刍议预制装配式建筑结构体系与设计

李贤文

为满足社会对建筑越来越高的要求，预制装配式建筑结构体系应运而生，并因其高效、高质量而备受建筑行业青睐。尤其在高层、小型别墅建造中，对该模式的运用较广泛，也取得了一系列成果。但经过实践发现，目前行业内对该模式的了解仍难以满足技术推广的要求，仍需对其进行详细研究，使其不断得到完善。

1.预制装配式建筑的概念

预制装配，是指建筑中的主要构件均在工厂内严格按照标准制作完成，即“预制”，之后再拿到施工现场来进行构建连接，目的在于保证施工的质量和进度。其中，较常见的为混凝土结构（工厂生产后，运至现场拼装的混凝土模块）、钢结构（即工厂预制生产钢柱和钢梁）和集装箱式房屋（在工厂流水线生产预制构件，运至现场后根据现场需要进行拼接，再结合具体情况和风格进行内部装修）。采用这种形式，在制造过程中不易受气候条件影响，能大大节省劳动力，在厂内完成的构件严格遵循制造标准，也能提高建筑质量。通过施工、装修一体化设计，可达到和主体施工的同步，使整个建筑的性价比大大提高，且符合绿色建筑理念。

2.预制装配式建筑结构体系的优势

不同于传统施工的完全现场操作，预制装配式建筑的各类基础构件均在工厂环境中高标准、严要求的条件下完成，避免了现场制造可能存在的各类问题，更加方便快捷、保质保量。总的来说，主要有以下优势[1]。

2.1 施工方式更加高效

和传统施工相比，在工厂制造比较完整的构件，能使现场操作省略不少中间环节，简化流程，使施工过程更便捷。并且因为工厂预制，也能降低现场对施工人员数量和配备齐全技术工种的要求，节省大量人力资源，有利于成本控制，使施工模式更灵活。

通过装配式工艺的运用，工厂的构件制造和现场的施工可同步进行，能在保障质量的前提下明显提高建设速度，缩短工期，节省时间和人力，提升企业的经济效益。而且该模式在现场施工更少，也有利于保证现场的安全防控[2]。

2.2 施工质量得到更好的保证

工厂预制构件大大降低了施工环节对气候的依赖。工厂预制阶段不再担心现场天候如雨雪，气温等因素对构件质量和交货时间的影响。而且装配式采用更为标准化的构件连接方式，更能保障连接部位的施工质量，提高建筑整体的安全性。

2.3 施工的环保性大幅度提高

我国经济发展中，一贯坚持可持续发展的理念，在建筑行业中，也自觉融入以人为本的绿色发展观。在预制装配式的建筑模式中，由于主要构件均在工厂内完成，可大大减少现场工作量，避免大量的现场施工带来的环境污染和建筑垃圾，减少噪声、粉尘对周围居民的影响，让施工现场更为干净、整洁。且因为构件预制，现场不再需要大量的原材料堆放和制作。施工所需占地空间也能大幅度缩小，有利于对建筑工地周围环境和交通的维护。

2.4 标准化的建筑进一步提高生产效率

对于高层建筑，每一个标准层的构件大部分基本相同，因此工厂预制构件时一次开模即可多次使用，可以大幅度降低制造成本。甚至在一些居住区或工业园区，还有多栋一模一样的住宅或厂房，这些相同建筑的构件甚至可完全共用工厂一套生产线和模具。因此对于装配式建筑工程，其标准化程度越高，其生产效率越高，且成本越低。

3.预制装配式建筑结构体系

3.1 结构类型

预制装配式体系经历了数十年的发展，具体的工艺、结构模式都有了不少变化。早在20世纪70年代，该体系主要为混凝土结构的大板住宅体系，但由于工艺技术的限制，在抗震、整体功能、受力等方面都不够完善，已逐渐被新型工艺所替代。发展至今，已出现多种装配结构模式，分别适用于不同功能和性质的建筑。比如民用建筑一般用钢筋-混凝土装配式结构；工业厂房和机场火车站等一般采用装配式钢结构；而对于小型商业、别墅的一类建筑，则可能采取轻钢-木混合结构或轻钢玻-璃装配式结构。

