装配式混凝土住宅建筑结构设计研究

贺业飞，李鹏飞

（1.烟台建联勘察设计审查服务中心，山东 烟台 264000；2.山东圣凯建筑设计咨询有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

现阶段，我国建筑领域发展态势良好，建筑工程总体数量和建设规模不断升级，装配式建筑工程因其施工便捷性优势和资源节约优势，具有十分突出的发展优势。装配式混凝土建筑属于我国建筑领域经过多年发展后的一项重要产物，同时也是实现城市现代化建设目标的重要组成部分，因为装配式混凝土住宅建筑结构的主要建造方式与传统形式的现浇结构之间存在较大差别，所以，该技术的出现，让我国建筑设计行业、建造行业迎来诸多新的变革。由于很多住宅设计均会采用这种预制构件“拆分”形式的结构设计方案，所以，需要面临的结构安全问题以及建筑使用安全隐患问题较多，需要受到专业人士的高度重视。

1 装配式住宅建筑概述

现阶段，装配式建筑工程的总体数量不断增加，其市场应用比例始终处于稳步上升的状态。基于此，大量相关学者针对装配式建筑结构展开更加深入的研究。装配式主要指各种建筑工程主体结构、部件能够在车间完成批量生产，并在工厂内执行预制生产和加工任务，在此之后，将部件成功运送到施工现场进行集中装配，通过这种形式建设而成的建筑，即为装配式建筑[1]。与此前阶段比较流行的传统浇筑建筑进行对比，装配式建筑在环境保护、节约劳动力方面具有显著优势，同时还能够更加有效的保证工程最终建成质量、保证工程施工进度的发展。由于上述优势的存在，装配式建筑在我国建筑行业中取得前所未有的发展成果，并在行业中占据主要地位[2]。截至目前，我国各个省份地区相继为装配式建筑工程出台专门的鼓励政策，这也为建装配式建筑在我国的快速发展提供了更加有利的政策支持，同时也为装配式建筑赋予了全新的时代发展内涵，在未来阶段的建筑行业转型和升级中，装配式建筑将会发挥出至关重要的促进作用。

2 装配式住宅建筑工程设计主要注意事项

2.1 工程结构设计

房屋建筑企业在设计主体框架结构的过程中，首先需要对房屋在应用过程中的实际荷载程度做出充分调查，保证建筑结构体系布置的科学性，同时还需要对房屋的选址问题做出充分研究，根据所在地的自然情况，设定相应的抗雨雪和抗地震的建筑等级，保证建筑主体结构强度能够满足建筑建成后的实际使用需求。基于此，可以在建筑工程前期策划阶段，合理运用BIM技术、大数据技术、模拟功能技术以及数据计算统计技术，以此为基础，完成项目调研报告、方案比选、投资估算、概算、技术经济以及可行性指标数据等相关任务，并做出有效评估。其中，BIM 信息库可以与其他类似工程数据信息与工程造价数据库做出最终对比，进一步明确最优建设方案，并选定最优决策。

2.2 管线设计

室内集成管线在执行布置任务时，需要保证科学性，对于传统形式的混凝土结构而言，正式施工中会以梁下方绕行作业方式为主。在建筑设计方案中，对这一方面的处理内容具有较强适用性，施工方可选择在工厂内完成相关组装任务，通过这种方式提升项目结构的最终施工质量水平，同时还可以进一步保证施工效率，确保工程建设任务可以在合同约定的时间准时交付。与传统形式的混凝土建筑工程结构相比，装配式工程中的管线安装方式更加简洁，同时这种安装作业方式还可以有效减少工程中的弯头数量，进一步提升水泵设备和风机设备的实际工作效率，大幅提升房间的室内净空高，为住宅工程在后续阶段的空间利用方面提供良好的便捷性保障。

2.3 三板体系设计

本次工程中的所有墙板宽度均以模数为600mm标准的柱网尺寸为基数，完成相应设计任务，墙板缝位置均设为沿柱网中心线处向两边进行缩进10mm 的作业标准，其中墙板缝宽度标准为2×10=20（单位：mm）。根据墙板所处位置的区别，墙板宽度计算公式也存在一定差别，具体情况需要由柱网的实际尺寸决定。中间柱网处墙板宽度的计算，墙板实际宽度为柱网实际尺寸减去对应墙板缝长度，相应计算公式为：D=n×600mm-2×10mm（n 为正整数）。

