程滿  徐春建  賀笑文
濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院  山東濟(jì)南  250101

摘要：在我國(guó)的建筑工程領(lǐng)域中,房屋建筑通常采用的是現(xiàn)場(chǎng)澆筑的作業(yè)方法。但隨著城市建設(shè)速度的持續(xù)加快,人口密集度也在隨之提升,傳統(tǒng)類型的施工方式已經(jīng)不能夠很好地滿足城市居民的居住要求。針對(duì)此種情況,預(yù)制裝配式建筑應(yīng)運(yùn)而生,并得到了廣泛的應(yīng)用,對(duì)預(yù)制裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系展開(kāi)研究。
關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配式建筑；結(jié)構(gòu)體系；設(shè)計(jì)
引言：使用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)，在施工現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的污染，該技術(shù)在質(zhì)量可控性上也存在不足。而通過(guò)使用預(yù)制裝配建筑結(jié)構(gòu)體系，能簡(jiǎn)化施工現(xiàn)場(chǎng)施工，降低環(huán)境污染，在工業(yè)化的建筑建設(shè)模式下，也提升了工程的質(zhì)量可控性，因此近年來(lái)得到了廣泛使用。但是，預(yù)制裝配式建筑也需要有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為指導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，保證建筑的質(zhì)量，確保施工順利進(jìn)行。
1 預(yù)制裝配式建筑概述
       裝配式建筑將各種構(gòu)件轉(zhuǎn)移到工廠預(yù)制，建筑工程的施工現(xiàn)場(chǎng)主要完成對(duì)各種裝配置構(gòu)建的組裝工作，使建筑工程具有更強(qiáng)的工業(yè)化特征，在質(zhì)量控制、進(jìn)度控制上比傳統(tǒng)的建筑施工方式更為優(yōu)秀[1]。同時(shí)，預(yù)制裝配式建筑也能滿足不同風(fēng)格、結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)需求，可以在工廠預(yù)定混凝土構(gòu)件，對(duì)構(gòu)建的尺寸、強(qiáng)度、材質(zhì)提出要求訂制，完成構(gòu)建制造后運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，就可以開(kāi)展對(duì)建筑的安裝施工，滿足風(fēng)格、結(jié)構(gòu)等方面的要求。
       與傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制工藝相比，預(yù)制裝配式建筑在施工中大量使用了輕質(zhì)墻板，施工時(shí)的靈活性和自由度更高，可以節(jié)省財(cái)力、人力和物力的投入；使用預(yù)制構(gòu)件施工能加快工程施工速度，而且質(zhì)量控制也非常簡(jiǎn)單，縮短建設(shè)周期之后，能給施工企業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際施工中，現(xiàn)場(chǎng)的人員、材料都比較少，降低了施工的管理成本，能更好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全和環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行控制。
2 預(yù)祝裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系
2.1 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用
       針對(duì)民用建筑可以使用的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式包括木結(jié)構(gòu)、輕鋼－木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、普通鋼結(jié)構(gòu)。由于成本的考慮，開(kāi)發(fā)一般都選擇裝配式準(zhǔn)凝土結(jié)構(gòu)的建筑，鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)性能更強(qiáng)，主要使用在高檔別墅當(dāng)中。也可以將預(yù)制裝配式建筑的結(jié)構(gòu)體系分為特殊結(jié)構(gòu)體系和一般結(jié)構(gòu)體系，一般結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用比較廣泛，包括剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、混合體系；特殊體系能滿足不同建筑在功能和性能上的特殊需求，所以都針對(duì)專業(yè)性建筑使用，例如對(duì)住宅板樓和單一工業(yè)房中應(yīng)用。
2.2 預(yù)制裝配式建筑的抗震性能
       從結(jié)構(gòu)形式上分析，目前的預(yù)制裝配式建筑和現(xiàn)澆混凝土建筑并沒(méi)有太大的區(qū)別，但是預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件在連接技術(shù)上更為復(fù)雜，所以在結(jié)構(gòu)形式不同、布置不同，以及采用不同連接技術(shù)的情況下，裝配式建筑的結(jié)構(gòu)可能有不同的力學(xué)和抗震性能[2]。所以為了滿足防震的需求，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)針對(duì)性地選擇連接技術(shù)，并專門(mén)設(shè)計(jì)連接的結(jié)構(gòu)形式。
