石曉飛

中鐵十一局集團第五工程有限公司 重慶 400037

引言

裝配式建筑是指由預制構件通過可靠的連接方式連接在一體建造而成的建筑，按照結構體系分類，有框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、筒體結構、無梁板結構、預制鋼筋混凝土柱單層廠房結構等[1]。與現(xiàn)澆混凝土建筑相比，裝配式建筑的優(yōu)點非常多，不僅可提高現(xiàn)場施工效率，縮短總施工工期，減小構件表面后期修補的工作量，還可節(jié)約大量的建筑材料，從而減少碳排放，在工程領域為國家早日實現(xiàn)碳中和做貢獻。

1 裝配式結構設計案例

1.1 工程概況

本工程為重慶第二交通技工學校實訓樓項目，地下2層，地上14層，地下建筑面積2361m2，地上建筑面積17625m2，結構體系為框架-剪力墻結構，建筑高度為49.950m。抗震設防烈度為6度（0.05g），抗震設防類別為乙類，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s，基本風壓為0.40kN/m2。

圖1 實訓樓效果圖

本工程地下1～2層為車庫，地上1~3層為局部凸出的底部裙樓，主要功能為供在校學生進行學習培訓使用的實訓教室，建筑面積為50～400m2不等。上部4～14層為標準層，主要功能為休息室。根據(jù)《重慶市裝配式建筑裝配率計算細則（2021版）》計算，本工程整體裝配率為52.8%，可認定為裝配式建筑。本文主要對標準層的疊合樓板結構設計進行探討分析。

1.2 設計方案

本工程墻、柱、梁等抗側力構件均為高精度鋁?，F(xiàn)澆混凝土，部分水平構件為預制構件。裝配率主要體現(xiàn)在：樓板、陽臺板等水平構件采用預制裝配式疊合樓板，抗震墻、框架柱、框架梁等受力構件采用高精度鋁模施工工藝，非承重外圍護墻采用現(xiàn)場吊裝的預制外墻板，內隔墻采用輕質ALC條板并且實現(xiàn)了管線一體化，標準層休息室的獨立衛(wèi)生間均為集成衛(wèi)生間，樓棟內部采用全裝修。除此之外，BIM三維建模技術的使用，及BIM數(shù)據(jù)在設計、生產、施工階段的有效傳遞，實現(xiàn)了現(xiàn)場施工作業(yè)行為和管理行為的數(shù)字化，為本工程的建造過程增添了智慧。

1.3 疊合樓板結構設計

樓板作為將樓面恒、活荷載傳遞至梁上的關鍵水平構件，其重要性不言而喻。本工程采用預制底板+現(xiàn)澆面層的疊合樓板結構形式，其中預制底板厚度為60mm，現(xiàn)澆面層厚度為70mm，預制底板在工廠制作完成后運送至施工現(xiàn)場進行吊裝拼接。預制底板采用四周出筋的形式，被拆分底板采用后澆帶式的連接方式，寬度為300～320mm，鋼筋彎折135°相互綁扎后澆混凝土封閉。林彥等對后澆帶式疊合樓板進行破壞性加載試驗結果表明，拼縫范圍內預制底板受力鋼筋的應力較小，彎矩主要由構造設置的附加鋼筋承擔[2]，接縫的數(shù)量、位置，以及后澆混凝土層的厚度均會對接縫處的抗彎剛度有一定影響[3]。因此拼縫應設置在板受力較小處以減少鋼筋用量、減小裂縫寬度，且預制底板的拆分應滿足“少規(guī)格，多組合”的原則。

預制疊合樓板適用于除去結構轉換層、平面復雜或開洞較大的樓層以及作為上部結構嵌固部位的地下室樓層，本工程2～14層樓面板均采用疊合樓板的形式進行設計。

根據(jù)對以上對疊合樓板結構設計，總結出以下要點：①混凝土強度不小于C30，為增加預制板與現(xiàn)澆層的抗剪能力，預制底板應留設不小于結合面面積80%且不小于4mm凹凸深度的粗糙面。②疊合樓板配筋計算與現(xiàn)澆板相同，最小構造配筋率應滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的數(shù)值max{0.15，45ft/fy}%。③鋼筋桁架的布設應沿主要受力方向或平行于板長邊方向，還應滿足距離板邊≤300mm且間距≤600mm的規(guī)定。④跨度小于3m的疊合板，可不需布設桁架鋼筋或只在跨端附近各設一道兼做吊點的鋼筋桁架即可。

