装配式混凝土结构应用与设计关键点探讨

张红州

摘 要 装配式建筑因绿色化优势较为突出，在美国、日本等地得到广泛应用，且形成较为完善、规范、标准化的设计标准和有效的产业链。相比之下我国装配式建筑结构仍然处于推广阶段，探索空间还比较大，有必要在装配式建筑结构设计关键点的研究上多下功夫。基于此，通过査阅文献资料，结合装配式工程实例，介绍了装配式混凝土结构设计关键点及施工难点，可为类似的装配式结构设计提供参考，有利于提高工程质量。

关键词 装配式建筑;混凝土;关键点;结构设计

引言

装配式建筑从结构材料上一般分为：预制装配式混凝土结构体系、装配式钢结构体系、装配式混合结构体系。市场上传统土建企业占大多数，这些企业一般更愿意发展混凝土装配式建筑。本文对目前住宅建筑中应用最多的装配式混凝土结构设计进行讨论。

装配式混凝土建筑的主体结构系统，由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成。与现浇结构相比，装配式建筑具有工业化程度高、混凝土构件质量更好、现场噪声小、扬尘和建筑垃圾少、现场用工量明显降低等优势。顺应了国家发展装配式建筑的政策，正在各地得到发展和推广。

1装配式结构的分类和优点分析

1.1 装配式混凝土结构体系的分类[1]

按结构类型划分，常用装配式混凝土结构主要分为：装配整体式剪力墙结构、装配整体式框架结构、装配整体式框架-现浇剪力墙结构。装配整体式框架结构具有空间布置灵活、施工速度快等特点，目前主要被应用于商业、办公楼、厂房等建筑中。但该结构形式也存在一定的缺点，如建筑层数较多时，其抗震性能、适用性变差。

装配整体式剪力墙结构主要通过装配式墙体与后浇圈梁或水平后浇带、叠合板等构件构成，经过科学的设计，通过可靠的节点构造和现场浇筑，形成整体式结构。因刚度大、抗震性能好，具有剪力墙不突出室内空间的优点，在多、高层住宅建筑中应用较多。

装配整体式框架-现浇剪力墙结构体系，具备框架结构的空间布置灵活与剪力墙结构的抗震性能优越的双重优势，但同时也存在预制装配率低，节点连接部分构造复杂，施工难度大的缺点。

1.2 装配式结构的优点

在建筑行业的实际应用中，与现浇结构相比，装配式混凝土结构有很多的优点，主要体现在以下几个方面：

（1）缩短工期，装配式结构可以实现连续多个工程按照顺序完成施工，减少工程机械进场的数量，消除工序衔接的时间，实现立体交叉作业。另外，预制装配式结构避免了在施工现场的烦琐施工流程，建筑所用墙、柱、梁、楼梯等构件均能的工厂直接完成，大幅加快了施工速度。

（2）节能环保，与传统现浇混凝土结构相比，采用装配式建筑结构大多成品和半成品，不会产生大量废钢丝、废木材、废弃混凝土等建筑垃圾。同时，对耗材的需求量比較少，降低施工现场的噪声、粉尘、强光、污水等污染，从而达到节能环保的目的。

（3）保障工程质量和降低工程量，装配式结构大多数采用预制构件，直接由生产厂家加工生产，减少现场制作和拼接时间，大量减少了工程量。另外，传统施工中经常出现因施工人员素质、技术参差不齐而导致的质量、安全问题，而基于预制装配式结构的施工能有效提高工程质量，减少施工风险。

2案例设计分析

（1）工程概况。某工程为多层住宅，设置1层地下室，地上6层，层高3.2m，嵌固端位于地下室顶板。建筑结构安全等级按照二级进行设计，结构按照标准设防类进行抗震设防。该结构处于7度设防区，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度0.10g。拟采用装配整体式剪力墙结构，装配率不低于40%。

（2）设计原则。为使装配后的墙板整体性能等同现浇剪力墙结构，根据已有装配式剪力墙结构的工程实践经验及相关节点试验结论，本项目对预制剪力墙的选择采用以下原则：竖向受力相对较小，承重构件竖向应上下对齐无转换。方便现场装配连接，利于发挥预制结构精度高、质量好的部位。

（3）设计流程。与现浇结构相比，装配式结构的设计工作呈现出了流程精细化、设计模数化、配合一体化、成本精准化等特点。由于装配式建筑结构在建设的前期和设计阶段均需要水暖电各专业的参与，本工程项目结构设计阶段可以划分为5个过程，即前期策划阶段、方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段和深化设计阶段。装配式结构的前期设计过程中，需要根据建设的场地、项目定位、建设目标、成本要求等，制定全面的结构方案。在方案设计过程中，依据前期确定的技术措施，对工程项目进行科学设计，方案要符合建设单位对功能方面的需求，同时要符合当前国内规范和标准的要求。进而整体达到“少规格、多组合”的工程建设的要求，并满足工程建设的多中多样化与个性化的要求。对于构件的深化加工图设计过程中，要结合预制厂家共同完成，保证不同专业之间能够协同作业。

