裝配式建筑結構體系設計要點及發展趨勢研究

文／高志強 金鄉縣建筑規劃設計院 山東濟寧 272200

李明科 山東锘大建筑工程有限公司 山東濟寧 272200

引言：

裝配式建筑具有建造速度快、資源消耗少、施工污染小、結構安全可靠等特點，是目前建筑行業主要的發展方向之一。裝配式建筑采用的是預制構件，其施工過程中構件可以在工廠內加工，然后運輸至施工現場進行安裝。這種建筑形式的出現，在很大程度上節約了勞動力，減少了建筑垃圾的產生，對于改善施工環境、加快施工速度有重要的作用。裝配式建筑采用預制構件，其主要由梁、柱、板、樓梯、陽臺和樓梯踏步等組成。

1.裝配式建筑結構體系發展趨勢

（1）裝配式建筑的發展趨勢是由結構體系向多元化、復合化方向發展。結構體系的設計應體現結構的整體性，在滿足抗震要求的基礎上，實現建筑功能與建筑造型的統一，以適應不斷發展變化的建筑使用功能需求。

（2）隨著人們對新型節能環保材料及建筑技術的不斷開發與應用，裝配式建筑將向多元化、復合化方向發展。除了傳統的鋼結構、混凝土結構之外，將不斷探索新型材料，如鋼-混凝土組合結構、鋼-石膏組合結構等。

（3）裝配式建筑結構體系設計應體現因地制宜的原則。設計中應充分考慮當地氣候特點、地質條件、地形地貌以及當地材料資源等因素，以便于因地制宜地選擇符合當地實際情況的結構體系[1]。

2.裝配式建筑設計中需要注意的問題

（1）設計過程中，需要注重建筑的整體性，充分考慮建筑結構體系的合理性、科學性以及功能性。在進行裝配式建筑設計的過程中，要嚴格按照標準進行設計，保證建筑的整體性，避免出現局部破壞的問題。

（2）裝配式建筑中需要注重材料選擇的科學性，從材料成本上來看，選用質量好、性能穩定的材料。在進行裝配式建筑設計的過程中，要保證其使用壽命與環境因素相適應。

（3）在進行裝配式建筑設計的過程中，需要注重鋼筋混凝土結構體系與鋼結構體系之間的區別與聯系。在進行裝配式建筑設計的過程中，要合理地選擇相關構件及部件。在進行鋼結構設計的過程中，要充分考慮其連接問題，避免出現質量問題[2]。

3.裝配式建筑結構設計應注意的主要問題

（1）由于裝配式建筑構件尺寸大、質量大，且受裝配施工和運輸條件限制，其結構設計除滿足《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）的一般規定外，還應注意以下問題：應確保構件在運輸、吊裝過程中不產生變形和損壞，并在安裝時確保構件的穩定性和完整性。設計時應對裝配式結構進行精細化分析，選擇合理的計算模型和計算參數，使計算結果更加準確、可靠。當構件高度超過一定值時，可考慮采用裝配式連接節點。為保證預制外墻板與現澆混凝土結構的整體性，不宜將預制構件直接置于現澆混凝土結構上，可采用剪力墻或其它結構形式。

（2）裝配式建筑設計中應注意的問題：現澆混凝土結構構件與裝配式結構的連接方式有：剛性連接、柔性連接和混合連接等三種。在實際工程中應根據不同的設計方案選擇最合理的連接方式。在確定設計方案時，應充分考慮材料強度的折減問題。在滿足基本要求的前提下，應盡量采用強度高、自重輕、韌性好的材料。應特別注意現澆結構與裝配式結構之間的連接構造。如現澆結構中采用預應力鋼筋時，應充分考慮預應力筋的應力損失。為保證裝配式建筑構件具有良好的整體性和抗震性能，一般情況下宜采用預制構件與現澆混凝土構件共同受力的結構體系。當采用鋼梁、鋼支撐或鋼柱等框架體系時，應充分考慮框架柱、框架梁等構件所承受的軸力、彎矩及剪力；當采用剪力墻體系時，應充分考慮剪力墻所承受的軸力、剪力及彎矩[3]。

4.裝配式建筑結構體系設計要點

4.1 預制混凝土構件

預制混凝土構件是將預制混凝土構件在工廠內生產，再運到施工現場進行組裝，目前我國的預制構件生產廠家已經發展到400 多家，產品規格已經達到2000 多個，各種類型的預制構件在不同地區都有分布。隨著國家對裝配式建筑的大力支持，各地政府也在積極鼓勵、支持和推廣裝配式建筑，以進一步促進我國建筑行業的發展。

