装配式建筑的整体结构设计、构件结构设计

装配式建筑的结构设计过程中，要注意设计方案的可行性、实用性，掌握设计要点。在确保建筑物安全性、功能性的前提下，注意能源损耗控制，通过专业、标准、精细的设计，确保设计方案更加全面、标准，达到综合效益最大化。通常，在装配式建筑结构方案设计中，首先要结合建筑物的功能需求，对其平面、户型、外观、柱网、变形缝布置等进行深入分析，并提出可行性建议与要求，确保建筑物的结构高度与复杂度、不规则度能够控制在合理范围。在进行初步设计时，还要对建筑物的结构体系、建筑材料、结构布置、各参数等进行合理设置，并对多种设计方案进行经济性、可行性比较，进而选出最优设计方案。同时，还要利用标准化配筋原则进行精确计算，并对设计模型、施工方案进行调整，确保整个过程处于可控范围。

2．2．1 整体结构设计

1）传统的建筑工程结构设计

传统的建筑结构设计，首先根据建筑设计的要求确定一个结构体系，结构体系包括砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、钢结构、木结构。当确定好结构体系后，根据结构体系估算构件的截面，包括柱、梁、墙、楼板。有了构件的截面后可以对构件加载应承担的外部荷载。对整个结构体系进行内力分析，保证结构体系中的各构件在外部荷载作用下，保持内力的平衡。在内力平衡的条件下，对构件进行承载力计算，保证构件满足承载力要求（钢筋混凝土构件有足够的配筋），并有一定的安全系数。为了工程施工需要，还要绘制结构施工图（满足结构构造要求），并对图纸进行审核，作为施工的文件。传统的结构设计流程如图2．10所示。

图2．10 传统结构设计流程图

现在结构设计都要采用计算机软件来实现，手工计算是不能满足要求的，目前国内各大设计院通常采用PKPM系列软件来进行建筑结构设计。PKPM系列软件是中国建筑科学研究院开发的，它是结构设计的计算机辅助设计软件，集结构三维建模、内力分析、承载力计算、计算机成图为一体，从1992年开始就在国内开始应用。

2）装配式建筑结构设计

装配式建筑的结构设计与传统的建筑结构设计有很大的区别。传统的建筑结构设计的图纸是针对施工单位（湿法施工），装配式建筑的结构设计的图纸（主要是构件施工图）是针对工厂（生产构件的生产线）。为了使构件生产达到设计要求，装配式建筑的结构设计应在建筑信息模型（BIM）平台上进行。其设计流程是：在BIM平台上，利用已经建立的建筑三维模型，用BIM中结构设计模块对装配式建筑进行整体结构设计。在结构设计中要考虑结构优化，可能对构件的截面尺寸和混凝土强度等级进行调整。当最终结构体系内力平衡和构件强度达到设计要求以后，建筑设计也可能有所改变，但建筑设计无须再进行设计调整。这就是BIM技术的优势。当装配式建筑结构整体设计达到设计要求后，不是按传统方法绘制施工，而是按构件设计要求绘制构件施工图。构件施工图被送到工厂进行构件批量生产。装配式建筑的结构设计流程如图2．11所示。

图2．11 装配式建筑结构设计流程图

装配式建筑结构设计应用BIM平台操作界面图如图2．12所示。

图2．12 BIM结构设计界面

2．2．2 构件结构设计

装配式建筑构件的优点是众所周知的，它不仅是建筑施工工业化的标志，同时也为降低成本、节能减排作出不少贡献。近年来，混凝土预制构件在轨道交通领域广为应用，在房屋建筑中的需求量也逐渐增加。虽然行业前景不错，但混凝土预制品行业仍存在不足，其发展面临3个问题：第一，总体产能过剩，开工不足；第二，产品技术水平不高，产品质量差；第三，粉煤灰、沙、石等原料供应紧张。这与发达国家相比仍有很大差距。这种现象与该行业的生产模式及经济秩序是分不开的。虽然很多构件厂已具备相应的技术条件，但由于其与设计、施工单位联系不够紧密，没有良好的衔接管理模式，导致他们不能经济、高效地参与新型项目中，制约了其实现生产一体化。