（4）结构方案及计算分析。根据以上原则和流程，考虑装配效率及成本因素，本工程采用装配式混凝土剪力墙结构。单体预制装配率大于40%。±0.00以下地下室采用全现浇钢筋混凝土结构，屋面采用现浇钢筋混凝土梁板结构。内外填充墙均采用蒸压轻质加气混凝土墙板，采用统一模数进行设计。套型、厨房、卫生间开间进深尺寸采用统一设计。套型平面规整，承重墙上下贯通，无结构转换，形体上没有过大凹凸变化，符合建筑功能和结构抗震安全要求。构件连接采用标准设计，符合安全、经济、方便施工要求。

通过节点的可靠连接，装配式混凝土结构采用等同现浇的设计分析方法。考虑到预制剪力墙的接缝对墙体抗侧刚度有有一定的削弱，应对弹性计算的内力进行调整。对现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力乘以1.1的增大系数。本工程在各种设计状况下，装配式结构预制构件的连接安全牢固是主要考虑的问题，通过连接节点合理的构造措施，保证其结构性能具有与现浇混凝土结构等同的整体性、延性、承载力和耐久性能。

为增强结构的抗震性能，在预制剪力墙转角、纵横墙交接部位设置高度250mm的后浇混凝土暗柱。各层墙顶设置连续的水平后浇带，屋面设置封闭的后浇钢筋混凝土圈梁。预制混凝土墙板接缝实现强连接，整体计算可按现浇剪力墙进行，并对接缝的受剪承载力进行验算。按弹性方法计算的风荷载或小震标准值作用下的楼层层间位移角限值控制与现浇结构相同。在结构内力与位移计算时，对于现浇楼盖和叠合楼盖，均可假定楼盖在其自身平面内为无限刚性进行整体结构分析。

（5）装配式剪力墙连接节点的设计。装配式剪力墙节点及接缝处的纵向钢筋连接形式主要有：机械连接、套筒灌浆连接、浆锚搭接连接。浆锚搭接连接具有易施工、易检测、易后补灌浆等特点。因本工程剪力墙直径较小，上下层相邻预制剪力墙纵筋连接采用約束浆锚搭接连。要求对预留孔成孔工艺、孔道形状和长度、灌浆料和被连接钢筋等，进行力学性能以及适用性的试验验证。保证接头承载力满足设计要求[2-3]。

（6）装配式预制构件设计。本工程装配式构件主要包括剪力墙、叠合梁、楼梯板、阳台、凸窗板等混凝土预制构件。地下室为现浇剪力墙结构，一至六层采用预制剪力墙结构，屋面采用现浇钢筋混凝土梁板结构。

预制剪力墙板上预埋窗框，窗框周边的缝打胶，避免雨水渗漏，确保门窗洞口的密闭性。预制剪力墙板生产时应以外侧作为模板面，保证外墙的平整度和感观效果。

叠合楼板的预制板厚度为80mm，叠合层厚度为70mm，在叠合层内预埋管线，通过管线综合设计，保证管线布置的合理、经济和安全可靠。

一层及以上的楼梯采用预制楼梯梯段，楼梯休息平合和结构梁为现浇混凝土。预制楼梯踏面采用倒角设计，在工厂一次加工成型防滑措施。预制楼梯用清水混凝土饰面，采取措施加强成品保护[4]。

工程采用外墙外保温做法，外墙保温材料采用40厚复合发泡水泥板（燃烧性能A级）。预埋窗框的预制外墙板，其窗洞口与窗框间的密闭性应满足窗的密闭性的相关要求。

3设计体会

预制构件质量和现场拼接现浇节点质量，是决定装配式混凝土结构质量的关键点。本项目施工过程中就出现预制构件精度不够，导致现场竖向构件钢筋位置不对应，无法准确连接。混凝土构件重量大，导致施工安装难度偏大。预制墙板安装时分仓、塞缝或坐浆要求不明等问题。

在较高的装配率时，装配式混凝土造价偏高，甚至高于装配式钢结构建筑。在保证节点安全的同时，如何提高节点的施工质量、施工效率和降低成本是需要进一步详细的研究。

4展望

钢结构建筑体系结构本身就属于装配式体系。相比混凝土建筑，装配式钢结构用工量少，建造效率高，施工中节水、节电、节材、节地等方面优势明显;钢结构体系延性好，结构自重小，更利于抗震。近年来，发展装配式钢结构建筑政策密集出台，在住宅中采用钢结构体系，实现装配化，已经是建筑业界的共识[5]。

参考文献

[1] 装配式混凝土结构技术规程：JGJ1--2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 马海英，戎文杰，李新华.装配式结构在百年住宅中的研究与应用[J].建筑结构，2019，45（19）：14-31.

[3] 李志武，宋佳，白聪敏，等.高层装配整体式剪力墙结构底部加强部位预制设计方案研究[J].施工技术，2020，49（8）：31-35.

[4] 钟微.装配式剪力墙结构预制构件安装及质量控制[J].广东土木与建筑，2018，25（7）：83-85，94.

[5] 郝际平，薛强，郭亮，等.装配式多、高层钢结构住宅建筑体系研究与进展[J].中国建筑金属结构，2020，（19）：27-34.