装配式混凝土结构中的设计思维探讨 -“加与减”及“分与合”

这是一篇我免费发表在“预制网”上的一篇文章，关于装配式的，又是定性，没有太多定量，或许很多人又会觉得我是泛泛而谈，很遗憾，由于能力，精力有限，没有深入太多具体的细节。装配式，如果你了解它基本等同于现浇，了解它是怎么拼起来的，再看看此文，有些东西，或许会豁然开朗。本文深入浅出，化繁为简，从设计思维的角度，阐述了“加与减”及“分与合”两种设计思维在装配式混凝土结构中的方方面面，希望能给同行一些启示。（http://precast.com.cn/index.php/subject_detail-id-3387.html）

1、前言

装配式混凝土结构是“拼装”而成，不符合现浇混凝土结构概念设计的两个重要原则“连续”与“均匀”，不连续的地方应加强，加上建厂、设备等其它费用，在相当长一段时间内，其造价必然会比传统混凝土结构要高。但是装配式混凝土结构具有绿色、节能、环保

等很多优点，当人工、环保、政策、技术、工艺、材料等边界条件形成时，装配式混凝土结构是建筑发展的必然趋势与结果。本文结合自己多年的工程经验，探讨装配式混凝土结构中的两种设计思维-“加与减”及“分与合”。

2、结构体系

土木工程经过多年的发展，取得了很多进步，对于混凝土结构，常见的体系有：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架－剪力墙结构（框架－筒体结构）体系、板柱-剪力墙结构、异形柱结构体系、筒中筒结构体系、多筒体系等；也有一些组合的体系，比如底框结构体系、组合结构(混合结构)体系等；还有空心楼盖、空心墙柱、预应力结构等。在纵多体系中，如果仔细研究其规律，会发现其并不复杂，主要体现在三个方面，分别为：不同截面形状的刚度、力流传递形式选择（拉、压、弯等）、物尽其用，然后借助“加与减”及“分与合”两种思维去串起来，形成不同的结构体系。

对于混凝土结构：正方形或矩形的柱子与梁采用“合”的思维在一起，形成了框架结构体系；需要更大的刚度时，采用“分”的思维，把截面“分”成长扁形，与梁“合”在一起，形成了剪力墙结构体系；有了框架结构体系，与剪力墙结构体系，分别取部分，采用“合”的思维，于是有了框架－剪力墙结构（框架－筒体结构）体系；有了剪力墙结构体系，对于多层与小高层，需要较小的刚度时，采用“减”的思维，减小剪力墙的长度，于是有了异形柱结构体系、短肢剪力墙结构体系；水平力、竖向力在其传递过程中，力会以拉、压、弯等形式传递，并且分配到不同的构件，当取消主次梁，力采用“分”的思维，部分弯矩由板带去抵抗时，有了板柱-剪力墙结构体系；根据材料力学中应力的分布规律，达到“物尽其用”的效果，采用“减”的思维，于是有了空心楼盖、空心墙柱；对于普通楼板及主次梁，其纵向钢筋的总拉应力有一个上限值，采用“加”的思维，提前施加压力，于是有了预应力结构；水平力传递时，除了以受弯的形式传递（力×力臂）外，也可以以拉压的形式传递，于是有了桁架结构体系，有了支撑结构，采用了力“分”的思维。

混凝土结构体系、钢结构体系、预应力结构、空心结构、隔震、耗能件等，借助“加与减”及“分与合”两种思维去串起来，通过不同的组合方式，或许又会产生新的结构体系。一个体系中构件的布置，会有最优经济平衡点，比如什么时候采用叠合楼板、预应力叠合板、预应力空心叠合板等。

现在市场主推的装配式混凝土体系包括：中民筑友科技集团有限公司、南京大地建设集团有限责任公司的“预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系”；远大的“内浇外挂”体系；中民筑友科技集团有限公司、中南集团“全预制装配整体式剪力墙结构（NPC）体系”；北京万科企业有限公司的“装配整体式剪力墙结构体系”；西伟德宝业混凝土预制件（合肥）有限公司的“叠合板装配整体式混凝土结构体系”；台湾润泰集团的“预制装配式框架结构”；黑龙江宇辉建设集团的“预制装配整体式混凝土剪力墙结构体系”等。

3、结构布置

结构布置采用“减”的思维，减少次梁的个数，采用“加”的思维，采用大跨度的楼板，总的原则 “外强内弱”，可以减少墙、柱、梁、板等构件的个数。

结构布置时传力应尽可能均匀，通过改进，采用“加”的思维，采用双向叠合楼板或双向预应力叠合楼板等。

4、构件

采用“合”的思维，将装配式构件和绿色功能融合、集成。采用“合”的思维，将外墙板装饰、保温、承重一体化，提高保温性能及耐久性；采用“合”的思维，将成品门窗与预制墙板的一体化连接。