       預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)裝配化程度的高低分為兩大類，包括全裝配式和部分裝配式。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的整體剛度和裝配化的程度沒(méi)有直接關(guān)系，結(jié)合工程實(shí)踐，剛度只和受力構(gòu)件的剛度和節(jié)點(diǎn)剛度有關(guān)。節(jié)點(diǎn)的連接方式包括干式連接、濕式連接、柔性連接。干式連接中的鉸鏈連接節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，因此對(duì)于儲(chǔ)存干式連接框架都只考慮承豎向荷載的情況。比如不會(huì)考慮抗震設(shè)防，并且基本風(fēng)壓很小，的底層建筑中。使用濕式連接的剛性連接節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度接近現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，所以濕式連接的混凝土框架在力學(xué)性能上和現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)類似，可以應(yīng)用到低層到高層的所有類型建筑中。對(duì)于采用柔性連接節(jié)點(diǎn)剛度，處于干式連接和濕式連接之間，而且存在旋轉(zhuǎn)剛度。
       由于不同的連接節(jié)點(diǎn)形式結(jié)構(gòu)不同，因此在剛度和耗能性能上也有明顯的區(qū)別。因此在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合建筑的需求來(lái)選擇連接形式。而且，結(jié)構(gòu)中不同位置對(duì)剛度和耗能性能的要求不同，所以建筑設(shè)計(jì)師也要根據(jù)抗震性能的要求確定節(jié)點(diǎn)類型的使用比例。
2.3 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)
       很多住宅建筑都使用了現(xiàn)澆混凝土剪力墻，目前裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)也有可能發(fā)展為住宅的主要形式。預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)可能為純粹的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，也可融合一定的現(xiàn)澆混凝土技術(shù)。目前，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中含有大量的水平和豎向接縫，建筑結(jié)構(gòu)的受力性能會(huì)直接決定結(jié)構(gòu)的整體性能，所以在接縫的設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造要求、施工方法還需要繼續(xù)的系統(tǒng)研究。
3 預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)
       由于預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的重量比較輕，因此構(gòu)件的運(yùn)輸難度比較小，所以一般應(yīng)用在比較大的預(yù)制結(jié)構(gòu)中，比如目前的高層建筑結(jié)構(gòu)中，普遍使用預(yù)制裝配式框架體系。框架體系的結(jié)構(gòu)主要在工廠中預(yù)制疊合梁和框架結(jié)構(gòu)，對(duì)于處理節(jié)點(diǎn)和頂端的鍵槽會(huì)在運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)之后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)柱的處理工作，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)確定預(yù)制或者現(xiàn)澆混凝土方案。
       對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要做好對(duì)以下幾個(gè)方面的控制工作：對(duì)預(yù)制混凝土框架柱、柱混凝土和底板的固定強(qiáng)度要保持在C30以上。需要做好對(duì)結(jié)構(gòu)面質(zhì)量的控制，以及做好對(duì)梁柱中心線位置的控制，做好對(duì)縱向、橫向框架柱對(duì)其工作，調(diào)整垂直面的狀態(tài)。在對(duì)框架梁柱的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于移交的部分必須要滿足剛性連接的要求。對(duì)于預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)的焊接施工中，需要做好對(duì)焊接質(zhì)量的控制，對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作，也要保證各種預(yù)埋件的合理設(shè)計(jì)。
