裝配式建筑設計及抗震設計標準研究

袁興洪

（興義市規劃設計院，貴州 興義 562400）

隨著建筑工業化進程的加快以及綠色施工概念的普及，裝配式建筑以其高效率、節能和環保等優勢逐漸成為現代建筑發展的重要方向。這種建筑方式通過在工廠預制構件并在現場進行快速裝配的方式，不僅縮短了施工周期，而且提高了建筑質量，減少了對環境的影響。然而，由于地震災害頻發，裝配式建筑的抗震性能成為確保其安全使用的關鍵因素之一，這使得裝配式建筑的抗震設計標準研究尤為重要。傳統的現澆混凝土結構與裝配式結構在材料特性、構造方式、整體性方面存在顯著差異，這些差異對建筑物的抗震行為產生了深遠影響。因此，現有的抗震設計規范可能不完全適用于裝配式建筑，需要針對其獨特的結構特點和震害模式進行專門研究和調整。

1 工程概況

項目總占地面積為13326.77 m2，場地現狀空曠，無需拆除任何建筑，且周邊沒有受保護的歷史遺跡或需保留的樹木，項目為一座12 層的鋼筋混凝土框架結構，其占地面積3897 m2，而總建筑面積則18584.87 m2。其中地上部分建筑面積為16058.74 m2；地下部分建筑面積則為2526.13 m2。項目地質勘察后所在區域地震帶特征見下表1。

表1 項目地質勘察后所在區域地震帶特征

2 裝配式建筑設計要點

按照《裝配式混凝土建筑技術標準》GB/T51231-2016、《裝配式混凝土結構技術規程》JGJ1-2014 等標準的相關要求，裝配式建筑結構的抗震性能設計與現澆結構抗震性能基本一致，但是在實際工程抗震設計環節，由于裝配式建筑預制標準構件結構生產環節中相對參數誤差的存在，混凝土抗震性能指標要優于現澆混凝土抗震指標，因此，結合相關標準，裝配式建筑抗震設計性能要在一定程度上超過現澆混凝土結構。

2.1 結構布局與配置

建筑的剛心（剛度中心）和質心（質量中心）位置對建筑動態響應有著顯著影響。地震發生時，地面的運動會導致建筑產生平移和扭轉兩種主要響應。當剛心和質心不重合時，建筑會傾向于產生額外的扭轉效應，這可能導致結構破壞的加劇。因此，設計人員應努力使剛心和質心盡可能重合，以最小化扭轉效應，從而降低結構在地震中受損的風險。這通常涉及建筑平面布局的對稱性、結構系統的選擇、質量分布的均衡性等因素的綜合考量。

建筑的水平剛度和質量分布的均勻性對于防止地震引起的不連續響應同樣重要。如果建筑的不同部分存在顯著的剛度或質量差異，那么在地震作用下，這些差異可能導致局部應力集中，從而引發結構損壞。例如，建筑的邊角部位如果過于剛硬或過于柔軟，都可能成為薄弱環節。因此，設計人員需要確保水平方向上的結構剛度和質量分布盡可能均勻，以避免在地震作用下產生較大的剛度不連續和質量不連續。這可以通過合理的結構布局、選用合適的建筑材料和結構系統，以及在設計階段進行詳細的動力學分析來實現。

2.2 施工材料選擇與構件設計

在建筑結構的抗震設計中，選擇適當的材料至關重要，因為它們決定了結構在地震作用下的響應和耐久性。高性能混凝土（HPC）和高強度鋼材是兩種被廣泛采用以提高結構抗震性能的材料。HPC 以其高初始剛度和優異的能量吸收能力而著稱，其抗壓強度可超過60 MPa，顯著高于常規混凝土的25～40 MPa。這種增強的強度使得HPC 能夠在地震載荷下提供更好的性能，減少結構損傷。

