浅析装配式框架结构建筑设计

近年来，随着国家经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，人们对房屋建筑的品质需求越来越高。同时，随着人口老龄化和城镇化推进，装配式建筑标准化设计、工厂化生产、一体化装修、装配化施工、信息化管理等有利于提高质量、节约能源、绿色环保等特点，同时应用BIM 技术的三维可视化、协同性、模拟性保障装配式预制构件在工程现场安装的准确性，得到国家政策支持、行业大力推广和广大消费者的认可。

一、初步设计阶段

在初步设计阶段应根据相关合同条款、业主需求、《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017 和各地方对装配式建筑的评定管理办法对装配式建筑的装配率要求及相关计算方法会同建筑、结构、机电（水、暖、电）、装饰装修根据各地方评定办法明确各专业得分项和得分内容。应充分考虑装配式建筑的特点及项目的技术经济条件从满足功能使用需求、符合标准化设计要求、结构平面布置合理性、围护结构选型、集成技术配置、构件生产、运输、吊装、施工的经济性确定合理的预制方案、适宜的预制部位与构件种类。下面以《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017 为评价标准举例几种满足标准的装配方案并简要阐述各方案特点。

方案1 以主体结构为主要得分项，采用了竖向构件+ 水平构件的预制方案符合高预制率理念，竖向构件只预制35% 无法达到免支撑。对工期没有缩短，灌浆套筒及灌浆料成本较高。

方案2 以围护墙和内隔墙为主要得分项，采用了预制混凝土外挂墙板和轻龙骨内隔墙，外立面接缝处理较为关键，轻钢龙骨隔墙成本较高。

方案3 以全装修+ 设备管线为主要得分项，采用干式工法和集成厨房、卫生间。较为符合CSI 住宅理念，对层高有一定影响。装饰成本较高，集成厨房、卫生间有待进一步推广。

1. 标准化设计

装配式建筑设计应遵循“少规格，多组合”的重要原则，通过标准化的设计方法，减少构件的规格和接口种类，能够有效降低建筑成本。设计人员要有“建筑是有预制构件与部品部件组合而成”的设计概念，结合建筑的功能要求进行标准化设计，选用尺寸符合模数的主体构件和内装部品，在优化合并同类构件的同时进行多样化的组合，以实现装配式建筑不同使用功能和审美的需求。

2.BIM“协同”设计

装配式建筑的典型特征是标准化的预制构件或部品在工厂生产，然后运输到施工现场装配、组装成整体。采用BIM 技术后，创建各专业信息集成的装配式BIM 模型, 基于装配式BIM 模型可准确进行三维构件设计、各专业预留定位和预安装模拟等。

3. 平面布置及相关计算

（1）平面布置

装配式建筑的轴线网格布置应尽量规则对称，柱网应尽量统一，柱、梁截面应少规格，应遵循多标准层少规格设计理念，柱、梁截面变换应尽量在统一楼层，避免出现3 层缩柱、4 层缩梁的情况。主梁与柱子应居中搭接，楼

板跨度也应尽量归并统一，减少连续相差细微尺寸的情况出现（如3300mm、3350mm、3400mm），减少上述不规则设计。在满足上述标准化设计情况外还应考虑现行国家运输尺寸的规定，避免出现尴尬尺寸的设计。如

图2 所示；采用十字梁设计，使得楼板尺寸为3000mm*3000mm，且为双向板设计。该尺寸楼板单片设计时超宽，拆分后板片尺寸又偏小，应采用图3 的单次梁设计。

（2）相关计算

在各种设计状况下，装配整体式结构可采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构分析。地震设计下装配整体式框架结构现浇柱地震内力应适当放大。根据《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014 [6.1.10] 装配式结构构件及节点应进行承载能力极限状态及正常使用极限状态设计，并应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010、《建筑抗震设计规范》GB50011、《混凝土结构工程施工规范》GB50666 等的有关规定。[6.1.11] 抗震设计时，构件及节点承载力抗震调整系数γRE 应按表6.1.11 采用。

三、深化设计阶段

装配式建筑因其类似“造汽车”一样的建造方式这一特殊性，对运抵施工现场的各类构件精度要求较高，利用BIM 技术可视化、碰撞检查等功能可有效在设计阶段发现并处理各专业及预制构件的错漏碰撞。减少构件设计时考虑不全、图纸量大容易出错等情况发生。装配式建筑设计应采用BIM 技术。

