装配式建筑结构设计(十三五江苏省高等学校重点教材)/装配式建筑丛书

第1章绪论 1.1装配式建筑简介 装配式建筑是指工厂化生产的部品部件，在施工现场通过可靠连接方式建造的建筑。其主要特征为：①构成建筑的部品部件特别是结构构件是预制的；②预制构件的连接方式必须可靠。 1.1.1装配式建筑基本概念 1.预制混凝土构件 预制混凝土（precast concrete，PC)构件是指在工厂或现场预先制作的混凝土构件，也可简称预制构件。作为装配式结构的组成单元，预制构件种类繁多、功能多样。除作为非结构构件如预制外挂墙板、空调板、阳台板、楼梯板等之外，预制构件也可作为结构构件如叠合受弯构件、预制柱、预制粧等。 2.预制率 定义：工业化建筑室外地坪以上的主体结构和围护结构中，预制构件部分的混凝土用量占对应构件混凝土总用量的体积比。预制构件包括：叠合板、叠合梁、预制柱、预制剪力墙、预制楼梯、预制阳台、预制外墙等。 预制率是衡量主体结构和围护结构采用预制构件的比例，是衡量装配式建筑技术水平的重要指标。只有*大限度地采用预制构件，才能充分体现工业化建筑的特点和优势，而过低的预制率则难以体现。 3.装配率 定义：工业化建筑中预制构件、建筑部品的数量（或面积）占同类构件或部品总数量（或面积）的比例。建筑部品包括：非承重内隔墙、集成式厨房、集成式卫生间、预制管道井、预制排烟道等。 装配率是衡量工业化建筑采用工厂生产的建筑部品的装配化程度。*大限度地采用工厂生产的建筑部品进行装配施工，能够充分体现工业化建筑的特点和优势，而过低的装配率则难以体现。 4.构件连接 一般来说，根据是否存在现场湿作业，可以将装配式混凝土结构的连接方式分为两种，即整体式连接、干式连接。 整体式连接，也可称为等同现浇连接、湿式连接，目前有多种施工工法，形式多样，如浆锚连接、键槽连接、灌浆连接、型钢辅助连接等。整体式连接具有整体性好、结构稳定、安全性高等优点，其性能往往要求等同甚至更优于现浇整体式结构。在我国，以钢筋套筒灌浆连接为主的浆锚连接施工工法*为常用。钢筋套筒灌浆连接是指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式。 干式连接不采用现场湿作业。干式连接广泛应用于欧美发达国家，其施工简便，人工成本低，现场施工产生的污染相对较小。目前干式连接也有多种施工工法，如牛腿连接、预应力压接、预埋螺栓连接、预埋件焊接、钢吊架连接等。其中牛腿连接又分为明牛腿连接和暗牛腿连接两种。目前我国主要应用于装配式单层或多层厂房。 1.1.2装配式建筑的分类 1.按结构材料分类 按结构材料分类，现代装配式建筑有装配式钢筋混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式轻钢结构建筑和装配式复合材料建筑（钢结构、轻钢结构与混凝土结合的装配式建筑)；古典装配式建筑有装配式石材建筑和装配式木结构建筑。 2.按高度分类 按高度分类，装配式建筑有低层装配式建筑、多层装配式建筑、高层装配式建筑和超高层装配式建筑。 3.按结构体系分类 按结构体系分类，装配式建筑有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、无梁板结构、预制钢筋混凝土柱单层厂房结构等。 4.按预制率分类 按预制率分类，装配式建筑有高预制率（70%以上)、普通预制率（30%～70%)、低预制率（20%～30%)和局部使用预制构件四种类型。 1.2装配式建筑的发展现状 早在远古时期就出现了一些简单形式的“装配式建筑”。