3 装配式混凝土住宅建筑工程设计方法

将装配式建筑与普通现浇住宅工程设计方式进行对比，现代化装配式建筑工程中的结构设计方法具有一定的特殊性，需要将建筑要素、结构要素、设备要素共同融合到设计方案中，并将全部建筑信息进行综合处理后参与装配式结构设计的整体方案中，并交由专业设计人员以此为基础，完成后续深化设计任务[3]。本文主要以传统设计方法、BIM 设计方法为基础进行讨论，对装配式住宅建筑工程设计方案展开深入研究。

3.1 传统装配式结构设计方法

常规情况下，装配式混凝土住宅工程结构的传统设计方案中，会选定一种主结构先整体、后拆分的设计顺序，此时住宅工程的整个结构会被进行合理划分，主要由预制构件部分与连接节点组成，其中，施工设计又可以划分为预制构件生产与装配两项内容，设计要点详情如下。

（1）建筑结构构件设计分析，需要对工程主体结构进行计算，并以最终分析结果为基础，对比分析结果完成构件设计任务，以此保证所有工程构建的设计工作均可以达到合格水平。在此期间，还需要保证所有工程预制件数据参数的准确性，保证每一环节的现场组装任务都可以做到有据可循，从而保证现场组装作业的顺利性[4]。

（2）建筑预制构件结构的拆分设计，设计人员需要充分考虑到现场的施工要求，确保所有构件都能够满足施工提出的标准化与通用化要求，同时还需要确保拆分预制构件作业的有序性，保证拆分构件可以做到标准化、模块化，通过这种方式保证自身的设计工作能够有效节约出更多的建设材料和建筑能源，并且自身的拆分构件施工还不会对建筑工程的功能使用造成直接影响，确保住宅建筑主体结构受力性能稳定，保证住宅工程在投入使用后的整体安全性。

（3）建筑构件连接节点设计，面对不同构件需要选用不同形式的连接方式，主要包括建筑预制柱连接任务、叠合梁与预制柱连接任务、楼板与柱的连接任务等几项关键内容。其中，预制内隔墙需要与剪力墙、叠合板与叠合板之间留出足够作业空间，同时还需要保证任一预制构件在与现浇构件进行连接施工时，都有与施工任务相匹配的补充说明，确保自身的设计验算工作可以落实到位，进而保证现场组装施工任务可以顺利完成。

（4）住宅建筑工程的有限元分析设计，首先需要将弹性连续体进行离散处理，进而获得有限各单元位于角点铰接状态下的组合体信息，其次可以有针对性地分析所有单元体的实际受力情况与结构变形间的作用关系，此后方可执行各单元构件的组装任务。运用这种设计方法，能够对建筑连接件个数、间距进行有效调整，进一步优化每个楼层的实际受力状况，做到受力均匀的同时，保证住宅建筑主体结构的实际强度可以达到要求。

3.2 BIM装配式结构设计方法

住宅建筑工程施工任务正式开始前，BIM 技术的运用可以使装配式结构设计思路变得清晰，各种设计方法的运用也可以做到有据可查。建筑结构设计环节至生产环节，是工程预制件产品的主要生产环节，因此，设计、生产单位需要共享工厂的预制构件库信息，同时设计单位还需要根据预制构件厂方给出的数据选择最终预制构件类型和强度，这一阶段的设计可划分为4 个不同步骤：①面向预制构件；②构建BIM 模型；③优化模型分析；④应用BIM 模型建造。基于此，可以进一步达成设计目标，并保证设计与生产两个环节的工作可以顺利衔接，提升设计方案的可执行性[5]。

4 工程实例分析

4.1 项目概述

某房建工程项目中分别包括5 栋保障性住房工程（即1～4 号居民楼）、4 层地下车库、3 栋配套商业、变电所和门卫。建筑基地用地总面积约为15013.6m2，建筑总面积约为78972.08m2。工程使用年限设定为50 年，建筑结构安全等级设定为二级标准，其中，50 年重现期设定基本风压标准为0.55kN/m2；工程地面粗糙度类别设定为B 类，其中，50 年重现期设定基本雪压标准为0.40kN/m2；建筑抗震强防烈度设定为Ⅶ度（0.1g），地震分组设定为第二组，工程场地类别属于Ⅱ类，多遇地震时展现出的特征周期Tg=0.45s。

