预制装配式建筑结构体系与设计
程满 徐春建 贺笑文
济南市规划设计研究院 山东济南 250101
摘要：在我国的建筑工程领域中,房屋建筑通常采用的是现场浇筑的作业方法。但随着城市建设速度的持续加快,人口密集度也在随之提升,传统类型的施工方式已经不能够很好地满足城市居民的居住要求。针对此种情况,预制装配式建筑应运而生,并得到了广泛的应用,对预制装配式建筑的结构体系展开研究。
关键词：预制装配式建筑；结构体系；设计
引言：使用传统的现浇混凝土施工技术，在施工现场可能会导致比较严重的污染，该技术在质量可控性上也存在不足。而通过使用预制装配建筑结构体系，能简化施工现场施工，降低环境污染，在工业化的建筑建设模式下，也提升了工程的质量可控性，因此近年来得到了广泛使用。但是，预制装配式建筑也需要有合理的结构设计作为指导，因此设计人员应设计合理的结构方案，保证建筑的质量，确保施工顺利进行。
1 预制装配式建筑概述
装配式建筑将各种构件转移到工厂预制，建筑工程的施工现场主要完成对各种装配置构建的组装工作，使建筑工程具有更强的工业化特征，在质量控制、进度控制上比传统的建筑施工方式更为优秀[1]。同时，预制装配式建筑也能满足不同风格、结构建筑的建设需求，可以在工厂预定混凝土构件，对构建的尺寸、强度、材质提出要求订制，完成构建制造后运送到施工现场，就可以开展对建筑的安装施工，满足风格、结构等方面的要求。
与传统的混凝土预制工艺相比，预制装配式建筑在施工中大量使用了轻质墙板，施工时的灵活性和自由度更高，可以节省财力、人力和物力的投入；使用预制构件施工能加快工程施工速度，而且质量控制也非常简单，缩短建设周期之后，能给施工企业带来更高的经济效益。实际施工中，现场的人员、材料都比较少，降低了施工的管理成本，能更好地对现场的安全和环境问题进行控制。
2 预祝装配式建筑结构体系
2.1 预制装配式建筑结构体系应用
针对民用建筑可以使用的预制装配式建筑结构形式包括木结构、轻钢－木结构、钢筋混凝土结构、轻钢结构、普通钢结构。由于成本的考虑，开发一般都选择装配式准凝土结构的建筑，钢结构、木结构性能更强，主要使用在高档别墅当中。也可以将预制装配式建筑的结构体系分为特殊结构体系和一般结构体系，一般结构体系的应用比较广泛，包括剪力墙结构、框架结构、混合体系；特殊体系能满足不同建筑在功能和性能上的特殊需求，所以都针对专业性建筑使用，例如对住宅板楼和单一工业房中应用。
2.2 预制装配式建筑的抗震性能
从结构形式上分析，目前的预制装配式建筑和现浇混凝土建筑并没有太大的区别，但是预制装配式建筑构件在连接技术上更为复杂，所以在结构形式不同、布置不同，以及采用不同连接技术的情况下，装配式建筑的结构可能有不同的力学和抗震性能[2]。所以为了满足防震的需求，设计人员一般会针对性地选择连接技术，并专门设计连接的结构形式。
预制装配式混凝土结构根据装配化程度的高低分为两大类，包括全装配式和部分装配式。预制装配式混凝土结构的整体刚度和装配化的程度没有直接关系，结合工程实践，刚度只和受力构件的刚度和节点刚度有关。节点的连接方式包括干式连接、湿式连接、柔性连接。干式连接中的铰链连接节点并没有转动刚度，因此对于储存干式连接框架都只考虑承竖向荷载的情况。比如不会考虑抗震设防，并且基本风压很小，的底层建筑中。使用湿式连接的刚性连接节点，转动刚度接近现浇混凝土梁柱节点，所以湿式连接的混凝土框架在力学性能上和现浇混凝土框架结构类似，可以应用到低层到高层的所有类型建筑中。对于采用柔性连接节点刚度，处于干式连接和湿式连接之间，而且存在旋转刚度。
由于不同的连接节点形式结构不同，因此在刚度和耗能性能上也有明显的区别。因此在进行抗震设计时，应该结合建筑的需求来选择连接形式。而且，结构中不同位置对刚度和耗能性能的要求不同，所以建筑设计师也要根据抗震性能的要求确定节点类型的使用比例。
2.3 预制装配式剪力墙结构
很多住宅建筑都使用了现浇混凝土剪力墙，目前装配式剪力墙结构也有可能发展为住宅的主要形式。预制装配式剪力墙结构可能为纯粹的预制装配式剪力墙结构，也可融合一定的现浇混凝土技术。目前，装配式剪力墙结构中含有大量的水平和竖向接缝，建筑结构的受力性能会直接决定结构的整体性能，所以在接缝的设计方法、构造要求、施工方法还需要继续的系统研究。
3 预制装配式建筑结构设计
3.1 预制装配式框架结构体系设计