2 BIM技術在本工程中的應用

為了提升結構設計的有效性，提高裝配式建筑的設計精度，各專業(yè)設計人員將三維BIM技術應用于本工程初步設計階段的深化分析。首先，根據(jù)本工程實際概況，明確了建筑、結構、水、暖、電各專業(yè)的分析流程，創(chuàng)建網(wǎng)格及樓層線，再導入各專業(yè)二維CAD設計圖紙，從而搭建本工程三維BIM模型。開展三維可視化設計，從而明確了建筑空間與各專業(yè)之間的系統(tǒng)關系，充分地考慮了水、暖、電專業(yè)的預留、預埋，以及明確了重要結構連接節(jié)點的三維分析和輔助設計，對管線綜合碰撞檢查，進而提高了整體設計效率。

結合本工程的裝配式設計工作，設計人員既要保證結構整體受力及抗震性能符合規(guī)范要求，各結構構件受力合理，又要對建筑平面布置進行合理的優(yōu)化，還要深入了解裝配式構件的生產技術要求，協(xié)調好設計、生產、施工環(huán)節(jié)之間的關系，必須保證各環(huán)節(jié)之間銜接無誤。本文在此基礎上總結了保證裝配式建筑現(xiàn)場準確施工在前期設計時應重點做好的五個階段。

第一階段：方案設計。

與全現(xiàn)澆混凝土建筑設計相比，裝配式建筑的設計流程更加精細和全面，對設計人員的技術能力要求也更高。在方案設計階段，建筑方案策劃對項目的實施起到了非常關鍵的作用。設計單位應充分考慮到項目定位、建設規(guī)模、裝配化目標、成本限額以及各種外部條件影響因素，制定合理的建筑概念方案，優(yōu)化建筑平面布置，提高預制構件的標準化程度，增強工程建設的經濟性與合理性，為后續(xù)設計階段的工作提供設計依據(jù)。

第二階段：初設、施工圖設計。

初步設計階段應協(xié)調各專業(yè)技術要點，優(yōu)化構件規(guī)格種類，“少規(guī)格、多組合”，考慮管線預留預埋，與各專業(yè)進行協(xié)同設計，進一步細化和落實所采用的技術方案的可行性。同時還對參建各方主體工作的協(xié)同性提出了更高的要求，建筑結構設計與預制構件生產的協(xié)同，內部裝修與工廠生產的協(xié)同，主體結構施工與內部裝修施工的協(xié)同等。

施工圖設計應按照初步設計階段制定的技術措施進行設計，形成完整可實施的施工圖設計文件。落實初步設計階段的技術措施，配合內裝部品的設計參數(shù)，協(xié)調設備管線的預留預埋；推敲節(jié)點大樣的構造工藝，考慮防水、防火的性能特征，滿足隔聲、節(jié)能的規(guī)范要求。

第三階段：預制構件深化設計。

建筑專業(yè)可根據(jù)需要提供預制構件的尺寸控制圖，構件加工圖紙可由設計單位與預制構件加工廠配合設計完成，同時可采用BIM技術，提高預制構件設計完成度與精確度，減小因設計人員的認為疏忽導致的管線碰撞等問題。

第四階段：內部全裝修設計。

裝配式建筑的內裝修設計應遵循建筑、裝修、部品一體化的設計原則，應滿足現(xiàn)行國家規(guī)范標準要求，達到適用、安全、經濟、節(jié)能、環(huán)保等各項指標的要求。

裝配式建筑的內裝修應采用工廠化生產的內裝部品，實現(xiàn)集成化的成套供應。部品和構件宜通過優(yōu)化參數(shù)、公差配合和接口技術等措施，提高部品、構件互換性和通用性。裝修部品應有限選用綠色、環(huán)保材料，并具有可變性和適應性，便于施工安裝、使用維護和維修改造。

