钱寿严
宝胜系统集成科技股份有限公司 江苏 扬州 225819
摘要：近年来，装配式建筑已被广泛应用于建筑领域，为了研究装配式建筑的结构设计选型，文中针对某高层装配式建筑进行设计，对比分析了不同结构方案的设计结果及优缺点。研究可知，钢结构较PC混凝土结构具有生产技术成熟、施工周期短、空间布置灵活、预制率较高等优点，综合性能最佳，建议具有较高预制率要求的装配式建筑可采用钢结构体系进行结构设计。
关键词：装配式；预制率；PC混凝土结构；钢框架-中心支撑结构
引言:中华人民共和国住房和城乡建设部于2017年制定了《“十三五”装配式建筑行动方案》，目标为到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上，其中重点推进地区达到20%以上，积极推进地区达到15%以上，鼓励推进地区达到10%以上。随着装配式建筑的大力推广，越来越多的项目逐渐由常规结构转换至装配式建筑，不同地区均颁布了相关法规文件对预制率提出要求，装配式建筑的结构设计形式也日益得到关注和重视。近年来国内众多学者对装配式建筑进行了大量的理论及试验研究，对装配式建筑的大力发展给予了有效的技术支持。2005年同济大学的赵斌等人[1]对装配式混凝土框架结构的抗震性能进行了试验研究，结果表明，全装配式混凝土框架结构与现浇混凝土框架结构的抗震能力存在差异，应采取措施加强全装配式节点的耗能能力。2015年沈阳建筑大学的孟宪宏等人[2]对装配式框架核心筒墙梁节点进行了抗震性能研究，试验结果表明，装配式墙梁节点试件具有与现浇试件相当的抗震耗能能力。
1 工程概况分析
某建筑项目总建筑面积5.7万m2，地上4.5万m2，地下1.2万m2。地上部分包含一栋2.5万m2的教学楼、2.0万m2的宿舍楼。其中，下部三层为大底盘裙房，裙房一层层高6m，二、三层均为4.5m，上部教学楼及宿舍楼两个塔楼共用大底盘，与裙房连成整体。教学楼位于单体北侧，共13层，四层以上层高均为4.2m，总高度60m；宿舍楼位于南侧，共15层，四层层高4.2m；五层以上层高3.6m，总高度60m。顶部连体一层，与一侧主体结构刚接，与另一侧主体结构滑动连接。地下室顶板作为上部结构嵌固端。
2 结构设计方案比选
根据《住房和城乡建设管理委员会关于进一步明确装配式建筑实施范围和相关工作要求的通知》文件要求，上海市符合条件的新建建筑应全部按装配式建筑要求实施。因“结构缝”分隔出的单体不应视为独立单体，工程上部结构应视为一个整体进行预制率计算，单体预制率不应低于40%。项目抗震设防烈度为7度0.1g，设计地震分组第一组，场地类别IV类，特征周期0.9s。拟采用钢结构、PC混凝土结构、钢结构+PC混凝土结构三种方案进行比较分析。
2.1 钢结构分析
方案采用钢框架-中心支撑结构，结构抗震等级为三级，周期折减系数0.9。框架柱截面主要为矩形管700mm×30mm～500mm×16mm；钢支撑截面主要为矩形管300mm×500mm×20mm～300mm×300mm×16mm；框架梁截面主要为HN650×300mm～HN400×200mm。用钢量约为96kg/m2。
2.2 PC混凝土结构说明
