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标题：浅谈装配式建筑的结构设计优化 作者：上海思优建筑科技有限公司 裴永辉 刘立志 【摘要】装配式建筑是我国建筑业发展的重要方向之一，但目前市场装配式建筑的土建成本普遍较传统建筑偏高，成为阻碍装配式建筑发展的主要原因之一。本文引入结构优化设计方法来降低土建成本，并结合装配式建筑的特点，为装配式建筑的成本优化和设计提供有益思路。 【关键词】装配式建筑结构优化成本控制 Structural Optimizationand Design of Prefabricated Construction Pei Yong-hui Liu li-zhi 【Abstract】Prefabricatedconstruction is one of the important directions of China’s constructionindustry development, however construction costs of prefabricated constructionin market are generally higher than the traditional construction costs, and itbecame to be one of the main reasons to hinder development of prefabricatedconstruction. This article introduces structural optimization methods to reducethe construction costs and combines the characteristics of prefabricatedbuildings to provide useful ideas for cost optimization and design. 【keywords】PrefabricatedConstruction；Structural Optimization； Cost Contro 引言： 我国在上世纪50年代到80年代发展过装配式建筑，90年代以后，装配式建筑在民用建筑上的应用相对减少；装配式建筑是未来建筑产业的重要发展趋势之一，其所具有的各种优质特性也使得人们对其接受度越来越高，目前，预制装配式住宅在我国正处在大力推广阶段。近几年，因为节能环保要求不断提高，劳动力成本不断增加，装配式建筑的研究和运用也越来越多。在建筑设计、抗震设计、构件制作工艺与施工等方面与上世纪传统的装配式建筑有了较大差别，也取得了较大发展。但因为产业的不完善，在应用过程中产生了一些问题，如大部分开发商对装配式建筑的特点了解较少、较多设计院缺乏装配式建筑的设计经验、结构设计与构件生产施工及厂家脱节；另外国内进行装配式结构的住宅，基本上都是遵从从设计到拆分，再到加工制作的过程，每一个预制构件都是为本项目量身定制，这就造成了预制构件厂模具成本的极大增加，造成装配式建筑的成本居高不下。现阶段常规的设计模式往往是设计单位、咨询单位、构件厂家等联合设计,为了更好的实现建筑功能、保证结构安全及成本可控，甲方设计管理尤其重要. 本文结合以往的结构设计方法及工程经验，为装配式建筑的设计成本控制提供一些思路。 1. 结构优化设计的实用方法和要点 结构优化设计是在确保建筑功能和结构安全的前提下实现节能减耗的有效方法，体现在设计的专业化、标准化、精细化；通过多方案比较、多专业协作、多层次沟通、精细化设计和标准化管理，实现建筑功能、结构安全、土建成本的完美统一，达到建筑的综合效益最大化。 对民用建筑，在结构设计的几个阶段，结构优化设计的实用方法和要点可以概括成以下几个方面： 1.1 在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置及户型、立面造型、柱网布置、分缝等提出合理的建议和可行性要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，为节能减耗争取主动权； 1.2 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； 1.3 在施工图阶段，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，进一步降低土建造价。 2. 装配式建筑的结构优化设计思路 装配式建筑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。在建筑工程中，简称装配式建筑；在结构工程中，简称装配式结构。装配式建筑的结构优化设计除了要采用传统的方法外，还要根据其自身的特点注意以下几个方面。 2.1 全过程的设计流程管控 传统的民用建筑设计是以功能为导向，特别是民用住宅以追求基本功能的满足和空间环境的宜居性。而现有的装配式建筑项目不仅需要着眼于功能，也需要关注设计对工厂化生产和装配式施工的影响。由于构件工厂生产、运输、现场装配的要求等，装配式建筑必须将设计向全过程延伸。从设计的初始阶段就要开始考虑构件的拆分及精细化设计的要求。 目前装配式建筑的成本居高不下，其原因是多方面的，其中一个重要原因是相关企业对设计流程管控不到位，造成设计、生产、施工相互脱节，如构件拆分方案和节点构造设计不合理，增大了构件生产和施工难度等。此块可引入咨询或优化单位，咨询或优化单位的工作职能之一是房产公司管理职能的延伸和补充。在设计中，要确保结构设计与详图设计单位、预制构件厂家、施工单位紧密沟通、密切配合，在设计的图纸满足设计条件的要求下，在预制构件生产阶段简化生产工序，减少构件费和构件施工费；在现场施工阶段简化施工流程和施工难度，减少人工费；咨询或优化单位要起承上启下的作用，确保几家合作单位能顺畅沟通、协同配合，遇到问题能及时合理的解决，从而从源头上减少土建成本。 