第五階段：協(xié)同設計。

裝配式建筑的協(xié)同設計應充分考慮裝配式建筑的特點及項目的技術經濟條件，利用信息化技術手段實現(xiàn)各專業(yè)間的協(xié)同配合，保證內裝修設計、建筑結構、機電設備及管線、生產、施工形成完整的系統(tǒng)，利于實現(xiàn)裝配式建筑建造的設計技術要求。

建筑、結構專業(yè)：建筑體型規(guī)整、平面布置合理、門窗洞口成列布置、受力符合規(guī)范、豎向構件連續(xù)。

給排水專業(yè)：管井布置集中、管線減少交叉、優(yōu)選隔層排水、熱能一體設計。

暖通專業(yè)：分戶計量集中布置、設備精確定位、輻射供暖協(xié)調墊層、優(yōu)設分集水器、排風合理經濟。

電氣專業(yè)：暗裝設備不應連同、插座開關精準定位、電氣原件預埋預留、套管保護敷設管線、錨固段不應埋管線。

3 裝配式結構設計的重點環(huán)節(jié)

隨著近些年來我國對裝配式建筑的大力推進，不管是從國家還是各省市政府層面，裝配式工程的建造數(shù)量也在穩(wěn)步增長中，不僅局限于政府投資的一些公建項目，社會投資的公寓、住宅等民建項目中也應用的越來越廣泛。針對于此，設計人員應對工程設計階段以下環(huán)節(jié)進行重點把控。

3.1 優(yōu)化結構體系

結構體系的選定是結構優(yōu)化的重中之重，結構體系受到結構總高、層高、平面布置等多種因素的控制。結構體系大多在方案階段就已確定，合理的結構體系不僅能減小墻、柱等豎向受力構件的截面面積，還能減少預制構件的規(guī)格數(shù)量，從而能更大限度的節(jié)約工程總投資。本工程1～3層為實訓教室，4層以上標準層均為休息室，各房間面積相差不大，開間規(guī)整。本工程抗震設防烈度為6度（0.05g），平面長寬比為1.5，經對比后選取框架-剪力墻結構體系較合理，剪力墻核心筒在平面居中布置，框架柱布置在四周環(huán)繞，在限制了層間側移的同時也較好地控制了結構平面扭轉。經計算后底層框架柱截面尺寸最大僅800×800mm即可滿足安全要求，有效地減小了框架柱的截面尺寸。

3.2 優(yōu)化拆分位置，減少預制底板規(guī)格數(shù)量

疊合樓板的預制底板需在預制構件工廠中生產，周轉性模板工具的使用決定了造價成本，因此應以少規(guī)格、多組合、強連接的原則來對不同平面構件結構設計來進行整體優(yōu)化，才能體現(xiàn)出標準化、規(guī)范化、系統(tǒng)化的設計優(yōu)勢。本工程通過優(yōu)化房間的平面布局，調整框架梁的布置，來達到減少預制底板的規(guī)格數(shù)量。

3.3 優(yōu)化管線布設

當裝配式建筑未設計“管線分離”時，需要在疊合樓板中預埋機電、設備管線。線盒通過在預制底板上預留孔洞來實現(xiàn)，線管則在澆筑面層前固定在底板桁架鋼筋上。本工程搭建了三維BIM模型，設計人員根據(jù)電氣專業(yè)的要求，優(yōu)化了疊合樓板的拆分方案，就孔洞、線盒、套管等預留位置提前考慮，避免其落在預制底板邊緣。同時根據(jù)疊合樓板厚度130mm的限制，對電氣線路套管走向進行合理優(yōu)化，套管上下布設層數(shù)最多為2層，避免預埋管線后導致樓板超厚問題的產生。

4 結束語

綜上所述，通過對以上裝配式實際工程的結構設計分析可知，與現(xiàn)澆混凝土結構相比，裝配式結構設計有其典型的特點，不僅對結構設計從業(yè)人員的專業(yè)能力有著更高的要求，也對設計階段各專業(yè)間的協(xié)同性提出了更嚴的標準，同時也對設計、生產、施工等工程建設參與方的協(xié)同性提出了新要求。三維BIM軟件作為一個供各方協(xié)同設計的平臺，可在一定程度上避免由于人為核查引起的失誤，提高工程建造的準確度，降低建造成本。