预制装配式建筑结构体系与设计研究

刘键

（云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

在绿色经济发展的背景下，世界各国对预制装配式建筑的重视程度不断提高，装配式建筑是指利用现代工业手段将工厂加工制成的建筑用构件和配件运送至施工现场，通过可靠连接方式装配完成的建筑物，具有施工效率快、绿色环保和质量高等特点。上海市政府部门为推广预制装配式建筑，于2013年制订了《关于本市进一步推进装配式建筑发展若干意见》，意见中指出上海市及辖区，装配式住宅的落实面积应超过20%，且要保持不断增长。李克强总理在人大会议上要求我国建筑行业大力发展预制装配式建筑，确保建筑工程的质量。因此对此项课题进行研究，其意义十分重大。

1 预制装配式建筑结构体系的特点

（1）有利于劳动生产效率的提高。与传统建筑施工方式相比，预制装配式建筑施工具有机械化生产和装配的优势，能够缩短30%左右的施工周期，可以减轻劳动人员的劳动强度和压力。

（2）建筑工程标准和质量的提升。预制装配式建筑的构件的生产方式主要是工厂化生产，故建筑各项性能指标均有显著提升，以装修混凝土饰面和墙板为例，预制的部件强度是人工作业的9倍，可以实现对墙体裂缝、渗漏等常见问题的规避。

（3）绿色环保。预制装配式建筑所采用的技术为现代制造技术，在资源和能源节约方面，具有良好的效果，在查阅统计资料后得知，相较于传统建筑方式，预制装配式建筑作业，可以节省各项资源，主要包括50%的水、60%的抹灰砂浆、80%的节约木模板，同时，还能减少施工对环境的污染和破坏[1]。总之，预制装配率越高，节省的能源比例越大。预制装配式施工如图1所示。

（4）各产业链条高度融合。预制装配式建筑属于集设计、生产、施工和管理于一身的产物，其特征可以用技术迁移和管理前置来概括，需要将设计作为导向，并实施工程总承包和技术咨询制度。因此，对技术和管理融合提出十分严格的要求。在设计施工阶段，要求与部品部件生产能力、采购产品的规格型号、运输条件和施工安装条件相结合，并在此基础上制定并落实规划。总而言之，预制装配式建筑的发展，需要各产业链条高度融合和协同发展。

图1 预制装配式建筑施工

（5）对从业人员素质要求显著上升。伴随着社会生产水平的提高，集成集约、绿色创新和产业高效逐渐成为建筑建造方式未来发展的趋势，但与此同时，却对从业人员素质提出更高的要求。要求其具备创新能力，专业协同能力和先进工具使用能力。简言之，传统的农民工队伍，必须在当前背景下转型成为现代建筑产业工人[2]。

目前，民用建筑应用最多的预制装配式建筑结构有以下几种：

（1）剪力墙结构，以剪力墙为代表的竖向承重构件采用预制方式，水平结构构件采用叠合梁、叠合楼板形式，且针对内隔墙楼梯等均采用预制混凝土构件。

（2）框架结构，是由预制梁、预制柱组成的框架结构，用于承受房屋全部荷载，并以框架作为承重结构，常采用预制柱、现浇梁或柱梁预制接头现浇的施工方法。

（3）内浇外挂式框架，这种结构体系就是在框架梁上安装外挂装饰板，实现外墙和保温系统的集成，目前在住宅建筑中较为常见。

（4）内浇外挂式剪力墙，内墙采用混凝土浇筑大模板，在墙体内配置钢筋网架；外墙挂预制混凝土复合楼板，配合构造柱和圈梁。

（5）钢结构体系，采用热轧、焊接或格构式型钢作为受力构件，采用螺栓连接或焊接方式形成结构骨架，选取钢筋混凝土叠合楼面板作为底板，通过现场浇筑混凝土形成钢结构。

2 预制装配式建筑的设计要点

2.1 设计标准

预制装配式建筑是建筑施工方式未来发展的趋势，可以推动建筑工业化目标的实现。在预制装配式建筑设计过程中，建筑企业需将工业化生产理念作为关注点，在设计过程中对其进行体现，确保预制装配式建筑结构与生产标准相符。如果实际设计与设计标准存在差距，需及时予以调整。在制作标准件时，还要基于标准化的模型，提高构件制造效率。如果构件要求较为特殊，需要在遵循设计标准的前提下进行创新，以增强预制装配式建筑的适用性。

