淺談裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

張曉娜 孟祥龍

1.沈陽(yáng)玖弘建筑科技有限公司；2.沈陽(yáng)燃?xì)庥邢薰?/p>

1 引言

我國(guó)裝配式建筑的發(fā)展還處于初期階段，裝配式混凝土建筑包括設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)在內(nèi)的各環(huán)節(jié)的專業(yè)人員尚比較稀缺，大部分設(shè)計(jì)人員裝配式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還比較欠缺，裝配式設(shè)計(jì)能力還比較薄弱，規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系也在逐步完善中，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方面還存在一些問(wèn)題，需要不斷改進(jìn)及優(yōu)化。

2 裝配式建筑概述

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義，裝配式建筑是“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部件集成的建筑”。這個(gè)定義強(qiáng)調(diào)的是整體的概念，強(qiáng)調(diào)四個(gè)系統(tǒng)的預(yù)制集成缺一不可。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)四個(gè)系統(tǒng)的預(yù)制集成，而不僅僅是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預(yù)制裝配，主要基于“補(bǔ)課”原因：目前中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)低，適宜性、舒適度和耐久性差，交付毛坯房，管線埋設(shè)在混凝土中，天棚無(wú)吊頂，地面不架空，排水不同層等強(qiáng)調(diào)四個(gè)系統(tǒng)集成，有助于建筑標(biāo)準(zhǔn)。裝配式建筑按結(jié)構(gòu)材料不同可以分為：裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑、裝配式組合結(jié)構(gòu)建筑。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系包括框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。其中框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要是柱和梁，所以又統(tǒng)稱為柱梁結(jié)構(gòu)。裝配式建筑的基本特征也是很多工業(yè)產(chǎn)品的基本特征，即標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用。

3 裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)

3.1 提升建筑品質(zhì)

裝配式建筑要求設(shè)計(jì)必須精細(xì)化，設(shè)計(jì)的各專業(yè)以及裝配式建筑的各環(huán)節(jié)必須全過(guò)程協(xié)同，由此會(huì)提高設(shè)計(jì)建筑品質(zhì)；采用工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件精度和質(zhì)量更高，誤差以毫米計(jì)，預(yù)制構(gòu)件的高精度還可以帶動(dòng)施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆混凝土的精度；建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾集成化、一體化，會(huì)大量減少質(zhì)量隱患；工廠化生產(chǎn)更有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化；集成部品部件、同層排水、管線分離、大跨度、大開(kāi)間等技術(shù)的應(yīng)用會(huì)提高建筑質(zhì)量、增加舒適度，延長(zhǎng)建筑物使用壽命。

3.2 提高效率

預(yù)制構(gòu)件制作可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化，大幅度提高生產(chǎn)效率；裝配式建筑使一些高處和高空作業(yè)轉(zhuǎn)移到車間進(jìn)行，同時(shí)不受冬雨期影響，即使沒(méi)有搞自動(dòng)化，生產(chǎn)效率也會(huì)提高；施工安裝采用了更多的專業(yè)化施工設(shè)備和工具，施工效率大幅提高。

3.3 節(jié)約材料

裝配式建筑可以實(shí)現(xiàn)免抹灰、免支撐、免外架，從而減少材料消耗；集約化、模塊化裝修與交付毛坯房由住戶裝修相比會(huì)節(jié)約大量裝修材料；工廠化生產(chǎn)利于鋼筋邊角余料、混凝土剩余殘料及廢舊模具的回收再利用。裝配式建筑可節(jié)省材料20%以上。

3.4 節(jié)能減排環(huán)保

裝配式建筑可節(jié)約原材料，自然會(huì)降低能源消耗，減少碳排放量；裝配式建筑大幅度減少工地建筑垃圾，最多可減少80%；減少工地澆筑混凝土振搗作業(yè)，減少模板和砌塊和鋼筋切割作業(yè)，減少現(xiàn)場(chǎng)支拆模板，由此會(huì)減輕施工噪聲污染。