與此同時，高強度鋼材，如Q345B，擁有345 MPa 的屈服強度，遠高于普通碳鋼Q235 的235 MPa。在抗震設計中，鋼筋的作用非常關鍵，因為它能夠提供必要的延性和韌性，幫助結構耗散地震能量，避免脆性破壞。選用屈服強度不低于400 MPa的鋼筋，可以確保結構在遭受極端地震作用時，仍保持足夠的強度和穩定性。因此，在制定建筑結構的抗震設計要點時，應重視材料的選擇。HPC 和高強度鋼材不僅提供了更高的承載能力，而且還通過其良好的延性和韌性，增強了結構在面對地震動力作用時的整體抗震性能。通過合理選擇和應用這些材料，可以設計出更加安全和經濟的結構，以應對潛在地震威脅。

2.3 結構連接與節點設計

在結構連接與節點設計中，箍筋的配置對于確保結構抗震性能至關重要。通常，箍筋間距不應超過柱子最小尺寸的1/12，并且箍筋直徑不得小于6 mm。這樣的規定有助于提供足夠的約束作用，防止在地震作用下柱體發生脆性破壞。

在梁柱節點區域，為了提高結構的延性和耗能能力，通常會減小箍筋間距。如果使用直徑為20 mm的HRB400 級鋼筋，并且梁的有效深度為450 mm，則4 根鋼筋的總截面面積將達到1256 mm2。這表明在節點區采用了較高強度的鋼筋，以增強節點區的抗剪能力和整體的結構性能。為進一步增強節點區的抗震性能，梁端的箍筋間距可能會從通常不大于300 mm 減小至100 mm，這樣做可以減少25%的箍筋間距。此外，為了避免節點區產生過大的剪切力，可能會導致脆性破壞，因此在節點區的箍筋間距通常不會超過100 mm。這樣的設計考慮有助于優化節點配置，確保力的均勻傳遞，從而提高整個結構的抗震性能。

3 裝配式建筑抗震設計標準

3.1 遵循的國家標準與規范

裝配式建筑在抗震設計中必須遵守一系列國家標準和規范，以確保結構的可靠性和安全性。第一，設計人員需要遵循的國家標準包括《工程結構可靠性設計統一標準》（GB 50153-2008），該標準規定了結構設計的基本要求，確保建筑在規定的使用年限內，在正常使用條件和罕遇地震作用下不會發生破壞。這要求設計人員對建筑結構的可靠性進行細致分析和評估。

第二，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）（2015年版），鋼筋混凝土結構的設計必須具有足夠的延性，以便在強震作用下通過塑性變形耗散能量，從而避免脆性破壞。這意味著設計人員需要仔細選擇和配置鋼筋，以及合理設計結構的細節，以確保結構在地震作用下的性能。除了上述規范，還有其他相關的國家標準和規范，如《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2016），這些規范提供了建筑設計加速度系數、響應修正系數以及建筑地震影響系數的具體要求。設計人員需要根據建筑的重要性、功能類別和震害預測來調整這些系數，以確保設計的合理性和安全性。

在實際應用中，設計團隊不僅要考慮這些規范的要求，還要結合當地具體地質、氣候條件和施工現場的實際情況進行綜合考慮。例如，不同地區的地震烈度區劃、土壤類型、地形地貌等因素都會對建筑的抗震設計產生影響。因此，設計人員需要進行詳細的現場調查和分析，以確保設計方案既符合規范要求，又適應當地的實際情況。

3.2 安全與功能性標準

裝配式建筑的抗震設計標準中，安全與功能性是兩個基本且關鍵的原則。安全性原則是至關重要的，它要求在地震作用下，首先要保證人員的生命安全不受威脅。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2016），結構在地震中必須保持整體穩定，不發生垮塌。為了達到這一目標，設計人員可以采取多種設計策略。

