裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

呂濤

（太原市聚川建筑設(shè)計事務(wù)所，山西 太原 030000）

0 引言

伴隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的水泥澆筑形式逐漸朝著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。不僅如此，在先進科學(xué)技術(shù)的大力推動下，在傳統(tǒng)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)之上，又出現(xiàn)了基于BIM的新型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，更好的滿足了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)“一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化”等設(shè)計需求。為了推動建筑行業(yè)的健康發(fā)展，有必要針對兩種裝配式混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行系統(tǒng)化研究。

1 傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1.1 結(jié)構(gòu)整體分析

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ1—2014）》的相關(guān)要求，在絕大多數(shù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，都可采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法對其進行結(jié)構(gòu)分析。但是，如果在同一樓層當(dāng)中既有預(yù)制部分又有現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件，則有必要在地震設(shè)計狀況下，對現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件的彎矩和剪力進行適當(dāng)?shù)姆糯?。在實際工程中，我們常取1.1的放大系數(shù)。也就是說，當(dāng)鋼筋采取可靠的連接方式，新舊混凝土采取粗糙面、鍵槽等可靠措施保證連接成整體時，裝配整體式結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)是完全相同的。但實際施工中，由于各種原因不一定能達到理想的效果，我們在設(shè)計中需要考慮由于連接等構(gòu)造帶來的不利影響?！兑?guī)范》對于裝配式結(jié)構(gòu)最大使用高度在豎向構(gòu)件采用裝配時（50%、80%以上時）有所降低，以及現(xiàn)澆抗側(cè)力構(gòu)件地震力放大，抗震等級要求更高，都是考慮到這方面的影響?？傊Y(jié)構(gòu)整體計算分析，仍以常規(guī)結(jié)構(gòu)模型進行分析，計算結(jié)果也仍以《抗震規(guī)范》《混凝土規(guī)范》《高規(guī)》等規(guī)范進行控制，只是一些抗震構(gòu)造的要求適當(dāng)提高。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計

在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計之前，需要設(shè)計人員事先針對預(yù)制柱、疊合梁及鋼筋桁架疊合樓板等構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行計算與分析，之后再依據(jù)分析結(jié)果展開相關(guān)設(shè)計。例如在設(shè)計疊合板時，分別對單向板和雙向板進行對比分析，測算經(jīng)濟合理性。又或采用多種幾何參數(shù)和優(yōu)化鋼筋的配置，以得到最合理的設(shè)計方案。

1.3 預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計

在進行預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計的過程中，需要在滿足施工要求的同時，最大限度體現(xiàn)建筑設(shè)計的使用功能。在設(shè)計裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)時，拆分方案一般有兩種，邊緣構(gòu)件全部現(xiàn)澆，非邊緣構(gòu)件預(yù)制和邊緣構(gòu)件部分現(xiàn)澆，水平鋼筋環(huán)插筋連接。無論哪種拆分方式都存在一些問題。比如邊緣構(gòu)件箍筋承擔(dān)水平剪力，使預(yù)制墻板變成了豎向傳力構(gòu)件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體傳力途徑不清晰；墻體鋼筋在樓層處有一半采用灌漿套筒連接，另一半不直接連接，導(dǎo)致此處抗剪差，墻體層與層連接削弱。目前豎向構(gòu)件設(shè)計中我們還是采取邊緣構(gòu)件現(xiàn)澆，一字型墻體預(yù)制（適當(dāng)比例）這種方式，今后會繼續(xù)進行更多深化設(shè)計，在安全可靠的前提下，以提高豎向構(gòu)件裝配率。

1.4 構(gòu)件的連接節(jié)點設(shè)計

從某種意義上看，裝配式結(jié)構(gòu)是通過各個節(jié)點之間的相互連接而實現(xiàn)的，而且不同的配式結(jié)構(gòu)，同時時存在多種連接方式供設(shè)計人員選擇。比如在高效化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、全裝配式結(jié)構(gòu)體系、連接節(jié)點設(shè)計都是比較常用的設(shè)計手法；除此之外，還可以根據(jù)施工需要，采用地上裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方法；通過榫接連接方式或者張拉法連接方式，同樣可以保證裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點受力的可靠性[1]。在實際設(shè)計的過程中，設(shè)計人員可以在預(yù)制柱連接、疊合梁與預(yù)制柱連接、樓板與柱的連接等多種方法當(dāng)中進行合理選擇，還可以采用多種方法相結(jié)合的方式滿足裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

1.5 有限元分析設(shè)計

在有限元分析設(shè)計中，需要先將彈性連續(xù)體離散成多個有限個單元，之后再采用角點鉸接的方式進行組合。在這個離散與組合的過程中，設(shè)計人員可以對每個單元體受力與變形關(guān)系進行科學(xué)化分析，使連接件個數(shù)和間距得到優(yōu)化調(diào)整，力爭在各個單元重組之后，使樓層受力情況得到最大限度的改善，更好的滿足建筑設(shè)計要求。在進行有限元設(shè)計時，設(shè)計人員可以使用ANSYS軟件獲取到各個節(jié)點的極限承載力，借助這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)對構(gòu)件節(jié)點受力特征的全面認知，以此來保證設(shè)計方案的科學(xué)合理性；還可以采用非線性有限元分析軟件對各個有限元進行更加深入透徹的分析，使單元劃分、本構(gòu)模型選取以及邊界條件得到更加科學(xué)合理的設(shè)置[2]；通過使用有限元軟件ABAQUS，可以在不同受力條件下，支裝配式連接節(jié)點以及現(xiàn)澆節(jié)點的應(yīng)力和位移情況進行精準(zhǔn)分析。但是，這也在某種程度上說明了在裝配式混凝土節(jié)點連接的抗疲勞性方面還有待提升。

