装配整体式混凝土框架结构设计方法研究

杨 旭 李晨光 邓思华

(1.北京建筑大学，北京100044;2.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京100039)

引言

装配整体式混凝土结构由预制混凝土构件或部件通过各种可靠的方式进行连接并与现场后浇混凝土形成的装配式混凝土结构。它是实现住宅产业化的一部分，也是现代建筑最为重要的结构形式之一。

目前，国外装配整体式混凝土框架结构采用的设计方法[1][2]是基于性能的设计方法，该方法与整体现浇混凝土结构的设计方法有很大的不同，它具有优良的非线性特性。在线弹性范围内，结构的恢复性能良好;地震作用下，弹塑性变形发生在构件的连接区域，而构件本身并不会发生破坏，并且当地震发生之后，只需要对预制构件连接处的受损部分进行更换或者修复，即可正常使用。

国内目前采用的装配整体式混凝土框架结构的设计方法是建立在整体现浇混凝土框架结构的基础之上的。利用该设计方法设计的建筑结构，地震作用下容易使预制构件发生破坏。

本文研究的装配整体式混凝土框架结构设计方法，主要包括四个环节:即整体现浇混凝土框架结构设计阶段、预制构件拆分与归并阶段、三维碰撞检测阶段和预制构件深化设计阶段。

1 整体现浇混凝土框架结构设计

本阶段与整体现浇混凝土框架结构的设计方法一致，即当设计人员得知业主的设计要求以后，根据要求，采用整体现浇混凝土框架结构设计方法，完成一个初步的设计方案。

2 预制构件拆分与归并

当初步的设计方案完成以后，需要按照以下几个原则完成预制构件的拆分和归并:

1)预制构件拆分之前，设计人员需要与负责同一项目的施工方进行沟通，如果施工方尚未确定，应在业主的同意的前提下，以一般施工水平为准，确定此环节需要考虑的施工条件。譬如，预制构件的吊具及承载能力等等;

2)拆分和归并后的预制构件尽可能地保证截面形状相同，长度方向可自由调整，这是构件拆分时的基本原则;

3)拆分和归并后的预制构件，构件种类要尽量减少，从而减少模板的种类，提高模板使用率;

4)了解初步设计方案中各个位置中梁、板、柱的功能和联系，同时应了解预制构件制作方的制作方法和加工精度等内容，以便于制定预制构件的装配方案;

5)应满足运输、堆放、安装及质量的控制要求。

依据上述原则，预制构件拆分与归并完毕以后，需要利用整体现浇混凝土框架结构的设计方法进行重新计算，如果计算结果合理，满足现行规范的设计要求，可以进行下一环节，否则，需要根据计算结果，有针对性地调整预制构件的拆分与归并方案，进行再次计算，直至计算结果满足设计要求为止。

3 三维碰撞检测

当拆分与归并后的装配整体式混凝土框架结构满足设计要求以后。为了避免施工过程中，预制构件的装配不能顺利进行，特别是预制构件外伸的钢筋发生彼此碰撞，应当在装配整体式混凝土结构的设计过程中增加三维碰撞检测环节。

随着BIM(Building Information Modeling)技术的不断发展和大力推广[3]，空间可视化设计有了强有力的技术支持，因此也使得装配整体式混凝土结构构件之间的三维碰撞检测变得简单易行。

装配整体式混凝土框架结构的三维碰撞检测可以采用 Autodesk Revit Structure[4]和 Autodesk NavisWorks[5]进行。

(1)Autodesk Revit Structure和Autodesk Navis-Works

Revit Structure是一款专门为结构工程师提供结构设计与出图的强大工具，它将多材质的物理模型与独立、可编辑的分析模型进行了集成，可实现结构建模和结构文档的准备，并为常用的结构分析软件提供双向链接，它通过参数驱动模型即时三维呈现结构工程师的设计，实现在施工前对建筑结构进行更加精细的可视化设计。它可以通过协同工作跟建筑师、水暖工程师进行多专业协调工作;“一处修改，处处更新”的理念，最大程度地减少了项目设计变更中的失误，极大地提高了工程师的设计效率(图1)。

Autodesk NavisWorks能够再现设计意图，制定详细的四维施工进度计划，实现施工项目的可视化。在项目动工之前，设计人员即可在真实的环境中体验所设计的项目，实现冲突检测，并提供审阅解决方案，提高施工文档的一致性、协调性和准确性，简化贯穿企业与团队的整个工作流程，帮助减少浪费、提升效率，同时显著减少设计变更，更加全面地评估和验证所用材质和纹理是否符合设计意图。