3.5 改善勞動(dòng)條件

裝配式施工現(xiàn)場(chǎng)比傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要好，工廠生產(chǎn)環(huán)境比施工現(xiàn)場(chǎng)更好，也有利于作業(yè)安全；工人分工更細(xì)、更專業(yè)，作業(yè)強(qiáng)度也相對(duì)較小，利于提高工人素質(zhì)，使農(nóng)民工向產(chǎn)業(yè)工人轉(zhuǎn)變。

3.6 縮短工期

裝配式建筑要求前期決策和設(shè)計(jì)更加精細(xì)，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工安裝、管線設(shè)備和裝修環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的問(wèn)題都可前置解決，避免了調(diào)整和返工現(xiàn)象，同時(shí)與現(xiàn)澆建筑相比還減少一些工序和環(huán)節(jié)，施工安裝效率更高，由于干作業(yè)較多，內(nèi)裝修可緊隨主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，總工期可以大大縮短。

4 裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)原則

PC 建筑設(shè)計(jì)應(yīng)遵循統(tǒng)籌、集成、模數(shù)化、試驗(yàn)、一張圖等原則，并盡可能遵循少規(guī)格多組合原則、全鏈條信息化原則。下面分別介紹。

4.1 統(tǒng)籌原則

由于PC建筑受到部品部件制作條件、運(yùn)輸條件和施工安裝條件的制約，PC設(shè)計(jì)也必須將制作與安裝環(huán)節(jié)的荷載、構(gòu)造、預(yù)埋件要求考慮進(jìn)去，所以，PC 建筑設(shè)計(jì)不同于普通現(xiàn)澆混凝土建筑設(shè)計(jì)，必須與制作、運(yùn)輸和安裝各個(gè)環(huán)節(jié)互動(dòng)，進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)。例如，PC 構(gòu)件有一些制作和施工需要的預(yù)埋件，包括脫模、翻轉(zhuǎn)、安裝、臨時(shí)支撐、調(diào)節(jié)安裝高度、后澆筑模板固定、安全護(hù)欄固定等預(yù)埋件，這些預(yù)埋件設(shè)置在什么位置合適，如何錨固，會(huì)不會(huì)與鋼筋、套筒、箍筋太近影響混凝土澆筑，會(huì)不會(huì)因位置不當(dāng)導(dǎo)致構(gòu)件裂縫，如何防止預(yù)埋件應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫等，設(shè)計(jì)師只有與制作廠家和施工單位技術(shù)人員互動(dòng)才能給出安全可靠的設(shè)計(jì)。

4.2 集成原則

裝配式建筑設(shè)計(jì)的集成原則包括兩個(gè)含義：

一是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)盡可能地實(shí)現(xiàn)集成化，采用工廠化生產(chǎn)的部品部件，以實(shí)現(xiàn)裝配式的目標(biāo)。如PC 構(gòu)件、夾心保溫墻板、整體浴室、整體廚房、整體收納柜、單元式組合機(jī)電箱柜等。二是各個(gè)系統(tǒng)要盡可能地集成，實(shí)現(xiàn)一體化；或者系統(tǒng)間銜接便利化。如結(jié)構(gòu)、門(mén)窗、保溫一體化的剪力墻外墻板、布置了內(nèi)裝系統(tǒng)需要的各種預(yù)埋件的PC構(gòu)件、埋設(shè)了機(jī)電管線或防雷引下線的PC構(gòu)件等。由于各個(gè)專業(yè)關(guān)于預(yù)埋件或埋設(shè)物的要求都要匯集到PC構(gòu)件上，不能像現(xiàn)澆混凝土建筑那樣在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)安置，PC建筑設(shè)計(jì)的集成是非常重要的，一旦遺漏就會(huì)出大問(wèn)題。比如拆分設(shè)計(jì)，建筑師要考慮建筑立面的藝術(shù)效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要考慮結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，為此需要建筑師與結(jié)構(gòu)工程師互動(dòng)。再比如，PC建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化，內(nèi)部裝飾也應(yīng)當(dāng)集成化，為此，需要建筑師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和裝飾設(shè)計(jì)師密切合作。再比如，避雷帶需要埋設(shè)在預(yù)制構(gòu)件中，需要建筑、結(jié)構(gòu)和防雷設(shè)計(jì)師銜接?？傊?，水、暖、電、通、設(shè)備、裝飾各個(gè)專業(yè)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的要求都要通過(guò)建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師匯總集成。

