装配式混凝土住宅建筑结构设计分析

□□ 张丽娜，李龙飞，余 洋，刘 勇 (中机十院国际工程有限公司，北京 100083)

引言

近年来，装配式建筑在政策支持和科研支撑方面都有了很大的进步。2017年，住房城乡建设部印发了《“十三五”装配式建筑行动方案》，进一步明确了“十三五”期间装配式建筑的发展目标，到2020年全国装配式建筑将占新建建筑的15%以上，其中重点推进地区将达到20%以上，积极推进地区达到15%以上，鼓励推进地区达到10%以上。目前全国已有30多个省市出台了装配式建筑的指导意见和相关配套措施，不少地方更是对装配式建筑的发展提出了明确要求。

1 装配式建筑的主要特征

装配式混凝土住宅建筑与传统建筑相比，具有建筑设计标准化、部品生产工业化、现场施工装配化、结构装修一体化、过程管理信息化等五大特点。这些方面主要体现在设计、施工、装修、验收以及管理阶段，具体对比见表1。

2 装配式混凝土建筑结构设计要点

2.1 结构技术体系

目前，我国装配式混凝土住宅常用的结构体系主要有：装配整体式混凝土剪力墙结构、装配整体式混凝土框架结构以及装配整体式叠合剪力墙结构。

从结构的抗震性能和安全性考虑，装配整体式剪力墙结构是目前住宅类建筑采用的主要体系，其将剪力墙、梁以及板作为主要受力构件，采用预制混凝土墙板、叠合板(部分采用叠合梁)等形成的装配式混凝土结构。设计时应注意预制剪力墙的横纵布置，从外墙保温、装饰一体化及现场装配施工角度考虑，一般优先采用外围护预制剪力墙结构，而不选择内部预制剪力墙结构。

表1 装配式混凝土住宅建筑与传统建筑相比

装配整体式混凝土框架结构，预制梁、板、柱相比于预制剪力墙而言，质量更轻、运输更方便，因而装配整体式混凝土框架结构在预制装配式建筑中应用较为普遍。因预制梁、板、柱都需要在工厂制造并预留叠合层的钢筋，因而为了保证结构的整体性，施工时需特别注意每个叠合梁、叠合板的中轴线应在同一水平上，避免产生偏差。同时，整个结构的支撑系统支撑能力应满足施工过程中的承载能力要求。

装配整体式叠合剪力墙结构是采用部分预制、部分现浇工艺生产的钢筋混凝土剪力墙，包括双面叠合剪力墙和单面保温叠合剪力墙两种形式。因其构件质量轻，对运输和起吊设备要求低、容错性强、防水性能好，但相比其他两种装配式结构，其用钢量相对较大，成本较高，目前工程应用相对较少。

2.2 结构布置

装配式混凝土住宅建筑的结构布置应结合装配化考虑，不能先按现浇设计，再拆分。一般结构布置可分为装配和现浇两部分，对于装配式混凝土住宅建筑的地下室部分，剪力墙结构底部加强部位的剪力墙以及框架结构首层柱均宜采用现浇，电梯井筒也宜采用现浇。装配式混凝土住宅建筑的楼板宜采用叠合楼板，结构的转换层、平面复杂或开间较大的楼层、作为上部结构嵌固部位的地下室楼层宜采用现浇楼板，楼板与楼板、楼板与墙体间的接缝应保证结构安全。承重的预制外墙等竖向构件宜上下连续，沿两个方向布置，截面宜简单而规则，预制墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置，不宜采用转角窗，门窗洞口的平面位置和尺寸应满足结构受力及预制构件设计要求。在发生竖向承载力或刚度突变的位置可局部采用现浇结构，总之，装配式混凝土结构的布置应严于现浇混凝土结构。

2.3 结构计算

装配式混凝土建筑在设计过程主要需要进行结构主体受力计算、接缝承载力的验算以及脱模起吊、运输、堆放等施工阶段的验算。其中，结构主体计算分析等同现浇建筑的设计方法，但需对现浇墙肢地震力进行放大，周期比和位移比等进行调整。此外，预制墙板水平接缝的受剪承载力计算时，需考虑墙板受拉时的折减以及对底部加强区预制墙板接缝的承载力进行复核。另外，需要进行补充计算分析，如构件施工阶段需要对构件重心及吊点进行设计和验算、结构使用阶段预制梁竖向接缝及预制墙、柱水平接缝进行验算以及连接节点计算等。计算过程中，窗洞口下墙体刚度对结构整体刚度的影响不容忽视，宜按照在楼层顶面标高处设缝的双连梁进行设计。预制墙板较长时，在预制墙板中部设置结构洞可以降低结构刚度，使得结构刚度更为合理。洞内填聚苯板可以减轻墙板的质量，但若结构计算中仅考虑结构洞口、不考虑聚苯板的作用，则结构刚度计算与实际相差较大。

2.4 预制构件

装配式混凝土住宅建筑为了体现少规格、多组合及模块化的设计原则，应根据建筑特征、结构体系以及预制装配率等方面择优选择预制、装配部品构件，以提高构件的重复利用率，降低工程造价。根据建筑主体结构形式及使用功能选择模数协调、适合装配、便于重复生产的部位做为预制构件，如墙板、楼板、框架梁和柱、楼梯、空调板、阳台板等，这些部品部件不仅容易实现标准化，还能大大地减少模板的使用量(如预制叠合式楼板)，减少脚手架的使用量(如保温与装饰一体化的预制外墙板)，使得装配式建筑安装施工所用的工期缩短，施工效率提高，后期维护成本降低。

2.5 预制构件拆分

对预制构件进行科学拆分是装配式建筑标准化设计的核心环节。一般可通过对主体结构受力情况的分析来确定构件的拆分部位，进而根据模数协调原则对预制构件进行拆分。拆分的原则应以有利于构件的标准化为主，最大限度地减少预制构件的种类，统一构件规格，提高重复率，降低建筑的综合成本；其次，预制构件的拆分应有利于工厂对于构件的生产、运输、吊装以及构件的现场安装，应以混凝土构件易堆放，省空间为原则，做到不超宽、不超高、不超重，便于蒸养、吊装和运输。除此之外，同样截面尺寸预制构件的钢筋数量及间距宜尽量一致，避免边模过于多样化，从而严重影响生产效率，吊装时也极易出错。总之，合理地选择构件的拆分方案，实现装配式建筑的标准化设计，提高构件的重复利用率和通用性，才能降低加工、施工成本，达到装配式建筑设计的目的。

3 结语

总之，结合国家及地方政策，从建设单位需求出发，选择适宜的装配式住宅建筑结构体系，配合装配率及预制率进行合理地结构布置，选择合适的预制构件，进而通过精确的结构计算及预制构件的拆分进行装配式建筑的结构设计，进而指导装配式建筑施工图的设计。