裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑分析

李宏博

摘要：建筑行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，近幾年具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。在建筑行業(yè)整體繁榮的帶動(dòng)下，裝配式建筑得到廣泛的應(yīng)用。通過相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，裝配式建筑在近幾年保持24%的增速發(fā)展態(tài)勢(shì)，未來具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，對(duì)未來建筑行業(yè)的發(fā)展也提出了更高的要求，裝配式建筑工程的數(shù)量將不斷增長，裝配式建筑的滲透率也將隨之提升，裝配式施工技術(shù)逐漸成為我國建筑施工的主流技術(shù)。

關(guān)鍵詞：裝配式;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);優(yōu)化路徑

1關(guān)于裝配式建筑的概述

裝配式建筑就是指在建筑過程中，先提前制造好建筑所需要的各個(gè)構(gòu)建部分，然后將這些構(gòu)件統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)浇ㄖF(xiàn)場(chǎng)，通過設(shè)計(jì)的安排進(jìn)行裝配，最終完成整體建筑。最早提出裝配式建筑的時(shí)間是20世紀(jì)初期，那時(shí)候裝配式建筑的建筑外觀還比較單一，沒有得到廣泛的推廣。一直到近幾年，隨著社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，裝配式建筑的施工工作也在不斷完善。在施工方面，裝配式的建筑速度非常迅速，完工的建筑質(zhì)量也相對(duì)較高，而且還有很高的環(huán)保性。結(jié)合目前裝配式建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，在未來裝配式建筑一定能夠成為建筑業(yè)的主要發(fā)展方向[1]。

2裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與要點(diǎn)

在裝配建筑設(shè)計(jì)期間，應(yīng)注重設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、可行性，在保障建筑安全可靠、功能完善的情況下，盡量減少能源消耗，依靠專業(yè)精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)方案更加全面、標(biāo)準(zhǔn)，由此取得更大的綜合效益。一般情況下，在建筑方案設(shè)計(jì)中，先應(yīng)根據(jù)建筑物功能需求，對(duì)柱網(wǎng)、外觀、戶型等進(jìn)行深入探究，提出行之有效的改進(jìn)意見，使建筑結(jié)構(gòu)高度、復(fù)雜度等均處于允許范圍。在初步設(shè)計(jì)期間，還應(yīng)綜合考慮建筑材料、結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵參數(shù)等方面，對(duì)比分析多個(gè)方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性，從中選出最佳設(shè)計(jì)方案;還應(yīng)堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)化配筋原則，利用軟件技術(shù)精準(zhǔn)計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況合理調(diào)整設(shè)計(jì)模型與方案，確保設(shè)計(jì)全過程均處于可控范圍。一般情況下，在裝配建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)制定相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，利用BIM技術(shù)開展相應(yīng)工作。通常主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要確保整體質(zhì)量良好，還要兼顧建筑的各項(xiàng)功能，且盡可能控制工程造價(jià)，提高各類資源利用率，極大地提升建筑總體經(jīng)濟(jì)效益。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，主要包括兩個(gè)方面：①明確建筑各類功能要求，科學(xué)排列主體結(jié)構(gòu)，細(xì)致研究柱體節(jié)點(diǎn)以及內(nèi)部構(gòu)造;②根據(jù)項(xiàng)目總體水平，對(duì)建筑材料、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)工作更加科學(xué)高效[2]。

3裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員不僅要滿足建筑物自身的工作要求，還要提高主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用安全性，確保工程的建設(shè)行為更加節(jié)能環(huán)保。要對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，確保最終設(shè)計(jì)出的成品更加專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高綜合效益。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，還要對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和對(duì)比，從而選擇最優(yōu)的方案。對(duì)于裝配式建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)來說。對(duì)各項(xiàng)工作的開展，存在較高的要求。設(shè)計(jì)人員要與其他專業(yè)人員進(jìn)行溝通和交流，在了解項(xiàng)目基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)[3]。在開展設(shè)計(jì)工作的過程中，還要從整體層面對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，確保設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)效果，能夠滿足工程的建設(shè)要求。設(shè)計(jì)人員還要將綠色設(shè)計(jì)理念，融入到工作的各個(gè)環(huán)節(jié)中，確保最終建設(shè)的建筑物在應(yīng)用時(shí)，更加節(jié)能環(huán)保，避免對(duì)周邊環(huán)境造成較大的破壞。

4裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)特征

在裝配式建筑后期的施工環(huán)節(jié)中，像預(yù)制板和鋼構(gòu)件這類的建筑材料可以進(jìn)行規(guī)模化的生產(chǎn)加工，那么在安裝工作上可以節(jié)省一大部分時(shí)間。同時(shí)裝配式建筑使設(shè)計(jì)工作和施工工作完美結(jié)合在一起，在各個(gè)環(huán)節(jié)的銜接工作上起到了促進(jìn)作用，保證了后期建筑物的質(zhì)量。隨著當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)的不斷提高，在裝配式建筑預(yù)制加工工廠可以對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行深度優(yōu)化。在預(yù)制零部件的安裝工作中可以采取焊接配合螺栓固定的方式進(jìn)行，通過此方法可以讓生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一個(gè)規(guī)范的水平，促進(jìn)建筑行業(yè)的長期發(fā)展。

5裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路

5.1思路

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體水平，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定設(shè)計(jì)思路。與常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)相比，裝配式建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有獨(dú)特性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以在很大程度上減少整體結(jié)構(gòu)中異形構(gòu)件的產(chǎn)生，進(jìn)而提高裝配式建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在不斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，工程建設(shè)成本也得到了一定的控制。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員需從尺寸、配筋等各個(gè)方面著手，對(duì)結(jié)構(gòu)中所涉及的節(jié)點(diǎn)錨固、構(gòu)配件拆分等加以詳細(xì)處理。如果裝配式建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是程序化設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致建筑外形尺寸較為單一，且各個(gè)梁、板和柱等內(nèi)部構(gòu)件的尺寸較為單一，無法提升整個(gè)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的空間利用率。現(xiàn)階段，隨著我國工程技術(shù)的日漸進(jìn)步，BIM技術(shù)逐步被應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的局限性，不僅提升了設(shè)計(jì)效率，更是實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)精度的控制。BIM模型在形成以后，完全可以在項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過PKPM準(zhǔn)確計(jì)算配筋量，還能夠?qū)觽?cè)移剛度加以精準(zhǔn)控制，也就使得整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路更為清晰和完整，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了保障。

5.2要求

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，比如，選用BIM技術(shù)來開展裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在利用BIM技術(shù)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，更要注重建筑功能性的考慮，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工過程中的資源合理配置與利用，提高裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)保效益。在開展裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先了解結(jié)構(gòu)的功能需求和特性，對(duì)整個(gè)裝配式建筑開展科學(xué)的結(jié)構(gòu)布局;其次，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系中相關(guān)參數(shù)加以科學(xué)配置，保障各個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的優(yōu)化[2]。

6裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化路徑

6.1實(shí)施全過程的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程管控

部分裝配式建筑存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本偏高、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)把控不嚴(yán)的情況，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程管控不嚴(yán)格所造成的。正是因?yàn)闆]有制定科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工環(huán)節(jié)的銜接性不足，無論是構(gòu)件生產(chǎn)還是施工作業(yè)中都面臨著多種質(zhì)量問題。因此，針對(duì)這一情況，在裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，處理好結(jié)構(gòu)圖紙、構(gòu)件預(yù)制和施工作業(yè)之間的緊密關(guān)系，通過不同環(huán)節(jié)的流程再造和銜接來保障設(shè)計(jì)工作的高效、有序進(jìn)行。各個(gè)工程企業(yè)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程加以調(diào)整與控制，簡(jiǎn)化預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)工序與流程，降低總體的施工難度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件預(yù)制中的成本控制[3]。