預制混凝土構件是以水泥為膠結材料，采用特殊的混凝土拌合技術，通過模具成型而成的。它具有承載能力大、整體性好、抗震性能好和施工方便等特點。我國預制混凝土構件主要應用在高層住宅、大型商場、辦公建筑等領域。

由于預制混凝土構件制作需要使用大量的水泥和鋼筋等材料，在建筑施工中會產生大量的廢棄物和污染，所以國家一直提倡綠色建筑理念。裝配式混凝土結構體系則是將這些廢棄物進行合理利用，避免了廢棄物對環境造成污染。與此同時，預制混凝土結構體系在施工中采用工業化生產方法，極大地提高了生產效率、縮短了施工工期，還可以大大減少建筑垃圾的產生和對環境的污染。因此預制混凝土構件是建筑行業可持續發展的必然選擇。預制混凝土構件在建筑中的應用，主要包括現澆混凝土構件和裝配式混凝土構件?，F澆混凝土構件是將預制混凝土構件與現澆混凝土結合起來，可以充分利用兩者的優點，減少現場作業量，降低施工成本。但在建筑施工中現澆混凝土結構構件存在接縫多、整體性差、受力不均勻等問題，而裝配式混凝土結構體系則可以很好地克服這些問題，具有承載能力強、整體性好、抗震性能好等優點[4]。

裝配式混凝土結構體系在建筑施工中主要應用的是預制剪力墻結構和預制疊合剪力墻結構。裝配式剪力墻結構具有整體性好、抗震性能好、施工方便和節省材料等優點，因此裝配式剪力墻結構在建筑施工中得到了廣泛應用。

4.2 鋼結構設計

（1）鋼結構構件的設計與制作：裝配式建筑鋼結構構件采用工廠加工，現場安裝，制作過程中采用鋼模板支撐，現場進行螺栓連接。一般的鋼結構構件主要包括：鋼梁、鋼柱、鋼桁架、鋼梁等。其中鋼梁、鋼柱的設計與制作是整個裝配式建筑鋼結構設計的重點和難點，根據《建筑鋼結構設計標準》GB50017-2017,對鋼結構構件進行詳細的分類，并給出不同種類構件的制作安裝要求。

（2）鋼梁的設計：一般情況下，裝配式建筑鋼結構采用焊接H 型鋼。在設計過程中，需要注意焊接H 型鋼的截面形式和腹板厚度等，一般情況下，采用焊接H 型鋼。如果采用螺栓連接時，要考慮螺栓預拉力大小對腹板厚度、螺栓孔布置等的影響。

（3）鋼梁與鋼管混凝土柱的連接：一般情況下，鋼結構構件與鋼管混凝土柱之間采用焊接H 型鋼連接。在設計過程中需要注意鋼材及焊接H 型鋼的選擇、焊縫長度及焊縫形式、焊縫等級等。在設計過程中需要注意高強螺栓的安裝要求、高強螺栓預拉力、高強螺栓接頭的承載力計算方法。

（4）鋼梁與墻體之間的連接：裝配式建筑鋼梁與墻體之間采用焊接H 型鋼進行連接，同時需要注意墻體豎向荷載對連接構造及構件截面的影響。在設計過程中需要注意預埋件、預埋鋼板及管道等構件。

（5）鋼結構與混凝土結構之間的連接：裝配式建筑鋼結構與混凝土結構之間的連接方式主要包括：焊接、栓焊、螺栓連接等。其中焊接連接方式主要有：焊縫對接連接、栓焊結合連接等，栓焊連接方式主要有：焊接套筒連接、螺栓套筒連接等；螺栓連接方式主要有：高強螺栓接頭、高強螺栓偏心受壓翼緣連接、高強螺栓摩擦面節點等[5]。

（6）鋼結構與其他構件的連接：在設計過程中，需要注意鋼梁與其他構件之間的豎向、水平和斜向支座，并且在設計過程中需要根據不同的裝配式建筑結構類型，選擇合理的鋼結構構件連接方式，保證整個建筑結構的穩定性。

