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装配式建筑设计探讨
近年来，无论是国家相关部门还是地方政府，都对建筑工业化给予了重视，一批大型建筑企业开始从转型升级中寻求建筑工业化的发展，并已取得了阶段性的成果。在中共中央、国务院印发的《关于加快推进生态文明建设的意见》、国务院出台的《新型城镇化发展规划》等一系列文件中都提出要大力推进建筑工业化发展。此前不久，《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见 (国办发〔2016〕71号) 》也明确提出，发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能和推动化解过剩产能。
一、国内外技术现状与发展趋势
西方发达国家的装配式住宅已经发展到了相对成熟、完善的阶段。日本、美国、澳大利亚、法国、瑞典、丹麦是最具典型性的国家。国外全面和系统的研究了预制混凝土结构，在工程设计中，制定了相关的设计规范，如日本的“JASS14 混凝土幕墙”和“JASS10 预制混凝土工程”，欧洲的《预制混凝土工程标准和应用手册》以及北美的《预制混凝土结构抗震设计》。发达国家和地区装配式住宅发展大致经历了三个阶段：第一阶段是工业化形成的初期阶段，重点建立工业化生产建造体系；第二阶段是工业化的发展期，逐步提高产品的质量和性价比；第三阶段是工业化发展的成熟期，进一步降低物耗和环境负荷，发展资源循环型建筑。发达国家的实践证明，利用工业化的生产手段是实现建设低能耗、低污染建筑，达到资源节约、提高品质和效率的根本途径。
在大力推动转变经济发展方式，调整产业结构和大力推动节能减排工作的背景下，北京、上海、沈阳、深圳、济南、合肥等城市地方政府以保障性住房建设为抓手，陆续出台支持建筑工业化发展的地方政策。国内的大型房地产开发企业、总承包企业和预制构件生产企业也纷纷行动起来，加大建筑工业化投入。从全国来看，以新型预制混凝土装配式结构快速发展为代表的建筑工业化进入了新一轮的高速发展期。这个时期是我国住宅产业真正进入全面推进的时期，工业化进程也在逐渐加快推进，但是总体来看与发达国家相比差距还很大。
建筑工业化是世界性的大潮流和大趋势，同时也是我国改革和发展的迫切要求。在我国，建材工业和建筑业已列为国民经济的基础产业和支柱产业。装配式建筑的发展将促进建筑领域生产方式的巨大变革。在这样一个大形势下，我国作为发展中国家，建筑业正处在一系列加快发展的大好机遇期，降低能耗、抗震减灾、保护生态与环境，提高人们工作与生活质量是当前最热门的话题。使用新材料、应用新工艺，提高工程质量、提高工效，减少污染和浪费、减少现场作业，实现文明施工是当前技术进步的重要标志，加强关键技术创新和系统体系集成，实现房屋建筑的产业化、多样化、工业化，将是新世纪建筑业的发展趋势。
二、目的和必要性
相较传统建筑，装配式建筑有着如下突出优势：
( 1) 保证工程质量
传统的现场施工受限于工人素质参差不齐，质量事故时有发生而装配式建筑构件在预制工厂生产，生产过程中可对温度湿度等条件进行控制，构件的质量更容易得到保证。
( 2) 降低安全隐患
传统施工大部分是在露天作业、高空作业，存在极大的安全隐患，装配式建筑的构件运输到现场后，由专业安装队伍严格遵循流程进行装配，大大提高了工程质量并降低了安全隐患。
( 3) 提高生产效率
装配式建筑的构件由预制工厂批量采用钢模生产，减少脚手架和模板数量， 因此生产成本相对较低，尤其是生产形式较复杂的构件时，优势更为明显; 同时省掉了相应的施工流程，大大提高了时间利用率。
( 4) 降低人力成本
目前我国建筑行业劳动力不足、技术人员缺乏、工人整体年龄偏大、成本攀升，导致传统施工方式难以为继。装配式建筑由于采用预制工厂施工，现场装配施工， 机械化程度高，减少现场施工及管理人员数量10倍，节省了可观的人工费，提高了劳动生产率。
( 5) 节能环保，减少污染
装配式建筑循环经济特征显著，由于采用的钢模板可循环使用，节省了大量脚手架和模板作业，节约了木材资源。此外，由于构件在工厂生产，现场湿作业少，大大减少了噪音和烟尘，对环境影响较小。
( 6) 模数化设计，延长建筑寿命
装配式建筑进行建筑设计时，首先对户型进行优选，在选定户型的基础上进行模数化设计和生产，这种设计方式大大提高生产效率，对大规模标准化建设尤为适合。此外，由于采用灵活的结构形式，住宅内部空间可进一步改造，延长了住宅使用寿命。
三、装配式建筑结构设计思路
装配式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构，包括装配整体式混凝土结构、全装配混凝土结构等。基本设计概念为：采用可靠的连接方式的基础上，通过合理的构造措施，提高装配式结构的整体性，实现装配式结构与现浇混凝土结构基本等同的要求。下面从设计阶段来分析该结构设计应注意的问题：
