張曉娜 孟祥龍

1.沈陽玖弘建筑科技有限公司；2.沈陽燃?xì)庥邢薰?/p>

1 引言

我國裝配式建筑的發(fā)展還處于初期階段，裝配式混凝土建筑包括設(shè)計環(huán)節(jié)在內(nèi)的各環(huán)節(jié)的專業(yè)人員尚比較稀缺，大部分設(shè)計人員裝配式設(shè)計經(jīng)驗還比較欠缺，裝配式設(shè)計能力還比較薄弱，規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系也在逐步完善中，導(dǎo)致設(shè)計方面還存在一些問題，需要不斷改進(jìn)及優(yōu)化。

2 裝配式建筑概述

按照國家標(biāo)準(zhǔn)的定義，裝配式建筑是“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部件集成的建筑”。這個定義強調(diào)的是整體的概念，強調(diào)四個系統(tǒng)的預(yù)制集成缺一不可。國家標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)四個系統(tǒng)的預(yù)制集成，而不僅僅是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預(yù)制裝配，主要基于“補課”原因：目前中國建筑標(biāo)準(zhǔn)低，適宜性、舒適度和耐久性差，交付毛坯房，管線埋設(shè)在混凝土中，天棚無吊頂，地面不架空，排水不同層等強調(diào)四個系統(tǒng)集成，有助于建筑標(biāo)準(zhǔn)。裝配式建筑按結(jié)構(gòu)材料不同可以分為：裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑、裝配式組合結(jié)構(gòu)建筑。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系包括框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。其中框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要是柱和梁，所以又統(tǒng)稱為柱梁結(jié)構(gòu)。裝配式建筑的基本特征也是很多工業(yè)產(chǎn)品的基本特征，即標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用。

3 裝配式建筑的優(yōu)點

3.1 提升建筑品質(zhì)

裝配式建筑要求設(shè)計必須精細(xì)化，設(shè)計的各專業(yè)以及裝配式建筑的各環(huán)節(jié)必須全過程協(xié)同，由此會提高設(shè)計建筑品質(zhì)；采用工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件精度和質(zhì)量更高，誤差以毫米計，預(yù)制構(gòu)件的高精度還可以帶動施工現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土的精度；建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾集成化、一體化，會大量減少質(zhì)量隱患；工廠化生產(chǎn)更有利于實現(xiàn)自動化和智能化；集成部品部件、同層排水、管線分離、大跨度、大開間等技術(shù)的應(yīng)用會提高建筑質(zhì)量、增加舒適度，延長建筑物使用壽命。

3.2 提高效率

預(yù)制構(gòu)件制作可以實現(xiàn)機械化、自動化和智能化，大幅度提高生產(chǎn)效率；裝配式建筑使一些高處和高空作業(yè)轉(zhuǎn)移到車間進(jìn)行，同時不受冬雨期影響，即使沒有搞自動化，生產(chǎn)效率也會提高；施工安裝采用了更多的專業(yè)化施工設(shè)備和工具，施工效率大幅提高。

3.3 節(jié)約材料

裝配式建筑可以實現(xiàn)免抹灰、免支撐、免外架，從而減少材料消耗；集約化、模塊化裝修與交付毛坯房由住戶裝修相比會節(jié)約大量裝修材料；工廠化生產(chǎn)利于鋼筋邊角余料、混凝土剩余殘料及廢舊模具的回收再利用。裝配式建筑可節(jié)省材料20%以上。

3.4 節(jié)能減排環(huán)保

裝配式建筑可節(jié)約原材料，自然會降低能源消耗，減少碳排放量；裝配式建筑大幅度減少工地建筑垃圾，最多可減少80%；減少工地澆筑混凝土振搗作業(yè)，減少模板和砌塊和鋼筋切割作業(yè)，減少現(xiàn)場支拆模板，由此會減輕施工噪聲污染。

3.5 改善勞動條件

裝配式施工現(xiàn)場比傳統(tǒng)施工現(xiàn)場環(huán)境要好，工廠生產(chǎn)環(huán)境比施工現(xiàn)場更好，也有利于作業(yè)安全；工人分工更細(xì)、更專業(yè)，作業(yè)強度也相對較小，利于提高工人素質(zhì)，使農(nóng)民工向產(chǎn)業(yè)工人轉(zhuǎn)變。

3.6 縮短工期

裝配式建筑要求前期決策和設(shè)計更加精細(xì)，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工安裝、管線設(shè)備和裝修環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的問題都可前置解決，避免了調(diào)整和返工現(xiàn)象，同時與現(xiàn)澆建筑相比還減少一些工序和環(huán)節(jié)，施工安裝效率更高，由于干作業(yè)較多，內(nèi)裝修可緊隨主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，總工期可以大大縮短。

