裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析
——以重慶第二交通技工學(xué)校實(shí)訓(xùn)樓為例

石曉飛

中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400037

引言

裝配式建筑是指由預(yù)制構(gòu)件通過(guò)可靠的連接方式連接在一體建造而成的建筑，按照結(jié)構(gòu)體系分類(lèi)，有框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、無(wú)梁板結(jié)構(gòu)、預(yù)制鋼筋混凝土柱單層廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)等[1]。與現(xiàn)澆混凝土建筑相比，裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)非常多，不僅可提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率，縮短總施工工期，減小構(gòu)件表面后期修補(bǔ)的工作量，還可節(jié)約大量的建筑材料，從而減少碳排放，在工程領(lǐng)域?yàn)閲?guó)家早日實(shí)現(xiàn)碳中和做貢獻(xiàn)。

1 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例

1.1 工程概況

本工程為重慶第二交通技工學(xué)校實(shí)訓(xùn)樓項(xiàng)目，地下2層，地上14層，地下建筑面積2361m2，地上建筑面積17625m2，結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為49.950m?？拐鹪O(shè)防烈度為6度（0.05g），抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35s，基本風(fēng)壓為0.40kN/m2。

圖1 實(shí)訓(xùn)樓效果圖

本工程地下1～2層為車(chē)庫(kù)，地上1~3層為局部凸出的底部裙樓，主要功能為供在校學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)使用的實(shí)訓(xùn)教室，建筑面積為50～400m2不等。上部4～14層為標(biāo)準(zhǔn)層，主要功能為休息室。根據(jù)《重慶市裝配式建筑裝配率計(jì)算細(xì)則（2021版）》計(jì)算，本工程整體裝配率為52.8%，可認(rèn)定為裝配式建筑。本文主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層的疊合樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討分析。

1.2 設(shè)計(jì)方案

本工程墻、柱、梁等抗側(cè)力構(gòu)件均為高精度鋁?，F(xiàn)澆混凝土，部分水平構(gòu)件為預(yù)制構(gòu)件。裝配率主要體現(xiàn)在：樓板、陽(yáng)臺(tái)板等水平構(gòu)件采用預(yù)制裝配式疊合樓板，抗震墻、框架柱、框架梁等受力構(gòu)件采用高精度鋁模施工工藝，非承重外圍護(hù)墻采用現(xiàn)場(chǎng)吊裝的預(yù)制外墻板，內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)ALC條板并且實(shí)現(xiàn)了管線(xiàn)一體化，標(biāo)準(zhǔn)層休息室的獨(dú)立衛(wèi)生間均為集成衛(wèi)生間，樓棟內(nèi)部采用全裝修。除此之外，BIM三維建模技術(shù)的使用，及BIM數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工階段的有效傳遞，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)行為和管理行為的數(shù)字化，為本工程的建造過(guò)程增添了智慧。

1.3 疊合樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樓板作為將樓面恒、活荷載傳遞至梁上的關(guān)鍵水平構(gòu)件，其重要性不言而喻。本工程采用預(yù)制底板+現(xiàn)澆面層的疊合樓板結(jié)構(gòu)形式，其中預(yù)制底板厚度為60mm，現(xiàn)澆面層厚度為70mm，預(yù)制底板在工廠(chǎng)制作完成后運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝拼接。預(yù)制底板采用四周出筋的形式，被拆分底板采用后澆帶式的連接方式，寬度為300～320mm，鋼筋彎折135°相互綁扎后澆混凝土封閉。林彥等對(duì)后澆帶式疊合樓板進(jìn)行破壞性加載試驗(yàn)結(jié)果表明，拼縫范圍內(nèi)預(yù)制底板受力鋼筋的應(yīng)力較小，彎矩主要由構(gòu)造設(shè)置的附加鋼筋承擔(dān)[2]，接縫的數(shù)量、位置，以及后澆混凝土層的厚度均會(huì)對(duì)接縫處的抗彎剛度有一定影響[3]。因此拼縫應(yīng)設(shè)置在板受力較小處以減少鋼筋用量、減小裂縫寬度，且預(yù)制底板的拆分應(yīng)滿(mǎn)足“少規(guī)格，多組合”的原則。

預(yù)制疊合樓板適用于除去結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、平面復(fù)雜或開(kāi)洞較大的樓層以及作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層，本工程2～14層樓面板均采用疊合樓板的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)對(duì)以上對(duì)疊合樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總結(jié)出以下要點(diǎn)：①混凝土強(qiáng)度不小于C30，為增加預(yù)制板與現(xiàn)澆層的抗剪能力，預(yù)制底板應(yīng)留設(shè)不小于結(jié)合面面積80%且不小于4mm凹凸深度的粗糙面。②疊合樓板配筋計(jì)算與現(xiàn)澆板相同，最小構(gòu)造配筋率應(yīng)滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的數(shù)值max{0.15，45ft/fy}%。③鋼筋桁架的布設(shè)應(yīng)沿主要受力方向或平行于板長(zhǎng)邊方向，還應(yīng)滿(mǎn)足距離板邊≤300mm且間距≤600mm的規(guī)定。④跨度小于3m的疊合板，可不需布設(shè)桁架鋼筋或只在跨端附近各設(shè)一道兼做吊點(diǎn)的鋼筋桁架即可。

