孫惠民，黃華波

（浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310000）

1 引言

當(dāng)前，在建筑工程領(lǐng)域，裝配式建筑越來越受到人們的青睞，因?yàn)檠b配式建筑在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益等方面具有比傳統(tǒng)建筑更為突出的特點(diǎn)。而當(dāng)下的技術(shù)發(fā)展并不成熟，使得部分裝配式建筑存在結(jié)構(gòu)方面的不足。所以，在未來的不斷發(fā)展過程中，各個(gè)工程企業(yè)都應(yīng)該根據(jù)裝配式建筑的施工要求，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)，充分提升裝配式建筑的結(jié)構(gòu)性能，促進(jìn)裝配式建筑功能效益的實(shí)現(xiàn)。

2 裝配式建筑概述

2.1 裝配式建筑的基本概念

裝配式建筑不僅具有結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)勢(shì)，還可以在施工建設(shè)的過程中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的控制，減小施工過程中的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。由于裝配式建筑在這些方面的突出優(yōu)勢(shì)，其在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。從裝配式建筑結(jié)構(gòu)的施工流程來看，主要以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、安裝為主，在預(yù)制工廠內(nèi)根據(jù)前期所設(shè)計(jì)的各個(gè)構(gòu)件來組織生產(chǎn)，對(duì)各個(gè)構(gòu)件加以適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，保障構(gòu)件質(zhì)量，這種預(yù)制生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式有效提升了整體的施工效率[1]。此外，裝配式建筑結(jié)構(gòu)下的施工安裝作業(yè)，有效實(shí)現(xiàn)了裝配安裝施工與裝配件設(shè)計(jì)的結(jié)合，保持了各個(gè)結(jié)構(gòu)施工的協(xié)調(diào)性與高效性。

2.2 裝配式建筑的特點(diǎn)

裝配式建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，不僅縮短了施工周期，更是保持了不同施工模塊和流程之間的協(xié)調(diào)性。首先，在施工作業(yè)開展時(shí)，預(yù)先制定的構(gòu)件使得施工企業(yè)在施工現(xiàn)場(chǎng)有足夠的時(shí)間和精力來完成其他環(huán)節(jié)的施工作業(yè)。因此，裝配式建筑的施工效率更高，不同施工流程之間的銜接更好。其次，因?yàn)檠b配式建筑在構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)化方式，各個(gè)構(gòu)件更具先進(jìn)性和環(huán)保性，從而帶動(dòng)了整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展。最后，裝配式建筑在計(jì)算機(jī)技術(shù)等的輔助下，精度控制更為便捷，不僅提高了設(shè)計(jì)水平，同時(shí)提高了工程質(zhì)量和效益。

2.3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可行性和實(shí)用性是必須要堅(jiān)持的原則。專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)該考慮裝配式建筑的使用功能、安全性和抗震性是否達(dá)到了結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于裝配式建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)成要素繁多，為促進(jìn)結(jié)構(gòu)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)開展精細(xì)化設(shè)計(jì)，以保障各個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)問題的處理。此外，裝配式建筑中的節(jié)能環(huán)保性設(shè)計(jì)也應(yīng)該達(dá)到要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合分析能源消耗、環(huán)境保護(hù)等方面的要求，將裝配式建筑的結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)、復(fù)雜指標(biāo)等控制在特定范圍內(nèi)[2]。初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，尤其要進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置等的綜合對(duì)比，從經(jīng)濟(jì)性、可行性、安全性等角度，確定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和要求

3.1 思路

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體水平，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定設(shè)計(jì)思路。與常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)相比，裝配式建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有獨(dú)特性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以在很大程度上減少整體結(jié)構(gòu)中異形構(gòu)件的產(chǎn)生，進(jìn)而提高裝配式建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在不斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，工程建設(shè)成本也得到了一定的控制。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員需從尺寸、配筋等各個(gè)方面著手，對(duì)結(jié)構(gòu)中所涉及的節(jié)點(diǎn)錨固、構(gòu)配件拆分等加以詳細(xì)處理。如果裝配式建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是程序化設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致建筑外形尺寸較為單一，且各個(gè)梁、板和柱等內(nèi)部構(gòu)件的尺寸較為單一，無法提升整個(gè)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的空間利用率[3]?，F(xiàn)階段，隨著我國工程技術(shù)的日漸進(jìn)步，BIM 技術(shù)逐步被應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的局限性，不僅提升了設(shè)計(jì)效率，更是實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)精度的控制。BIM 模型在形成以后，完全可以在項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過PKPM 準(zhǔn)確計(jì)算配筋量，還能夠?qū)觽?cè)移剛度加以精準(zhǔn)控制，也就使得整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路更為清晰和完整，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了保障。

3.2 要求

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，比如，選用BIM 技術(shù)來開展裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在利用BIM 技術(shù)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，更要注重建筑功能性的考慮，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工過程中的資源合理配置與利用，提高裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益[4]。在開展裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先了解結(jié)構(gòu)的功能需求和特性，對(duì)整個(gè)裝配式建筑開展科學(xué)的結(jié)構(gòu)布局；其次，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系中相關(guān)參數(shù)加以科學(xué)配置，保障各個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的優(yōu)化。

