預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)研究

劉鍵

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

在綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，世界各國對(duì)預(yù)制裝配式建筑的重視程度不斷提高，裝配式建筑是指利用現(xiàn)代工業(yè)手段將工廠加工制成的建筑用構(gòu)件和配件運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，通過可靠連接方式裝配完成的建筑物，具有施工效率快、綠色環(huán)保和質(zhì)量高等特點(diǎn)。上海市政府部門為推廣預(yù)制裝配式建筑，于2013年制訂了《關(guān)于本市進(jìn)一步推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展若干意見》，意見中指出上海市及轄區(qū)，裝配式住宅的落實(shí)面積應(yīng)超過20%，且要保持不斷增長。李克強(qiáng)總理在人大會(huì)議上要求我國建筑行業(yè)大力發(fā)展預(yù)制裝配式建筑，確保建筑工程的質(zhì)量。因此對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，其意義十分重大。

1 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

（1）有利于勞動(dòng)生產(chǎn)效率的提高。與傳統(tǒng)建筑施工方式相比，預(yù)制裝配式建筑施工具有機(jī)械化生產(chǎn)和裝配的優(yōu)勢(shì)，能夠縮短30%左右的施工周期，可以減輕勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和壓力。

（2）建筑工程標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量的提升。預(yù)制裝配式建筑的構(gòu)件的生產(chǎn)方式主要是工廠化生產(chǎn)，故建筑各項(xiàng)性能指標(biāo)均有顯著提升，以裝修混凝土飾面和墻板為例，預(yù)制的部件強(qiáng)度是人工作業(yè)的9倍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)墻體裂縫、滲漏等常見問題的規(guī)避。

（3）綠色環(huán)保。預(yù)制裝配式建筑所采用的技術(shù)為現(xiàn)代制造技術(shù)，在資源和能源節(jié)約方面，具有良好的效果，在查閱統(tǒng)計(jì)資料后得知，相較于傳統(tǒng)建筑方式，預(yù)制裝配式建筑作業(yè)，可以節(jié)省各項(xiàng)資源，主要包括50%的水、60%的抹灰砂漿、80%的節(jié)約木模板，同時(shí)，還能減少施工對(duì)環(huán)境的污染和破壞[1]。總之，預(yù)制裝配率越高，節(jié)省的能源比例越大。預(yù)制裝配式施工如圖1所示。

（4）各產(chǎn)業(yè)鏈條高度融合。預(yù)制裝配式建筑屬于集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和管理于一身的產(chǎn)物，其特征可以用技術(shù)遷移和管理前置來概括，需要將設(shè)計(jì)作為導(dǎo)向，并實(shí)施工程總承包和技術(shù)咨詢制度。因此，對(duì)技術(shù)和管理融合提出十分嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)施工階段，要求與部品部件生產(chǎn)能力、采購產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)、運(yùn)輸條件和施工安裝條件相結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上制定并落實(shí)規(guī)劃。總而言之，預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展，需要各產(chǎn)業(yè)鏈條高度融合和協(xié)同發(fā)展。

圖1 預(yù)制裝配式建筑施工

（5）對(duì)從業(yè)人員素質(zhì)要求顯著上升。伴隨著社會(huì)生產(chǎn)水平的提高，集成集約、綠色創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)高效逐漸成為建筑建造方式未來發(fā)展的趨勢(shì)，但與此同時(shí)，卻對(duì)從業(yè)人員素質(zhì)提出更高的要求。要求其具備創(chuàng)新能力，專業(yè)協(xié)同能力和先進(jìn)工具使用能力。簡言之，傳統(tǒng)的農(nóng)民工隊(duì)伍，必須在當(dāng)前背景下轉(zhuǎn)型成為現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)工人[2]。

目前，民用建筑應(yīng)用最多的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)有以下幾種：

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)，以剪力墻為代表的豎向承重構(gòu)件采用預(yù)制方式，水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用疊合梁、疊合樓板形式，且針對(duì)內(nèi)隔墻樓梯等均采用預(yù)制混凝土構(gòu)件。

（2）框架結(jié)構(gòu)，是由預(yù)制梁、預(yù)制柱組成的框架結(jié)構(gòu)，用于承受房屋全部荷載，并以框架作為承重結(jié)構(gòu)，常采用預(yù)制柱、現(xiàn)澆梁或柱梁預(yù)制接頭現(xiàn)澆的施工方法。

（3）內(nèi)澆外掛式框架，這種結(jié)構(gòu)體系就是在框架梁上安裝外掛裝飾板，實(shí)現(xiàn)外墻和保溫系統(tǒng)的集成，目前在住宅建筑中較為常見。

（4）內(nèi)澆外掛式剪力墻，內(nèi)墻采用混凝土澆筑大模板，在墻體內(nèi)配置鋼筋網(wǎng)架；外墻掛預(yù)制混凝土復(fù)合樓板，配合構(gòu)造柱和圈梁。

（5）鋼結(jié)構(gòu)體系，采用熱軋、焊接或格構(gòu)式型鋼作為受力構(gòu)件，采用螺栓連接或焊接方式形成結(jié)構(gòu)骨架，選取鋼筋混凝土疊合樓面板作為底板，通過現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土形成鋼結(jié)構(gòu)。