通常来讲，现有混凝土预制构件设计体系有两种：一是设计单位从构件厂已生产的预制构件中挑选出满足条件的来使用；二是设计单位根据需求向构件厂定制混凝土构件。但这两种方式中都存在很多不足。首先，构件厂与设计单位沟通困难，联系不够紧密。国内大部分设计师设计时并没有充分考虑预制构件的因素，从而不能设计出好的预制装配式建筑作品，也就不能很好地利用已生产的构件类型，同时也从需求上限制了构件的生产。其次，广大构件厂不具备深化设计的能力，没有大量投入科技研发中，新品开发速度缓慢，造成了他们不能满足设计单位的定制要求，也制约了发展。

应用BIM（建筑信息模型）技术，可以全方位解决装配式建筑的构件设计问题。它不仅提供了新的技术，更提出了全新的工作理念。BIM可以让设计师在设计3D图形时就将各种参数融合其中，如物理性能、材料种类、经济参数等，同时在各个专业设计之间共享模型数据，避免了重复指定参数。此时的BIM模型就可以用来进行多方面的应用分析：可以用它进行结构分析、经济指标分析、工程量分析、碰撞分析，等等。虽然目前在国内BIM的应用仍以设计为主，但实际上它的最大价值在于可以应用到构件的设计、生产、运营的整个周期，起到优化、协同、整合作用。

装配式建筑构件结构设计主要包括以下几方面内容：

①构件设计：遵循《建筑结构荷载规范》（GB50009）、《混凝土结构设计规范》（GB50010）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1—2014）的要求，参考15G365、15G366等标准图集的规定要求。

②节点连接：剪力墙与填充墙之间采用现浇约束构件进行连接。剪力墙纵向钢筋采用“套筒灌浆连接”，I级接头。预制叠合板与墙采用后浇混凝土连接。

③构件配筋：将软件计算及人为分析干预计算后的配筋结果进行钢筋等量代换，作为装配式混凝土预制构件的配筋依据。

④构件设计根据建筑结构的模数要求，对结构进行逐段分割。其中外墙围护结构划分出由“T”“一”“L”节点连接的外墙板节段；内墙分隔结构划分出由“T”“一”节点连接的内墙板节段；其中走廊顶设置过梁；卫生间阳台采用降板现浇设计。装配式结构设计规划完成后，对原建筑外形重新进行修正，使建筑图符合结构分割需要。

⑤建立族库。根据预制构件所采用的钢筋型号、各类辅助件具体设计参数，建立各类钢筋和预埋件族库，方便建模时插入使用。例如：钢筋连接套筒、三明治板连接件、吊顶、内螺旋、线盒等。

⑥建立构件模型，有单向叠合板、双向叠合板、三明治剪力墙外墙板、三明治外墙填充板、内墙板、叠合梁、楼梯、外墙转角、空调板，共9种类型的预制板。

装配式建筑的构件设计是在结构整体设计的基础上，经过内力分析和强度计算（配筋计算），各结构构件已经有了配筋结果，然后送到工厂进行生产。装配式建筑的构件设计如图2．13所示。

图2．13 BIM构件设计图

为了装配式建筑在组装时更加方便，可以把构件组合成部件，在工厂进行生产，例如阳台可以做成部件（见图2．14）。

图2．14 BIM部件设计界面

装配式建筑的构件生产以后，在指定的场地进行组装。为保证建筑的精度和构件连接的强度，还要进行构件的节点设计。节点设计的重点是既要保证构件的定位，又要保证构件之间连接的强度。因此，构件的节点设计要有构件的定位孔（或连接螺栓），又要有构件之间的连接钢筋。构件的节点设计如图2．15所示。

图2．15 BIM构件节点设计图

装配式建筑的结构设计在进行整体结构内力分析、强度计算后，就可以进行构件设计。但是，进行构件设计时要考虑其他工种，包括水、电、装饰、通信等。完成集成化设计，最后由工厂进行生产。