裝配式建筑裝備結構設計關鍵點技術分析

王金濤，劉艷軍

（濰坊市建筑設計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261205）

隨著改革開放的深入發展，我國早已從落后的農業國變成較為先進的工業國，開始進入到“工業化革命”的新時期，但是我國相比發達國家，預制裝配式建筑的工業化發展進程依然速度遲緩，沒有要突破的趨勢。預制裝配式建筑結構常用構件以預制混凝土為主，這種混凝土結構形成流程包括裝配作業、連接處理、實施部分現澆，最終構成完整的預制混凝土結構。預制裝配式建筑有一大特征——生產環節工業化，實現這一特征，則需要重視加強建筑設計的標準化，最核心的環節是要建立完備的能夠有適應性的模數及模數協調的原則。結構設計人員在對結構體系、結構節點以及預制構件等環節進行關注時需要考慮到裝配式結構工程的實際情況，同時要結合業主方對建設的要求，對結構的布置方案進行多方比對，從而選擇出合理的節點設計，這樣才能制定出科學合理的裝配式結構設計方案，進而有效提升裝配式結構設計的規范性、專業性和合理性

1 裝配式建筑的特點

裝配式建筑結構就是加工處理施工過程中用到的墻板、主體、部分板等構件，等加工完成后再把所有構件運送到施工現場，通過混凝土澆筑和焊接的方式將零散的構件連接起來，讓其成為一個完整的整體。隨著建筑行業的發展，建筑的施工水平和所使用的材料形式也發生了較大的進步，裝配式建筑結構應用的領域越來越廣泛，而且在應用過程中也呈現出愈發明顯的靈活性。

裝配式建筑結構的生產方式是預制構件，即在生產完成之后需要將預制構件運送到建筑工程的施工現場，再由施工現場對預制構件進行拼裝或澆筑。裝配式建筑結構相比于傳統的建筑結構不僅在工程施工效率方面有了大幅的提升，工程的質量也得到了保障，因此也就成為了國內建筑行業學習的典范和發展的方向。裝配式建筑結構在建筑構件制造方面更加集中，即通過在施工現場對構件進行拼裝，施工的整個過程也很難受到天氣和其他環境因素的影響，從而使得施工的效率得到大幅提升。裝配式建筑結構的施工方式較為簡單便捷，能夠有效降低在人力資源方面的投入，人力資源投入的降低使得施工的成本大幅下降，能為企業的發展帶來更多的經濟效益，也能使工程中機械設備的合理利用率得到保障，從而保證工程能夠順利施工，此外裝配式建筑結構在施工時有著非常嚴格的管理措施，這樣能夠有效控制施工中的安全隱患，確保工程順利施工和完成，減少或避免安全事故的發生。不僅如此，裝配式建筑結構在生產過程中，其生產線一般采用的是自動化技術和網絡化技術，而不像傳統的人工構造對預制構件造成破壞，合理分析建筑構件和檢測構件質量也減少了建筑結構施工中的漏水滲水現象，也解決了隔音隔熱效果不好的問題。裝配式建筑結構的應用不僅能夠使資源得到合理應用，也使對環境的污染降低，揚塵和噪音現象大幅減少，對周圍居民的影響也有效降低，體現出環保效益。

裝配式建筑結構設計的優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）大幅提高生產效率。在傳統建筑施工過程中，通常需要設計師與施工技術人員都親自去施工現場實施實際操作，因為涉及到了多個工作層，所以在一定程度上會導致施工現場出現秩序混亂問題，不利于提高最終的施工質量，也難免會讓客戶產生不好的印象。對此，可以采用裝配式建筑結構設計工作，這樣能夠顯著提高生產效率，大幅提高生產力。

（2）提高了建筑工程的質量。施工建設所包含的內容較多，所以在施工時很可能會出現沖突，尤其在沒有監管制度的管理模式下，施工現場很容易出現“臟亂差”問題，給生產的質量和生產的效率都造成了很大的影響。采用組件與裝配式施工，能夠有效生產各種構件，做好相關組裝工作，也使得建筑施工的準確性得到提高，有效保障了建筑工程的質量。

（3）環保性和安全性較高。傳統的施工建設會受到多方面因素的影響，如果施工人員沒有密切關注建筑的方法，則很可能嚴重破壞施工效果，導致工程的質量出現嚴重問題。但是通過運用裝配式建筑結構，在管理人員的監督下，零件組裝和室內設計的質量都得到了有效保障。傳統的建筑施工中出現的噪音和粉塵污染等會對居民的正常生活造成影響，而運用裝配式建筑則可以使環境污染問題得到有效改善。

2 裝配式建筑結構設計關鍵點分析

2.1 建立起裝配式結構的設計體系

在設計裝配式建筑結構的過程中，應注意結構設計和傳統模式下的設計的差異很大。如果裝配式結構設計的標準化體系不完善，必然會影響結構設計質量，不利于建筑結構設計行業的發展。因而，必須著重健全結構設計體系，確保裝配式建筑設計方案的規范化與科學化，這樣也可以使裝配式結構設計更為簡單、合理。標準化體系建立后，在標準化模塊化設計中，只需根據實際情況調整結構尺寸以滿足用戶的要求，然后對結構內部的空間進行完美的設計，確保裝配式建筑本身可以得到全面的優化。