2 預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)制裝配式建筑是建筑施工方式未來發(fā)展的趨勢(shì)，可以推動(dòng)建筑工業(yè)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)過程中，建筑企業(yè)需將工業(yè)化生產(chǎn)理念作為關(guān)注點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)其進(jìn)行體現(xiàn)，確保預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相符。如果實(shí)際設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在差距，需及時(shí)予以調(diào)整。在制作標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，還要基于標(biāo)準(zhǔn)化的模型，提高構(gòu)件制造效率。如果構(gòu)件要求較為特殊，需要在遵循設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下進(jìn)行創(chuàng)新，以增強(qiáng)預(yù)制裝配式建筑的適用性。

通過上文分析可知，預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)，但這種建筑結(jié)構(gòu)卻很難在高層建筑中適用，故相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)匱乏。因此，建筑施工企業(yè)應(yīng)加大技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)力度，在標(biāo)準(zhǔn)化的框架內(nèi)，探索適用于高層建筑的結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)方法，以推動(dòng)預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

2.2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)制構(gòu)件是預(yù)制裝配式建筑的重要組成部分。在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，需要把模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行貫徹落實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件類型的有效控制，這是確保構(gòu)件精度和標(biāo)準(zhǔn)度的有效措施。構(gòu)件類型的減少，有利于控制工程造價(jià)。比如：預(yù)制裝配式建筑存在異形、降板以及開洞等部位，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致這些部位成為質(zhì)量隱患，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮這些施工部位的注意要點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上選擇合適的施工方式，針對(duì)這些部位，選擇現(xiàn)澆施工方式最為合理，在施工方式確定后，還需對(duì)工廠的構(gòu)件加工和運(yùn)輸能力進(jìn)行考慮，確保工廠所生產(chǎn)的構(gòu)件，其耐火性和耐久性與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符。如果預(yù)制構(gòu)件尺寸較大，需要使構(gòu)件脫模和預(yù)埋吊點(diǎn)的數(shù)量增加，并基于所在地區(qū)的隔熱保溫規(guī)定，完成預(yù)制外墻板的設(shè)計(jì)，通過這種方式的應(yīng)用，增強(qiáng)建筑的通風(fēng)散熱能力。在設(shè)計(jì)非承重內(nèi)墻時(shí)，必須選擇合適的隔墻板，所選隔墻板應(yīng)具有良好的隔聲性能、重量輕和安裝難度低。此外，還要考慮非承重墻的使用功能，對(duì)建筑空間進(jìn)行合理的規(guī)劃，以保證主體結(jié)構(gòu)和非承重墻板之間的連接質(zhì)量，預(yù)制混凝土構(gòu)件如圖2所示。

圖2 預(yù)制混凝土構(gòu)件

2.3 連接性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在預(yù)制裝配式建筑之中，套筒灌漿是最常用的連接方式，這種技術(shù)方法的應(yīng)用，可以確保鋼筋連接的牢固性，值得注意的是，鋼筋接頭需要與裝配式建筑設(shè)計(jì)要求相吻合。以剪力墻為例，在進(jìn)行鋼筋接頭部位的設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保鋼筋套管的箍筋保護(hù)層厚度不小于2cm，且套管之間的距離不小于2.5cm。預(yù)制梁體和后澆混凝土需要采取疊合的方式進(jìn)行施工，在結(jié)合面形成后，粗糙處理方能落實(shí)。此外，還要對(duì)預(yù)制梁體預(yù)制面進(jìn)行粗糙處理，同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定鍵槽數(shù)量和尺寸。最后在進(jìn)行預(yù)制剪力墻的設(shè)計(jì)時(shí)，需要在墻體頂部和底部設(shè)計(jì)粗糙面[3]。

2.4 整體構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

單向板是預(yù)制裝配式建筑疊合板的主要形式，在制作單向板時(shí)，應(yīng)該將開洞位置在地板上提前留出，并控制其與桁架鋼筋間的距離。如果開洞的寬度大于300mm，鋼筋不能直接穿過洞口。如果洞口寬度超過300mm，且不超過1000mm，需要將附加鋼筋設(shè)置到洞口附近，且控制其數(shù)量，簡言之，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段，必須遵循先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，考慮預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)出現(xiàn)的質(zhì)量隱患，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象的有效控制。以立面樓層為例，針對(duì)此類建筑，設(shè)計(jì)人員需要在剪力墻位置確定后，合理設(shè)計(jì)密封后澆鋼筋和混凝土圈梁，確?；炷寥α骸B合樓以及房屋建筑成為一個(gè)整體。

2.5 結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)要點(diǎn)

外部環(huán)境因素對(duì)建筑質(zhì)量的影響，會(huì)隨著建筑使用時(shí)間的延長而增加，質(zhì)量問題一旦出現(xiàn)，就會(huì)威脅房屋建筑的安全。因此，在預(yù)制裝配式建筑設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的混凝土材料尤為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到建筑工程所在地區(qū)的實(shí)際情況，選擇防水能力和耐久性強(qiáng)的混凝土材料。在材料選擇完成后，還要做好外墻和樓板的防水設(shè)計(jì)，究其原因，主要是這些預(yù)制構(gòu)件需要與外界環(huán)境直接接觸，容易在雨水的侵蝕下出現(xiàn)質(zhì)量問題。

3 結(jié)論

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展備受關(guān)注，與傳統(tǒng)建筑相比，這種建筑具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，主要包括施工效率高、質(zhì)量好和成本低，故具有推廣的價(jià)值。在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的掌握，并在此基礎(chǔ)上，做好構(gòu)件、連接性、整體構(gòu)造以及防水設(shè)計(jì)等工作。