通过上文分析可知，预制装配式剪力墙结构是目前应用最为广泛的建筑结构，但这种建筑结构却很难在高层建筑中适用，故相关施工经验匮乏。因此，建筑施工企业应加大技术创新和研发力度，在标准化的框架内，探索适用于高层建筑的结构体系和设计方法，以推动预制装配式建筑结构的发展。

2.2 预制构件设计要点

预制构件是预制装配式建筑的重要组成部分。在实际设计阶段，需要把模数化和标准化的原则进行贯彻落实，从而实现对构件类型的有效控制，这是确保构件精度和标准度的有效措施。构件类型的减少，有利于控制工程造价。比如：预制装配式建筑存在异形、降板以及开洞等部位，如果处理不当，会导致这些部位成为质量隐患，在设计阶段应考虑这些施工部位的注意要点，并在此基础上选择合适的施工方式，针对这些部位，选择现浇施工方式最为合理，在施工方式确定后，还需对工厂的构件加工和运输能力进行考虑，确保工厂所生产的构件，其耐火性和耐久性与设计标准相符。如果预制构件尺寸较大，需要使构件脱模和预埋吊点的数量增加，并基于所在地区的隔热保温规定，完成预制外墙板的设计，通过这种方式的应用，增强建筑的通风散热能力。在设计非承重内墙时，必须选择合适的隔墙板，所选隔墙板应具有良好的隔声性能、重量轻和安装难度低。此外，还要考虑非承重墙的使用功能，对建筑空间进行合理的规划，以保证主体结构和非承重墙板之间的连接质量，预制混凝土构件如图2所示。

图2 预制混凝土构件

2.3 连接性设计要点

在预制装配式建筑之中，套筒灌浆是最常用的连接方式，这种技术方法的应用，可以确保钢筋连接的牢固性，值得注意的是，钢筋接头需要与装配式建筑设计要求相吻合。以剪力墙为例，在进行钢筋接头部位的设计时，需要确保钢筋套管的箍筋保护层厚度不小于2cm，且套管之间的距离不小于2.5cm。预制梁体和后浇混凝土需要采取叠合的方式进行施工，在结合面形成后，粗糙处理方能落实。此外，还要对预制梁体预制面进行粗糙处理，同时依据设计标准，确定键槽数量和尺寸。最后在进行预制剪力墙的设计时，需要在墙体顶部和底部设计粗糙面[3]。

2.4 整体构造设计要点

单向板是预制装配式建筑叠合板的主要形式，在制作单向板时，应该将开洞位置在地板上提前留出，并控制其与桁架钢筋间的距离。如果开洞的宽度大于300mm，钢筋不能直接穿过洞口。如果洞口宽度超过300mm，且不超过1000mm，需要将附加钢筋设置到洞口附近，且控制其数量，简言之，设计人员在设计阶段，必须遵循先进的设计理念，考虑预制装配式建筑设计过程中可能会出现的质量隐患，并在此基础上，对设计方案进行优化和调整，从而实现对结构失稳现象的有效控制。以立面楼层为例，针对此类建筑，设计人员需要在剪力墙位置确定后，合理设计密封后浇钢筋和混凝土圈梁，确保混凝土圈梁、叠合楼以及房屋建筑成为一个整体。

2.5 结构防水设计要点

外部环境因素对建筑质量的影响，会随着建筑使用时间的延长而增加，质量问题一旦出现，就会威胁房屋建筑的安全。因此，在预制装配式建筑设计时，选择合适的混凝土材料尤为关键，设计人员应考虑到建筑工程所在地区的实际情况，选择防水能力和耐久性强的混凝土材料。在材料选择完成后，还要做好外墙和楼板的防水设计，究其原因，主要是这些预制构件需要与外界环境直接接触，容易在雨水的侵蚀下出现质量问题。

3 结论

综上所述，在社会经济高速发展的背景下，预制装配式建筑的发展备受关注，与传统建筑相比，这种建筑具有诸多方面的优势，主要包括施工效率高、质量好和成本低，故具有推广的价值。在结构体系设计过程中，设计人员应加强对设计标准的掌握，并在此基础上，做好构件、连接性、整体构造以及防水设计等工作。