当时人类用兽骨、树干与兽皮搭建的兽皮帐篷就可看作人类*早的装配式“建筑”。随着人类历史的发展，建筑技术也随之快速发展，特别是从18世纪末至20世纪初期的一个多世纪，欧美国家基本上实现了工业化，工业化进程大大推动了建筑技术的发展，涌现了许多著名的建筑，如1886年建成的自由女神像是世界上*早的装配式钢结构金属幕墙工程，1931年建成的帝国大厦是世界上早期装配式建筑代表性建筑。 1.2.1国外装配式建筑的发展现状 国外的工业化概念起步较早，20世纪五六十年代开始全面建立工业化生产体系，在经历了量、质、节能环保的发展过程后，目前很多技术已经趋于成熟。 1.欧洲国家装配式建筑发展现状 欧洲国家特别是北欧国家，装配式建筑具有较长的历史，在技术上积累了大量经验，其强调设计、材料、工艺和施工的完美结合。由于长期可持续的研究和发展，其预制技术已形成系统的基础理论，并符合节能环保与循环经济要求。 以德国为例，当前德国的公共建筑、商业建筑、集合住宅项目大都因地制宜，根据建筑工程项目的特点，选择现浇与预制构件混合建造体系或钢结构体系建设实施，并不追求高装配率。随着工业化进程的不断发展，BIM(建筑信息模型）技术得到应用，建筑工业化水平不断提升，采用工厂预制、现场安装的建筑部品越来越多，占比越来越高。 由于人工成本高，建筑业领域不断优化设计、施工方案，减少手工操作，建筑上使用的建筑部品大量实行标准化、模数化。因此，德国的装配式建筑突出追求绿色可持续发展，注重环保建筑材料和建造体系的应用，追求建筑的个性化和设计精细化。图1-1为德国建筑部品自动化生产线。图1-2为德国装配式建筑现场安装施工图。相应的建筑业标准规范体系也非常完整全面，使装配式建筑在满足通用建筑综合性技术要求前提下，还需满足其应具备的相关技术性能，如结构安全性、防火性能、防水性能、防潮性能等。同时，要满足在生产、安装方面的要求。德国部分装配式建筑相关标准如表1-1所示。 2.北美国家装配式建筑发展现状 北美地区主要以美国和加拿大为主，由于美国预制-预应力混凝土协会（PCI)长期研究和推广预制建筑，预制混凝土的相关标准规范也比较完善，所以其装配式混凝土建筑应用非常普遍。 以美国为例，以其发达的工业化水平为基础，美国已经形成完善的标准化体系，在住宅部分方面以及在构件生产方面都达到很高的工业化生产水平。为了促进工业化住宅发展，出台了很多法律和一些产业政策，其中，*主要的是美国住房和城市发展部(HUD)颁布的技术标准。HUD颁布了《美国工业化住宅建设和安全标准KNational Manufactured Housing Construction and Safety Standards)，简称HUD标准。 美国工业化住宅的关键技术是模块化技术，在美国的住宅建筑工业化工程中，模块化技术针对用户的不同要求，只需在结构上更换工业化产品中的一个或几个模块，就可以组成不同的工业化住宅。 在结构类型特点上，框架结构的梁柱节点是预制品*不容易做到的。现在美国预制业用得*多的是剪力墙-梁柱系统。其水平力（风力、地震力）主要由剪力墙来承受，梁柱只承受垂直力，而梁柱的接头在梁端不承受弯矩，简化了梁柱节点。经过60年实际工程的证明，这是一个安全有效的结构体系。 3.亚洲国家装配式建筑发展现状 亚洲国家装配式建筑的起步稍晚于欧美国家，但借鉴了欧美的成功经验，在探索预制建筑的标准化设计施工基础上，结合自身要求，形成了具有自身特色的预制建筑体系。 以日本为例，日本在预制结构体系整体性抗震和隔震设计方面取得了突破性进展。