預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系研究
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摘要：我國的經(jīng)濟發(fā)展進程在不斷的加快，社會各行都有了明顯的進步，人們生活水平也因此有了很大的提高，在這樣的社會環(huán)境下人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，建筑行業(yè)因此面對著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。傳統(tǒng)的建筑模式因為具有較長的工期已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的需求，因此各建筑企業(yè)紛紛開始著手開發(fā)新的建筑結(jié)構(gòu)。近年來預(yù)制裝配式建筑得到了各建筑企業(yè)的廣泛運用，其建筑過程分為預(yù)制和裝配兩種，可以在根本上避免傳統(tǒng)建筑模式工期長且不能保障安全性的缺陷，更加貼合當代人的需求。我國政府頒布了相關(guān)政策以及制度標準，以視察北京重要講話精神為根本，深入落實中央城鎮(zhèn)化工作會議和中央城市工作會議精神，貫徹落實新發(fā)展理念，按照適用、經(jīng)濟、安全、綠色、美觀的要求，推動建造方式創(chuàng)新，大力發(fā)展裝配式混凝土建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例。但是當前許多建筑企業(yè)對預(yù)制裝配式建筑還不夠了解，由此對我國建筑行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了一定負面影響，本文旨在讓我國更多的建筑企業(yè)了解預(yù)制裝配式建筑，對其概念、結(jié)構(gòu)體系、意義、發(fā)展、應(yīng)用以及設(shè)計做了闡述。
關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配式建筑；結(jié)構(gòu)體系；應(yīng)用；設(shè)計
1引言
當今社會對經(jīng)濟發(fā)展過程中的環(huán)境和質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的建筑方式已經(jīng)無法滿足人們在環(huán)保以及穩(wěn)定性方面的需求，因此預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)受到了全社會的廣泛推崇。我國相關(guān)院校以及科研機構(gòu)也早就開始對這項新興事物開展了研究，國內(nèi)很多的建筑企業(yè)也都開始重視預(yù)制裝配式建筑的施工和建設(shè)工作。我國的城市建設(shè)速度正隨著不斷發(fā)展的經(jīng)濟而加快，預(yù)制裝配式建筑工期短、效率高、安全保障高、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢在這樣的環(huán)境下也逐漸的顯現(xiàn)了出來，在很大程度上提升了我國建筑行業(yè)的發(fā)展速度。
2預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系概念及意義
將原本在施工現(xiàn)場要做的工作轉(zhuǎn)移到車間來進行，這就是預(yù)制裝配式建筑的本質(zhì)，預(yù)制裝配式建筑的各個構(gòu)件組成全部都在工廠車間制作，然后將各部位構(gòu)件運至施工現(xiàn)場進行組裝，這種建筑方式可以有效的保證施工進度以及施工質(zhì)量[1]。預(yù)制裝配式建筑主要的類型分別為預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)以及預(yù)制集裝箱房屋三種，比如這其中的預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)就是在工廠先將這種結(jié)構(gòu)的混凝土模塊生產(chǎn)完畢，然后再將這些模塊運至施工現(xiàn)場進行裝配施工。這種混凝土結(jié)構(gòu)的建筑與傳統(tǒng)混凝結(jié)構(gòu)建筑相比，具有以下特點：一、建筑設(shè)計的多樣化，可以根據(jù)現(xiàn)代住房要求進行設(shè)計；二、建筑功能現(xiàn)代化，可以采用多種節(jié)能環(huán)保的新型材料；三、構(gòu)件制造工廠化，可以使得建筑構(gòu)配件統(tǒng)一在工廠內(nèi)標準化生產(chǎn)，一氣呵成；四、節(jié)省人力物力、施工空間自由、施工速度快、施工質(zhì)量高、降低企業(yè)成本、需要材料的種類和數(shù)量少、對環(huán)境的破壞程度低等優(yōu)勢[2]。由此我們可以得知，預(yù)制裝配式建筑將傳統(tǒng)建筑中大量依靠人力的方式轉(zhuǎn)變成為了工廠機械化的方式，對我國建筑行業(yè)的發(fā)展有著極其深遠的歷史意義。
3預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展
3.1我國預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展
預(yù)制裝配式建筑在我國20世界80年代就出現(xiàn)了，但真正引起社會重視的時間卻非常短，我國在2013年推出了《綠色建筑行動方案》，方案中指出工業(yè)化生產(chǎn)必須以保護環(huán)境和節(jié)約資源為前提。同時也明確表示，社會各建筑企業(yè)應(yīng)推廣使用預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)來改革建筑施工技術(shù)。雖然我國在上世紀80年代就應(yīng)用過預(yù)制裝配式建筑的技術(shù)，但是這種技術(shù)受到我國當時經(jīng)濟條件的制約而沒有得到良好的發(fā)展[3]。但在我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，我國的經(jīng)濟條件和社會需求已經(jīng)為預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展提供了非常好的環(huán)境。近年我國也在不斷的推進預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，并且正逐漸的將這種體系應(yīng)用到現(xiàn)實的工程建設(shè)中，例如由大地建設(shè)集團開發(fā)的混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系以及由宇輝建設(shè)集團開發(fā)的預(yù)制裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系等都在實際的工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。
3.2國外預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展
