裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用與設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)探討

張紅州

摘 要 裝配式建筑因綠色化優(yōu)勢(shì)較為突出，在美國、日本等地得到廣泛應(yīng)用，且形成較為完善、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和有效的產(chǎn)業(yè)鏈。相比之下我國裝配式建筑結(jié)構(gòu)仍然處于推廣階段，探索空間還比較大，有必要在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的研究上多下功夫?；诖?，通過査閱文獻(xiàn)資料，結(jié)合裝配式工程實(shí)例，介紹了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及施工難點(diǎn)，可為類似的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，有利于提高工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 裝配式建筑;混凝土;關(guān)鍵點(diǎn);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

裝配式建筑從結(jié)構(gòu)材料上一般分為：預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系、裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系、裝配式混合結(jié)構(gòu)體系。市場(chǎng)上傳統(tǒng)土建企業(yè)占大多數(shù)，這些企業(yè)一般更愿意發(fā)展混凝土裝配式建筑。本文對(duì)目前住宅建筑中應(yīng)用最多的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

裝配式混凝土建筑的主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成。與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式建筑具有工業(yè)化程度高、混凝土構(gòu)件質(zhì)量更好、現(xiàn)場(chǎng)噪聲小、揚(yáng)塵和建筑垃圾少、現(xiàn)場(chǎng)用工量明顯降低等優(yōu)勢(shì)。順應(yīng)了國家發(fā)展裝配式建筑的政策，正在各地得到發(fā)展和推廣。

1裝配式結(jié)構(gòu)的分類和優(yōu)點(diǎn)分析

1.1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的分類[1]

按結(jié)構(gòu)類型劃分，常用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要分為：裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配整體式框架結(jié)構(gòu)、裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。裝配整體式框架結(jié)構(gòu)具有空間布置靈活、施工速度快等特點(diǎn)，目前主要被應(yīng)用于商業(yè)、辦公樓、廠房等建筑中。但該結(jié)構(gòu)形式也存在一定的缺點(diǎn)，如建筑層數(shù)較多時(shí)，其抗震性能、適用性變差。

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)主要通過裝配式墻體與后澆圈梁或水平后澆帶、疊合板等構(gòu)件構(gòu)成，經(jīng)過科學(xué)的設(shè)計(jì)，通過可靠的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和現(xiàn)場(chǎng)澆筑，形成整體式結(jié)構(gòu)。因剛度大、抗震性能好，具有剪力墻不突出室內(nèi)空間的優(yōu)點(diǎn)，在多、高層住宅建筑中應(yīng)用較多。

裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具備框架結(jié)構(gòu)的空間布置靈活與剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)越的雙重優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在預(yù)制裝配率低，節(jié)點(diǎn)連接部分構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大的缺點(diǎn)。

1.2 裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

在建筑行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)有很多的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）縮短工期，裝配式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)多個(gè)工程按照順序完成施工，減少工程機(jī)械進(jìn)場(chǎng)的數(shù)量，消除工序銜接的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)立體交叉作業(yè)。另外，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)避免了在施工現(xiàn)場(chǎng)的煩瑣施工流程，建筑所用墻、柱、梁、樓梯等構(gòu)件均能的工廠直接完成，大幅加快了施工速度。

（2）節(jié)能環(huán)保，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用裝配式建筑結(jié)構(gòu)大多成品和半成品，不會(huì)產(chǎn)生大量廢鋼絲、廢木材、廢棄混凝土等建筑垃圾。同時(shí)，對(duì)耗材的需求量比較少，降低施工現(xiàn)場(chǎng)的噪聲、粉塵、強(qiáng)光、污水等污染，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

（3）保障工程質(zhì)量和降低工程量，裝配式結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用預(yù)制構(gòu)件，直接由生產(chǎn)廠家加工生產(chǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)制作和拼接時(shí)間，大量減少了工程量。另外，傳統(tǒng)施工中經(jīng)常出現(xiàn)因施工人員素質(zhì)、技術(shù)參差不齊而導(dǎo)致的質(zhì)量、安全問題，而基于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的施工能有效提高工程質(zhì)量，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