2 基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

2.1 裝配式參數(shù)化設(shè)計方法

經(jīng)過以往的設(shè)計實踐表明，使用裝配式參數(shù)化設(shè)計方法，可以使建筑實現(xiàn)從單元到整體的優(yōu)化與完善，更好的滿足建筑、結(jié)構(gòu)以及機電設(shè)備等多個環(huán)節(jié)的專業(yè)化、綜合型設(shè)計要求[3]。在基于BIM的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以說參數(shù)化設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的核心，而標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計又是裝配式設(shè)計的關(guān)鍵。所以，參數(shù)化設(shè)計裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的重要保障。BIM系統(tǒng)可將同類構(gòu)件整合到一起，組建起一個構(gòu)件庫。設(shè)計人員在構(gòu)件庫當(dāng)中查詢所需要的構(gòu)件，如果庫中沒有此構(gòu)件，則可以通過參數(shù)化設(shè)置創(chuàng)建一個新構(gòu)件，使那些特殊化建筑布局要求得到滿足。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)拆分設(shè)計方法

基于BIM進行裝配式混凝土構(gòu)件拆分設(shè)計，可以幫助設(shè)計人員繪制出更加專業(yè)的項目設(shè)計圖。以裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，設(shè)計人員繪制出預(yù)制外墻拆分圖，再利用BIM對各個構(gòu)件進行編碼，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)提供便利條件。目前，有一種新型建筑、結(jié)構(gòu)和水電等專業(yè)模型，輔助設(shè)計人員完成參數(shù)化節(jié)點拆分設(shè)計。這種方法是先使用專業(yè)軟件將建筑和水電模型轉(zhuǎn)換成BIM模型，使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，使設(shè)計過程變得更加高效便捷，設(shè)計方案也更加科學(xué)合理。國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM、YJK均設(shè)置了與Revit Structure互通的接口，各專業(yè)設(shè)計人員可以很方便的將各自內(nèi)容反映到一個平臺，使BIM模型更為準(zhǔn)確和完善。因為在Revit拆分設(shè)計流程當(dāng)中融入了三維可視化環(huán)節(jié)，所以與傳統(tǒng)的CAD拆分相比，Revit拆分更加便于構(gòu)件的拆分設(shè)計與后期組裝[4]。除此之外，還可以通過預(yù)制建筑集成法與BIM技術(shù)的相互結(jié)合的方式，實現(xiàn)模塊化拆分設(shè)計，這一方法的誕生與應(yīng)用，為裝配式建筑的創(chuàng)新發(fā)展提供了巨大支持。

3 傳統(tǒng)設(shè)計方法與基于BIM的設(shè)計方法對比

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計模式下，工程圖紙都是以手工制圖的方式來呈現(xiàn)的，而基于BIM技術(shù)，實現(xiàn)了制圖效果的可視化與模型化，極大的提升設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計效率。比如工程設(shè)計人員應(yīng)用計算機系統(tǒng)和CAD軟件，構(gòu)建起標(biāo)準(zhǔn)化、批量化出圖這一新型模式，極大的提高了繪圖質(zhì)量與設(shè)計效率。而BIM無疑提供了更加先進直觀的設(shè)計模式，借助3D建筑模型為人們呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的集成信息體。傳統(tǒng)設(shè)計方法與基于BIM的設(shè)計方法主要存在以下區(qū)別：首先，設(shè)計依據(jù)方面。在傳統(tǒng)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計模式下，是將3D建筑轉(zhuǎn)變成為2D的三視圖，設(shè)計人員需要依據(jù)眾多建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行繪制，當(dāng)涉及一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，則需要繪制大量平面圖呈現(xiàn)出建筑設(shè)計細節(jié)。在這個過程當(dāng)中，非常容易出現(xiàn)各種人為疏忽與紕漏，給后續(xù)施工環(huán)節(jié)造成較大影響。而BIM不僅可以直觀地展示建筑，還可以準(zhǔn)確定位某一結(jié)構(gòu)的空間位置，對于那些復(fù)雜構(gòu)件可以采用三維視圖展示其結(jié)構(gòu)形態(tài)。設(shè)計人員還可以借助BIM建立預(yù)制構(gòu)件庫，全面實現(xiàn)信息共享，還可以通過查看BIM信息模型及時檢查是否存在設(shè)計缺陷，最大限度減少設(shè)計問題[5]；其次，設(shè)計思路方面。在傳統(tǒng)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，是按照先整體后拆分這一思路完成方案設(shè)計，這種設(shè)計方法極大增加了構(gòu)件數(shù)目和設(shè)計工作量，導(dǎo)致設(shè)計效率低下。而基于BIM進行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以將一些常用預(yù)制構(gòu)件事先存入到構(gòu)件庫當(dāng)中，設(shè)計人員直拉進行調(diào)用即可，從根本上滿足了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)化、模塊化的發(fā)展需求，推動了建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

4 結(jié)語

在當(dāng)前的建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)出越來越高應(yīng)用率與應(yīng)用水平，各種新型裝配式結(jié)構(gòu)體系也得了大規(guī)模推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)設(shè)計方式相比，基于BIM的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，為整個設(shè)計工作提供了極大的技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。而裝配式建筑的未來發(fā)展，也借助BIM技術(shù)獲得更加順暢的發(fā)展。