西方發(fā)達國家的預(yù)制裝配式建筑技術(shù)要領(lǐng)先于中國，比如美國在20世界末期就已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用預(yù)制裝配式建筑了，2001年美國的預(yù)制裝配式建筑已經(jīng)達到全美建筑數(shù)量的8%，美國的大城市應(yīng)用較多大都為預(yù)制裝配式混凝土建筑，城鎮(zhèn)則以輕鋼和木制建筑結(jié)構(gòu)為主。亞洲對預(yù)制裝配式建筑技術(shù)的應(yīng)用以日本為領(lǐng)先，由于日本受到地理環(huán)境的影響，其國內(nèi)建筑主要都以抗震為主，因此對預(yù)制裝配式混凝土建筑的應(yīng)用較多[4]。日本的預(yù)制裝配式建筑業(yè)起源于20世紀中期，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展日本的預(yù)制裝配式建筑從標準化和工業(yè)化轉(zhuǎn)變?yōu)榱思s化和信息化，日本國內(nèi)對預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及創(chuàng)新還有效的解決了工廠批量生產(chǎn)和建筑多樣化之間的矛盾，另外日本也對建筑的抗震性能也做了進一步強化。
4預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系
4.1預(yù)制裝配式建筑分類
我國在上世紀80年代采用的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)為裝配式大板住宅體系，應(yīng)用構(gòu)件主要有預(yù)制圓孔板、大型面板、槽形板等，因為當時經(jīng)濟條件以及技術(shù)的限制，這些構(gòu)件在生產(chǎn)、安裝、連接等方面都存在不少的問題，導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在抗震能力、物理承受能力、建筑功能等方面都有一些缺陷，后來就逐漸被社會所淘汰[5]。當前我國的民用建筑采用的預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)類型有很多，如城鎮(zhèn)的民用建筑大都以多層和低層為主，針對這樣的建筑就可以采用輕鋼-木結(jié)構(gòu)、輕鋼-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及輕鋼結(jié)構(gòu)等。隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)速度的加快和對環(huán)境保護意識的增強，在城鎮(zhèn)建設(shè)中應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)是必然的發(fā)展趨勢，但是由于其中某些結(jié)構(gòu)需要的成本較高，所以預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑以其所需成本較低的優(yōu)勢更受開發(fā)商青睞，輕鋼-木結(jié)構(gòu)僅在高檔別墅的建造中能夠被應(yīng)用到。
4.2預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)及其抗震性能
預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)形式可大體上分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系[6]。因此預(yù)制裝配式混凝土建筑和現(xiàn)澆混凝土建筑在結(jié)構(gòu)形式上并沒有太大的區(qū)別，但是預(yù)制裝配式建筑與現(xiàn)澆混凝土建筑相比存在著復(fù)雜的構(gòu)件連接技術(shù)，同樣的構(gòu)件采用的連接技術(shù)不同，其物理性能和抗震能力也會不同，即使是在同樣抗震能力基礎(chǔ)上應(yīng)用不同的構(gòu)件連接技術(shù)也會產(chǎn)生不同的經(jīng)濟性能，復(fù)雜的構(gòu)件連接技術(shù)也是預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點，對這種結(jié)構(gòu)的推廣產(chǎn)生了一定的影響。此外我國有學(xué)者提出了IMS體系（整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系），我國一些建筑企業(yè)將這種體系中的板柱由一個整塊改成了多個小塊，形成了預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系，縮小了預(yù)制板柱的尺寸和重量，更便于運輸和安裝。整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系和預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系的安裝都需要運用斜撐來保證體系的穩(wěn)定，相比預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的安裝要復(fù)雜一些[7]。但是預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系具有板柱體系和裝配體系兩者共同的優(yōu)點，尤其通過混凝土連接成為一個整體之后，其抗震表現(xiàn)也更加優(yōu)良，因此這種基于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的體系應(yīng)該被廣泛采用。
4.3結(jié)構(gòu)體系的劃分方法及其對比
預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)本身有著裝配化高低的區(qū)別，因此大體可分為全裝配和部分裝配兩種，但是僅以這個標準來劃分又有些籠統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)的推廣有所不利。因此可以依據(jù)其構(gòu)件連接節(jié)點更細的將預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)分為鉸接連接結(jié)構(gòu)、剛性連接結(jié)構(gòu)、柔性連接結(jié)構(gòu)以及混合連接結(jié)構(gòu)四種，這樣進行劃分也可以明確知曉具體的結(jié)構(gòu)類型，方便理解和運用。上述四種連接結(jié)構(gòu)的前兩種都屬于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)類型，最后一種的混合連接結(jié)構(gòu)則是由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型相互結(jié)合所產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)，基于當今的建筑物需要考慮到物理性能、抗震能力、施工便利性以及經(jīng)濟性等多方面的因素，因此今后預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件連接都可能會采用混合連接結(jié)構(gòu)。上述對預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的劃分與其框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的劃分沒有關(guān)系，是兩種劃分方式，而且他們相互之間還可進行統(tǒng)一。比如預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)也可按構(gòu)件連接方式分為鉸接連接剪力墻、剛性連剪力墻、柔性連接剪力墻以及混合連接剪力墻四種類型，同樣預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)也可以按照這樣的方式來分類[8]。
