装配式建筑结构体系与设计沈伟

装配式建筑结构体系与设计沈伟

沈伟

中南建筑设计院股份有限公司湖北省武汉市430071

摘要：为了贯彻落实国家节能减排、绿色环保的发展理念，国务院出台了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发［2016］71号）文件；湖北省出台了《省人民政府关于加快推进建筑产业现代化发展的意见》（鄂政发［2016］7号）文件；武汉市出台《市人民政府关于进一步加快发展装配式建筑的通知》（武政规[2017]8号）文件。装配式建筑占新建建筑面积的比例越来越高了,装配式建筑将成为建筑行业发展的主要方式。本文简单的介绍了装配式建筑的概念、优点和实施意义、装配式建筑结构体系及装配式建筑的结构设计，本文主要介绍的是混凝土结构装配式建筑。

关键词：装配式建筑；结构体系；结构设计

1.装配式建筑概述

装配式建筑与传统建筑建造方式不同，装配式建筑是指用的梁、板、柱、剪力墙等构件在工厂制作完成后运往工地装配而成的建筑。这种建筑的优点是建造速度快，受气候条件制约小，节约劳动力并可提高建筑质量。上世纪50～60年代是装配式建筑最起步和发展阶段；70～80年代是装配式建筑迅速发展阶段，以装配大板建筑体系为代表，相关标准开始配套和完善；90年代～本世纪初是装配式建筑发展的低迷阶段，现浇式建筑工业快速发展，预制构件在建筑领域几乎消亡。然而，在生态环境保护备受重视的今天，装配式建筑因具有绿色环保特征，受到人们的青睐，得到了国家的大力支持。

2.装配式建筑的主要优点及实施的意义

装配式建筑结构将建筑施工的综合质量提升到一个新的台阶，与常规施工技术相比，其优势主要表现在以下几个层面：装配式技术中轻质墙板的比例更大，使得施工过程更加简单，快捷，节约了大量人力与物力，对于控制施工成本具有重要作用，同时使建筑施工更具有灵活性；在保证施工质量的基础上，提升了建筑施工的速度，有效缩短工程周期。将施工中对环境、交通等方面的影响性降至最低，对于提升建筑企业的综合经济效益更具有关键性作用；在装配式建筑结构的施工中，对施工人员的数量及技术要求较低，有助于对施工质量进行有效控制。同时与以往施工技术相比，装配式建筑结构的原材料在种类以及数量上均较低，保障了现场施工中的安全性，更符合绿色发展理念。装配式建筑实施的意义：通过标准化设计的优化减少因设计不合理导致的材料、资源浪费；通过工厂化的生产减少现场手工湿作业带来的建筑垃圾、污水排放等；通过装配化施工减少噪音排放、现场扬尘、运输遗洒、提高施工质量和效率；通过信息化技术，依靠动态参数，实施定量、动态的全生命周期的管理，以最少的资源投入，达到高效、低耗和环保。

3.装配式建筑结构体系和抗震性能

3.1结构体系种类划分

装配式建筑按照建筑材料划分分包括钢结构、木结构、混凝土结构等；按照结构体系划分包括装配式剪力墙体系、装配式框架体系、装配式框剪体系、装配式外挂板体系等；按照建筑高度划分包括多层装配式建筑和高层装配式建筑。在我国应用最多的装配式建筑结构形式为混凝土剪力墙结构，但在公共建筑项目中多采用混凝土框架结构。

3.2抗震性能

根据装配化程度，还可以将装配式混凝土结构分为两大类，即全装配式和部分装配式，装配化程度高低不会对装配式混凝土结构整体刚度造成直接影响，结构刚度仅与受力构件刚度以及节点刚度密切相关。装配式混凝土结构节点可以被分为干式连接的铰接连接节点、湿式连接的刚性连接节点以及柔性连接节点。其中，干式连接的铰接连接节点没有转动刚度，一般被应用于没有抗震需要、风压较小的低层建筑设计中；湿式连接的刚性连接节点，其转动刚度接近现浇混凝土梁柱节点，其结构性能与现浇混凝土框架结构相似，适用于高层建筑结构设计中其连接节点包括中柱顶节点、中柱中节点、边柱端节点、边柱中节点。另外，柔性连接节点存在转动刚度。由此可见，装配式混凝土结构具有多种节点形式，因此不同结构的刚度也是不同的，其所具有的抗震性能也有一定的区别，因此，在建筑结构设计中，需要充分考虑实际需要进行选择。

4.装配式建筑混凝土结构设计

4.1设计标准与设计思想

装配式建筑混凝土结构主要设计依据为《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014），各地方政府也出台了相应的地标，如湖北省地准《装配整体式混凝土剪力墙结构技术规程》（DB42/T1044-2015）；参考的图集有《装配式混凝土结构表示方法及示例》（15G107-1）、《装配式混凝土结构连接节点构造》（15G310-1、2）、《预制混凝土剪力墙外墙板》（15G365-1）、《预制混凝土剪力墙内墙板》（15G365-2）、《桁架钢筋混凝土叠合板（60mm厚底板）》（15G366-1）、《预制钢筋混凝土板式楼梯》（15G367-1）、《预制钢筋混凝土阳台板、空调板及女儿墙》（15G368-1）。装配式建筑混凝土结构适用范围为非抗震地区以及抗震等级为6～8度地区，甲类建筑、抗震设防烈度为9度地区不适合做装配式混凝土建筑。