4.3 模數(shù)化原則

模數(shù)化原則是通用化標(biāo)準(zhǔn)化的前提，是構(gòu)件制作實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，構(gòu)件安裝實(shí)現(xiàn)便利化的前提，是發(fā)揮裝配式建筑工業(yè)化優(yōu)勢(shì)、降低成本的基本條件，在設(shè)計(jì)中必須貫徹。

4.4 試驗(yàn)原則

PC建筑在中國(guó)剛剛興起，經(jīng)驗(yàn)不多。國(guó)外PC建筑的經(jīng)驗(yàn)主要是框架、框-剪和筒體結(jié)構(gòu)，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)很少；裝配式建筑的一些配件和配套材料目前國(guó)內(nèi)也處于剛剛開(kāi)發(fā)階段。由此，試驗(yàn)尤為重要。設(shè)計(jì)在采用新技術(shù)選用新材料時(shí)，涉及結(jié)構(gòu)連接等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)基于試驗(yàn)獲得可靠數(shù)據(jù)。例如保溫夾心板內(nèi)外葉墻板的拉結(jié)件，既有強(qiáng)度、剛度要求，又要減少熱橋，還要防火和耐久，這些都需要試驗(yàn)驗(yàn)證。有的國(guó)產(chǎn)拉結(jié)件采用與塑料鋼筋一樣的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂制成，但塑料鋼筋用的不是耐堿玻璃纖維，埋置在水泥基材料中耐久性得不到保障，目前國(guó)外只用于臨時(shí)工程。將其用于混凝土夾心板中是不安全的。

4.5 一張圖原則

PC建筑多了構(gòu)件制作圖環(huán)節(jié)，與目前工程圖的表達(dá)習(xí)慣有很大的不同。PC 構(gòu)件制作圖應(yīng)當(dāng)表達(dá)所有專業(yè)所有環(huán)節(jié)對(duì)構(gòu)件的要求，包括外形、尺寸、配筋、結(jié)構(gòu)連接、各專業(yè)預(yù)埋件、預(yù)埋物和孔洞、制作施工環(huán)節(jié)的預(yù)埋件等，都清清楚楚地表達(dá)在一張或一組圖上，不用制作和施工技術(shù)人員自己去查找各專業(yè)圖紙，也不能讓工廠人員自己去標(biāo)準(zhǔn)圖集上找大樣圖。一張（組）圖原則不僅會(huì)給工廠技術(shù)人員帶來(lái)便利，最主要的是會(huì)避免或減少出錯(cuò)、遺漏和各專業(yè)的“撞車”。

4.6 少規(guī)格、多組合原則

裝配式建筑的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都提出了“裝配式建筑設(shè)計(jì)應(yīng)遵循少規(guī)格、多組合的原則”。這個(gè)原則對(duì)一部分部品部件適用，但無(wú)法覆蓋裝配式建筑全部部品部件，包括主要部品部件。以PC 外墻掛板或剪力墻外墻板為例，一般為整間板，不同的建筑不同的開(kāi)間不同的門(mén)窗布置有不同的規(guī)格，無(wú)法像ALC板那樣實(shí)現(xiàn)少規(guī)格、多組合。主要的PC構(gòu)件梁、柱、墻板等也都是如此。所以，對(duì)此原則的貫徹筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)靈活一些。

