装配式建筑结构体系发展分析及对策研究

摘要：本文通过对预制装配式建筑的结构体系进行分类归纳，总结分析了各类结构体系的建筑特点及适用范围。根据对预制装配式结构的主要优缺点进行对比研究，给出了预制装配式建筑在我国的发展建议。

关键词：装配式;结构体系;预制构件;优缺点;对策建议

引言

在建筑工业化和信息化的积极推动下，装配式建筑以其灵活多变的施工方法和设计自由优势，使得该类建筑结构的发展引领了当前时代建筑业的发展趋势和方向，装配式建筑发展迅猛。装配式建筑结构通过对建筑设计各构件进行标准拆分并采用标准化的预制、施工方案，化整为零;将各预制的构件部分运输至施工现场后集成装配，集零为整。该类建筑结构自动化程度高，施工质量、装配效率高，可大幅缩短施工工期。

装配式建筑是指将预制构配件按照设计的连接方式装配程具有特定使用功能的工业与民用建筑。根据装配式建筑所使用的材料可以划分为砌体结构体系、木结构体系、钢结构体系及混凝土结构体系[1]。通常根据设计功能还可将装配式建筑结构划分为专用结构体系、通用结构体系。在装配式建筑结构的工程实践中，根据建筑结构的承载机制及使用要求，采用不同方式和特点的装配式建筑结构体系是装配式结构适应性研究的重点内容。

1 装配式结构分类及发展

1.1 轻钢结构体系

装配式轻钢结构体系主要是利用压型薄钢板制作不同受力要求的的各类形状构件，用以建造承载能力高、用钢量节省、自重较轻、经济性能优良的装配式建筑结构。相关研究表明，装配式轻钢结构一般建造高度不超过九层[2]。该类装配式结构建筑的平面及立面布置灵活、抗震及抗风性能好、施工速度快、拆装方便、材料易回收，是一种优良的结构体系。但由于轻钢材料的热阻较低，因而该类建筑结构的墙体保温性能相对较差，耐火及耐腐蚀性也较低。由于钢材价格高，使得装配式轻钢结构体系主要应用在荷载较小的大跨度厂房结构和小型民用建筑房屋结构中，其他各类建筑应用较少。

1.2 木结构体系

装配式木结构体系将采用优质木材加工制作形成的各类受力构件按设计要求装配形成的建筑结构体系，我国的木结构体系具有悠久的建造历史。木结构具有良好的保温隔热、节能减排、抗震抗风、居住舒适等性能优势，而通常木材来源广泛、价格低廉、经济性好、加工方便，在国外该类结构体系已被广泛接受，并建有一定规模的高层装配式建筑结构。我国的木结构建筑业分布广泛，但主要是传统的木结构建筑，新型的装配式木结构建筑正在作为高端的小众产品在我国部分特色城镇建设中逐渐展开，木结构的高层建筑形式在我国仍较少采用。

1.3 砌体结构体系

装配式砌体结构是将传统的砌筑工艺集零为整，通过配筋砌块砌体结构的预制化装配，达到工业化建造[3]，提高砌体结构体系的施工效率和质量，引入工业化的加工制造方法，从而解放劳动力，使该类结构体系焕发新活力。该类结构一般具备抗震性能好、保温隔热、节能环保、装配效率高、经济性能好等优势。通过合理地施工组织，可达到施工质量可靠、工期缩短、环境保护、节省造价等建造目标，是村镇建筑的优选结构建造方案。

1.4 混凝土结构体系

预制装配式混凝土结构体系是目前装配式应用范围最广的一种，装配式混凝土建筑的通用结构体系与现浇结构基本相同，其主要可分为框架结构体系、剪力墙结构体系和框架-剪力墙结构体系。下面介绍几种较典型的特殊混凝土建筑结构体系。

（1）装配式框架结构体系

预制装配式混凝土框架结构体系的梁、柱等主要受力构件均以预制装配的方式进行预制和连接，其与框架-剪力墙结构体系相似，在各关键连接节点及拼缝处采用现浇方式连接，使得装配式框架结构具有较好的整体性，满足结构受力及变形需要[4]。该类装配式建筑结构体系的预制部件主要包括梁、柱、楼梯、楼板及外挂墙板等，其构件预制养护条件好、装配效率高、现场湿作业少，符合预制装配工业化的发展方向，具有较好的发展前景。