6.2建立健全設(shè)計(jì)體系

我國的裝配式建筑施工技術(shù)在多年的發(fā)展中取得了一定的成果，但依然存在著很多的技術(shù)難題。各個(gè)工程企業(yè)在裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中，要不斷積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，在該體系中明確規(guī)定裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程、標(biāo)準(zhǔn)等基本內(nèi)容，為設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作提供制度指導(dǎo)。與常規(guī)的住宅式建筑不同，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需要構(gòu)建可行且完善的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)體系，該體系由標(biāo)準(zhǔn)化戶型模塊和標(biāo)準(zhǔn)化交通模塊所構(gòu)成。交通模塊，重點(diǎn)是要進(jìn)行裝配式建筑中樓梯、電梯井、過道等基本交通要素的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，而戶型模塊方面，重點(diǎn)要進(jìn)行內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得空間形狀、尺寸能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)需求。

6.3裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，可以從以下3方面來開展：（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系中的承重墻板。整個(gè)裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系中，承重墻板是重要構(gòu)成要素。為保持結(jié)構(gòu)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，一般將承重墻搭建在兩側(cè)山墻上，隨后利用專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，利用軟件中的相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)整體的內(nèi)力分析和（構(gòu)件設(shè)計(jì)，驗(yàn)證承重墻的豎向荷載和水平荷載能否符合總體的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。（2）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，不同結(jié)構(gòu)要素之間是通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)連接的。加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以在很大程度上提升結(jié)構(gòu)的整體性，發(fā)揮節(jié)點(diǎn)在內(nèi)力傳遞方面的作用，各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接處，應(yīng)保障連接的穩(wěn)定性與可靠性。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)吊裝、運(yùn)輸和安裝方面的因素。裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用分塊設(shè)計(jì)的方式，應(yīng)充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況、承重墻板拼接位置等基本要素，在豎向拼縫的設(shè)置時(shí)，盡量避開剪力墻邊緣構(gòu)件位置[2]。在裝配式建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)該注意：（1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)該與結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)一致。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架梁、框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)，均應(yīng)在C30以上。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的開展過程中，尤其要以平面設(shè)計(jì)原則作為指導(dǎo)，框架梁、框架柱中心線要保持重合，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，梁柱中心線無法保持重合，在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中應(yīng)考慮偏心因素的影響，而豎向構(gòu)件之間應(yīng)上下對(duì)齊。（3）預(yù)埋件設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)處理好各個(gè)預(yù)埋件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，保障預(yù)埋件的位置和尺寸。

6.4預(yù)制構(gòu)件拆分把控

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件非常復(fù)雜，包含的預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)裝配式建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解清楚在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)哪些屬于現(xiàn)場(chǎng)澆筑構(gòu)件，哪些屬于預(yù)制構(gòu)件。一般的裝配式住宅建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重水平構(gòu)件預(yù)制技術(shù)的選擇，尤其要注重疊合板、陽臺(tái)、樓梯等的科學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件來進(jìn)行各個(gè)構(gòu)件的科學(xué)使用，通過科學(xué)地規(guī)劃與布局，節(jié)約空間和成本。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的同時(shí)，同樣要對(duì)比預(yù)制外墻和承重內(nèi)墻、非承重內(nèi)墻的預(yù)制，以減少整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中的支架數(shù)量[1]。

6.5優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到裝配式建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。在傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，一般選用的是鋼筋或者套筒連接方式，這些連接材料的價(jià)格偏高，也就導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工成本較高。從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提高節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，可以通過優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件之間、預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接方式來最大限度地提高結(jié)構(gòu)性能。

結(jié)束語：綜上所述，目前我國的房屋建筑工程已經(jīng)隨著社會(huì)的發(fā)展，取得了超越預(yù)期的進(jìn)步，隨著人們生活水平的提高，我國居民生活正在朝著城市化的方向發(fā)展，城市化的深入發(fā)展也讓房屋建筑工作越來越艱巨。裝配式建筑在現(xiàn)代化社會(huì)中滿足了“綠色建筑”的環(huán)保要求，是我國建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。因此在裝配式建筑的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要充分掌握設(shè)計(jì)流程，對(duì)整體布局和技術(shù)等重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行保障，最終使設(shè)計(jì)出來的建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足裝配式建筑的基本要求。

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