4.3 混凝土剪力墻結構

混凝土剪力墻結構是將主要承重構件（如墻、柱）通過剪力墻與框架梁或剪力墻與梁板連成整體的結構。它是由鋼筋混凝土梁、柱、板、墻等主要承重構件組成的框架-剪力墻結構體系。裝配式混凝土剪力墻結構具有便于工廠預制生產，施工方便快捷，施工精度高，工廠化程度高，施工速度快等特點。

在裝配式混凝土剪力墻結構設計時應注意：（1）墻肢的截面尺寸和配筋應符合相關規范的要求；（2）框架與剪力墻的連接方式，剪力墻水平分布鋼筋的連接應采用焊接連接或機械連接；（3）混凝土墻體厚度宜控制在100～250 mm 之間；（4）剪力墻豎向分布鋼筋宜采用焊接連接或機械連接；（5）應保證墻肢截面高度和邊緣構件截面高度。

裝配式混凝土剪力墻結構設計時應注意：（1）在進行裝配式混凝土剪力墻結構設計時，應注意剪力墻的平面布置和尺寸，同時應盡量避免剪力墻開洞；（2）裝配式混凝土剪力墻結構在豎向荷載作用下的水平變形應符合相關規范要求。

在進行裝配式混凝土剪力墻結構設計時，應注意以下幾點：（1）盡量避免剪力墻開洞；（2）在進行剪力墻結構設計時，當剪力墻不能滿足洞口邊緣構件截面尺寸要求時，可采用“先跨后壁”的方案，但應采取措施保證洞口邊緣構件的配筋，防止洞口開裂；（3）在進行剪力墻結構設計時，應充分考慮剪力墻的平面外穩定性[6]。

4.4 鋼框架-支撐結構

鋼框架-支撐結構是一種由框架和支撐組成的、抗側剛度較大的結構體系。在框架中布置適當數量的支撐，形成骨架結構，框架柱作為骨架，支撐則作為骨架的抗側剛度。當地震作用下，由于框架柱不能正常工作或框架柱軸力過大而破壞時，框架內的支撐在地震作用下不屈服或發生彈性變形，使支撐在水平荷載作用下有較大變形。這種結構體系可以有效地吸收地震能量，能滿足大震不倒的要求。

鋼結構因其材料強度高、自重輕、抗震性能好、施工周期短等優點被廣泛應用于高層建筑和大型公共建筑。鋼結構設計主要包括以下幾個方面：

（1）結構布置：鋼框架-支撐結構體系應滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ3 和《高層工業廠房鋼結構技術規程》JGJ/T461 中規定的“布置原則”。

（2）柱截面：當采用型鋼混凝土柱時，應滿足《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 中的相關要求；當采用鋼骨混凝土柱時，應滿足《型鋼混凝土組合結構技術規程》GB50013-2003 中的相關要求；當采用鋼管混凝土柱時，應滿足《鋼管混凝土組合結構技術規程》JGJ/T 463 中的相關要求。

4.5 大跨度空間結構

大跨度空間結構是指跨度大于1m 的結構。其特點是：建筑形式多種多樣，如網架、網殼、網架-鋼桁架混合結構、箱型截面等，結構形式有張拉膜結構、索膜結構等，一般為空間網格狀?？臻g大跨度空間結構的抗震設計與其他類型的抗震設計方法有所不同。一般需要采用抗震規范規定的相關抗震分析方法進行計算。但由于大跨度空間結構跨度較大，且材料和制作工藝的特點，使其與其他類型的結構有明顯不同。在進行大跨度空間結構設計時，應進行專門的抗震分析和設計，以確保大跨度空間結構滿足規范要求，保證在大跨度空間結構中使用的各種材料和構件在承受較大荷載時能夠保持其應有的強度和剛度。

4.6 高層及超高層建筑結構

高層及超高層建筑結構體系是一種多功能、多目標、多任務的綜合體系，它集建筑功能、結構安全、環境保護、資源利用等諸多功能于一體，在高層及超高層建筑中起著重要的作用。隨著城市土地資源的日益緊缺，高層建筑得到了快速的發展。為了達到節約土地的目的，提高建筑物的空間利用率，人們在設計中不斷探索新的結構體系。其中，框架-剪力墻結構體系是目前我國高層及超高層建筑中應用最多的結構體系，具有良好的抗震性能，其設計關鍵在于結構材料選用、構件連接和節點構造等方面?？蚣?剪力墻結構是由框架和剪力墻組成的抗側力結構體系，目前在高層及超高層建筑中應用最廣泛。其特點是整體性強、剛度大、變形小、延性好、抗震性能優良、施工方便?？蚣?剪力墻結構體系在地震作用下表現出較好的抗震性能，其研究與應用逐漸引起了人們的重視[7]。