4.7 全鏈條信息化原則

裝配式建筑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求裝配式建筑宜運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行全鏈條信息給管理，并把運(yùn)用BIM 作為裝配式建筑5 個(gè)特點(diǎn)之一。裝配式建筑全鏈條信息模型的建立應(yīng)當(dāng)從設(shè)計(jì)開(kāi)始，但這不是設(shè)計(jì)部門(mén)所能決策的，運(yùn)用BIM需要花錢(qián)，只有建設(shè)方才能決策。所以，從設(shè)計(jì)角度，一方面盡可能說(shuō)服甲方運(yùn)用BIM，一方面要會(huì)用和用好BIM，在設(shè)計(jì)中更好地實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌和集成，減少錯(cuò)漏碰缺，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并為制作、運(yùn)輸、施工精細(xì)化可視化數(shù)據(jù)化管理奠定基礎(chǔ)。

5 裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前階段，由于部分裝配式混凝土建筑設(shè)計(jì)人員水平不高、經(jīng)驗(yàn)不足，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保守及覆蓋不夠等原因，有些裝配式混凝土項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成果還不夠完善和理想，甚至出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、設(shè)計(jì)遺漏，導(dǎo)致項(xiàng)目成本增量過(guò)大、工期延長(zhǎng)、生產(chǎn)制作和施工安裝難度加大等，這些設(shè)計(jì)問(wèn)題亟待完善和優(yōu)化，本文對(duì)部分應(yīng)優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行闡述和分析。

5.1 剪力墻設(shè)計(jì)方案優(yōu)化要點(diǎn)

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)在進(jìn)行剪力墻布置時(shí)，除了遵循傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，還應(yīng)考慮預(yù)制裝配的特點(diǎn)，確定合理的布置原則，并進(jìn)行形狀控制，以方便制作與施工。

（1）剪力墻布置原則。①應(yīng)遵循少規(guī)格、多組合的原則。②承重墻、柱等豎向構(gòu)件宜上下連續(xù)。③門(mén)窗洞口宜上下對(duì)齊，成列布置。④宜大跨度大開(kāi)間布置。⑤不宜采用轉(zhuǎn)角窗布置等。

（2）剪力墻布置形狀控制。①高層剪力墻結(jié)構(gòu)，邊緣構(gòu)件目前多采用現(xiàn)澆，宜布置成L形、T形等，這樣可以使得墻身部分相對(duì)完整，有利于墻身拆分預(yù)制；避免在L形、T形等剪力墻中再加翼緣，導(dǎo)致墻身被拆成零碎的小段墻肢。②剪力墻布置時(shí)，需要對(duì)所預(yù)制剪力墻板進(jìn)行尺寸標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整，使得所預(yù)制的剪力墻板尺寸盡可能統(tǒng)一，減少預(yù)制剪力墻板的規(guī)格，提高模具重復(fù)使用率。③當(dāng)考慮采用填充墻預(yù)制時(shí)，外圍周邊的剪力墻在窗洞和門(mén)洞邊需考慮退讓，留設(shè)不小于200mm的填充墻垛，這樣可以采用立面為口字形和門(mén)字形預(yù)制外墻，避免剪力墻暗柱預(yù)制。