4 裝配式混凝土建筑設(shè)計原則

PC 建筑設(shè)計應(yīng)遵循統(tǒng)籌、集成、模數(shù)化、試驗、一張圖等原則，并盡可能遵循少規(guī)格多組合原則、全鏈條信息化原則。下面分別介紹。

4.1 統(tǒng)籌原則

由于PC建筑受到部品部件制作條件、運輸條件和施工安裝條件的制約，PC設(shè)計也必須將制作與安裝環(huán)節(jié)的荷載、構(gòu)造、預(yù)埋件要求考慮進(jìn)去，所以，PC 建筑設(shè)計不同于普通現(xiàn)澆混凝土建筑設(shè)計，必須與制作、運輸和安裝各個環(huán)節(jié)互動，進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計。例如，PC 構(gòu)件有一些制作和施工需要的預(yù)埋件，包括脫模、翻轉(zhuǎn)、安裝、臨時支撐、調(diào)節(jié)安裝高度、后澆筑模板固定、安全護(hù)欄固定等預(yù)埋件，這些預(yù)埋件設(shè)置在什么位置合適，如何錨固，會不會與鋼筋、套筒、箍筋太近影響混凝土澆筑，會不會因位置不當(dāng)導(dǎo)致構(gòu)件裂縫，如何防止預(yù)埋件應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫等，設(shè)計師只有與制作廠家和施工單位技術(shù)人員互動才能給出安全可靠的設(shè)計。

4.2 集成原則

裝配式建筑設(shè)計的集成原則包括兩個含義：

一是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)盡可能地實現(xiàn)集成化，采用工廠化生產(chǎn)的部品部件，以實現(xiàn)裝配式的目標(biāo)。如PC 構(gòu)件、夾心保溫墻板、整體浴室、整體廚房、整體收納柜、單元式組合機電箱柜等。二是各個系統(tǒng)要盡可能地集成，實現(xiàn)一體化；或者系統(tǒng)間銜接便利化。如結(jié)構(gòu)、門窗、保溫一體化的剪力墻外墻板、布置了內(nèi)裝系統(tǒng)需要的各種預(yù)埋件的PC構(gòu)件、埋設(shè)了機電管線或防雷引下線的PC構(gòu)件等。由于各個專業(yè)關(guān)于預(yù)埋件或埋設(shè)物的要求都要匯集到PC構(gòu)件上，不能像現(xiàn)澆混凝土建筑那樣在現(xiàn)場敷設(shè)安置，PC建筑設(shè)計的集成是非常重要的，一旦遺漏就會出大問題。比如拆分設(shè)計，建筑師要考慮建筑立面的藝術(shù)效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計師要考慮結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，為此需要建筑師與結(jié)構(gòu)工程師互動。再比如，PC建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化，內(nèi)部裝飾也應(yīng)當(dāng)集成化，為此，需要建筑師、結(jié)構(gòu)設(shè)計師和裝飾設(shè)計師密切合作。再比如，避雷帶需要埋設(shè)在預(yù)制構(gòu)件中，需要建筑、結(jié)構(gòu)和防雷設(shè)計師銜接?？傊?，水、暖、電、通、設(shè)備、裝飾各個專業(yè)對預(yù)制構(gòu)件的要求都要通過建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)計師匯總集成。

4.3 模數(shù)化原則

模數(shù)化原則是通用化標(biāo)準(zhǔn)化的前提，是構(gòu)件制作實現(xiàn)機械化、自動化，構(gòu)件安裝實現(xiàn)便利化的前提，是發(fā)揮裝配式建筑工業(yè)化優(yōu)勢、降低成本的基本條件，在設(shè)計中必須貫徹。

4.4 試驗原則

PC建筑在中國剛剛興起，經(jīng)驗不多。國外PC建筑的經(jīng)驗主要是框架、框-剪和筒體結(jié)構(gòu)，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗很少；裝配式建筑的一些配件和配套材料目前國內(nèi)也處于剛剛開發(fā)階段。由此，試驗尤為重要。設(shè)計在采用新技術(shù)選用新材料時，涉及結(jié)構(gòu)連接等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)基于試驗獲得可靠數(shù)據(jù)。例如保溫夾心板內(nèi)外葉墻板的拉結(jié)件，既有強度、剛度要求，又要減少熱橋，還要防火和耐久，這些都需要試驗驗證。有的國產(chǎn)拉結(jié)件采用與塑料鋼筋一樣的玻璃纖維增強樹脂制成，但塑料鋼筋用的不是耐堿玻璃纖維，埋置在水泥基材料中耐久性得不到保障，目前國外只用于臨時工程。將其用于混凝土夾心板中是不安全的。