具有代表性的成就是日本2008年采用预制装配框架结构建成的两栋58层的东京塔。目前，日本可以使用预制梁柱等建筑结构构件建造高度200m以上的超高层住宅工程，一般均是框筒结构，并设有隔震或减震层；标准层以上，一般保持工程4天/层的施工进度。 主体结构工业化以预制混凝土（PC)结构为主，经历了从WPC(PC外墙结构）到RPC(PC框架结构）、WRPC(PC框架-墙板结构）、HRPC(PC-钢混结构）的发展过程。目前在以PC结构为主的同时在多层住宅中大量采用钢结构集成住宅、模块化建筑和木结构住宅，实现了多层住宅的高度装配化和集成化。 此外，日本的预制混凝土建筑体系设计、制作和施工的标准规范也很完善，主要集中在PC和外围护方面，目前使用的预制规范有《预制混凝土工程（JASS10)和《混凝土幕墙（JASS14)》。另外，预制建筑协会还出版了与PC相关的设计手册。 1.2.2我国装配式建筑的发展现状 1.香港地区 由于施工场地限制、环境保护要求严格，我国香港地区的装配式建筑应用非常普遍，尤其是在公共住房项目中。随着预制施工技术在香港建筑项目的应用增加，由香港屋宇署负责制定的预制建筑设计和施工规范完善，高层住宅多采用叠合楼板、预制楼梯和预制外墙等方式建造，厂房类建筑一般采用装配式框架结构或钢结构建造。图1-3为预制和谐1型建筑，其中采用全预制及半预制剪力墙、预制楼梯承台、预制电梯井、预制卫生间等，总预制率达到75%。采用标准单元设计，如标准化尺寸和空间配置等，运用标准化配件使得组合形式的装配式建筑预制率可以更高。 2.内地 我国内地从20世纪五六十年代开始研宄装配式混凝土建筑的设计施工技术，形成了一系列装配式混凝土建筑体系，较为典型的建筑体系有装配式单层厂房建筑体系、装配式多层框架建筑体系、装配式大板建筑体系等。 到20世纪80年代，装配式混凝土建筑的应用达到全盛时期，全国许多地方都形成了设计、制作和施工安装一体化的装配式混凝土工业化建筑模式。其中装配式混凝土建筑和预制空心楼板的砌体建筑是两种*主要的建筑体系，应用普及率达70%以上。 到20世纪90年代中期，装配式混凝土建筑已逐渐被全现浇混凝土建筑体系取代。由于当时装配式建筑的功能和物理性能存在许多局限和不足，预制结构抗震的整体性和设计、施工及管理的专业化不够，我国的装配式混凝土建筑设计和施工技术研发水平还跟不上社会需求及建筑技术发展的变化。从“十二五”开始，随着我国经济的快速发展，劳动力成本的上升，以及预制构件的加工精度与质量、预制装配式施工的施工技术和管理水平的提高，预制装配式建筑的应用重新升温，并呈现快速发展的态势。 1.3装配式建筑设计基本流程 装配式建筑设计是需要建筑工程师、结构工程师和其他专业设计工程师紧密协作，需要设计人员与制作厂家和安装施工单位技术人员密切合作的设计过程。“装配式”的概念应当伴随设计的全过程。装配式建筑设计流程如图1-4所示。 1.3.1设计前期 工程设计开始前，就应该先行从装配式角度对建筑进行分析。设计师首先需要对项目是否适合做装配式进行定量经济技术指标分析，对约束条件进行调查，判断是否有条件进行装配式建筑。 装配式专项设计流程如图1-5所示。 1.3.2方案设计 在方案设计阶段，建筑师和结构设计师需根据装配式建筑的特点和有关规范的规定确定方案。方案设计阶段关于装配式的设计内容如下： (1)在确定建筑风格、造型、质感时，分析判断装配式的影响和实现的可能性。例如，装配式建筑不适宜造型复杂且没有规律立面和无法提供连续的无缝建筑表皮的建筑。 (2)在确定建筑高度时考虑装配式的影响。 (3)在确定形体时考虑装配式的影响。