4.2 结构体系选型

本次住宅建筑工程中，项目结构选则的计算方法与传统形式的现浇结构基本相同，借助采PKPM 完成多遇地震弹性状态下的建筑信息分析，最终计算结果显示本次工程中的构件在承载力水平、变形方面均可以达到设计要求。

4.3 预制构件拆分设计

本次住宅建筑工程中，设计工作需要始终坚持模数化、标准化设计原则，保证预制构件可以满足拆分设计提出的各方面要求。因为本次工程中的立面施工内容十分丰富，设计方案初期阶段设定的预制凸窗类型更是多达几十种，并且重复率低，导致项目造价成本较高。为进一步控制工程建设成本，需要对方案做出合理调整，取消一部分凹进凸出形式的设计，尽量减少凸窗类型；同时还需要对项目楼梯尺寸做出合理调整，确保两部楼梯之间的尺寸处于一致水平，在这样的情况下，仅需一套模具即可完成所有楼梯预制件的生产任务，能够有效降低工程造价成本，为建筑企业节约大量建设资金的同时，还可以进一步简化施工现场的组装任务。

4.4 BIM 装配式一体化三维模型设计

本次住宅工程设计中采取BIM 装配式一体化三维模型设计方法，为全面保证设计工作的完成质量，需要设计人员针对所有预制构件的实际尺寸、重量及体积信息等因素做出精确测算，同时还需要将所有测得的最终数据使用表格清单进行呈现，并利用计算机系统进行数据的输入与输出处理，借此实现对所有工程建设数据的精准利用，并保证数据储存的完整性，为后续阶段的数据调用提供奠定良好基础。在此期间，BIM 模型的建立，可以让设计人员更加直观地观察到建筑各部分构件在工程中的具体位置关系，从而为施工图碰撞检查工作创造出更为有利的条件。除上述内容外，本次住宅工程中还主动应用到透视功能，该功能可以对混凝土内部空间的钢筋分布、埋件位置合理性进行检测和分析，从而有效避免钢筋出现碰撞问题发生，为工程建设质量提供全方位保障作用。

5 装配式混凝土住宅工程结构设计成果分析

5.1 质量保障效果更佳

与此前传统建筑形式进行对比，装配式建筑具有施工效率更高的优势，特别是在装配式建筑应用过程中，可以提前对工程中的地点信息进行了解，并对建筑构件进行提前预配作用，在对施工现场条件进行分析后可提前进行建筑结构部件的制作，在将制好的建筑结构配件运送至施工现场后，只需要在现场完成拼接工作即可。因此，这种新型的建筑施工形式可以更加有效地降低现场工人与实际施工强度，同时还可以使原本比较复杂的诸多建筑结构施工任务变得更加简单，对传统建筑形式中的砌筑、抹灰等工程进行分化处理，这些施工任务并不需要全部在施工现场完成。

5.2 建筑安全级别更高

对传统形式的建筑工程进行分析，大部分施工作业均需要在露天环境下完成施工任务，所以，在面对恶劣天气时，往往会被迫停工，此时会耽误施工进程的正常推进，同时也会为后续施工埋下诸多安全隐患，对现场施工人员造成生命和财产威胁。但是，在应用新型装配式建筑施工方式后，建筑中的各个施工构件均可以在工厂提前完成，并为其进行预配作用，此时施工现场仅需配备相应的专业人员，即可根据装配式施工标准完成相关安装任务，并有效保证安装质量。在这样的情况下，既能够有效节约施工时间，同时又可以避免露天操作需要面对的各种类型的施工风险，大大提高施工现场的作业安全性，为现场施工人员提供更为有效的生命和财产安全保障，因此，装配式建筑工程施工方式具有更高的安全性。

6 结语

综上所述，装配式混凝土建筑结构设计，与传统形式的现浇结构工程设计存在较大区别，并不是在原有基础上对现有预制构件进行简单的“拆分”即可，而是要做到工业化、产业化、信息化相结合，利用全新的思维设计模式，重新建立起专门的装配式建筑设计体系，确保设计工作可以充分满足建筑提出的适用性和安全性要求，在充分掌握装配式结构体系后，才可以全面了解并深入掌握技术，进一步实现装配式混凝士住宅结构设计的现代化发展目标。