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淺析裝配式建筑結構設計方法

[摘要]本文著重分析裝配式建筑在結構設計過程中的實施方法,希望由此促進我國裝配式建筑結構設計標準化的進度,促進各項效益的取得。

[關鍵詞]裝配式建筑;結構設計方法;BIM;PKPM

1裝配式建筑的結構設計現狀

1.1某住宅項目,剪力墻結構,預制率20%,預制構件:樓板、空調板、女兒墻、二層以上樓梯。該項目設計依據:《裝配式混凝土結構技術規程》JGJ1-2014;《裝配式混凝土建筑技術標準》GBT51231-20163);《鋼筋連接用灌漿套筒》(JG/T398-2012);《鋼筋焊接網混凝土結構技術規程》(JGJ114-2014)。該項目采用的標準圖集:《裝配式混凝土結構連接節點構造》(G310-1~2);《桁架鋼筋混凝土疊合板》(15G366-1);《預制鋼筋混凝土板式樓梯》(15G367-1);《預制鋼筋混凝土陽臺板、空調板及女兒墻》(15G368-1)。該項目設計活荷載:施工集中荷載:1.0kN;施工階段驗算(動力系數):脫模、翻轉、運輸、吊裝:1.5;施工階段驗算(脫模吸附力):1.5kN/m2。連接方式:樓板上下鋼筋錨入現澆梁、墻連接;空調板上下鋼筋錨入現澆樓板連接;樓梯梯段板通過預留孔與現澆梯梁預埋鋼筋簡支連接;女兒墻水平鋼筋錨入現澆混凝土構件中。

1.2某住宅項目,裝配整體式剪力墻結構,預制率40%,預制構件:內外墻板、樓板、陽臺、凸窗、空調板、樓梯。設計方法:采用PKPM計算軟件,整體計算按等同現澆原則;同層構件有預制有現澆的,現澆構件地震力放大1.1倍(現澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力乘1.1);接縫部位需要驗算;預制構件增加多種工況驗算(拆模、運輸、吊裝等工況驗算)。

2裝配式建筑與傳統建筑

在結構設計過程中的差異。通過上述工程設計項目不難看出,裝配式建筑在結構設計過程中,不同于傳統建筑,設計人員需要考慮的部分更多更深入。

2.1預制部分如何考慮參與整體計算

傳統建筑是現澆的,在結構設計過程中所有構件建入模型,進行整體計算即可。裝配式建筑的預制構件部分如何考慮進行整體計算,是裝配式建筑結構設計部分的一個難點。前述項目整體計算按等同現澆原則;同層構件有預制有現澆的,現澆構件地震力放大1.1倍(現澆墻肢水平地震作用彎矩、剪力乘1.1);诖擞嬎阍瓌t,預制構件之間以及預制構件與現澆構件之間節點的連接必須有可靠保證。

2.2預制構件增加多種工況驗算(拆模、運輸、吊裝等工況驗算)

傳統建筑在設計過行程中,僅考慮施工可行性即可。裝配式建筑在設計的時候要進行全方位的考慮,即在常規設計的基礎上還要進行深入設計。目前深入設計多是由預制構件廠家進行,需要進行專業間工藝協調以及碰撞精細檢查,同時也要反饋給結構設計,設計單位要結合深入設計、施工過程、預制構件加工、運輸、安裝各環節進行結構設計,無疑增加了設計難點,同時也需要設計人員對裝配式建筑的施工全過程深入了解不能遺漏。

2.3裝配式建筑需要采用BIM技術系統

裝配式建筑從設計伊始,到深化設計,到工藝協調以及碰撞檢查,到預制構件加工、安裝,到項目施工,全周期內均需要無縫銜接,需要進行精細化集成設計,以確保工程順利實施。要達到這樣的要求,必須應用BIM技術才可以做到。以建筑項目的各項相關信息作為數據建立起來的模型,為設計人員以及工程技術人員包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供了協同工作的基礎,信息整合后同一平臺的應用,其一致性、可視性、協調性、模擬性、優化性等特性使設計、施工、運營、維護等各階段能夠共同執行,才能保證裝配式建筑的順利完成。

3裝配式建筑的結構設計實施內容

3.1裝配式建筑結構計算流程

結合某裝配式建筑工程的結構設計部分,以PKPM結構設計軟件為例,其具體實施如下:首先進行PKPM建模,與傳統方法一致,然后導入到PKPM-PC軟件中,接著確定工程預制率,進行工藝原則確定,進行拆分方案的初設及優化,之后進行裝配式整體計算,生成施工圖,最后進行深化設計。

3.2結構設計人員基本要求

通過結構計算軟件的計算內容可以知道,設計人員需要具備裝配式建筑的基本知識。傳統設計中設計人員熟練掌握設計規范、圖集、基本的施工情況即可進行設計。但在裝配式建筑的結構設計當中,設計人員首先要掌握裝配式建筑相關的規范、圖集、標準,這些方面包含的設計內容、連接節點、構造要求等均不同于傳統設計,需要重新學習熟練應用。其次還需要了解深化設計的內容,這就要求設計人員了解裝配式建筑的預制構件加工工藝、安裝要求,了解裝配式建筑的施工方法,在此基礎上才能準確的掌握深化設計的各方面需求,能夠正確進行施工過程、預制構件加工、運輸、安裝各環節的結構設計。