4.7 抗震設防烈度高的裝配式建筑結構體系

抗震設防烈度高的裝配式建筑結構體系，包括高層建筑和超高層建筑。此類結構體系的抗震設防烈度高，由于其抗側剛度大，地震時能有效耗散地震能量，減輕對上部結構的破壞，而使上部結構不出現嚴重破壞甚至倒塌。此類建筑的抗震設防烈度通常為6 度。

對這種裝配式結構體系而言，其抗側剛度主要取決于連接節點的構造、連接方式和抗震性能。因此，連接節點構造要盡量簡單，易于制作；連接方式應盡可能可靠、可靠；連接節點處的構造應合理，滿足所用材料的性能要求；連接節點應具有足夠的承載能力和抗剪能力。對于采用裝配式鋼筋混凝土樓蓋結構體系的高層建筑而言，由于其使用功能要求比較高，所以其抗側剛度較大。因此，在設計時應充分考慮高層建筑和超高層建筑對構件截面尺寸和配筋等方面的要求。對于采用裝配式鋼結構樓蓋結構體系的高層建筑而言，其抗側力構件截面尺寸一般為700～800mm。

4.8 新型施工工藝及設備的研發與應用

為了提高裝配式建筑的施工效率，在技術上需要進行不斷地創新與研發，而最具代表性的就是裝配式建筑施工過程中新型的施工工藝。

在裝配式建筑施工過程中，最為關鍵的就是構件的組裝，在組裝完成以后，就會對其進行現場拼裝，所以構件安裝的質量對于整個裝配式建筑的質量有著至關重要的作用。同時，裝配式建筑施工過程中，構件之間的連接是關鍵所在，如果連接不牢固就會導致構件出現脫落或者是變形等現象。所以，在施工過程中要特別注意構件之間的連接。比如在一些較大構件上安裝預制構件時，需要使用高強度螺栓來連接不同部位的構件，為了提高裝配式建筑施工質量，可以使用高強螺栓進行連接。并且，為了提高施工效率，在構件安裝前還可以利用一些新型的技術對其進行有效地控制。比如在澆筑混凝土時采用合理的混凝土振搗工藝等。

5.未來發展趨勢

建筑工業化是裝配式建筑發展的必然趨勢。我國擁有豐富的人力資源、低廉的勞動力成本，裝配式建筑具有巨大的發展空間。但是，目前裝配式建筑與發達國家相比仍有較大差距，主要體現在：設計水平有待提高。設計人員對結構性能的認識不夠，缺乏對新型結構體系、新型材料和新技術的研究與應用。我國裝配式建筑施工技術人員整體素質不高，施工管理水平有待提高。部品部件質量問題仍有發生。部品部件生產企業和施工企業技術力量薄弱，部品部件質量檢驗監管和質量驗收制度不完善；施工中存在違規操作等現象，導致結構質量問題時有發生。產業鏈尚不完善。由于裝配式建筑產業規模小、技術水平低、設備落后、產能過剩等原因，致使產品附加值不高、產業鏈條短。政策法規亟待完善。目前，我國尚無國家層面的裝配式建筑發展政策法規，也沒有統一的行業標準，這就使得各地在制定本地區的裝配式建筑發展政策時缺乏依據和標準。我國裝配式建筑企業管理水平較低，管理手段落后；管理人員缺乏對現代管理知識的掌握和運用；在管理模式上多采用傳統的“人海戰術”。專業人才缺乏。在裝配式建筑結構體系中，設計、生產、施工、裝修等專業人員嚴重不足；從事結構設計工作的工程師不足5%；從事結構構件生產工作的工人不足10%。

結語：

綜上，裝配式建筑體系是在傳統建筑體系的基礎上進行改進和提升，在生產和施工過程中大量采用裝配化施工工藝，具有工期短、施工質量好、能耗低等優點。但目前裝配式建筑結構體系還存在很多問題，如標準化程度低、設計技術和手段滯后、構件連接節點不可靠等。針對上述問題，可通過加強標準化設計和構件連接技術研發力度，提高裝配式建筑構件設計水平，完善施工工藝，提高工程質量和減少建筑垃圾。