2案例設(shè)計(jì)分析

（1）工程概況。某工程為多層住宅，設(shè)置1層地下室，地上6層，層高3.2m，嵌固端位于地下室頂板。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按照二級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類進(jìn)行抗震設(shè)防。該結(jié)構(gòu)處于7度設(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g。擬采用裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，裝配率不低于40%。

（2）設(shè)計(jì)原則。為使裝配后的墻板整體性能等同現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)論，本項(xiàng)目對(duì)預(yù)制剪力墻的選擇采用以下原則：豎向受力相對(duì)較小，承重構(gòu)件豎向應(yīng)上下對(duì)齊無轉(zhuǎn)換。方便現(xiàn)場(chǎng)裝配連接，利于發(fā)揮預(yù)制結(jié)構(gòu)精度高、質(zhì)量好的部位。

（3）設(shè)計(jì)流程。與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作呈現(xiàn)出了流程精細(xì)化、設(shè)計(jì)模數(shù)化、配合一體化、成本精準(zhǔn)化等特點(diǎn)。由于裝配式建筑結(jié)構(gòu)在建設(shè)的前期和設(shè)計(jì)階段均需要水暖電各專業(yè)的參與，本工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以劃分為5個(gè)過程，即前期策劃階段、方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段和深化設(shè)計(jì)階段。裝配式結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)建設(shè)的場(chǎng)地、項(xiàng)目定位、建設(shè)目標(biāo)、成本要求等，制定全面的結(jié)構(gòu)方案。在方案設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)前期確定的技術(shù)措施，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，方案要符合建設(shè)單位對(duì)功能方面的需求，同時(shí)要符合當(dāng)前國內(nèi)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。進(jìn)而整體達(dá)到“少規(guī)格、多組合”的工程建設(shè)的要求，并滿足工程建設(shè)的多中多樣化與個(gè)性化的要求。對(duì)于構(gòu)件的深化加工圖設(shè)計(jì)過程中，要結(jié)合預(yù)制廠家共同完成，保證不同專業(yè)之間能夠協(xié)同作業(yè)。

（4）結(jié)構(gòu)方案及計(jì)算分析。根據(jù)以上原則和流程，考慮裝配效率及成本因素，本工程采用裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。單體預(yù)制裝配率大于40%。±0.00以下地下室采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。內(nèi)外填充墻均采用蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土墻板，采用統(tǒng)一模數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。套型、廚房、衛(wèi)生間開間進(jìn)深尺寸采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)。套型平面規(guī)整，承重墻上下貫通，無結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，形體上沒有過大凹凸變化，符合建筑功能和結(jié)構(gòu)抗震安全要求。構(gòu)件連接采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，符合安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工要求。

通過節(jié)點(diǎn)的可靠連接，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用等同現(xiàn)澆的設(shè)計(jì)分析方法。考慮到預(yù)制剪力墻的接縫對(duì)墻體抗側(cè)剛度有有一定的削弱，應(yīng)對(duì)彈性計(jì)算的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。對(duì)現(xiàn)澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力乘以1.1的增大系數(shù)。本工程在各種設(shè)計(jì)狀況下，裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的連接安全牢固是主要考慮的問題，通過連接節(jié)點(diǎn)合理的構(gòu)造措施，保證其結(jié)構(gòu)性能具有與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)等同的整體性、延性、承載力和耐久性能。

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，在預(yù)制剪力墻轉(zhuǎn)角、縱橫墻交接部位設(shè)置高度250mm的后澆混凝土暗柱。各層墻頂設(shè)置連續(xù)的水平后澆帶，屋面設(shè)置封閉的后澆鋼筋混凝土圈梁。預(yù)制混凝土墻板接縫實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連接，整體計(jì)算可按現(xiàn)澆剪力墻進(jìn)行，并對(duì)接縫的受剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算。按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或小震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間位移角限值控制與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同。在結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算時(shí)，對(duì)于現(xiàn)澆樓蓋和疊合樓蓋，均可假定樓蓋在其自身平面內(nèi)為無限剛性進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。