2 BIM技術(shù)在本工程中的應(yīng)用

為了提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性，提高裝配式建筑的設(shè)計(jì)精度，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員將三維BIM技術(shù)應(yīng)用于本工程初步設(shè)計(jì)階段的深化分析。首先，根據(jù)本工程實(shí)際概況，明確了建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電各專(zhuān)業(yè)的分析流程，創(chuàng)建網(wǎng)格及樓層線(xiàn)，再導(dǎo)入各專(zhuān)業(yè)二維CAD設(shè)計(jì)圖紙，從而搭建本工程三維BIM模型。開(kāi)展三維可視化設(shè)計(jì)，從而明確了建筑空間與各專(zhuān)業(yè)之間的系統(tǒng)關(guān)系，充分地考慮了水、暖、電專(zhuān)業(yè)的預(yù)留、預(yù)埋，以及明確了重要結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的三維分析和輔助設(shè)計(jì)，對(duì)管線(xiàn)綜合碰撞檢查，進(jìn)而提高了整體設(shè)計(jì)效率。

結(jié)合本工程的裝配式設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員既要保證結(jié)構(gòu)整體受力及抗震性能符合規(guī)范要求，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理，又要對(duì)建筑平面布置進(jìn)行合理的優(yōu)化，還要深入了解裝配式構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)要求，協(xié)調(diào)好設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，必須保證各環(huán)節(jié)之間銜接無(wú)誤。本文在此基礎(chǔ)上總結(jié)了保證裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確施工在前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)做好的五個(gè)階段。

第一階段：方案設(shè)計(jì)。

與全現(xiàn)澆混凝土建筑設(shè)計(jì)相比，裝配式建筑的設(shè)計(jì)流程更加精細(xì)和全面，對(duì)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)能力要求也更高。在方案設(shè)計(jì)階段，建筑方案策劃對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施起到了非常關(guān)鍵的作用。設(shè)計(jì)單位應(yīng)充分考慮到項(xiàng)目定位、建設(shè)規(guī)模、裝配化目標(biāo)、成本限額以及各種外部條件影響因素，制定合理的建筑概念方案，優(yōu)化建筑平面布置，提高預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，增強(qiáng)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與合理性，為后續(xù)設(shè)計(jì)階段的工作提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

第二階段：初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)。

初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)協(xié)調(diào)各專(zhuān)業(yè)技術(shù)要點(diǎn)，優(yōu)化構(gòu)件規(guī)格種類(lèi)，“少規(guī)格、多組合”，考慮管線(xiàn)預(yù)留預(yù)埋，與各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，進(jìn)一步細(xì)化和落實(shí)所采用的技術(shù)方案的可行性。同時(shí)還對(duì)參建各方主體工作的協(xié)同性提出了更高的要求，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的協(xié)同，內(nèi)部裝修與工廠(chǎng)生產(chǎn)的協(xié)同，主體結(jié)構(gòu)施工與內(nèi)部裝修施工的協(xié)同等。

施工圖設(shè)計(jì)應(yīng)按照初步設(shè)計(jì)階段制定的技術(shù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成完整可實(shí)施的施工圖設(shè)計(jì)文件。落實(shí)初步設(shè)計(jì)階段的技術(shù)措施，配合內(nèi)裝部品的設(shè)計(jì)參數(shù)，協(xié)調(diào)設(shè)備管線(xiàn)的預(yù)留預(yù)埋；推敲節(jié)點(diǎn)大樣的構(gòu)造工藝，考慮防水、防火的性能特征，滿(mǎn)足隔聲、節(jié)能的規(guī)范要求。

第三階段：預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)。

建筑專(zhuān)業(yè)可根據(jù)需要提供預(yù)制構(gòu)件的尺寸控制圖，構(gòu)件加工圖紙可由設(shè)計(jì)單位與預(yù)制構(gòu)件加工廠(chǎng)配合設(shè)計(jì)完成，同時(shí)可采用BIM技術(shù)，提高預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)完成度與精確度，減小因設(shè)計(jì)人員的認(rèn)為疏忽導(dǎo)致的管線(xiàn)碰撞等問(wèn)題。

第四階段：內(nèi)部全裝修設(shè)計(jì)。

裝配式建筑的內(nèi)裝修設(shè)計(jì)應(yīng)遵循建筑、裝修、部品一體化的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到適用、安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

裝配式建筑的內(nèi)裝修應(yīng)采用工廠(chǎng)化生產(chǎn)的內(nèi)裝部品，實(shí)現(xiàn)集成化的成套供應(yīng)。部品和構(gòu)件宜通過(guò)優(yōu)化參數(shù)、公差配合和接口技術(shù)等措施，提高部品、構(gòu)件互換性和通用性。裝修部品應(yīng)有限選用綠色、環(huán)保材料，并具有可變性和適應(yīng)性，便于施工安裝、使用維護(hù)和維修改造。

