浅议装配整体式混凝土结构设计

聂 宏 星

(容海川城乡规划设计有限公司，山西 太原 030027)

相比传统建设方法，装配整体式混凝土结构生产效率高、施工速度快，既节省模板，降低工程费用，又具有外装饰效果，适合工业化生产，故在现代土木工程中得到越来越多的应用[1]。然而，就目前来看，其作为一种新型建筑结构，设计方法还不是很成熟，设计方案的科学性尚欠缺，应用的案例及可利用经验也较少。因此，对其设计方法及要点进行分析与探讨，提高设计方案的科学性、合理性及可操作性，已迫在眉睫。

1 装配整体式混凝土结构及其特点

1.1 装配整体式混凝土结构

装配整体式混凝土结构是为提高工程的整体性和抗震性，由预制混凝土构(部)件通过连接并现场浇筑混凝土而成[2]。现阶段，装配整体式混凝土结构发展迅速，在现代土木工程中得到越来越多的应用。

1.2 装配整体式混凝土结构特点

装配整体式混凝土结构结合了现浇整体式和预制装配式的优点，其具有如下优点[3]：

1)工业化生产。

装配整体式混凝土结构由于“装配”而来，具备装配结构的一般特点，即所需各种预制构件可直接在工厂中统一生产，有效提高生产效率。

2)产品质量佳。

通过工厂工业化生产，能够更为严格的控制构件尺寸与外观，各项参数更为准确，使其可实现集约化管理，提高预制件的质量，降低对工程结构性能的影响。

3)成本费用低。

装配整体式混凝土结构工业化生产使其资源利用率及生产率更高，从而可以降低成本。

4)施工难度小。

装配整体式混凝土结构由于“装配”性能，使其便于施工，即通过对施工人员简单培训，便可实现预制构件的连接与安装，并且，因为作业工序的减少，现场监督管理难度也更低。

5)外部干扰少。

装配整体式混凝土结构设计时，设计人员可将各种给排水、供电管道等与主体工程有效结合，减少不同项目之间的相互干扰，保证结构在施工中顺利实施。

然而，作为新生事物，装配整体式混凝土结构仍具有以下缺点：

1)设计难度大。

装配整体式混凝土结构是我国一个新的建筑结构，多数设计人员尚缺乏相关经验，也未形成完整的体系与规范，对于想要达到理想的设计目标而言，还存在一定难度。

2)整体性较差。

相比传统工程结构来讲，由于装配整体式混凝土结构需要进行后期拼装，加之一般建筑工程结构具有庞大的特点，故整体效果存在一定差距。

3)运输限制多。

由于装配整体式混凝土结构不同于现浇结构，其经过工业化生产还需要运输到现场进行组装施工，会有运输费用的增加；同时，为了保证构件拼接时的完好性，预制构件运输时要严禁任何因素造成损坏。因此，装配整体式混凝土结构运输时，需充分考虑各影响因素及预防措施，尽量短距离运输，降低运输成本的同时，保证质量的完好，以备正常使用。

2 国内外装配整体式混凝土结构常用的设计方法

2.1 国外设计方法

科学、合理、可行的设计方法是保证装配整体式混凝土结构被广泛应用于实际建筑的基础。目前，国外采用的设计方法与整体现浇式大有不同，其采用的是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的基于性能的设计方法[4]。采用此方法设计的装配整体式混凝土框架结构，在地震等外力作用下，弹塑性变形发生在构件的连接区域，而基本不会发生在构件本身上，外力下损坏也是如此。可以说，这种设计方法使结构在地震下具有相当强的可修复性。

2.2 国内设计方法

与国外相比，国内目前采用的设计方法不如国外先进与成熟。国内的设计方法与整体现浇混凝土结构的设计方法类似，只是相对增加了设计任务的工作量，增多了设计过程中考虑的因素，并针对工程建设的具体实际情况，加强了设计阶段各专业及各阶段参与方的协作等，此方法设计的建筑结构，地震作用下易使预制构件发生破坏[5]。因此，对于我国而言，目前加强装配整体式混凝土结构的设计研究，促进结构的整体性、稳定性及抗震性已势在必行。

3 我国装配整体式混凝土结构发展现状

装配式混凝土结构是由预制混凝土构(部)件连接、装配而成，具有改善质量、缩短建设周期、节约能源和清洁生产等优点。20世纪末开始尤其是近10年，随着建筑业“四节一环保”可持续发展要求的提出，以及结构设计技术、材料技术、施工技术的进步，作为装配式混凝土结构的重要方面，装配整体式混凝土结构在国内建筑业发展迅速。目前，为了配合和推广装配整体式混凝土结构技术的应用，在国家和各地政府建筑产业现代化政策支持下，我国根据装配式结构的特点制定了相应的规范和规程，如JGJ 1—2014装配式混凝土结构技术规程、JGJ 355—2015钢筋套筒灌浆连接应用技术规程等[6]。然而，由于装配整体式混凝土结构是为提高工程的整体性和抗震性，由预制混凝土构(部)件通过连接并现场浇筑混凝土而成，其在现阶段虽然发展迅速，应用也极为广泛，但也存在自身的缺陷，如整体性较差、设计难度大等。因此，新形势下，在装配整体式混凝土结构设计中，应充分考虑“装配”及“整体”等特点，贯彻结构整体性的概念设计，使其能够更好地实现质量、工期、成本和环保等方面要求。