同样、一个项目在建设过程中会有各个专业的参与方、各个参与方有不同的工艺需求，装配式建筑应倡导采用EPC 模式，由总承包居中协调各参与方需求，及时汇同各方，共同讨论预制构件预留预埋的方式及必要性，才能在后期预制构件组成安装后，为后续参与方提供必要施工条件。减少因各方沟不足导致的预制构件的开槽、取孔、补孔、补预埋甚至预制构件返厂等各类情况发生。现有情况个人认为应从标准化、集成化设计两方面着手降低成本，第一通过标准化设计可以提高预制构件的模板复用率和工厂、现场施工班组的熟练度，提高生产效率，有效节约成本。第二通过集成化设计能有效缩短装配式建筑后续的装饰装修施工工期，甚至一些施工工序。从而大大提高装配式建筑的施工效率，缩短建筑整体施工工期。

装配式建筑设计除了考虑建筑组合成一体的整体性之外，在深化设计阶段还应考虑预制构件在脱模、吊装、存储、运输、装配、现场施工等各工况下不利因素影响。如梁的脱模吊装除考虑动力荷载按1.5 系数，吊钩满足规范要求的埋入长度、截面面积、安全系数外，应根据弯矩情况考虑吊点位置。如下图所示，当吊钩位置距离端部分别为0.1L、0.2L、0.3L 对称布置时，梁的弯矩图为别为图4、图5、图6所示。

从上面三张图可以看出，当预埋吊点位置越靠近端部时，跨中正弯矩越大，吊点处的负弯矩越小。现行预制叠合体系，大部分预制梁板的下部钢筋会同时预制，上部钢筋一般留在吊装完成后二次绑扎。所以预制构件的上部抵抗负弯矩能力较弱。吊点位置的选择应在复核预制构件实际配筋情况下吊装构件跨中正弯矩最大处的挠度值*1.5 满足规范要求后尽量靠近端部。

当出现预制构件跨中和吊点处挠度值验算无法同时满足时，应采用预应力、提高下部钢筋配筋面积、吊点处增设补强钢筋等措施。随着建筑工业化的不断发展，各大高校及研究院对装配式建筑的新型连接方式进行了大量的研究，采用CAE 分析软件结合试验验证新型连接节点同常规现浇连接节点在各组合工况下的连接性能及破坏方式。为装配式建筑的发展起到大量促进作用，同时为了满足建筑立面需求及成本控制，装配式建筑预制构件逐渐朝集成化、多样化、大型化发展。设计人员对预制构件本身的成品保护、脱模、运输、吊装、施工等工况考虑较少。当遇到自重大、跨度大及异形构件时，可考虑采用CAE 技术对预制构件的吊装工况、运输时震动工况、存储时堆叠工况等不利因素进行模拟分析，对受力较大或位移较大处应计算构件时候会受损，同时采取必要的加强或保护措施。如下图所示通过ABAQUS 对一组梁在吊装、运输、存储时的工况进行模拟分析，找出应力较大或位移较大区域。本次析取值按吊点位置距梁端0.2L，起吊力1.5 倍自重。运输时水平取1 倍重力、竖向取1 倍重力。

存储时垫块取200 宽。分析时应根据实际情况对各附加条件进行取值。（图7：梁吊装工况下应力云图、图8：梁吊装工况下位移云图、图9：梁运输工况下应力云图、图10：梁运输工况下位移云图、图11：梁存储工况下应力云图、图12：梁存储工况下位移云图）装配式建筑有着不同与现浇建筑物的建造方式，从设计、生产、施工都有着自身的特点，初步设计阶段应根据建筑的功能需求、交付要求等对满足现有装配式评价标准各得分项进行对比甄选，施工图设计阶段应从节点连接、标准化、“少规格、多组合”、集成化等方面加以思考，深化设计阶段应从生产、运输、施工等方面考虑。现有的生产、施工技术也在不断改进中。当整个产业链形成合力，装配式建筑的成本自会降低，效率、效益也会不断提高。

来源：住豪宅产业杂志，作者：福建建工集团有限责任公司