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基于裝配式建筑的住宅結構設計要點與解析

剛剛結束的北京冬奧會上，“冰立方”“冰絲帶”“雪飛天”“雪如意”等極具科技感和中國風的冬奧場館成為本屆冬奧會的一大亮點。這些場館在建設和改造的過程中，踐行了綠色低碳發(fā)展理念，充分應用智能建造和裝配式技術，很好地融入中國傳統(tǒng)文化元素，實現(xiàn)了科技與人文的完美結合，既集中體現(xiàn)了我國工程建設水平，也有力展示了智能建造和裝配式建筑廣闊的發(fā)展前景。

去年，全國建筑業(yè)總產(chǎn)值達到29.3萬億元、同比增長11%，占國內(nèi)生產(chǎn)總值比重達到7%。作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，建筑業(yè)健康發(fā)展將有力促進經(jīng)濟增長、緩解就業(yè)壓力、推進新型城鎮(zhèn)化建設以及保障和改善民生。今年召開的全國住房和城鄉(xiāng)建設工作會議明確，將推動建筑業(yè)轉型升級，將向工業(yè)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展作為一項重點工作。

1.預制率和裝配率

目前除國標《裝配式建筑評價標準》中對裝配率做了統(tǒng)一規(guī)定外，上海、江蘇、北京、成都、深圳、湖南、湖北等省市也陸續(xù)出臺了針對當?shù)氐念A制率和裝配率計算細則。但在納入預制率（裝配率）計算的構件范圍以及各類構件預制率（裝配率）的折算比例方面都有所差別。

以上海預制率和裝配率計算細則為例，預制率是指混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土混合結構、木結構等結構類型的裝配式建筑±0.000 以上主體結構和圍護結構中預制構件部分的材料用量占對應構件材料總用量的比率。規(guī)范列出了兩種計算方法

計算方法一：

預制率=預制混凝土構件體積/（預制混凝土構件體積+現(xiàn)澆混凝土體積）

計算方法二：

預制率=∑（構件權重×修正系數(shù)×預制構件比例）×100%

計算時需要注意以下幾點：

1.上海地區(qū)計算范圍為室外地坪以上，以每棟單體建筑為計算單元。

2.上海地區(qū)預制構件范圍僅包含主體結構和外墻圍護結構，幕墻、石材、石膏板等非混凝土預制構件不計入預制率，內(nèi)墻填充墻不計入預制率。

3.方法一僅用于混凝土結構，方法二可用于混凝土結構、鋼結構和木結構。混凝土結構的裝配式住宅采用兩種方法計算均可。

裝配率是指裝配式建筑中預制構件、建筑部品的數(shù)量（或面積）占同類構件或部品總數(shù)量（或面積）的比率。

建筑單體裝配率 = 建筑單體預制率 + 部品裝配率 + 其他

部品裝配率 = ∑（部品權重 × 部品比例） ×100%

其中，“部品”指預制內(nèi)隔墻、單元式幕墻、集成式廚房、集成式衛(wèi)生間、集成管道井、集成排煙道。“其他”指結構與保溫一體化、墻體與窗框一體化、集成式墻體、集成式樓板、組合成型鋼筋制品。

2.裝配式結構體系選型

常見的裝配式結構體系有全預制剪力墻承重體系、預制剪力墻外墻模板體系、預制雙面疊合剪力墻體系等。各體系的代表工藝及優(yōu)缺點如下圖所示。

裝配式結構體系及特點

全預制剪力墻承重體系

預制剪力墻外墻模板體系

預制雙面疊合剪力墻體系

制約預制結構體系的因素主要有兩個方面，一是建筑高度，按照現(xiàn)有規(guī)范的規(guī)定，不同結構體系的裝配整體式房屋有最大適用高度限值。二是建筑保溫形式，常見的保溫形式有夾心保溫、內(nèi)保溫和外保溫，設計時應考慮各類保溫形式的特點及使用材料進行選擇。