4 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化路徑

4.1 實(shí)施全過程的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程管控

部分裝配式建筑存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本偏高、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)把控不嚴(yán)的情況，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程管控不嚴(yán)格所造成的。正是因?yàn)闆]有制定科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工環(huán)節(jié)的銜接性不足，無論是構(gòu)件生產(chǎn)還是施工作業(yè)中都面臨著多種質(zhì)量問題。因此，針對(duì)這一情況，在裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，處理好結(jié)構(gòu)圖紙、構(gòu)件預(yù)制和施工作業(yè)之間的緊密關(guān)系，通過不同環(huán)節(jié)的流程再造和銜接來保障設(shè)計(jì)工作的高效、有序進(jìn)行[5]。各個(gè)工程企業(yè)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程加以調(diào)整與控制，簡(jiǎn)化預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工序與流程，降低總體的施工難度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件預(yù)制中的成本控制。

4.2 建立健全設(shè)計(jì)體系

我國的裝配式建筑施工技術(shù)在多年的發(fā)展中取得了一定的成果，但依然存在著很多的技術(shù)難題。各個(gè)工程企業(yè)在裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中，要不斷積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，在該體系中明確規(guī)定裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程、標(biāo)準(zhǔn)等基本內(nèi)容，為設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作提供制度指導(dǎo)。與常規(guī)的住宅式建筑不同，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需要構(gòu)建可行且完善的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)體系，該體系由標(biāo)準(zhǔn)化戶型模塊和標(biāo)準(zhǔn)化交通模塊所構(gòu)成。交通模塊，重點(diǎn)是要進(jìn)行裝配式建筑中樓梯、電梯井、過道等基本交通要素的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，而戶型模塊方面，重點(diǎn)要進(jìn)行內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得空間形狀、尺寸能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)需求。

4.3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)主要有整體式的框架結(jié)構(gòu)、疊合剪力墻結(jié)構(gòu)等。建筑工程項(xiàng)目中，每個(gè)工程建筑都有其特殊的結(jié)構(gòu)施工要求，不同的結(jié)構(gòu)體系內(nèi)包含的結(jié)構(gòu)模塊各不相同，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)模塊需選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。比如，在建筑結(jié)構(gòu)的平面部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)可以選用疊合板來實(shí)現(xiàn)，而剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，則應(yīng)通過預(yù)先制定疊合剪力墻來完成。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)化中，針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，可以從以下3 方面來開展：（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系中的承重墻板。整個(gè)裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系中，承重墻板是重要構(gòu)成要素。為保持結(jié)構(gòu)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，一般將承重墻搭建在兩側(cè)山墻上，隨后利用專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，利用軟件中的相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)整體的內(nèi)力分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)，驗(yàn)證承重墻的豎向荷載和水平荷載能否符合總體的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。（2）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，不同結(jié)構(gòu)要素之間是通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)連接的。加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以在很大程度上提升結(jié)構(gòu)的整體性，發(fā)揮節(jié)點(diǎn)在內(nèi)力傳遞方面的作用，各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接處，應(yīng)保障連接的穩(wěn)定性與可靠性。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)吊裝、運(yùn)輸和安裝方面的因素。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用分塊設(shè)計(jì)的方式，應(yīng)充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況、承重墻板拼接位置等基本要素，在豎向拼縫的設(shè)置時(shí)，盡量避開剪力墻邊緣構(gòu)件位置。

在裝配式建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)該注意：（1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)該與結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)一致。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架梁、框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)，均應(yīng)在C30 以上。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的開展過程中，尤其要以平面設(shè)計(jì)原則作為指導(dǎo)，框架梁、框架柱中心線要保持重合，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，梁柱中心線無法保持重合，在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中應(yīng)考慮偏心因素的影響，而豎向構(gòu)件之間應(yīng)上下對(duì)齊。（3）預(yù)埋件設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)處理好各個(gè)預(yù)埋件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，保障預(yù)埋件的位置和尺寸。

4.4 預(yù)制構(gòu)件拆分把控

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件非常復(fù)雜，包含的預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)裝配式建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解清楚在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)哪些屬于現(xiàn)場(chǎng)澆筑構(gòu)件，哪些屬于預(yù)制構(gòu)件。一般的裝配式住宅建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重水平構(gòu)件預(yù)制技術(shù)的選擇，尤其要注重疊合板、陽臺(tái)、樓梯等的科學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件來進(jìn)行各個(gè)構(gòu)件的科學(xué)使用，通過科學(xué)地規(guī)劃與布局，節(jié)約空間和成本。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的同時(shí)，同樣要對(duì)比預(yù)制外墻和承重內(nèi)墻、非承重內(nèi)墻的預(yù)制，以減少整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中的支架數(shù)量。

4.5 優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到裝配式建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。在傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，一般選用的是鋼筋或者套筒連接方式，這些連接材料的價(jià)格偏高，也就導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工成本較高。從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提高節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，可以通過優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件之間、預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接方式來最大限度地提高結(jié)構(gòu)性能。

5 結(jié)語

綜上所述，裝配式建筑結(jié)構(gòu)具有更為突出的優(yōu)勢(shì)，工程企業(yè)在開展裝配式建筑施工建設(shè)的過程中，應(yīng)根據(jù)總體的建筑建設(shè)需求，堅(jiān)持實(shí)用性、可行性、安全性的設(shè)計(jì)原則，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，充分提升裝配式建筑的結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)一步促進(jìn)裝配式建筑社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的提升。