（2）预制装配式剪力墙体系

我国的预制剪力墙结构体系主要包括部分预制剪力墙结构、全预制剪力墙结构、叠合板式混凝土剪力墙结构和多层混凝土剪力墙结构等。对于部分预制剪力墙结构其是采用内墙现浇而外墙预制的形式建造，各预制构件间的连接方式采用现场浇筑;全预制剪力墙结构体系是所有的剪力墙均由预制构件拼装而成，预制墙体间的接缝采用湿连接，该类结构体系的性能略小于现浇结构。疊合板式混凝土剪力墙结构是在内外叠合剪力墙板间浇筑混凝土，形成高度不宜超过18层，且抗震设防烈度不大于7度的装配式叠合板混凝土剪力墙结构体系[5]。多层装配式混凝土剪力墙结构是适当降低预制墙体间的连接作用，该类装配式建筑的建造高度不宜超过6层。

（3）预制大板结构体系

我国在上世纪70年代的装配式混凝土建筑结构主要采用大板结构体系，预制构件包括大型屋面板、预制圆孔板、楼梯板及槽形板等，该类结构体系主要应用于低层及多层建筑。该类结构体系预制构件标准统一、安装方便、施工效率高，但其各构件的连接方式可靠性低，结构面临较高的安全风险，且使用功能也面临众多挑战[6]，如：混凝土构件的接缝开裂、渗漏及围护构件的隔声、保暖等。因而该类结构体系已逐渐被新型装配建筑体系所取代。

2 装配式建筑优点

2.1 预制标准化，施工质量可靠

对于经过精细设计的各预制装配式构件，建筑构配件的加工尺寸及预制施工方式标准一致，良好的工厂室内预制和养护生产环境，能够最大限度的确保预制构件各项施工指标的标准落实，改善构件施工及养护环境，实现各类建筑构件的标准施工，达到工程质量构件高标准生产。

2.2 劳动强度低，工作环境改善

在工业化程度提高的现代建筑施工过程中，采用预制装配式的建造方法，不仅可以通过大量的工业机械化设备来代替粗重、重复的建设劳动，一些工业化的机械操作可大幅降低施工工人的劳动强度，而且还可改善工人的施工工作环境，提高建筑施工的安全保障。

2.3 建筑信息化，建造技术高效

随着BIM技术的持续深入发展，结合建筑工业化的助推，通过考虑建筑选型、给排水管线布设、强弱电线路、建筑装饰等参数，将BIM技术全过程融入装配式建筑结构的设计和建造[7]，能够较大程度提高装配式建筑的营建效率，同时为技术融合和创新发展奠定了坚实基础。

2.4 人力成本低，工业化程度高

模式统一的各类建筑构配件在工厂进行预制加工，工厂预制的机械化程度提高，节省了资源较为稀缺的人力成本，同时也符合我国劳动力发展的基本趋势，利用工业机械代替人力劳动，减小了建筑施工对人力资源的过度依赖。

2.5 建设效率高，施工周期缩短

将各类建筑结构根据受力、使用性能等拆分为不同部件，通过考虑建筑节能减排设计需求，对不同结构部件进行综合设计，开展大范围、全类型、多功能的构件工厂化预制，在施工现场进行装配施工，这样可较容易开展施工组织，优化资源配置，提高工程建设效率高，大幅缩短建设工期[8]。在恶劣的气候环境条件下，装配式建筑的构建预制施工影响程度较小。

2.6 建材利用高，减少资源浪费

在有组织、有计划的精细工厂预制加工中，建筑材料的高效利用被得到完备保障，既可满足建筑施工精度的可靠控制，同时也能够大幅减少建筑施工产生的各类建筑垃圾，从而达到节能减排及环保施工标准，满足国家中长期关于减碳降碳的生产要求。

3 装配式建筑缺点

3.1 构件多单调，难满足个性化

在进行装配式建筑构件拆分时，为确保工厂对构配件预制质量及现场施工安装方便性，通常装配式建筑的预制构件多被拆分为形状简单、便于施工的规则构件。现场装配施工的方法单一、连接简便，使得建筑结构的风格单调，不能较好满足现代人群对建筑结构个性化的使用需求。

3.2 前期投入高，成本不易控制

从装配式建筑的整体建造及运维角度看，装配式建筑成本相较现浇低，但采用装配式混凝土结构往往前期需要较大的生产线投入，建设数量、规模较大的机械加工设备，而且由于建造环节多，施工牵涉面广，各项施工成本不易直接控制，间接施工费占比大且不易压缩。