3.3對BIM技術的掌握及應用

設計人員要對BIM技術有深刻的認識。BIM技術近幾年在我國開始發展,在傳統的設計單位還沒有形成規模,僅在少數設計院少數工程項目中才有應用,并且有的項目中也僅僅是停留在翻模、碰撞檢查等表層應用范疇。在深化設計部分,鋼筋端頭的調整、水暖管線預埋預留、預埋件布置、安裝模擬、碰撞檢查、施工吊裝、重心校核等方面,應用BIM技術能夠很好的解決諸如此類的裝配方面的問題。對于裝配式建筑這類制作預制構件進行安裝的項目,因其施工精度的增高BIM技術的應用更是極為重要。后期的施工模擬,施工組織,工程算量都可以在BIM的數據集成平臺上進行。

3.4裝配式建筑結構設計內容

裝配式混凝土結構設計部分應有專項的結構說明,并應與主體結構總說明配合使用,預制構件圖紙應結合主體結構施工圖配合使用。要明確給出施工集中荷載以及施工階段驗算的荷載值。設計圖紙需要包括如下內容:第一,預制混凝土結構設計總說明,是對整個項目的指導文件,對預制構件的加工,安裝的指導說明。第二,預制構件平面圖,表達預制板分布位置,板名,重量。第三,剖面圖,與預制構件相關建筑各部位墻身剖面,表達預制構件與主體結構的相對關系。第四,樓層預埋件分布圖,表達預制構件在裝配前需要事先預埋的金屬件位置。第五,預制構件詳圖,構件廠生產預制構件用圖紙,表達構件外形尺寸,配筋信息,相關連接件,金屬埋件定位與數量等。第六,節點圖,表達預制構件之間及預制構件與現澆構件連接的節點構造。第七,金屬件加工圖,表達PC生產、施工用到的所有金屬件的加工圖。

3.5裝配式建筑結構設計對預制構件廠和施工單位的要求

目前的裝配式建筑還沒有形成真正的產業化和標準化,裝配式建筑因不同預制構件廠家的工藝流程以及不同施工單位制定的施工方案從而影響到結構設計。所以在結構設計部分,要增加對預制構件廠和施工單位的要求。如:預制構件加工單位應根據結構設計規定和施工單位的要求編制生產加工方案。所有構件加工前需要與各相關專業(建筑、結構、給排水、電氣)確認復核無誤后方可加工;施工總承包單位在裝配式混凝土結構施工前應制定專項施工方案。施工方案應結合結構深化設計、構件制作、運輸和安裝全過程的驗算,以及施工吊裝與支撐體系的驗算進行策劃與制定,應包括構件安裝及節點施工方案、構件安裝的質量管理及安全措施等,應充分反應裝配式結構施工的特點和工藝流程的特殊要求;工程施工總承包企業必須對諸如預制構件吊裝、定位、縱向鋼筋連接等關鍵工序的施工管理和操作人員進行技術培訓和崗位技術考核,施工人員在崗位上應該嚴格執行操作標準;施工管理人員應當對每道工序進行檢驗和驗收,并如實做好施工記錄;工程監理單位、施工承包單位、預制構件加工單位和深化設計單位、其他與工程相關的產品供應廠家,均應嚴格執行該工程在設計中的各項規定。

4結束語

裝配式建筑不是新興事物,在各國都已有了長足的發展,但在我國,早期磚混結構中樓板使用預制板,但連接方式不好,抗震性能差,所以后期均改為現澆結構。直到近幾年,開始推廣裝配式建筑,這對設計人員乃至整個建筑行業都是一個很大的變化。尤其對結構設計人員,更是提出了艱巨的任務,相對傳統設計無異于一個重大變革。本文基于此,從裝配式建筑的結構設計現狀出發,通過兩個工程實例,分析了裝配式建筑與傳統建筑在結構設計過程中的差異,分別是:預制部分如何考慮參與整體計算;預制構件增加多種工況驗算(拆模、運輸、吊裝等工況驗算);裝配式建筑需要采用BIM技術系統。最后總結了裝配式建筑的結構設計實施內容的五個方面,分別是:裝配式建筑結構計算流程;結構設計人員基本要求;對BIM技術的掌握及應用;裝配式建筑結構設計內容;裝配式建筑結構設計對預制構件廠和施工單位的要求。筆者認為,隨著各地裝配式建筑項目的建設,相關的規范、圖集、標準更加完善,我國的裝配式建筑必將實現產業化、工業化、標準化,由此促進建筑行業及各相關產業的發展,促進社會的可持續發展。

中國裝配式建筑產業聯盟——專家智囊團

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