裝配整體式結構房屋的最大適用高度（m）

常見保溫形式及特點

3.各階段PC專項設計內(nèi)容及要點

方案階段：

方案階段的PC專項設計主要有以下內(nèi)容：

(1)根據(jù)各地政策和業(yè)主要求確定裝配式建筑的面積比例和預制率

(2)選擇預制結構體系

(3)確定預制構件類型和樓層范圍

其中，在確定預制構件類型時，應注意剪力墻結構底部加強區(qū)不宜做預制、框支結構的轉換梁和框支柱應現(xiàn)澆、高層的電梯井筒宜采用現(xiàn)澆結構。而在預制樓層的選擇上，對于房屋的地下室樓層和屋面層，宜采用現(xiàn)澆樓蓋結構；對于開洞過大的樓層、結構轉換層，應采用現(xiàn)澆樓蓋結構。

初步設計階段：

初步設計階段的PC專項設計主要有以下內(nèi)容：

(1)PC結構設計說明

(2)預制構件平面分布圖

(3)預制構件立面分布圖

(4)典型墻身剖面圖和連接詳圖

(5)相關計算書——包括夾心保溫外墻面積計算和預制率計算

預制構件平面分布圖示意

預制構件立面分布圖示意

施工圖設計階段：

施工圖階段的PC專項設計主要有以下內(nèi)容：

（1）編寫PC結構施工設計總說明

（2）預制構件平面分布圖——圖紙中應區(qū)分現(xiàn)澆結構及預制結構，繪出預制結構構件的位置及定位尺寸；繪出預制結構構件型號或編號及詳圖索引號；標注較大構件的尺寸及重量及吊裝距離最遠的構件

（3）預制構件立面分布圖，應表達一整棟建筑立面上的預制構件與現(xiàn)澆混凝土的范圍以及預制構件的名稱

（4）預制構件剖面圖以表達建筑的預制構件墻身詳圖及節(jié)點詳圖索引

（5）預制構件公共詳圖——包括水平和豎向縫連接詳圖，夾心保溫排水管設置詳圖，預制剪力墻水平和豎向連接詳圖，預制梯段板端部連接詳圖，夾心保溫內(nèi)外頁板連接詳圖，預制墻施工用斜撐詳圖，預制外墻調標高詳圖、PC與現(xiàn)澆陰角模板施工詳圖，雙向疊合板整體式接縫構造圖等

（6）預制構件索引節(jié)點詳圖——包括凸窗與疊合梁的連接詳圖，PC墻的豎向和水平連接，陽臺板與疊合梁的連接詳圖,轉換層與PC構件的連接詳圖，陽臺隔墻上下連接詳圖等

（7）PC計算書——包括預制率計算；預制夾心保溫外墻面積計算；剪力墻水平接縫計算；預制構件正常使用階段錨固驗算；預制構件脫模和吊裝階段計算等

預制構件公共詳圖示意

預制構件索引節(jié)點詳圖示意

PC深化階段：

PC深化設計階段需要提供的設計成果主要有以下內(nèi)容，相比施工圖階段的設計成果主要增加了最后5項內(nèi)容：

（1）PC結構施工設計總說明

（2）預制構件平面分布圖

（3）預制構件立面分布圖

（4）墻身剖面圖

（5）標準節(jié)點詳圖

（6）索引節(jié)點詳圖

（7）現(xiàn)場埋件分布圖

（8）構件加工圖

（9）預制構件裝配圖

（10）金屬件加工圖

（11） PC構件工程量統(tǒng)計清單

4.常用連接件形式

常見的連接件形式有FRP連接件、不銹鋼連接件和灌漿套筒等，各連接件的作用和優(yōu)缺點如下所示。

FRP連接件

不銹鋼連接件

灌漿套筒

5.經(jīng)濟性對比

相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅，裝配式住宅因為材料、模板、運輸、臨時支撐等成本的增加，導致其結構造價偏高，且預制率越高造價增加越多。目前住宅常用的三種裝配式結構體系相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結構每平米增加的造價可參考下表。表中數(shù)值來自2016~2017年的多個住宅項目的統(tǒng)計，隨著裝配式住宅的普及，相信未來結構造價將呈不斷降低的趨勢。

裝配式住宅造價增加參考表

6 .研究趨勢與展望

目前，模塊化建筑已受到工程界和學術界的廣泛關注。在對現(xiàn)有模塊化建筑結構相關研究進行歸納總結后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學者對模塊化建筑的可行性已作了大量研究，但對模塊化結構構件的材料性能、模塊間的節(jié)點連接以及搬運和安裝過程中力學性能的研究還相對匱乏，滯后于實際工程中日趨增長的需求。難以滿足模塊化結構建筑在高層建筑及抗震設防區(qū)域的應用。展望模塊化建筑相關研究趨勢，可包括以下幾方面：