图1 三维模型图

(2)三维检测方法

三维碰撞检测时，首先应该利用Autodesk Revit Structure软件进行三维建模，然后利用Autodesk NavisWorks软件中的“Clash Detective”模块进行三维碰撞检测。

Autodesk Navisworks中的“Clash Detective”工具可以有效的识别、检查和报告三维项目模型中的碰撞，有助于降低模型检测过程中出现人为错误的风险。

三维碰撞检测的具体步骤如下:

1)从批处理中选择需要进行的测试项目;

2)根据检测要求设置碰撞检测的规则;

3)选择要在碰撞检测中包括的所需项目，然后设置检测类型选项;

4)查看三维碰撞检测结果;

5)对碰撞检测的结果进行排序，以表格的形式列出碰撞检测结果，进而根据使用者需求，选择指定的格式生成碰撞检测报告。

4 预制构件深化设计

预制构件的深化设计是装配整体式混凝土结构设计过程中最为重要的一个环节。预制构件深化设计的深度应满足建筑、结构和机电设备等各专业以及构件、制作、运输、安装等各环节的综合要求。

深化设计阶段主要分三个阶段，即钢筋组装图设计、模具图设计和吊装图设计三个环节。

(1)钢筋组装图设计

预制构件的深化设计图本质上是钢筋的组装图。本环节需要对每种类型的钢筋进行编号标示，且保证编号唯一(图2)。

(2)模具图设计

图2 钢筋组装图

钢筋组装图设计完成后，设计人员需要根据预制构件的尺寸及配筋完成预制构件模具图;根据预制构件的装配方法完成预制构件装配模具图。

模具设计过程中，必须要对模具的强度、刚度以及稳定性进行计算，以防止构件制作过程中水泥砂浆从预制构件面和模板的连接面处溢出，同时应保证模具和构件连接紧密和混凝土的养护(图3)。

当预制构件装配模具图设计时，由于后浇混凝土在连接部位使用的混凝土量较少，对模具的侧面压力也较小，设计时，可以适当对模具的强度和刚度进行折减，但必须保证浇筑混凝土时模具不能发生移动或者膨胀。

(3)吊装图设计

吊装图设计是装配整体式混凝土结构设计中的一项重要环节。本环节主要包括竖向构件的吊装设计和水平构件的吊装设计(图4)。

在具体设计过程中需要考虑以下几个因素:

1)吊具的种类和承载能力;

2)预制构件上的吊环对预制构件的运输和装配的影响;

3)预制构件的堆放和运输。

5 装配整体式混凝土框架结构设计总结

设计人员在设计过程中需加强与同一项目施工方的沟通，了解施工水平，以便于项目能够顺利完成;同时应了解预制构件的安装和装配方法，以保证设计完成的预制构件不影响节点的装配。

三维碰撞检测阶段，要尽可能细化模型分类，便于操作和定位;同时，当模型载入NavisWorks时，应先漫游一下模型，找出一些明显的问题，调整以后再使用“Clash Detective”，这样可以减少一些碰撞检测。

设计人员设计完成的预制构件图，应保证预制构件装配时，外伸钢筋不发生碰撞，同时应预留一定的设计公差，避免生产环节发生事故;设计完成的模具图，在满足功能要求基础上，尽可能地提高模具使用的重复率和易操作性;预制构件深化设计时，预制构件深化设计图要明确标明预制构件与后浇混凝土结合面的制作形式及方法，准确传达出设计意图，以保证施工的便捷性和结构的抗震性能。

图3 模具图

图4 吊装图

[1]社团法人预制建筑协会.预制建筑总论:预制建筑技术集成[M].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[2]社团法人预制建筑协会.预制建筑技术集成[M].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[3]苏骏，叶红华.基于BIM的设计可视化技术在世博会德国馆中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2009(1):87-91.

[4] Autodesk Asia Pte Ltd.Autodesk Revit Structure 2012应用宝典[M].上海:同济大学出版社，2012.

[5]韩克勇.NavisWorks在项目设计和施工中的应用[J].城市建设理论研究(电子版)，2013，(11).

[6]龚志宏.装配式住宅中预制构件的施工技术[J].科技资讯，2010，22:81-82.

[7]陈介华.预制装配式住宅施工技术的研究[J].建筑施工，2013，06:552-553+556.