國在裝配式鋼結構建筑設計標準制定方面相對滯后，進而使得裝配式鋼結構建筑在設計、審批和驗收的環節缺乏相應的標準約束［4］。

2.3 鋼結構部件發展滯后

對裝配式鋼結構建筑進行分類，可以按照結構體系分成木結構、鋼結構（PS）與預制混凝土結構（PC）3種。鋼結構是現階段非常流行的裝配式建筑，與預制混凝土結構的不同之處在于，裝配式建筑的主要承重構件材料都是鋼質材料，一般情況下，各個部件是在施工現場采取焊接、螺栓或者是鉚釘的方式連接在一起［5］。這些操作對于鋼結構部件要求非常嚴格，但是，我國建筑市場對于鋼材料需求比較少，這在一定程度上影響了產品的工業化發展，導致無法有效保障鋼材料的質量，因此，會直接給裝配式鋼結構建筑發展帶來不良影響。

3 裝配式鋼結構建筑深化設計分析

3.1 建筑設計

受當代人們思想觀念的影響，現階段，建筑除了具有高質量以外，還需要具有美觀性與舒適性，更重要的是，要具有環保經濟的特點，可以滿足人們的生活需求。因此，對裝配式鋼結構建筑進行深化設計的過程中，需要圍繞這些方面實施相關設計。

3.1.1 平面設計

（1）在設計建筑平面時，需要優化承重物的分布情況，確保建筑垂直方向上的承重結構應力可以分布均勻。

（2）在設計門窗、洞口等的過程中，由于預制件具有精確性的特點，所以，可以確保上下對齊，同時幾何尺寸符合建筑結構的受力需要［6］。

3.1.2 立面、外墻設計

為了盡可能地符合當代人們的居住需求，在對裝配式鋼結構建筑進行深化設計的過程中，要注意以下方面。（1）注重預制件結構設計的美觀性，在確保滿足建筑基礎功能的同時，讓建筑更加賞心悅目。（2）為了提高建筑的經濟性和環保性，在深化設計的過程中，需要對預制件拼接結構進行檢查，確定其是否存在縫隙，若有則需要及時填補，而且還需要準確掌握整體建筑結構的薄弱之處，從根本上改善建筑內部的環境［7］。

3.1.3 門窗安裝節點設計

在門窗安裝節點的設計過程中，使用工廠制作的預制內外墻板，其尺寸必須要滿足整體的需求。設計門窗的過程中，可以充分發揮這個優勢，選擇無門窗副框安裝的方式，然后，在實際施工過程中將兩者相連接，有效處理外墻和外窗洞口的接縫處的防滲漏問題。

3.1.4 小型金屬構件設計

對于小型金屬構件的設計工作來說，制作人員為了保障其能夠滿足整體建筑的電氣設備安裝需求，在進行深化設計時，必須要計算金屬預埋件的實際埋設位置及相關數據狀況，確保埋設位置的精確性與可靠性，進而有效地防止預埋件和其他的建筑結構發生沖突。不僅如此，在深化設計的過程中，埋設預埋件的位置應該較為隱蔽和集中，這樣能夠有效地提高建筑內部的美觀性。

3.2 結構設計

結構設計原則如下。（1）在設計過程中，考慮到建筑持久性方面時，對預制構件的承載力、變形及裂縫采取有效措施進行控制，并通過有關的計算公式進行驗算。（2）考慮到建筑抗震能力時，要對預制構件的承載能力進行驗算。（3）在實際的設計過程中，工作人員需要全面考慮預制構件的制作、運輸及安裝等很多方面不同的內容，在驗算時，要保證相關數據符合國家的標準規定。（4）對于一些起固定連接作用的預制件和預埋件來說，設計的過程中應該盡可能不使用，如果必須要使用這兩種預制件，那么工作人員就需要根據施工的實際狀況，在滿足各項數據的狀態下進行合理選擇［8］。

3.2.1 參數驗算

在對參數進行驗算時，如果已經達到了結構承載能力的極限或者是正常使用的極限水平，工作人員就需要對建筑結構的構件承載能力及形變指標等相關數據進行精確的計算分析。例如，建筑整理的抗震設計就需要對承載力進行驗算，然后，根據施工的標準規定來進行執行，特別是對于預制構件來說，在制作的過程中也必須要保證相關數據的驗算準確性。

3.2.2 梁柱節點設計

在進行實際的焊接工作過程中，工作人員需要將引弧板放置在翼緣坡口的兩邊，并在其下方設計一個扇形的切角。在后續的設計過程中，需要用圓弧來將鋼梁翼緣和扇形切角端部的連接處過渡，并對兩邊進行有效的焊接工作，使得二者能夠相互連接起來。在后續的焊接過程中，施工人員如果發現板的厚度低于16mm，那么可以采用雙面角焊縫，焊縫厚度需要確保不小于5mm，這樣才能提高其穩定性；若板厚度大于16mm，則需要使用K 字形的坡口，將焊縫對接起來。深化設計時，需要嚴格掌控主體結構，為設計方案的質量提供保障。

3.3 機電設備設計

3.3.1 給排水管道的預留預埋

通常情況下，給排水管道的預留預埋有兩種形式：預埋管線和預留管道槽。設計時，需考慮下列內容。（1）按照給排水管線及型號，在構件生產圖紙中，準確地表示出預留管道槽的位置。（2）在設計預留管道槽的過程中，需要對管道安裝及調試過程中需要的空間范圍進行考慮，對于管道彎頭處的位置，工作人員需要有效提升預留槽的深度，然后在管道彎頭處匹配預留槽。（3）預留管道槽的深度不僅要滿足預留管道的尺寸，同時也要防止因預留的空間太小，以致在建筑施工完成之后會出現管道外漏的情況。