4.5 一張圖原則

PC建筑多了構(gòu)件制作圖環(huán)節(jié)，與目前工程圖的表達(dá)習(xí)慣有很大的不同。PC 構(gòu)件制作圖應(yīng)當(dāng)表達(dá)所有專業(yè)所有環(huán)節(jié)對構(gòu)件的要求，包括外形、尺寸、配筋、結(jié)構(gòu)連接、各專業(yè)預(yù)埋件、預(yù)埋物和孔洞、制作施工環(huán)節(jié)的預(yù)埋件等，都清清楚楚地表達(dá)在一張或一組圖上，不用制作和施工技術(shù)人員自己去查找各專業(yè)圖紙，也不能讓工廠人員自己去標(biāo)準(zhǔn)圖集上找大樣圖。一張（組）圖原則不僅會給工廠技術(shù)人員帶來便利，最主要的是會避免或減少出錯、遺漏和各專業(yè)的“撞車”。

4.6 少規(guī)格、多組合原則

裝配式建筑的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)都提出了“裝配式建筑設(shè)計應(yīng)遵循少規(guī)格、多組合的原則”。這個原則對一部分部品部件適用，但無法覆蓋裝配式建筑全部部品部件，包括主要部品部件。以PC 外墻掛板或剪力墻外墻板為例，一般為整間板，不同的建筑不同的開間不同的門窗布置有不同的規(guī)格，無法像ALC板那樣實現(xiàn)少規(guī)格、多組合。主要的PC構(gòu)件梁、柱、墻板等也都是如此。所以，對此原則的貫徹筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)靈活一些。

4.7 全鏈條信息化原則

裝配式建筑國家標(biāo)準(zhǔn)要求裝配式建筑宜運用BIM技術(shù)進(jìn)行全鏈條信息給管理，并把運用BIM 作為裝配式建筑5 個特點之一。裝配式建筑全鏈條信息模型的建立應(yīng)當(dāng)從設(shè)計開始，但這不是設(shè)計部門所能決策的，運用BIM需要花錢，只有建設(shè)方才能決策。所以，從設(shè)計角度，一方面盡可能說服甲方運用BIM，一方面要會用和用好BIM，在設(shè)計中更好地實現(xiàn)統(tǒng)籌和集成，減少錯漏碰缺，提高設(shè)計質(zhì)量，并為制作、運輸、施工精細(xì)化可視化數(shù)據(jù)化管理奠定基礎(chǔ)。

5 裝配式混凝土建筑設(shè)計優(yōu)化

目前階段，由于部分裝配式混凝土建筑設(shè)計人員水平不高、經(jīng)驗不足，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保守及覆蓋不夠等原因，有些裝配式混凝土項目的設(shè)計成果還不夠完善和理想，甚至出現(xiàn)一些設(shè)計錯誤、設(shè)計遺漏，導(dǎo)致項目成本增量過大、工期延長、生產(chǎn)制作和施工安裝難度加大等，這些設(shè)計問題亟待完善和優(yōu)化，本文對部分應(yīng)優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行闡述和分析。

5.1 剪力墻設(shè)計方案優(yōu)化要點

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)在進(jìn)行剪力墻布置時，除了遵循傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)布置設(shè)計要點外，還應(yīng)考慮預(yù)制裝配的特點，確定合理的布置原則，并進(jìn)行形狀控制，以方便制作與施工。

（1）剪力墻布置原則。①應(yīng)遵循少規(guī)格、多組合的原則。②承重墻、柱等豎向構(gòu)件宜上下連續(xù)。③門窗洞口宜上下對齊，成列布置。④宜大跨度大開間布置。⑤不宜采用轉(zhuǎn)角窗布置等。

（2）剪力墻布置形狀控制。①高層剪力墻結(jié)構(gòu)，邊緣構(gòu)件目前多采用現(xiàn)澆，宜布置成L形、T形等，這樣可以使得墻身部分相對完整，有利于墻身拆分預(yù)制；避免在L形、T形等剪力墻中再加翼緣，導(dǎo)致墻身被拆成零碎的小段墻肢。②剪力墻布置時，需要對所預(yù)制剪力墻板進(jìn)行尺寸標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整，使得所預(yù)制的剪力墻板尺寸盡可能統(tǒng)一，減少預(yù)制剪力墻板的規(guī)格，提高模具重復(fù)使用率。③當(dāng)考慮采用填充墻預(yù)制時，外圍周邊的剪力墻在窗洞和門洞邊需考慮退讓，留設(shè)不小于200mm的填充墻垛，這樣可以采用立面為口字形和門字形預(yù)制外墻，避免剪力墻暗柱預(yù)制。