5.2 優(yōu)化裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

在我國(guó)，剪力墻結(jié)構(gòu)是住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)國(guó)家大力推行裝配式建筑時(shí)，裝配式經(jīng)驗(yàn)不多、技術(shù)不成熟的剪力墻結(jié)構(gòu)也倉(cāng)促上馬，開(kāi)始大規(guī)模搞起裝配式。但剪力墻結(jié)構(gòu)采用裝配式，就目前的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范規(guī)定而言，很難達(dá)到實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的初衷，效率難提高、工期難縮短，成本卻增加不少。在主體結(jié)構(gòu)與管線分離的趨勢(shì)下，應(yīng)打破凡住宅必為剪力墻結(jié)構(gòu)的心理定式。國(guó)外高層、超高層裝配式混凝土建筑應(yīng)用較多的是含有大空間柱梁體系的多種結(jié)構(gòu)形式，我國(guó)規(guī)范中的裝配式框架—現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和裝配式框架—現(xiàn)澆核心筒結(jié)構(gòu)也屬于此類。在此類結(jié)構(gòu)體系下，可將剪力墻體僅布置在交通核、設(shè)備管井、分戶墻等有限區(qū)域，戶內(nèi)空間則置于預(yù)制框架范圍內(nèi)，業(yè)主可以用輕質(zhì)隔墻進(jìn)行功能空間劃分和改造。外圍護(hù)墻體通過(guò)外掛或梁柱圍合與外框架相連，因?yàn)椴皇浅兄貕w，外墻立面可以更豐富靈活。至于框架部分梁柱凸出的不利因素則在提倡管線分離的趨勢(shì)下會(huì)得到弱化。傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)省空間的前提是建立在管線預(yù)埋在受力墻體內(nèi)的，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)施管線分離，其實(shí)還需要用龍骨和外掛裝飾板材將墻體架空，無(wú)疑增加了板厚，占用了空間。相比而言，框架內(nèi)可采用各類輕質(zhì)隔墻，將管線布置在隔墻內(nèi)。不僅如此，結(jié)構(gòu)梁柱也會(huì)在全裝修處理下得到很好的遮蔽。更為最重要的是，從裝配式設(shè)計(jì)和建造出發(fā)，大開(kāi)間下的梁、柱、板（跨度較大時(shí)可采用預(yù)應(yīng)力板）有助于拋開(kāi)戶型的限制，最大限度地減小預(yù)制構(gòu)件種類和模具數(shù)量，有助于提高效率、降低成本、縮短工期。

5.3 次梁布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)次梁布置方案，一般比較自由，約束條件少，主要根據(jù)跨度、所托內(nèi)隔墻位置按需要進(jìn)行布置，但是在預(yù)制裝配時(shí)，需要考慮適合裝配安裝的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)次梁布置方案直接決定了預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、連接接頭的數(shù)量、施工安裝的難易程度，對(duì)生產(chǎn)安裝效率以及預(yù)制構(gòu)件成本都有較大的影響。

次梁布置比較適合采用單向雙次梁、單向單次梁方案；而雙向十字梁和雙向井字梁則要盡可能避免采用。當(dāng)采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力板方案時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)跨還可以做到無(wú)此梁方案設(shè)計(jì)，構(gòu)件數(shù)量可以大幅度減少，成本優(yōu)勢(shì)也較為明顯。

5.4 簡(jiǎn)化低設(shè)防烈度區(qū)或低層建筑的連接形式

我國(guó)裝配式混凝土建筑采用的都是整體裝配式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接均采用套筒灌漿和后澆混凝土等濕連接方式，尤其是剪力墻結(jié)構(gòu)體系的連接，大多是線連接、面連接，且點(diǎn)多面廣，對(duì)施工成本和效率影響較大，因此研發(fā)新型的、便捷的可靠連接方式勢(shì)在必行。GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.8.5條規(guī)定，多層裝配式墻板結(jié)構(gòu)縱橫墻板交接處及樓層內(nèi)相鄰承重墻板之間可采用水平鋼筋環(huán)錨灌漿連接，這極大簡(jiǎn)化了連接形式。低設(shè)防烈度區(qū)或低層建筑的地震作用較小，應(yīng)和高層建筑有所區(qū)別，期望規(guī)范按照上述思路，探索諸如干法連接、干濕混合連接等更多的簡(jiǎn)便連接方式。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷加劇，人類對(duì)于自身的居住環(huán)境的要求也在不斷提高，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)于資源的浪費(fèi)使得自然資源消耗越來(lái)越大，并且由此引發(fā)的環(huán)境破壞、能源枯竭等問(wèn)題也在成為人類社會(huì)發(fā)展的難題。而裝配式建筑以其品質(zhì)高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到應(yīng)用推廣，雖然我國(guó)裝配式建筑還處在起步階段，但是相信經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)人員的不懈努力，我國(guó)裝配式混凝土建筑的設(shè)計(jì)水平和成果質(zhì)量會(huì)不斷提升，也將推動(dòng)我國(guó)裝配式建筑快速健康發(fā)展。