圖1 裝配式建筑結構設計流程

2.2 設計預制構件

裝配式構件是裝配式建筑的重要階段。在設計過程中，必須遵循模塊化的原則，盡可能減少構件的種類，以獲得準確、標準的構件，從而大幅降低工程造價。裝配式建筑的主要部分包括落板、開口和特殊形狀?，F澆施工是最常用的方法。當然也要考慮到當地的運輸條件，包括加工生產能力、部件吊裝等因素。同時，預制構件應充分體現耐久性、耐火性等性能。在設計預制構件時，要保證生產的可行性和成品的安全性。對于大型預制構件，可增加相應的構件脫模、預埋吊點等。根據具體的保溫要求，可設計預制外墻板，滿足空調、散熱器的安裝要求。如果建筑結構中含有非承重內墻，則應選擇重量輕、安裝方便、隔音性好的隔墻板。

2.3 重視裝配式構件及連接設計

預制構件應檢查承載力、變形和裂縫，還應計算地震條件下的承載力。此外，應注意短期設計工況（如傾覆、吊裝、運輸、堆放、安裝等）下的校核計算。由于構件在各工況下受力方式不同或構件混凝土強度未達到設計強度，構件的最終截面和配筋不同。此外，在預制構件的設計中，應選擇合理的連接部位（一般在受力較小的部位），合理劃分構件尺寸和形狀。預制構件的設計在整體結構設計過程中，要注重預制構件之間的連接設計，保證各個節點安全可靠，符合規范要求，滿足規范要求。結構承載力設計和抗震設計。防止由于節點的缺點導致整個結構不合理和隱患。如組合構件表面粗糙度比要求、組合梁對接要求、主次梁連接結構、預制柱與預制梁連接節點結構等。

圖2 裝配式建筑構件的連接設計

2.4 把握好參數標準

（1）計算振型數。一般情況下，在建筑剪力墻的結構設計中，要計算更多的振型，并把握好質量系數，保證能超過初始設定值，從而保證建筑結構設計方案的合理性。模態數的選擇應根據建筑類型確定，如高層建筑多在15層以上。（2）要對墻體垂直分布的配筋率進行精確計算。一般情況下，配筋率將實際配筋率作為基準，以此確保整體計算結果的準確性，減少偏差。如果沒有按照實際配筋率進行計算，就很容易導致抗彎配筋的數值出現變化。（3）要科學計算和界定最小地震剪切系數?？v觀建筑剪力墻結構設計工作，不難看出確定建筑結構計算參數與最小地震剪力系數至關重要，建筑在后期產生的地震效應多用于衡量抗壓性和穩定性。一般來說，在低烈度地區和較高建筑物的底部，最小地震剪力系數通常小于設計要求。

2.5 預制裝配式的結構節點設計

在裝配式建筑設計工作中，構件連接節點的設計是最為重要的作業。確保整體工程施工設計質量，必須著重優化結構節點設計方案。在設計節點的過程中，設計師應著重參考連接節點結構的安全指標，謹遵相關標準，努力提升節點結構的穩定性，確保傳力效率。同時，要準確計算節點處的實際受力，全面改善建筑結構整體功能，針對節點，科學采取定位防火措施與防水處理措施以提升安全質量。

2.6 做好細節的優化

首先，對邊緣構件進行約束。采用科學的約束措施有助于高效把控剪力墻的承載力。據調查統計，使用比例高達40%以上的約束力，就可以有效增強剪力墻結構的承載能力；采用比例為20%的約束力，則可以改善建筑的抗震性能。在具體設計工作中，設計師應注意合理選擇邊緣構件。在設計剪力墻邊緣構件的過程中，應遵循三項基本原則：第一，如果用底部加強部位設計的軸壓比，而并未達到相關標準要求，就需要增設構造邊緣構件。如果超出了規范標準要求，則需要采用增設約束邊緣構件的方式予以處理。第二，落實強度設計與性能優化設計方案。謹遵建筑剪力墻結構標準設計方案做好設計工作，確保配筋率符合標準要求。在具體設計工作中，與建筑抗震作用相結合，對剪力墻邊緣構件的數量進行合理控制，從而充分確保建筑整體的性能。第三，做好延性處理作業。在建筑延性設計工作中，應科學使用均衡布置方案，采取對稱設計方法，對剪力墻的支撐能力予以增強，確保結構性能。

3 裝配式建筑結構設計需要改進的地方

雖然裝配式建筑結構在建筑工程中有著十分突出的優勢，但實際上還要很多地方需要改進。首先，裝配式建筑結構的造價和傳統的現澆混凝土結構建筑相比要高一些，所以在后續的使用過程中需要對造價方面進行降低和優化，尤其是在設計的前期應當需要設立標準化的原則，在預制構件上要少規格、多組合，從而有效推動工業化的生產。其次，還需要對建筑行業內部使用較多的裝配式混凝土構件連接技術進行進一步的優化，從而有效解決安裝效率低、剛性節點構造處理困難的問題，可以和裝配式建筑的節點連接特點進行結合，從而研究和改進定剛度體系或非對稱剛度構件，使構件的標準化和產品化程度得到提升。最后，結合我國裝配式建筑結構設計、生產、安裝一體化、智能化的長遠發展目標，在裝配式結構的實際研究過程中，推動標準模塊化產品的應用，實現無現澆連接處理，并最大限度地簡化連接。強調裝配式建筑的一體化協同設計，結合全生命周期的BIM信息數據管理系統，實現構件的自動選型，智能迭代計算優化和積木式智能安裝，同時充分發揮結構專業的主動責任和主動協調作用，進一步提高設計安裝效率。

4 結語

總而言之，在預制裝配式建筑結構設計工作中，因為這種建筑結構設計工作不同于傳統建筑設計，所以必須重視兩者的差異性，在項目實施階段充分考慮裝配式建筑設計要點，履行相關標準，就可以有效提升設計工作效率，減少返工現象的發生，同時也能讓整個項目獲得更高的經濟收益。所以，應當充分考慮到裝配式建筑發展的合理性。