第五階段：協(xié)同設(shè)計(jì)。

裝配式建筑的協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮裝配式建筑的特點(diǎn)及項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，利用信息化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同配合，保證內(nèi)裝修設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備及管線(xiàn)、生產(chǎn)、施工形成完整的系統(tǒng)，利于實(shí)現(xiàn)裝配式建筑建造的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

建筑、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)：建筑體型規(guī)整、平面布置合理、門(mén)窗洞口成列布置、受力符合規(guī)范、豎向構(gòu)件連續(xù)。

給排水專(zhuān)業(yè)：管井布置集中、管線(xiàn)減少交叉、優(yōu)選隔層排水、熱能一體設(shè)計(jì)。

暖通專(zhuān)業(yè)：分戶(hù)計(jì)量集中布置、設(shè)備精確定位、輻射供暖協(xié)調(diào)墊層、優(yōu)設(shè)分集水器、排風(fēng)合理經(jīng)濟(jì)。

電氣專(zhuān)業(yè)：暗裝設(shè)備不應(yīng)連同、插座開(kāi)關(guān)精準(zhǔn)定位、電氣原件預(yù)埋預(yù)留、套管保護(hù)敷設(shè)管線(xiàn)、錨固段不應(yīng)埋管線(xiàn)。

3 裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)

隨著近些年來(lái)我國(guó)對(duì)裝配式建筑的大力推進(jìn)，不管是從國(guó)家還是各省市政府層面，裝配式工程的建造數(shù)量也在穩(wěn)步增長(zhǎng)中，不僅局限于政府投資的一些公建項(xiàng)目，社會(huì)投資的公寓、住宅等民建項(xiàng)目中也應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。針對(duì)于此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)工程設(shè)計(jì)階段以下環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)把控。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)體系的選定是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重中之重，結(jié)構(gòu)體系受到結(jié)構(gòu)總高、層高、平面布置等多種因素的控制。結(jié)構(gòu)體系大多在方案階段就已確定，合理的結(jié)構(gòu)體系不僅能減小墻、柱等豎向受力構(gòu)件的截面面積，還能減少預(yù)制構(gòu)件的規(guī)格數(shù)量，從而能更大限度的節(jié)約工程總投資。本工程1～3層為實(shí)訓(xùn)教室，4層以上標(biāo)準(zhǔn)層均為休息室，各房間面積相差不大，開(kāi)間規(guī)整。本工程抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），平面長(zhǎng)寬比為1.5，經(jīng)對(duì)比后選取框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系較合理，剪力墻核心筒在平面居中布置，框架柱布置在四周環(huán)繞，在限制了層間側(cè)移的同時(shí)也較好地控制了結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)。經(jīng)計(jì)算后底層框架柱截面尺寸最大僅800×800mm即可滿(mǎn)足安全要求，有效地減小了框架柱的截面尺寸。

3.2 優(yōu)化拆分位置，減少預(yù)制底板規(guī)格數(shù)量

疊合樓板的預(yù)制底板需在預(yù)制構(gòu)件工廠(chǎng)中生產(chǎn)，周轉(zhuǎn)性模板工具的使用決定了造價(jià)成本，因此應(yīng)以少規(guī)格、多組合、強(qiáng)連接的原則來(lái)對(duì)不同平面構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行整體優(yōu)化，才能體現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。本工程通過(guò)優(yōu)化房間的平面布局，調(diào)整框架梁的布置，來(lái)達(dá)到減少預(yù)制底板的規(guī)格數(shù)量。

3.3 優(yōu)化管線(xiàn)布設(shè)

當(dāng)裝配式建筑未設(shè)計(jì)“管線(xiàn)分離”時(shí)，需要在疊合樓板中預(yù)埋機(jī)電、設(shè)備管線(xiàn)。線(xiàn)盒通過(guò)在預(yù)制底板上預(yù)留孔洞來(lái)實(shí)現(xiàn)，線(xiàn)管則在澆筑面層前固定在底板桁架鋼筋上。本工程搭建了三維BIM模型，設(shè)計(jì)人員根據(jù)電氣專(zhuān)業(yè)的要求，優(yōu)化了疊合樓板的拆分方案，就孔洞、線(xiàn)盒、套管等預(yù)留位置提前考慮，避免其落在預(yù)制底板邊緣。同時(shí)根據(jù)疊合樓板厚度130mm的限制，對(duì)電氣線(xiàn)路套管走向進(jìn)行合理優(yōu)化，套管上下布設(shè)層數(shù)最多為2層，避免預(yù)埋管線(xiàn)后導(dǎo)致樓板超厚問(wèn)題的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)以上裝配式實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有其典型的特點(diǎn)，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員的專(zhuān)業(yè)能力有著更高的要求，也對(duì)設(shè)計(jì)階段各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同性提出了更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等工程建設(shè)參與方的協(xié)同性提出了新要求。三維BIM軟件作為一個(gè)供各方協(xié)同設(shè)計(jì)的平臺(tái)，可在一定程度上避免由于人為核查引起的失誤，提高工程建造的準(zhǔn)確度，降低建造成本。