某高層裝配式建筑結(jié)構(gòu)方案比選研究

吳江泠

（上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海 200080）

0 引言

裝配式建筑是指用預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑[1]。2016 年，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，意見指出要因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑。力爭(zhēng)用10 年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。2021 年11 月，上海市住建委發(fā)布了《上海市裝配式建筑“十四五”規(guī)劃》，報(bào)告指出“十三五”期間，上海裝配式建筑發(fā)展態(tài)勢(shì)良好、成效顯著，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系逐步完善，裝配式建筑面積實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)?！笆奈濉睍r(shí)期，需繼續(xù)推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑“從有到優(yōu)”的升級(jí)發(fā)展，使裝配式建筑成為上海地區(qū)的主要建設(shè)方式[2]。報(bào)告還指出需在學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑及工業(yè)廠房中大力推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)、鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)體系?？v斌[3]等人的研究成果表明，上海市765 號(hào)文調(diào)整了裝配式建筑指標(biāo)計(jì)算方法，充分考慮外圍護(hù)的占比分值，使評(píng)價(jià)體系更為科學(xué)合理。胡開華[4]等人研究了上海50m 左右高層辦公樓的結(jié)構(gòu)體系，研究表明鋼結(jié)構(gòu)體系和裝配式混凝土體系的經(jīng)濟(jì)性相近。胡松[5]等人對(duì)比了70m 高度裝配式混凝土框架－現(xiàn)澆核心筒與裝配式鋼框架－現(xiàn)澆核心筒的結(jié)構(gòu)方案，結(jié)果表明PC－核心筒相比鋼框架－核心筒，土建成本略低，但施工工期長(zhǎng)，綜合考慮鋼框架－核心筒方案更合理。本文以上海市閔行區(qū)某辦公建筑為分析對(duì)象，對(duì)比分析裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)兩種體系的受力特點(diǎn)，盡可能在滿足結(jié)構(gòu)安全和預(yù)制率的要求下，節(jié)省工程造價(jià)和工期。

1 工程概況

上海市閔行區(qū)某地塊新建建筑項(xiàng)目，規(guī)劃總用地面積為9 萬m2，由兩層地下室和地上9 個(gè)建筑單體組成，建筑功能有商務(wù)、辦公及酒店。根據(jù)上海市住建委《關(guān)于進(jìn)一步明確裝配式建筑實(shí)施范圍和相關(guān)工作要求的通知》[6]，本工程實(shí)施裝配式建筑，裝配式建筑落實(shí)比例為100%，建筑單體預(yù)制率不低于40%或單體裝配率不低于60%。因本項(xiàng)目建筑平面功能單一，各單體建筑平面布置類似，以總建筑高度最高的1 號(hào)單體為分析對(duì)象，對(duì)比分析鋼筋混凝土框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)兩種體系的受力特點(diǎn)。在滿足預(yù)制率的前提下，盡可能減少工程造價(jià)，節(jié)省工期。

2 方案對(duì)比分析

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

1 號(hào)單體地上10 層，標(biāo)準(zhǔn)層高3.6m，結(jié)構(gòu)高度59.4m，結(jié)構(gòu)三維模型如圖1 所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度7 度，建筑設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅳ類，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g[7]。用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，并考慮雙向地震和偶然偏心影響的地震作用。附加恒荷載按100mm 厚建筑面層考慮，取3.0kN/m2，活荷載根據(jù)業(yè)主要求取5.0kN/m2?；撅L(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度B 類[8]。

圖1 結(jié)構(gòu)體系示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

方案一采用鋼筋混凝土框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，方案二采用鋼框架－混凝土核心筒體系。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2 所示，采用YJK 軟件進(jìn)行初步試算，其主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸信息及計(jì)算分析結(jié)果如表1 所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

表1 兩種不同裝配式結(jié)構(gòu)體系分析結(jié)果對(duì)比

2.3 單體預(yù)制率分析

考慮結(jié)構(gòu)受力特性，框架－核心筒結(jié)構(gòu)的剪力墻、核心筒內(nèi)部梁、板均采用現(xiàn)澆；樓梯、外圍護(hù)墻、無防水要求的非核心筒區(qū)域的梁及樓板、底部加強(qiáng)區(qū)外的結(jié)構(gòu)柱等構(gòu)件可采用預(yù)制構(gòu)件，以滿足政策要求。預(yù)制率計(jì)算依據(jù)滬建建材765號(hào)文《上海市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則》[9]中的方法二（權(quán)重系數(shù)法）。其計(jì)算公式為：