5、模块化与模数化

采用“分”的思维，装饰与主体结构分离，整体厨房、整体卫浴和整体收纳三大模块化部品均采用标准化设计，统一定型尺寸，便于生产和安装。

采用“减”的思维，户型尽可能一致，形成模块，能最大程度的提高构件重复使用率， 减少模具的个数，降低造价与节省工期。

不能仅停留在“轴线尺寸满足规范要求”这个最初级阶段，工程实施过程中有很多因模数协调没有考虑而导致的情况。比如机电管线的预埋与结构配筋之间由于没有考虑模数，出现了“碰撞”情况。通过模数化配筋并结合模数化配线，确保了“碰撞”问题的解决。

采用“减”的思维，楼板尺寸应模数化，尽可能的减少预制楼板的种类。

采用“减”的思维，减少墙柱纵筋根数与套筒个数，增大纵筋直径与其间距。

6、工艺深化设计

装配式混凝土结构进行工艺深化设计时，应该预留一定的空间，截面采用“减”的思维，保证不同构件的正常拼装。在拼装时，内隔墙与上层板底及相连预制内隔墙之间一般会留有20mm宽度的缝，“外墙中的“外叶+保温层”之间一般留有20mm宽度的缝。

装配式混凝土结构进行工艺深化设计时，应采用“合”的思维去拼装，承受竖向力与水平力的上下层墙柱之间用灌浆套筒连接，主要是靠粘结力传力；承受竖向力与水平力的在同一个平面的剪力墙之间，通过一段较小长度的的后浇混凝土连接，主要是靠粘结力传力；内隔墙与其垂直相交的内隔墙或预制外墙之间用“套筒+盒子”连接，主要是靠套筒与盒子之间的摩擦力传力；预制内隔墙与上层板在竖向通过“插筋”连接，主要是靠粘结力传力；阳台外隔墙顶部通过开槽“预留钢筋”与垂直相交的顶部相邻的楼板现浇混凝土连接，主要是靠粘结力传力；阳台外隔墙底部通过开槽设置角钢及套筒与底部相邻的楼边相连，主要是靠套筒与角钢之间的摩擦力传力；阳台外隔墙与其垂直相交的外隔墙之间，通过开槽设置角钢及套筒与相连的隔墙相连，主要是靠套筒与角钢之间的摩擦力传力。

采用“分”的思维，借鉴SI分离式的设计思想，让结构与机电、内装适度分离，即最重要的工作是使得工作简化，在复杂建筑系统中寻求最科学、最合理的系统性解决方案。建筑、结构、机电与内装适度分离，不仅有利于构件标准化设计需求，减少引起标准化复杂化的因素，让工作尽量简化，不为自己制造障碍。让结构解决结构的问题、机电处理机电的问题、内装完善内装的事情，专业间能够相互协调即可，完全没必要纠缠在一起。

7、节点

装配式混凝土结构的节点，最终都归结到一个词语，“力分配”。混凝土结构中钢筋能够传力，主要是依靠钢筋和混凝土之间的粘结锚固作用，预制构件与预制构件之间如果没有现浇混凝土与钢筋之间的粘结力，一般靠螺栓与构件之间的摩擦力传力。

粘结力与摩擦力的大小与很多因素有关，粘结力与钢筋的形状（直锚、直锚+弯锚、直锚+端板等）、锚固钢筋的外形、混凝土强度等级均有关，摩擦力与螺栓等级，摩擦系数等均有关。粘结力与摩擦力的设计思维是“分”，通过采用不同形状的钢筋、端板与不同的构造，“分”到不同的部位，从而形成不同的节点。

节点的形成，与“空间”有很大关系。可以预留足够空间，通过现浇混凝土与钢筋去形成支座与粘结力，也可以借物，通过牛腿或者挑出的“垛”去形成空间，通过第三物“连接板”去形成支座关系。

8、发展方向

采用“合”的思维，建筑工业化将在一个大平台系统下，会出现“三个一体化”：建筑、结构、机电、装修一体化；设计、加工、装配一体化；技术、管理、市场一体化。

9、束语

装配式混凝土结构是建筑发展的必然趋势与结果，但目前仍存在很多的不足，本文深入浅出，化繁为简，从设计思维的角度，阐述了“加与减”及“分与合”两种设计思维在装配式混凝土结构中的方方面面，希望能给同行一些启示。

作者简介：

庄伟，中南大学土木工程学院硕士研究生

谢俊，中民筑友科技集团有限公司设计院院长