第一，增加結構的冗余性是一種有效的設計策略。冗余性是指結構系統在部分受力構件失效后，仍能通過其他路徑傳遞力量，從而避免整體崩潰。在實際設計中，這可以通過在關鍵支撐部位安裝多根支柱來實現。例如，對于框架結構，可以在柱子周圍增設次級柱或臨時支撐，以提高結構在遭受地震作用時的冗余性和魯棒性。第二，使用超出最低標準要求的材料和構件也是一種提升安全性的方法。這意味著選用更高強度等級的混凝土、更高級別的鋼材或其他具有更好抗震性能的新材料。例如，如果規范要求的混凝土強度等級為C30，設計時可以選擇C40 或更高等級的混凝土，以提高結構的承載能力和延展性。同時，對于鋼筋，可以選擇具有較高屈服強度和良好延性的鋼筋，以增強結構的抗震能力。第三，引入耗能結構系統是另一種提高裝配式建筑抗震性能的設計策略。這些系統包括隔震支座、粘滯阻尼器、摩擦阻尼器等，它們能夠在地震作用下吸收和消散能量，有效降低結構對地震能量的響應。隔震支座通過隔離地震波的直接傳遞，減少上部結構受到的力；而粘滯阻尼器則通過內部液體或氣體的粘滯流動來耗散能量。這些裝置的應用可以顯著降低結構在地震中的加速度反應，從而保護建筑和人員的安全。

裝配式建筑的抗震設計必須遵循安全性和功能性標準。通過增加結構冗余性、使用超出最低標準的材料和構件及引入耗能結構系統，可以顯著提高建筑在地震作用下的安全性能，確保人員的生命安全不受威脅，并保持結構的整體穩定性。這些設計策略的有效實施需要依據具體工程條件和地震環境進行詳細分析和計算，以確保設計的合理性和可靠性。

3.3 經濟與可操作性標準

在裝配式建筑的抗震設計中，除了安全性原則外，經濟性與可操作性也是重要的考量因素。設計人員需要在結構系統和施工方法上權衡，確保設計方案既經濟實用又便于施工。

首先，結構系統的選型是影響經濟性和可操作性的關鍵因素。例如，選擇框架結構還是剪力墻結構，會直接影響到材料用量、施工難度及最終成本。框架結構雖然施工較為靈活，但可能需要更多的梁柱連接節點，而剪力墻結構則可能在材料消耗上更為經濟，但對施工精度要求更高。根據一項對比研究，剪力墻結構的單位面積成本可能比框架結構低10%～15%，但具體數據會根據地區、材料價格和勞動力成本有所不同。其次，施工方法的選擇也會對經濟性和可操作性產生影響，預制構件的使用可以減少現場作業時間，提高施工效率，但需要較高的前期投資和精準的制造工藝。例如，采用預制樓板代替現場澆筑樓板，可以縮短工期20%～30%，但預制樓板的單價可能會比傳統樓板高出15%～25%。此外，運輸和吊裝預制構件也需要特殊的設備和技術，這些都需要在成本計算中予以考慮。最后，材料選擇是另一個需要權衡的方面。雖然高強度材料可能提供更好的抗震性能，但其成本相對較高。例如，使用高強度鋼筋（如HRB600）相比普通強度鋼筋（如HRB400），可能使結構成本增加10%～20%。然而，通過精確的結構設計和優化材料利用率，可以在一定程度上減少成本差異。在某些情況下，通過減少構件尺寸和數量來降低材料使用量，可能會抵消因選擇更高強度材料而增加的成本。

在裝配式建筑抗震設計中，經濟性與可操作性是不可或缺的考慮因素。設計人員需要在選擇結構系統、施工方法和材料時進行評估和權衡，確保設計方案既滿足安全性要求，又具有經濟效益和施工便利性。這要求設計人員具備跨學科知識，能夠綜合考慮工程、經濟和管理等多方面的因素，以實現最優設計解決方案。

4 結束語

經過深入研究，文章對裝配式建筑的設計及其抗震設計標準進行了系統探討。研究表明，裝配式建筑由于其預制構件的標準化、模塊化，以及現場快速裝配的特點，在提高建筑效率、節約能源和減少環境污染方面具有顯著優勢。然而，其抗震性能受多種因素影響，包括材料特性、結構設計和連接方式等，因此需要專門針對裝配式建筑制定或調整抗震設計規范。研究強調了進一步制定和完善裝配式建筑抗震設計標準的重要性，并建議相關規范應不斷吸納新的研究成果、材料技術及設計理念，以適應日益增長的建筑市場需求，確保裝配式建筑在面對地震災害時的安全性和可靠性。