3.3.2 燃氣專業預留預埋

燃氣專業的預埋工作中，非常重要的就是入戶管道和外墻的預留設計，施工人員必須對燃氣專業的預埋管道進行進一步的設計優化，特別是燃氣管道內部的空間與尺寸一定要符合相應的設計標準。

3.3.3 電氣管線預留預埋

該項設計重點在于預制墻板中電氣管線的預留和預埋。通常情況下，需要對下列方面進行考慮。（1）需要確保墻板上材質不同的管線都滿足施工的強弱電專業標準。（2）在后續的施工過程中，施工中所使用到的管線必須要滿足數量和質量的需求，這樣才能夠有效提升電氣管線的預埋質量。（3）在完成管線的預埋工作后，需要重視后續的維修管理。

3.4 管線綜合深化設計

（1）需要先布置管線較大的管線，之后再布置管徑較小的管線，即“小的要避讓大的”。

（2）由于重力管線主要是借助重力作用輸送流體，因此，壓力管線與重力管線在布置的過程中很容易出現相互交叉的現象。工作人員在設計時，要考慮到兩種管線距離，對重力管線的標高進行重新的設計規劃。

（3）在安裝熱水管道時，工作人員必須先對保溫層進行施工設計，因為熱水管道整體的施工成本會比冷水管道的施工成本更高，所以，在設計熱水管道時要優先設計，合理控制整體的設計成本。

（4）在施工中，工作人員需要將流體管道和將電纜橋架分開，如果實際施工情況不允許將二者分開布置的話，那么就需要先將電纜橋架放置在流體管道的上部分，這樣放置可以避免流體管道被破壞，從而使得電纜電線出現外漏，而且需要通過設置套管的形式保護電纜。

（5）工作人員針對于管路附件少的管道施工時，必須先讓這些管路附件多的管道來施工，通過這樣的方式，可以有效改善后續管道附件的維護與優化管理工作。在設計管道時，盡量把管道設計為直形，實現管道之間平行不交叉，有利于施工初期的安裝、施工后期的檢修與維護，進而科學合理地減少工程成本支出。

4 裝配式鋼結構建筑深化設計案例分析

4.1 工程概述

該工程項目的實際建筑面積為1萬㎡，其中，地下總面積占到了4600㎡。該建筑工程應用裝配式鋼結構，建筑面積要求100%，單體預制率要高于40%。所以，在實際的施工過程中，該建筑工程項目主要使用了裝配式結構，地上建筑樓層總共10層，每層3.6m，總高43.1m。

4.2 標準化設計

對該建筑工程項目實施裝配式的拆分，有效地減少了預制構件的種類，為構件的生產和安裝提供了便利。

4.3 深化設計

4.3.1 參數化組件開發

裝配式鋼結構建筑的設計工作中，鋼筋等類型的預制構件的設計工作是非常復雜、困難的。因此，BIM技術在該項工程中的實際應用受到了一定的限制，工作人員為了盡可能地提升裝配式鋼結構建筑模塊的建設效率，可以通過利用Tekla軟件的二次開發接口來進行優化，然后對預制柱的主次梁進行進一步的開發。后續工作人員通過設置參數來對預制的構件鋼筋進行優化設計，在三維模型的基礎上，形成裝配式鋼結構建筑的設計圖紙，進而從根本上提高設計的效率。

4.3.2 智能碰撞檢查

使用Tekla 軟件進行裝配式鋼結構建筑深化設計的過程中，因為預制構件是在工廠生產之后再輸送到施工現場，所以，為了提高安裝的精確性和準確度，需要將預制構件的深化設計工作落實到位，科學合理地掌控生產進度。對于該建筑項目而言，其中涉及了大概2000個構件，如果想要在根本上確保構件安裝的精度，最大限度地減小誤差，采用人工校對的方式工作量非常龐大，但是，通過軟件對構件碰撞和鋼筋沖突情況進行自動化的檢測，可以顯著地提高工作效率。

4.3.3 自動生成圖紙

使用軟件進行裝配式鋼結構建筑深化設計的過程中，由于建筑構件的數量非常龐大，如果使用以往的二維的生成方式，那么整體圖紙的生成是非常困難的，工作量較大且較為復雜，在生成圖紙后，后期的修改工作難度較高。如果使用Tekla模型，就可以自動生成整體結構的建筑圖紙，如果在此過程中需要修改數據，可以設置有關參數，然后系統可以自動對圖紙進行更新。

4.4 深化設計效果

對裝配式鋼結構建筑進行深化設計，可以及時發現設計過程中存在的問題，進而最大限度地降低后期施工出現變更的概率，不但能夠減小建筑成本投入，同時有助于提高工作效率。與以往建筑結構設計存在區別的是裝配式建筑設計更加重視與施工的相互結合，在對構件進行拆分的過程中，需要綜合構件運輸和吊裝的方面全面考慮。使用BIM技術，可以推動設計朝著信息化的方向發展，對于當代建筑領域而言值得積極推廣，但現階段的裝配式結構設計軟件還有待深入開發和探究。

5 結語

總而言之，在未來，我國建筑領域的現代化發展離不開裝配式鋼結構建筑的應用。在對裝配式鋼結構建筑進行進一步的深化設計過程中，為了確保設計的效果和質量，需要做好建筑設計、結構設計、機電設備設計、管線綜合深化設計等工作，最大限度地減少設計中存在的問題，確保建設工作順利實施。