5預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用
在上個世紀中期國外就已經(jīng)開始研究預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系，并且早就應(yīng)用到了屋面梁和空心樓板上，但由于國內(nèi)建筑工藝不先進，我國對預(yù)制裝配式建筑的應(yīng)用比較晚，直到上世紀90年代后期，我國采用現(xiàn)澆混凝土建筑取代了老式的裝配式建筑，但在科技發(fā)展迅速的今天，由于建筑成本不斷提高，我國的建筑企業(yè)也開始考慮使用技術(shù)更高、更節(jié)省成本的新型預(yù)制裝配式建筑。當今的預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展道路還存在一些問題，其中最嚴重的就是設(shè)計問題，常常會發(fā)生設(shè)計深度無法滿足建筑需求的狀況。預(yù)制裝配式建筑與現(xiàn)澆混凝土建筑在應(yīng)用上有著根本性的差別，在設(shè)計上的要求也更加嚴格，現(xiàn)有的設(shè)計方式通常因為設(shè)計圖紙不詳細、設(shè)計深度不達標而影響預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展。
6預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計
6.1預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計
這種結(jié)構(gòu)體系常被應(yīng)用到高層建筑中，在高層建筑所應(yīng)用的預(yù)制結(jié)構(gòu)中是非常重要的一種，另外預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的剪力墻重量比較小便于運輸，因此比較大的預(yù)制結(jié)構(gòu)常常會用到預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系[9]。這種體系中的梁和框架都需要在工廠車間制造，構(gòu)件連接節(jié)點以及疊合梁鍵槽的處理一般都在構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場以后執(zhí)行。預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計需要考慮到其物理性能，通常從結(jié)構(gòu)的方向?qū)ζ溥M行考慮，共有以下幾點值得我們注意：第一，預(yù)制混凝土框架柱的受力強度、框架柱與地板固定的強度、框架梁的強度，這些強度務(wù)必要在C30以上。第二，必須要保證梁柱中心線與縱向框架以及橫向框架對齊，以此才可以在同一個垂直面上調(diào)整結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)。第三，設(shè)計框架梁柱的連接節(jié)點時，完成的部分必須要符合剛性連接的基本要求。第四，務(wù)必要保證預(yù)制構(gòu)件鏈接節(jié)點的焊接質(zhì)量。第五，當設(shè)計、生產(chǎn)連接各種構(gòu)件的預(yù)埋件時，務(wù)必要保證設(shè)計完全貼合構(gòu)件，加工也要一絲不差。
6.2預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計
預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系由板結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)以及混凝土構(gòu)件組成，對這種結(jié)構(gòu)體系進行設(shè)計的時候，需要以施工項目的實際情況為出發(fā)點對具體結(jié)構(gòu)的選擇進行考慮，同時為了保證這種體系的設(shè)計標準和施工質(zhì)量，需要注意以下幾個方面：第一，在設(shè)計橫墻的時候，要根據(jù)施工項目的具體情況選擇承重墻面板和輕墻面板，以此來滿足承重墻體的測方向和構(gòu)件的受力要求[10]。第二，在設(shè)計豎向受力的時候，要保證不同部位的結(jié)構(gòu)豎向承重鋼筋是以注漿錨桿連接在一起的。第三，設(shè)計連接結(jié)構(gòu)的時候，要保證結(jié)構(gòu)的完整和連續(xù)。第四，豎向結(jié)構(gòu)務(wù)必要和橫向結(jié)構(gòu)處在同一水平面上，以保證整體的平面形勢。
7結(jié)束語
我國經(jīng)濟建設(shè)的基礎(chǔ)薄弱，起步相對較晚，但自改革開放以來我國的經(jīng)濟發(fā)展有了巨大的進步，城鎮(zhèn)化建設(shè)飛速發(fā)展，建筑行業(yè)在這樣環(huán)境下不斷改革創(chuàng)新，面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)代建筑業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢，它不但可以提高建筑工程質(zhì)量、縮短施工工期、節(jié)省人力物力，還可以最大限度地滿足我國綠色建筑所倡導(dǎo)的節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和保護環(huán)境的要求。我國預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展還有待加強，發(fā)展的過程應(yīng)充分發(fā)揮工廠預(yù)制件、現(xiàn)場裝配、節(jié)點現(xiàn)澆的優(yōu)勢，將新材料、新工藝不斷應(yīng)用到現(xiàn)代建筑上，通過結(jié)構(gòu)、建筑、設(shè)備等專業(yè)密切配合，充分優(yōu)化施工工藝，提高建筑性能。隨著低碳、節(jié)能、生態(tài)、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等理念逐漸深入人心，預(yù)制裝配式建筑在我國將有廣闊的發(fā)展前景。
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作者：吳繁超 單位：福州外語外貿(mào)學(xué)院