建筑單體預(yù)制率=∑[權(quán)重系數(shù)×∑（構(gòu)件修正系數(shù)×預(yù)制構(gòu)件比例）] （1）

2.3.1 方案一（鋼筋混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒）

鋼筋混凝土框架－鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的裝配式構(gòu)件范圍如表2 所示，按公式（1）計(jì)算的預(yù)制率結(jié)果詳見表3，可滿足預(yù)制率40%的要求。

表2 裝配式構(gòu)件范圍

表3 預(yù)制率計(jì)算

2.3.2 方案二（鋼框架+鋼筋混凝土核心-）

鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的裝配式構(gòu)件范圍如表4所示，主體結(jié)構(gòu)采用鋼柱、鋼梁、組合樓板，核心筒采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大大提高了預(yù)制率，在不考慮外圍護(hù)墻預(yù)制裝配的情況下，按式（1）計(jì)算的預(yù)制率結(jié)果詳表5，可滿足預(yù)制率40%的要求。

表4 裝配式構(gòu)件范圍

表5 預(yù)制率計(jì)算

2.3.3 樓蓋形式

從近幾年的工程應(yīng)用來看，由于現(xiàn)澆混凝土板需現(xiàn)場(chǎng)支模，施工速度慢，且不符合裝配式要求，故工程應(yīng)用較少；而鋼筋桁架板具備自重輕、施工速度快、造價(jià)適中、傳力方式與現(xiàn)澆板相同、且符合裝配式要求等優(yōu)勢(shì)，采用鋼筋桁架組合樓蓋的項(xiàng)目比例較高。鋼管桁架預(yù)應(yīng)力疊合板（PK 板）對(duì)傳統(tǒng)的鋼筋桁架樓承板進(jìn)行改進(jìn)，上部受壓區(qū)為砂漿鋼管，中部傳力機(jī)構(gòu)為鋼筋桁架，下部受拉區(qū)為預(yù)應(yīng)力鋼絲。PK 板能實(shí)現(xiàn)大跨度板預(yù)制構(gòu)件，解決了避免板底生銹、適應(yīng)板跨較小等問題，在工程實(shí)踐中有越來越多的工程應(yīng)用。

2.4 施工技術(shù)成熟性

從技術(shù)的成熟度方面考慮，鋼筋混凝土方案由于要滿足上海市裝配式率的要求，大量樓板，梁及部分框架柱需要現(xiàn)場(chǎng)裝配，對(duì)施工人員技術(shù)要求比較高，工程質(zhì)量較難控制。而鋼結(jié)構(gòu)方案節(jié)點(diǎn)均為工廠預(yù)先制作好在現(xiàn)場(chǎng)安裝拼接，技術(shù)較為成熟，工程質(zhì)量容易控制。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)規(guī)范要求連接性能等同現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能均滿足規(guī)范要求。

從施工速度方面考慮，鋼筋混凝土方案一般9～10d 一層，鋼結(jié)構(gòu)方案一般6～7d 一層。相對(duì)而言鋼結(jié)構(gòu)方案施工速度較快、資金周轉(zhuǎn)快。

另外鋼結(jié)構(gòu)方案框架梁、柱截面相對(duì)較小，對(duì)建筑效果影響較小。同時(shí)由于鋼筋混凝土方案樓板和梁均為預(yù)制，后期一旦確定，結(jié)構(gòu)樓板留洞及建筑功能修改的可能性很小，因此鋼筋混凝土方案建筑功能調(diào)整的適應(yīng)性較差。

3 結(jié)論

（1）兩種裝配式方案均滿足上海市對(duì)于預(yù)制裝配率不低于40%的要求，故兩種裝配式結(jié)構(gòu)方案均可行；

（2）裝配式建筑的樓蓋形式一般選擇免模現(xiàn)澆混凝土板，常用的有鋼筋桁架樓承板、鋼管桁架預(yù)應(yīng)力疊合板（PK 板）等；

（3）鋼結(jié)構(gòu)因工廠預(yù)制方便，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，在裝配式建筑應(yīng)用上有著施工速度快，現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)。