4 改善我国装配整体式混凝土结构设计方法及要点探讨

4.1 整体现浇混凝土结构设计

整体现浇混凝土结构设计是装配整体式混凝土结构设计的重要环节及第一步，因此，应根据设计相关规范及实际情况，完成一个初步的、可靠的设计方案，为装配整体式混凝土结构设计打下坚实的基础。

4.2 预制构件拆分与归并

预制构件拆分与归并是装配整体式结构设计的另一重要环节，设计时需注意如下几点：

1)预制构件拆分之前，设计人员需与施工方进行沟通，考虑施工条件(如预制构件的吊具及承载能力等)，或者征得业主的同意(具体施工单位不确定时)之后，根据标准、规定及一般施工水平，对构件进行拆分与归并设计；

2)设计人员应掌握预制构件制作方的制作方法和加工精度，同时对整体现浇混凝土结构设计的初步方案进行分析，了解方案中梁、板等的功能和安装部位及各部位相互联系，以便制定预制构件的安装方法和装配方案；

3)由于装配整体式混凝土结构有着自身的特点，拆分和归并后的预制构件尽可能的保证截面形状相同，尽可能减少弯钩的数量，同时，种类要尽量减少，遵循“少规格、多组合”基本原则，从而减少模板的种类，以便于实际施工阶段能顺利完成预制构件的安装和装配；

4)浇筑完后，预制构件需要通过交通工具送到施工现场，为了提高工程质量及整体性，预制构件拆分与归并还应满足运输、堆放及质量的控制要求；

5)拆分与归并完毕后，在进行下一环节之前，需用整体现浇混凝土结构设计方法进行重新计算，并根据结果，正常进入下一环节，或者有针对性的调整拆分与归并方案，直至满足设计要求等。

4.3 三维碰撞检测

预制构件的拆分与归并完毕后，便可进入预制构件的装配环节。为了保证实际施工过程中，预制构件的装配能顺利进行，应采用一定的技术如BIM技术等在装配整体式混凝土结构的设计过程中增加碰撞检测。具体设计过程如下：

1)选择需要进行的测试项目；

2)根据要求设置碰撞检测的规则；

3)查看三维碰撞检测结果；

4)生成碰撞检测报告。

4.4 预制构件深化设计

在装配整体式混凝土结构设计中，预制构件深化设计尤为重要，其包括钢筋组装图、模具图和吊装图设计等。实际工程中，预制构件的深化设计由构件厂完成。其注意点分别如下：

1)钢筋组装图设计是重点，要对每种类型钢筋进行编号标示，且保证编号唯一，不能错乱，以为预制构件深化设计打下坚实的本质基础；

2)模具设计时，要对其强度、刚度及稳定性进行计算，并应保证模具和构件连接紧密和混凝土的养护；

3)吊装图设计包括竖向构件和水平构件的吊装设计，设计时需注意构件的堆放、吊具的种类和承载力及吊环对构件运输和装配的影响。

4.5 抗震结构设计

装配整体式结构因整体性较低，抗震能力相对不足，故为达到工程安全性与稳定性目标，保障人们人身与财产安全，装配整体式混凝土结构应尤其重视抗震结构设计。具体的抗震结构设计人员应注意以下几点：

1)应详细了解抗震规范，保障工程设计满足相关规范；

2)需总结各项数据，综合分析实际情况，不断完善抗震设计方案；

3)应提高建筑平面的对称性与规则性，以平均分配由于地质变化等引起的应力改变，同时保证竖向抗侧力构件的均匀性与连续性，有效提高工程整体性，保障工程抗震能力；

4)选择应用桩筏基础结构建设，减少常见的不均匀沉降问题发生；

5)用多螺式柱箍筋加强混凝土结构约束力，提高构件抗震性能；

6)对剪力墙与框架柱的轴压比进行科学计算，同时保证预制构件结合部位、叠合梁及板现浇部分的密实度，并依照双重抗侧力结构的要求设计工程，以保障建筑工程的抗震性满足要求等。

4.6 关键构件与节点的连接设计

为保障构件间连接的合理性及工程整体性，设计人员应根据工程实际情况，做好装配整体式结构关键构件与节点的连接设计。具体设计注意事项有：

1)多螺箍筋柱设计时，要注意大小螺旋箍筋之间的交汇面积；

2)叠合楼板设计时，可将楼板的表面设计为大小与凸凹低于4 mm的人工粗糙面，以满足楼板抗剪力的需求；

3)竖向结合面设计时，应根据叠合层混凝土各参数性能，计算各种预制构件所需要的抗剪值以提高工程整体质量；

4)在设计梁、柱间的节点时，应首先考虑节点的抗剪设计，同时，对节点核心区纵横方向采取等高截面，减少可使用模板类型，并有效控制预制构件成本；

5)连接部分设计时，预制板中的钢筋应长于构件的断部，以避免碰撞而影响施工。此外，还应利用附加接缝钢筋对连接进行处理提高连接力度，采用一笔箍方式提高箍筋保护层效果等。

5 结语

装配整体式混凝土结构作为一种新型建筑结构，具有众多优势，符合我国绿色建筑标准及新时期建筑业的发展方向。然而，我国装配整体式混凝土结构目前应用所累积的经验尚不足，存在设计难度大、整体性较差、运输限制较多等缺陷。因此，相关设计人员还需积极学习国外先进理念，从四大环节及抗震结构、关键构件与节点连接设计等方面，对其做好各细节控制及优化设计，提高我国装配式建筑结构设计的合理性，推动其可持续发展。