3.2 預(yù)制裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    裝配式建筑的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件著重要組成部分為板結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)，還可以包括預(yù)制混凝土構(gòu)件，包括層合板預(yù)制墻板和疊層梁。對(duì)于預(yù)制裝配剪力墻的設(shè)計(jì)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況確定使用半預(yù)制還是全預(yù)制的剪力墻結(jié)構(gòu)，而且為了確保剪力墻的質(zhì)量，對(duì)橫墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該針對(duì)實(shí)際情況使用承重墻墻板結(jié)構(gòu)或者輕墻板兩端的山墻，使預(yù)制承重墻的側(cè)向力能滿足結(jié)構(gòu)需求；對(duì)于豎向抗側(cè)力的設(shè)計(jì)，對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)的不同部位，都要保證豎向承重鋼筋注漿錨桿和連接都通現(xiàn)澆連接；兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)該因可能保持平面形式，對(duì)于E連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要確保機(jī)械的連續(xù)性和完整性。
    為了保證電力傳輸有清洗的結(jié)構(gòu)，以及確保構(gòu)件之間連接的緊密性，并且確保預(yù)制構(gòu)件之間能滿足抗震的需求，對(duì)于預(yù)制構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該使用連續(xù)高強(qiáng)度預(yù)制鋼。為了提升空間和關(guān)節(jié)的位置，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中分析場(chǎng)地條件的情況，結(jié)合實(shí)際情況，防止柱關(guān)鍵位置的垂直高度應(yīng)該設(shè)計(jì)為一層或者兩層，并且盡量避免不同類型預(yù)制建筑出現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)度的情況。建設(shè)過(guò)程中，還要根據(jù)要求校核鋼筋形變階段的應(yīng)力，并且對(duì)每一棟復(fù)平面上的現(xiàn)澆樓頂板使用區(qū)域設(shè)計(jì)的方式。
3.3 不同結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)方法
3.3.1 低層建筑
       對(duì)于底層需要考慮抗震設(shè)防為主的結(jié)構(gòu)，一般會(huì)選擇鉸鏈為主的框架結(jié)構(gòu)，比如混合連接結(jié)構(gòu)滿足性能要求。剛性節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以滿足位移1/550為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者使用柔性連接的方式，最大程度發(fā)揮預(yù)制裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)。
3.3.2 小高層建筑
       小高層建筑的結(jié)構(gòu)會(huì)材料剛接－耗能減震元件－鉸接的組合式連接方法，可以充分發(fā)揮出預(yù)制裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，還能讓建筑具備更強(qiáng)的抗風(fēng)、抗震性能，也能滿足對(duì)整體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的要求。
3.3.3 高層和超高層建筑
       高層和超高層建筑應(yīng)該采用預(yù)制裝配式，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)該使用現(xiàn)澆混凝土，滿足高層建筑強(qiáng)度的要求。
4 預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)思想
4.1 科學(xué)提高經(jīng)濟(jì)效益
       預(yù)制裝配式建筑能夠提升工程的總體質(zhì)量和效率，但是單體造價(jià)要比現(xiàn)澆混凝土價(jià)格更高。為了提升預(yù)制裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該綜合研究裝配式建筑環(huán)境效益等方面的作用，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)提升裝配式建筑的綜合效益。采用追求結(jié)構(gòu)性能和技術(shù)先進(jìn)性的理念開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，滿足工程建設(shè)目標(biāo)的情況下，最大化發(fā)揮裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)性能。
4.2 避免過(guò)度使用
       對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要認(rèn)識(shí)到預(yù)制裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，也要避免在建筑結(jié)構(gòu)中過(guò)度使用。比如施工過(guò)程中需要使用復(fù)雜的剪力墻結(jié)構(gòu)，將會(huì)導(dǎo)致工程的用鋼量增加，而且安裝成本也會(huì)較高。根據(jù)力學(xué)性能的要求，對(duì)于邊緣構(gòu)件應(yīng)該使用現(xiàn)澆的方式。
結(jié)束語(yǔ)：預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員需要充分發(fā)揮預(yù)制裝配式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，建筑的結(jié)構(gòu)做好優(yōu)化工作，滿足強(qiáng)度、成本等要求。針對(duì)不同類型的建筑，應(yīng)該靈活使用相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，保證建筑的結(jié)構(gòu)滿足要求。
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