由于预制装配式框架结构的重量比较轻，因此构件的运输难度比较小，所以一般应用在比较大的预制结构中，比如目前的高层建筑结构中，普遍使用预制装配式框架体系。框架体系的结构主要在工厂中预制叠合梁和框架结构，对于处理节点和顶端的键槽会在运输到施工现场之后进行现场处理。对于框架结构柱的处理工作，需要根据现场的情况来确定预制或者现浇混凝土方案。
对于结构的受力机理，设计过程中需要做好对以下几个方面的控制工作：对预制混凝土框架柱、柱混凝土和底板的固定强度要保持在C30以上。需要做好对结构面质量的控制，以及做好对梁柱中心线位置的控制，做好对纵向、横向框架柱对其工作，调整垂直面的状态。在对框架梁柱的节点进行设计时，对于移交的部分必须要满足刚性连接的要求。对于预制梁柱节点的焊接施工中，需要做好对焊接质量的控制，对于设计和生产工作，也要保证各种预埋件的合理设计。
3.2 预制装配式建筑剪力墙结构设计
装配式建筑的结构钢构件著重要组成部分为板结构、剪力墙结构和梁结构，还可以包括预制混凝土构件，包括层合板预制墙板和叠层梁。对于预制装配剪力墙的设计，应该结合实际情况确定使用半预制还是全预制的剪力墙结构，而且为了确保剪力墙的质量，对横墙结构的设计中，应该针对实际情况使用承重墙墙板结构或者轻墙板两端的山墙，使预制承重墙的侧向力能满足结构需求；对于竖向抗侧力的设计，对于装配式结构的不同部位，都要保证竖向承重钢筋注浆锚杆和连接都通现浇连接；两个方向的动态特性应该因可能保持平面形式，对于E连接结构设计，需要确保机械的连续性和完整性。
为了保证电力传输有清洗的结构，以及确保构件之间连接的紧密性，并且确保预制构件之间能满足抗震的需求，对于预制构件的钢结构应该使用连续高强度预制钢。为了提升空间和关节的位置，需要在设计过程中分析场地条件的情况，结合实际情况，防止柱关键位置的垂直高度应该设计为一层或者两层，并且尽量避免不同类型预制建筑出现设计过度的情况。建设过程中，还要根据要求校核钢筋形变阶段的应力，并且对每一栋复平面上的现浇楼顶板使用区域设计的方式。
3.3 不同结构建筑的设计方法
3.3.1 低层建筑
对于底层需要考虑抗震设防为主的结构，一般会选择铰链为主的框架结构，比如混合连接结构满足性能要求。刚性节点的数量以满足位移1/550为目标进行设计，或者使用柔性连接的方式，最大程度发挥预制装配式建筑的优势。
3.3.2 小高层建筑
小高层建筑的结构会材料刚接－耗能减震元件－铰接的组合式连接方法，可以充分发挥出预制装配式建筑的优势，还能让建筑具备更强的抗风、抗震性能，也能满足对整体结构经济性的要求。
3.3.3 高层和超高层建筑
高层和超高层建筑应该采用预制装配式，对于结构的抗侧力构件应该使用现浇混凝土，满足高层建筑强度的要求。
4 预制装配式建筑的设计思想
4.1 科学提高经济效益
预制装配式建筑能够提升工程的总体质量和效率，但是单体造价要比现浇混凝土价格更高。为了提升预制装配式建筑的经济效益，设计人员应该综合研究装配式建筑环境效益等方面的作用，通过合理的设计提升装配式建筑的综合效益。采用追求结构性能和技术先进性的理念开展设计工作，满足工程建设目标的情况下，最大化发挥装配式建筑的经济性能。
4.2 避免过度使用
对于结构设计人员而言，设计过程中需要认识到预制装配式建筑的优势，也要避免在建筑结构中过度使用。比如施工过程中需要使用复杂的剪力墙结构，将会导致工程的用钢量增加，而且安装成本也会较高。根据力学性能的要求，对于边缘构件应该使用现浇的方式。
结束语：预制装配式建筑的设计工作中，设计人员需要充分发挥预制装配式技术的优势，建筑的结构做好优化工作，满足强度、成本等要求。针对不同类型的建筑，应该灵活使用相应的设计方法，保证建筑的结构满足要求。
参考文献：
[1]朱飞强,刘诗丹.预制装配式建筑的结构体系与设计[J].河南建材,2020(02):84-85.
[2]牛君青.分析预制装配式建筑结构体系与设计[J].建材与装饰,2020(05):85-86.
[3]丁元凯,臧明昊.刍议预制装配式建筑结构体系与设计[J].居舍,2020(03):77.
[4]韩小青.预制装配式建筑结构体系与设计[J].建材与装饰,2019(33):102-103.
[5]胡国建.预制装配式建筑结构体系与设计[J].工程建设与设计,2019(19):27-29.
[6]邵志姣.探讨预制装配式建筑结构体系与设计[J].城市建设理论研究(电子版),2019(28):23.
[7]杨延平.探索预制装配式建筑结构体系与设计[J].现代物业(中旬刊),2019(09):78.