1. 在方案阶段，应协调建设、设计、制作、施工各方之间的关系，共同对建筑平面、立面根据标准化原则进行优化，对应用预制构件的技术可行性和经济性进行论证，共同进行整体策划，提出最佳方案。应把控预制构件部位及拆分，一个项目应该采取哪些构件预制，哪些构件拆分，应根据项目特点、预制装配率、选定的结构体系等来确定。对装配式住宅，首先应考虑水平构件采用预制技术（预制叠合梁、叠合板、楼梯、阳台），避免楼面施工时满堂模板和脚手架搭设，可节省造价；其次，考虑保温装饰一体的外墙，减少外墙脚手架的使用，再次，考虑承重和非承重内墙的预制。有地方规定，应满足地方规定对预制率和预制不问的要求。与此同时，建筑、结构、装修、设备等各专业也应密切配合，对预制构件的尺寸、形状、节点构造提出具体技术要求，并对制作、运输安装和施工全过程的可行性以及造价等作出预测。此项工作对结构布置的合理性，以及对工程造价都会产生很大的影响，是十分重要的。
2. 在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较和论证，选出最优方案，整体控制土建造价。
3. 在施工图阶段，在满足建筑功能的前提下，实现基本单元的标准化定型，提高建筑构配件的重复使用率。通过标准化的配筋原则、精确的计算把控、细致的模型调整，精细化的施工图内审及优化，降低土建造价。应特别注意的是，装配式结构中，预制构件的连接部位应设置在受力较小的部位，其尺寸和形状应满足建筑使用功能、模数、标准化的要求，并应进行优化设计；应根据构件的功能和安装部位、加工制作和施工精度等要求确定合理公差；并满足制作对方安装及质量控制要求。在预制构件深化设计阶段，应将各专业、各工种所需的预留孔洞、预埋件一并完成，避免后凿、切割等伤及构件，影响质量和观感。
四、装配式建筑结构构件设计
1.关于材料
实现建筑工业化的目的之一，是提高产品质量。预制构件工厂生产，易于控制质量，对采用混凝土的最低强度要求要高于现浇混凝土。混凝土、钢筋和钢材指标参数及耐久性应满足《混凝土结构设计规范》GB50010、《钢结构设计规范》GB50017和《装配式混凝土结构设计规程》JGJ1-2014的要求。
2.结构分析
装配式混凝土结构分为装配整体式框架结构、装配整体式剪力墙结构、装配整体式现浇剪力墙结构、装配整体式部分框支剪力墙结构。其最大适用高度、高宽比、抗震等级、规则性按《装配式混凝土结构设计规程》JGJ1-2014、《建筑抗震设计规范》GB50011相关条文确定。地下室、底部加强部位剪力墙、框架结构底层柱及顶层楼盖宜现浇，框支剪力墙结构框支层及其上层、其他结构转换构件宜现浇；平面复杂、有较大开洞的楼层宜采用现浇。构件及节点应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计，分析可采用弹性方法，并满足相关规范规定。节点接缝处砼等级及座浆等级应大于相应构件砼强度等级。
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。同一层内既有预制又有现浇抗侧力构件时，地震设计状况下宜对现浇抗侧力构件在地震作用下的剪力和弯矩进行适当放大。现浇楼盖及叠合楼盖均可假定结构平面内无限刚性，楼面梁刚度系数考虑1.3~2.0.
装配式结构的连接计算，预制构件连接，穿过接缝的钢筋不少于构件内钢筋并且构造满足规范要求时，节点及接缝的受拉、受压和受弯一般不低于构件，可不必进行承载力验算。后浇混凝土、灌浆料或座浆材料与预制构件结合面的粘接抗剪强度往往低于预制构件本身混凝土的抗剪强度。因此，预制构件的接缝需要按规范要求进行受剪承载力计算。
考虑楼板整体性要求以及预埋管线、面筋埋设、施工误差等因素，并考虑脱模、吊装、运输、施工等因素，预制板厚度不小于60mm，现浇层厚度不小于60mm。预制板根据长宽比和接缝方式不同，其计算也不同。
在制作、安装施工状态下的受力状态和计算模式与使用状况不同；预制构件在此阶段未达到设计强度，应特别注意其在短暂设计状况下承载能力验算，对预制构件脱模、翻转、起吊、运输、堆放、安装等生产和施工过程中的安全性进行分析。
总之，预制装配式建筑体型、平面布置及构造应符合抗震设计的原则和要求，为满足工业化建设的要求，预制构件设计应遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合的原则，选择适宜的预制构件尺寸和重量，方便加工运输，提高工程质量，控制建设成本，承重墙、柱宜上下连续，门窗洞宜上下对齐，成列布置，不宜采用转角窗。门窗洞口的平面布置和尺寸应满足结构受力及预制构件设计要求。
五、展望
近几十年高速发展的建筑业已经逐渐从房地产开发的热潮中冷却下来，更趋于理性。在这个过程中，我们应开始反思建筑与生活、城市甚至未来的关系，借鉴先进技术、沉淀经验，深入研究产业化建筑的特点。作为在设计单位，面对目前汹涌澎湃的建筑工业化浪潮，应拓展视野，树立产业化意识，组件专业化团队提升技术能力，积累工业化经验，整合各种资源，迎接建筑工业化带来的挑战和机遇。而作为设计师，更应该加强自身在这方面的学习和历练，只有这样才能顺应时代的发展。