《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）只对装配式和装配整体式的框架结构、剪力墙结构及框架－剪力墙结构做了规定．因装配式混凝土结构的主要特色在于构件质量好、施工安装方便，如果过多地使用现浇刚性节点或叠合技术，将会使装配式混凝土结构的优势大打折扣．因此，对于低层以受竖向荷载为主、不考虑抗震设防的结构，可选择全铰接框架结构，即（干式）铰接结构，可凸显装配式的优越性；对于低层需要考虑抗震设防的结构，可选择以铰接为主的框架结构，即混合连接结构，刚节点的数量以满足位移1/550为目标（通过计算确定），或者采用柔性连接结构，最大程度地利用装配式的特色和优势。

装配式是在我国经济得到较大发展的前提下，以提高工程质量和改善环境作为追求目标而提出和推广的，这也说明我国的建筑结构设计进入到全新的时代．虽然从单体造价而言，装配式比现浇混凝土更贵，但结构设计师必须打破以往追求设计经济性的设计思路，解放思想，以追求结构性能和技术先进作为目标去指导设计，在这个目标下去追求最佳的经济性能。

相比常规的现浇混凝土结构，装配式结构设计技术要求更高．设计师必须有很好的结构概念和力学知识，同时通过学习充分了解装配式结构的技术要点，才能设计出技术先进、经济合理的装配式结构，这给结构工程师提出了更高的要求。

4.2装配式框架结构体系的设计

该结构体系是现在应用力度相对较大的装配式结构形式，这是由于不同于装配形式的剪力墙结构，该结构体系比较轻，同时在构件的运输方面该结构体系的运输难度更小。在设计使用该类结构体系时，叠合板以及叠合梁等框架结构构件需要在工厂内进行生产，在运输到现场之后，还需要通过现浇的方式处理节点以及梁端键槽，对于框架结构中的柱构件，必须充分结合项目的实际情况以及需求来选择方式或是现浇措施。为提高框架结构体系装配式建筑的受力能力，在实际设计中还需要关注以下几点问题:一，强度等级控制。无论是柱混凝土还是框架柱底的强度等级至少要达到C30左右；二，平面设计原则。在设计梁柱中心线的过程中应做到竖向平面相同，且呈现对齐形式，在纵向上也要以对齐为主；三，预埋件的处理。对于框架结构体系设计来说，预埋件属于不可缺少的一部分，在实际设计过程中应保证处于不同区域的预埋件能够很好的连接在一起，无论是承受轴力还是剪力都处于良好状态。

4.3装配式剪力墙结构体系的设计要点

装配式剪力墙结构体系的设计主要有三个:在设计装配式剪力墙结构的时候一定要从实际出发，考虑施工的需求，以及内力对内外纵墙的不同影响；工作人员在布置结构墙时，两侧的山墙应该选用承重性能较好的墙板，而内墙则需要根据构件需要和内力大小来决定墙板的类型；装配式剪力墙的连接设计必须要考虑承受力的影响，依据实际的连接设计要求进行设计。对于剪力墙结构体系来说，如果在设计中采用的是分块设计，那么在实际设计中应注意与现实情况的联系，如房间构造、拼接位置等。对于竖向接缝的部位，应做到避免应用到暗柱中，且尽量避免在同一个建筑结构中应用多个构件。

5.装配式建筑结构发展分析

作为建筑工业化建设的主要内容，在实际设计过程中需要充分考虑不同区域抗震烈度的不同，以及建筑节能上的需求、结构特点开发适用性更强的装配式结构。保障工程的整体质量，持续提升专业化水平。紧紧围绕由简单到复杂，由低级到高级的方式，逐步推动叠合构件以及非受力构件的发展。充分发挥装配式建筑结构的各方面特点，实现对当前施工技术的全面提升，彻底改变以往长周期、大劳动力的建设方式。在不断完善设计理念的过程中，实现构件的自动化生产。需要注意的是，与常规建筑构件设计相比，装配式建筑结构的设计要求更高，为此必要要求设计师熟练的掌握各个建筑结构的特点以及力学知识，并持续关注建筑行业的发展动向，使得装配式构件更加具有安全性、稳定性，贴合社会发展的实际需求。

6.结束语：

装配式结构的建筑设计，应在满足建筑功能的前提下，实现基本单元的模数化、标准化定型，以提高定型的标准化建筑构配件的重复使用率，这将非常有利于降低造价；它不仅可以降低劳动强度，还有利于生态环境保护。但目前装配式建筑在工厂制造的成本较高，相关的技术还不成熟，不同的装配式建筑在结构体系与设计上的方式并不相同，注意要点也存在差异，希望加大装配式建筑在我国的设计与应用力度。

参考文献：

[1]刘琼,李向民,许清风.预制装配式混凝土结构研究与应用现状[J].施工技术,2014,43(22):9-14+36.[2017-08-21].

[2]韦玮.全预制装配式混凝土结构节点研究[D].东北大学,2014.

[3]赖伟山.新型预制装配式消能减震混凝土框架节点抗震性能试验研究[D].广州大学,2014.

[4]韩鹏.装配式剪力墙齿槽式连接关键技术试验研究[D].天津大学,2014.

[5]《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1-2014）