5.2 優(yōu)化裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

在我國，剪力墻結(jié)構(gòu)是住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)國家大力推行裝配式建筑時，裝配式經(jīng)驗不多、技術(shù)不成熟的剪力墻結(jié)構(gòu)也倉促上馬，開始大規(guī)模搞起裝配式。但剪力墻結(jié)構(gòu)采用裝配式，就目前的技術(shù)、經(jīng)驗和規(guī)范規(guī)定而言，很難達(dá)到實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的初衷，效率難提高、工期難縮短，成本卻增加不少。在主體結(jié)構(gòu)與管線分離的趨勢下，應(yīng)打破凡住宅必為剪力墻結(jié)構(gòu)的心理定式。國外高層、超高層裝配式混凝土建筑應(yīng)用較多的是含有大空間柱梁體系的多種結(jié)構(gòu)形式，我國規(guī)范中的裝配式框架—現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和裝配式框架—現(xiàn)澆核心筒結(jié)構(gòu)也屬于此類。在此類結(jié)構(gòu)體系下，可將剪力墻體僅布置在交通核、設(shè)備管井、分戶墻等有限區(qū)域，戶內(nèi)空間則置于預(yù)制框架范圍內(nèi)，業(yè)主可以用輕質(zhì)隔墻進(jìn)行功能空間劃分和改造。外圍護(hù)墻體通過外掛或梁柱圍合與外框架相連，因為不是承重墻體，外墻立面可以更豐富靈活。至于框架部分梁柱凸出的不利因素則在提倡管線分離的趨勢下會得到弱化。傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)省空間的前提是建立在管線預(yù)埋在受力墻體內(nèi)的，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)實施管線分離，其實還需要用龍骨和外掛裝飾板材將墻體架空，無疑增加了板厚，占用了空間。相比而言，框架內(nèi)可采用各類輕質(zhì)隔墻，將管線布置在隔墻內(nèi)。不僅如此，結(jié)構(gòu)梁柱也會在全裝修處理下得到很好的遮蔽。更為最重要的是，從裝配式設(shè)計和建造出發(fā)，大開間下的梁、柱、板（跨度較大時可采用預(yù)應(yīng)力板）有助于拋開戶型的限制，最大限度地減小預(yù)制構(gòu)件種類和模具數(shù)量，有助于提高效率、降低成本、縮短工期。

5.3 次梁布置優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)次梁布置方案，一般比較自由，約束條件少，主要根據(jù)跨度、所托內(nèi)隔墻位置按需要進(jìn)行布置，但是在預(yù)制裝配時，需要考慮適合裝配安裝的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。結(jié)構(gòu)次梁布置方案直接決定了預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、連接接頭的數(shù)量、施工安裝的難易程度，對生產(chǎn)安裝效率以及預(yù)制構(gòu)件成本都有較大的影響。

次梁布置比較適合采用單向雙次梁、單向單次梁方案；而雙向十字梁和雙向井字梁則要盡可能避免采用。當(dāng)采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力板方案時，標(biāo)準(zhǔn)跨還可以做到無此梁方案設(shè)計，構(gòu)件數(shù)量可以大幅度減少，成本優(yōu)勢也較為明顯。

5.4 簡化低設(shè)防烈度區(qū)或低層建筑的連接形式

我國裝配式混凝土建筑采用的都是整體裝配式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接均采用套筒灌漿和后澆混凝土等濕連接方式，尤其是剪力墻結(jié)構(gòu)體系的連接，大多是線連接、面連接，且點多面廣，對施工成本和效率影響較大，因此研發(fā)新型的、便捷的可靠連接方式勢在必行。GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.8.5條規(guī)定，多層裝配式墻板結(jié)構(gòu)縱橫墻板交接處及樓層內(nèi)相鄰承重墻板之間可采用水平鋼筋環(huán)錨灌漿連接，這極大簡化了連接形式。低設(shè)防烈度區(qū)或低層建筑的地震作用較小，應(yīng)和高層建筑有所區(qū)別，期望規(guī)范按照上述思路，探索諸如干法連接、干濕混合連接等更多的簡便連接方式。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著經(jīng)濟全球化的不斷加劇，人類對于自身的居住環(huán)境的要求也在不斷提高，長時間對于資源的浪費使得自然資源消耗越來越大，并且由此引發(fā)的環(huán)境破壞、能源枯竭等問題也在成為人類社會發(fā)展的難題。而裝配式建筑以其品質(zhì)高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點逐漸得到應(yīng)用推廣，雖然我國裝配式建筑還處在起步階段，但是相信經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員的不懈努力，我國裝配式混凝土建筑的設(shè)計水平和成果質(zhì)量會不斷提升，也將推動我國裝配式建筑快速健康發(fā)展。