2.2 建立建筑的标准设计体系 建立建筑的标准设计体系对住宅尤其重要。装配式住宅相对于传统住宅设计区别之一在于更加需要建立一套相对完整的标准化设计体系。结构的优化设计与建筑的标准化设计体系紧密联系在一起。该体系由标准化户型模块及标准化交通核模块共同构成，可减少外墙构件及楼板构件种类，提高建造效率，实现住宅功能性与经济性的统一。 在户型模块方面，对有些户型的客厅和居室等空间的开间和进深进行调整，使得功能尺寸更合理，也更符合建筑模数。 在交通核模块方面，将原有非标准交通核按产业化要求调整成为若干标准化交通核，包括了楼梯的标准化、电梯井的标准化及机电管井和走道的标准化。 装配式住宅的模块化和标准化使得各户型可多样组合，创造出板楼、塔楼、通廊式住宅等众多平面组合类型，为满足多样化规划要求提供了可能。 2.3 根据项目的实际情况合理选择结构技术体系 在结构设计阶段，技术体系的内容主要是与结构设计相关的技术体系。技术体系不等同于结构体系，结构体系一般指装配整体式框架结构体系、装配整体式剪力墙结构体系、叠合剪力墙体系等。技术体系是与生产工艺联系的。很多厂家都有自己的技术体系和专利产品，不同体系的应用范围不一样，价格差异也较大。平面构件如果采取预制方式，可采用叠合板或叠合梁；叠合板可采用桁架板，也可采用预应力板。剪力墙如果采用预制方式，可采用单面预制叠合剪力墙，也可采用双面预制叠合剪力墙，也可采用全预制剪力墙。剪力墙的竖向连接可采用波纹管浆锚搭接，也可以是钢套筒连接，连接方式中可采用逐根连接，也可采用集束连接等。具体采用哪种方式要根据项目特点和具体条件来确定。 如上海某项目，该项目的装配预制率为45%，采取的是装配整体式剪力墙结构体系，剪力墙楼梯间、电梯井全部现浇，边缘构件部分现浇、部分预制，其余剪力墙全部预制；预制外墙采用外保温复合水泥板外墙，剪力墙预制边缘构件部分采用套筒灌浆连接，边缘构件竖向钢筋逐根连接，剪力墙墙身部分采用单排金属波纹管浆锚搭接连接，梁板均采用叠合楼板和叠合梁。
一个项目应该选取那些部分预制、哪些部分现浇，应该根据项目特点、预制装配率、选定的结构体系等来确定。对装配式住宅，应该首先考虑水平构件采用预制技术（预制叠合梁、叠合板、楼梯、阳台），避免楼面施工时的满堂模板和脚手架搭设，可节省造价；其次应考虑外墙保温装饰一体的预制外墙，减少外脚手架使用，再次考虑承重和非承重内墙的预制。 如有地方规定的，首先要满足地方规定对预制率和预制部位的要求。 如上海项目的预制装配率是按混凝土的体积比计算，对外墙的预制也有严格要求，如结构体系采用装配整体式剪力墙结构体系，其主要的预制构件部分大致选取以下几类：剪力墙，外围护墙板，内隔墙，叠合楼板，阳台，楼梯、空调板等。根据土地出让文件的要求可以选择不同的项目进行预制以达到不同的预制装配率。 一般根据预制率不同，上海工程如果采用装配整体式剪力墙结构体系，其预制部位可参看下表。 下图为某装配整体式剪力墙结构标准层拆分图：
节点设计是装配式建筑设计的难点和重点，节点做法直接影响建筑的使用性能和建筑的抗震能力。节点连接用的钢筋、预埋件、套筒等对成本的增加比较明显。优化预制构件之间、预制构件与现浇混凝土结构之间的节点连接，在保证建筑的使用性能和抗震能力的前提下，可节省构件成本，提高施工效率。而且节点连接的做法，很多厂家是不一样的，性能和费用的差异均较大，节点的优化设计至关重要。 2.6 合理利用相关政策 目前因装配式建筑成本相对较高，为推进装配式建筑，国家和部分省市相继出台了各种促进政策，大力推进住宅工业化的进程，使得装配式住宅的发展具有良好的外在环境和驱动力。如若在规划设计阶段对相关的奖励政策加以利用，也会大幅度降低成本。 3. 总结与建议 装配式建筑的土建成本居高不下，如何降低成本是装配式建筑设计要考虑的主要问题之一。通过以上装配式建筑结构优化和设计思路分析，可以得出以下结论和建议： 3.1 要大力发展住宅产业化，首先要大力推进企业内部建筑标准化工作。如健全建筑的模数标准、住宅部件产品标准等；完善预制装配式建筑的设计及标准图集；建立统一的施工工艺、工法，使得设计、深化、构件生产、施工等环节能统一协调；同时加强装配式建筑设计团队的专业管理，从源头上减少土建成本。 3.2 应大面积推广装配式建筑，最大程度的标准化和模块化，实现规模效应，从而提高效率和节约成本，使装配式建筑真正体现出自身的优势。 3.3 应正确理解各地方预制装配率的概念及政府要求。根据项目的具体要求，合理选择预制构件部位，优化组成结构，对合理降低造价有着重要的意义。 3.4 节点设计是装配式建筑设计中的难点和重点，不仅有性能上的要求，还需考虑构件生产、施工、材料更换的简单易操作性。简化预制构件节点设计，也会节约构件制作成本，降低施工难度。 综上所述，装配式建筑前景是光明的，但在目前装配式技术体系不完备、基础研究缺乏、技术人才不足的情况下，从设计到建造的各环节，需投入更多管理和监控措施。甲方需重视装配式结构设计的全过程的设计流程管控，注重上下流产业链的有效沟通，在管理上可引入结构优化设计方法，加强成本控制理念，可有效降低成本。
参考文献 1. 黄小坤、田春雨《 预制装配式混凝土结构研究 住宅产业 2010》 2. 樊则森 刘畅 《装配式住宅设计方法与传统方法的不同 中国建设报 2014》 3. 徐传亮、光军《建筑结构设计优化及实例》 4. 孙芳垂建筑结构优化案例分析 5. JGJ 1-2014 装配式混凝土结构技术规程 作者简介：裴永辉，上海思优建筑科技有限公司，结构总工程师，一级注册结构工程师 |
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2.5 优化预制构件节点