3.2 结构体系与性能

钢结构建筑基本是工厂预制现场组装，所以钢结构已经是一种最常见的装配式体系，其优良的抗震性能和更轻的结构自重已经广为人知。普通民用建筑更多是采用框架结构和剪力墙装配式结构。和传统的现场浇筑的混凝土建筑相比，两者并不存在本质上的不同，但因该结构构件是在工厂内完成，其制作条件，制作精度，养护条件都远远优于现场制作。因此构件的力学性能和稳定性往往比现场施工完成得更好。但因构件是组装而不是现浇成型，其连接部位的力学性能会出现较大差异。因此装配式结构整体的表现上，仍会和传统的现浇混凝土建筑有所区别。

预制装配式框架和剪力墙都有多种节点型式，各自有不同刚度性能，须根据设计需要，并能根据不同功能来选择这些节点。装配式框架剪力墙的竖向和水平接缝也会较传统结构更大，基于接缝在整体性能中的重要性，需要加强对接缝方案的设计和研究，以保证整体结构的稳固。

3.3 结构体系的设计思路

设计上首先需要合理选择构件类型。比如对非承重墙体主要选用轻质装配式墙板，有利于房间的灵活分隔，且湿作业量减少，也能有利于提高劳动效率，优化施工质量，还能加强材料的循环利用。又比如在高层建筑上，可在主要抗侧力构建上采取现浇混凝土的方式，其他非主要受力部分选用预制装配式，在保证建筑物稳固的基础上还能提高施工效率[3]。

然后，既然已知装配式混凝土结构的构件的质量更好，则设计的关键点就变成了其连接部位。我们需要在考虑足够强度和刚度的安全前提下，思考如何给现场施工带来更大的便利性。需要根据不同的建筑结构和性能来调整设计思路，做到合理运用和选择连接形式。

装配式混凝土结构，需提高结构的抗倾覆能力，尽力减小结构底部在侧向力作用下出现拉力的情况，避免预制墙板水平接缝在受剪的同时受拉。

4.预制装配式建筑结构体系设计

4.1 预制装配式框架结构体系设计

由于非承重部分采用轻质材料，预制装配的框架结构整体均比剪力墙更轻，对运输的难度也较小，其应用范围也较剪力墙结构更广。一般来说，装配式框架结构以预制柱、叠合梁、叠合楼板、现浇节点构成，需要将工厂内制造完成的预制叠合梁和预制叠合板等构件运至施工现场后，再行现场组装，柱纵筋连接采用灌浆套筒连接，并处理梁柱节点和梁端键槽。框架结构中梁柱节点的选择应建立在施工实际需求上，根据不同需求而选取不同的连接方式。

在框架结构体系设计中应注意：（1）在具体的框架结构布置上，须尽力遵循平整、规则的要点。在设计梁柱中心线的过程中应做到竖向上下对齐，且在纵向上也要以对齐为主，和现浇结构一样避免偏心过大。（2）对具体构件比如叠合梁拼缝、预制柱拼缝抗剪进行设计，并注明其构造要求。（3）对连接构造中的预埋件进行设计，设计中应对预埋件的承受轴力和剪力的能力做出详细计算，保证其牢固稳定。并对预埋件和钢筋的绑扎或焊接，提出具体要求。

4.2 预制装配式剪力墙结构体系设计

该体系主要包括板、剪力墙和梁三种结构，其他还有层合板、预制墙板、叠层梁等用混凝土组成的预制构件。在实际应用中，应结合实际需要来决定剪力墙是全预制还是半预制。同时应注意结构纵墙、横墙及连接等方面的合理设计。结构纵墙需贴合施工的实际需求，在横墙设计中，应在两侧端部山墙上设置承重墙板，并结合内力计算结果及抗侧力需求来预先布置承重或轻质填充墙板。在结构竖向抗侧力设计的过程中，应保证现浇方式能够将竖向主承力钢筋浆锚与连接带组合在一起，并做好抗震设计与连接设计。

构件设计上主要以预制墙板、后浇边缘构件、后浇连接段、叠合楼板等设计为主。连接设计时，应将受力因素对剪力墙结构体系的影响考虑在内，做到合理的连接设计，并保证两个方向的动态特性都能接近平面形式，确保机械的完整和连续性。墙板水平拼缝竖向钢筋一般采用灌浆套筒连接、浆锚搭接连接等方式。所以一般预制墙板水平拼缝的抗剪设计是重点。

5.结语

总之，预制装配式建筑结构体系符合时代发展要求，在今后将得到越来越广泛的应用。在工程建设过程中，应深刻认知该新型建筑结构模式，做到合理设计，提高建设质量，使建筑行业更好地发展。