3.3 构件数量多，运输成本高昂

对于装配式建筑结构体系，在进行构配件拆分设计时，需综合考虑预制装配建筑的加工、运输及吊装要求，数量众多的预制构件均需借助大型运输机械设备由工厂运至施工现场，预制装配建筑的建设运输费用昂贵，运输成本高。

3.4 装配精度高，施工容错率小

在施工现场对各类构配件进行装配连接施工时，因构件尺寸及规格已确定，因而对现场施工建造的精度控制要求高，当施工误差超出相关范围时，预制构件及预埋件的连接施工困难，且难以补救，造成装配困难。因而，装配式建筑的各预制构件装配式施工容错、容差范围较小。

3.5 结构连接弱，建筑整体性差

在现浇结构施工设计时，要求每断面内钢筋的连接数量不超过50%，而对于装配式混凝土结构在进行节点连接时，通常要求全断面接长连接，且节点处构造复杂，施工质量难保证，结构的整体性能低，水平抗侧能力差，不适宜用于高层建筑和高烈度地区[9]。

4 装配式建筑发展对策

通过分析该类建筑的设计及建造特点，我们应避免如下建设盲区：

（1）过度提倡高效施工，降低结构的安全可靠指标。装配式建筑施工过程中，主要通过预埋件的螺栓连接、焊接连接、企口连接、插承连接及湿连接等方式进行装配建造，但各类连接方式的安全承载机制复杂、性能不一，且各构件的连接节点是结构整体承载的薄弱区域，也是装配式建筑结构安全可靠指标的重要关注点，因而高效装配施工不应以降低结构安全性能为代价，忽视了建筑结构的整体安全性。

（2）一味强调降低人力资源，造成经济成本过高。在人力资源逐渐紧缺，人力成本逐渐提高，建筑工业化能很大程度减缓人力资源成本稀缺的冲击，但在降低人力资源要求的同时，加大了对工业机械等设备的依赖，可能装配式建筑施工成本整体略有提升，但如不加以对比权衡，可能导致装配式建筑施工的经济性欠佳。

（3）盲目为了装配率，开展大范围的装配式建筑。在政府部门持续强力的推广下，预制装配式建筑结构在我国得到了全面发展，结构形式及施工技术日趋成熟。但仍不能忽视，在我国部分地区将建筑装配率作为基层建设部门政绩考核的重要指标，变相推动装配式建筑的发展和落地，将装配建筑的高质量发展本末倒置，不利于该类建筑结构的长期持续健康发展。

（4）过分追求高端一流化厂房设备，忽视建筑经济指标。装配式建筑结构的预制构件的产生效率和施工质量一定程度上取决于预制机械设备的性能，高度的工业化机械设备支持是装配式建筑的基础，而该类设备成本普遍偏高，通用性不强。在进行预制装配式建筑的推广和发展规划时，应循序渐进，合理开发成本可靠的通用型机械设备，不能忽视装配式建筑发展的经济性。

5 结语

近年来，随着建筑行业的工业程度提高，装配式建筑结构的理论研究及施工技术日益成熟，加之政府部門的持续加力推广，我国装配式建筑发展日新月异。通过本文的分析研究，以其促进装配式建筑在我国的快速高质量发展。

参考文献：

[1]郭学明. 装配式建筑概论[M]. 北京：机械工业出版社，2018.

[2]孙 川. 装配式砌体结构的施工工艺与应用[J]. 砖瓦，2017（12）：35-37.

[3]Norman Murray，Terrence Fernando，Ghassan Aouad. A virtual environment for the design and simulated construction of prefabricated buildings[J]. Virtual Reality，2003，64.

[4]麦俊明，杨 豹. 预制装配式混凝土建筑发展现状及展望[J]. 广东建材，2014（01）：72-73.

[5]王瑞强. 谈预制装配式建筑[J]. 山西建筑，2013（22）：95-96.

[6]曹祯记.装配式大板剪力墙结构工程施工[J]. 四川水泥，2021（07）：147-148.

[7]张雪楠. 吉林省装配式建筑发展现状及对策研究[J]. 北方建筑，2021，6（05）：12-15.

[8]宋亦工. 装配整体式混凝土结构工程施工组织管理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2017.

[9]吴 刚，冯德成. 装配式混凝土框架节点基本性能研究进展[J]. 建筑结构学报，2018，39（08）：1-16.

作者简介：张保荣，男，1988年7月出生，汉族，本科，陕西延安，工程师，研究方向：BIM+装配式。