（5）裝配式剪力墻連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。裝配式剪力墻節(jié)點(diǎn)及接縫處的縱向鋼筋連接形式主要有：機(jī)械連接、套筒灌漿連接、漿錨搭接連接。漿錨搭接連接具有易施工、易檢測(cè)、易后補(bǔ)灌漿等特點(diǎn)。因本工程剪力墻直徑較小，上下層相鄰預(yù)制剪力墻縱筋連接采用約束漿錨搭接連。要求對(duì)預(yù)留孔成孔工藝、孔道形狀和長度、灌漿料和被連接鋼筋等，進(jìn)行力學(xué)性能以及適用性的試驗(yàn)驗(yàn)證。保證接頭承載力滿足設(shè)計(jì)要求[2-3]。

（6）裝配式預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)。本工程裝配式構(gòu)件主要包括剪力墻、疊合梁、樓梯板、陽臺(tái)、凸窗板等混凝土預(yù)制構(gòu)件。地下室為現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，一至六層采用預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)，屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

預(yù)制剪力墻板上預(yù)埋窗框，窗框周邊的縫打膠，避免雨水滲漏，確保門窗洞口的密閉性。預(yù)制剪力墻板生產(chǎn)時(shí)應(yīng)以外側(cè)作為模板面，保證外墻的平整度和感觀效果。

疊合樓板的預(yù)制板厚度為80mm，疊合層厚度為70mm，在疊合層內(nèi)預(yù)埋管線，通過管線綜合設(shè)計(jì)，保證管線布置的合理、經(jīng)濟(jì)和安全可靠。

一層及以上的樓梯采用預(yù)制樓梯梯段，樓梯休息平合和結(jié)構(gòu)梁為現(xiàn)澆混凝土。預(yù)制樓梯踏面采用倒角設(shè)計(jì)，在工廠一次加工成型防滑措施。預(yù)制樓梯用清水混凝土飾面，采取措施加強(qiáng)成品保護(hù)[4]。

工程采用外墻外保溫做法，外墻保溫材料采用40厚復(fù)合發(fā)泡水泥板（燃燒性能A級(jí)）。預(yù)埋窗框的預(yù)制外墻板，其窗洞口與窗框間的密閉性應(yīng)滿足窗的密閉性的相關(guān)要求。

3設(shè)計(jì)體會(huì)

預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)拼接現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，是決定裝配式混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。本項(xiàng)目施工過程中就出現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件精度不夠，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)豎向構(gòu)件鋼筋位置不對(duì)應(yīng)，無法準(zhǔn)確連接?；炷翗?gòu)件重量大，導(dǎo)致施工安裝難度偏大。預(yù)制墻板安裝時(shí)分倉、塞縫或坐漿要求不明等問題。

在較高的裝配率時(shí)，裝配式混凝土造價(jià)偏高，甚至高于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。在保證節(jié)點(diǎn)安全的同時(shí)，如何提高節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量、施工效率和降低成本是需要進(jìn)一步詳細(xì)的研究。

4展望

鋼結(jié)構(gòu)建筑體系結(jié)構(gòu)本身就屬于裝配式體系。相比混凝土建筑，裝配式鋼結(jié)構(gòu)用工量少，建造效率高，施工中節(jié)水、節(jié)電、節(jié)材、節(jié)地等方面優(yōu)勢(shì)明顯;鋼結(jié)構(gòu)體系延性好，結(jié)構(gòu)自重小，更利于抗震。近年來，發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑政策密集出臺(tái)，在住宅中采用鋼結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)裝配化，已經(jīng)是建筑業(yè)界的共識(shí)[5]。

參考文獻(xiàn)

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[3] 李志武，宋佳，白聰敏，等.高層裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位預(yù)制設(shè)計(jì)方案研究[J].施工技術(shù)，2020，49（8）：31-35.

[4] 鐘微.裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件安裝及質(zhì)量控制[J].廣東土木與建筑，2018，25（7）：83-85，94.

[5] 郝際平，薛強(qiáng)，郭亮，等.裝配式多、高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系研究與進(jìn)展[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2020，（19）：27-34.