（1）規(guī)范化與標準化。傳統(tǒng)的建筑規(guī)范和已有的模塊化建筑設計準則，在現(xiàn)有的國內(nèi)外模塊化建筑工程中已有了一定的應用。但由于編著時間較早，概念和理論不夠詳細系統(tǒng)，且沒有得到及時的更新，已不能滿足現(xiàn)有的裝配式模塊化建筑需求，亟需通過更詳盡的研究建立適用于模塊化建筑的設計準則與設計規(guī)范。

（2）專業(yè)化和通用化。國內(nèi)外針對裝配式模塊化建筑的結構和節(jié)點已開展了大量的研究，并在實際應用中表現(xiàn)出良好的性能。但其連接形式缺乏普遍性，難以適用于不同的材料和結構設計，更難以在高層建筑中進行安裝。因此亟需通過試驗和研究，設計出適用于多種建筑材料和建筑結構形式的、便于在高層建筑結構中安裝的專業(yè)化和通用化有效連接件。

（3）系統(tǒng)化和快捷化。目前，交通運輸路線和運輸方式限制了大型模塊的重量和尺寸，且對運輸過程的經(jīng)濟性有較大的影響。研究表明，混合式模塊結構在尺寸的設置上更靈活，更易于運輸。因此，需要對結構模塊部件和單元的運輸和調配進行更為系統(tǒng)的統(tǒng)籌和規(guī)劃，亟需開發(fā)尺寸設置靈活的模塊，便于適應各種運輸方式和運輸條件。

（4）智能化和自動化。模塊化建筑投入生產(chǎn)后，其基本建筑模塊單元難以根據(jù)現(xiàn)場的建設情況進行改動。而現(xiàn)有研究在模塊單元的修改、拆卸和再利用方面基本處于空白狀態(tài)，嚴重制約了裝配式模塊化建筑在高層建筑中的應用。因此模塊化后期的結構改動和自動化拆卸方面仍有很大的研究空間。

習近平主席在2022年新年賀詞中飽含深情地指出“民之所憂，我必念之；民之所盼，我必行之”；并多次強調“人民對美好生活的向往，就是我們黨的奮斗目標”。長期以來，裝配式建筑的發(fā)展過多地關注提高預制率，關注連接方式和工藝工法，導致普通民眾對裝配式建筑了解不深，缺乏體驗感、獲得感。大力發(fā)展模塊化建造，恰恰可以將與老百姓日常生活密切相關的裝修裝飾、家具櫥柜、衛(wèi)生潔具、開關插座等等，對標制造業(yè)，按產(chǎn)品來進行設計并在工廠基本完成安裝，運送到工地的模塊完成度超過90%，在現(xiàn)場只需將模塊與主體結構進行連接，并對水電管線等進行少量安裝調試即可投入使用。

這就需要對建造的全過程進行“系統(tǒng)性重構”，要對建筑進行產(chǎn)品化精準設計，加工精度達到毫米級誤差，家具、櫥柜、潔具等部品可于工廠順利安裝就位。實踐證明，按照制造業(yè)的邏輯，凡是在工廠進行生產(chǎn)和裝配的產(chǎn)品，質量、安全、造價和工期都是完全可控的；我們就是應當把跟老百姓密切相關的部分放到工廠去完成；將結構連接、管線連通、調試維護這些工作，放到現(xiàn)場來完成，這才是真正體現(xiàn)“以人民為中心”的宗旨。

同時，模塊化建造也是數(shù)字化建造的最佳載體。提起建筑業(yè)數(shù)字化，大家都不約而同地想起B(yǎng)IM，其核心是建設工程及設施全生命周期，即設計、施工、運維的數(shù)字化表達。BIM是建基于建筑工業(yè)化基礎之上，以“構件組合”的方式，對建筑的物理和功能特性進行“數(shù)字化表達”；建筑業(yè)多年來推廣BIM困難重重，除了軟件功能的缺失，還有一個重要的原因，是我們還是在落后的生產(chǎn)方式即現(xiàn)澆混凝土工藝的基礎上進行建模。因此導致建模工作量巨大，加上甲方頻繁修改，導致大部分項目都采用了“翻模”方式進行“雙軌制BIM”。

（責任編輯：何雯麗）