方案采用装配整体式框架-现浇剪力墙结构，框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级，周期折减系数0.8。框架柱截面主要为500mm×500mm～800mm×800mm；剪力墙厚度为250mm；框架梁截面主要为400mm×800mm～250mm×500mm；楼板采用钢筋桁架叠合板，板厚140mm，预制60mm，现浇80mm。地上结构中塔楼所有梁、板、楼梯及女儿墙均采用预制构件，四层及以上的框架柱采用预制构件，其余构件为现浇结构。混凝土结构的预制率计算公式如下：建筑单体预制率=预制部分混凝土体积（/现浇部分混凝土体积＋预制部分混凝土体积）×100%经计算，方案单体预制率为40.2%，满足要求。
2.3 钢结构+PC混凝土结构运用说明
方案中教学楼采用钢结构，宿舍楼采用PC混凝土结构，构件截面尺寸参照前两种方案。宿舍楼上部结构梁板均采用预制构件，四层及以上的框架柱采用预制构件，其余构件为现浇结构。经计算，宿舍楼PC混凝土结构的预制率为37.4%，教学楼钢结构的预制率为45.6%，按照建筑面积加权平均得到最终的单体预制率为41.9%。
3 结构设计方案分析
3种设计方案中，结构在地震作用及风荷载作用下，层间位移角、位移比、周期比等设计结果均能满足规范要求。三种设计方案的预制率均能满足40%的要求。
方案1中钢结构技术比较成熟，布置有少量支撑，局部对建筑空间有影响，基本能满足建筑设计需求。钢结构构件生产标准化，产能充足，厂家一般不需要预约，施工周期较短，进度可控，污染和噪音对周边居民影响很小，采用ALC隔墙系统基本可以与普通现浇混凝土结构施工效果相当。
表1 不同方案分析结果
方案2的PC混凝土结构中布置了较多的剪力墙用以控制周期、位移等指标，对建筑空间需求有较大影响。混凝土预制构件深化工作量大，产能无法满足市场需求，通常预制构件厂家需提前预约，施工周期较长，进度不可控，污染和噪音对周边居民影响较大，并且当前施工水准滞后，较容易产生质量隐患，例如外墙漏水等情况。
方案3的各项优缺点介于方案1、2之间，本项目地上结构为超限高层建筑，连体的两栋塔楼宜具有相近的结构动力特性以满足建筑抗震概念设计，采用两种迥异的结构形式，使得动力特性差异较大，超限审查通过难度增大，另一方面，单体预制率采用建筑面积加权平均的计算方法，尚未得到规范文件支持，需要有关部门审批，因此不建议首选此种结构设计形式。
经综合分析，钢结构方案的主体结构材料造价较PC混凝土结构方案更高，但由于其重量较轻，可节省一定的基础造价，此外，钢结构具有生产技术成熟、施工周期短、空间布置灵活、预制率较高等优点，综合性能最佳，因此项目选用钢结构设计方案。
4 结语:
随着绿色建筑的全面推进，传统的建筑体系已不能满足建筑产业现代化的发展要求，装配式建筑将成为未来的主流发展趋势。文中重点研究了装配式建筑的结构设计选型，研究可知，钢结构在装配式设计和施工方面均有较大优势，且体系有利于解决大跨度高位连体等细部技术难点，可以节省与相关部门的沟通成本，对项目的后期进度有较强的可控性，发展前景较广，建议高层装配式建筑首选钢结构形式。但钢结构造价及后期维护等费用较预制混凝土结构偏高，对于预制率要求不高的地区，或结构类型较简单的项目，建议采用PC混凝土结构方案，同时应关注施工工艺避免质量隐患。项目在研究中仍存在一些不足之处，对于钢结构+PC混凝土结构的组合形式，其单体预制率仅采用建筑面积加权平均进行简化计算，未能得到规范或文件支持，在未来的研究中，对于不同结构形式的连体建筑，单体预制率的计算方法仍有待进一步分析论证。
参考文献:
［1］赵斌,吕西林,刘丽珍.全装配式预制混凝土结构梁柱组合件抗震性能研究［J］.地震工程与工程振动,2005,25（1）:81-87.
［2］孟宪宏,刘阳,赵唯坚.装配式框架核心筒墙梁节点滞回性能试验研究［J］.建筑科学,2015,31（7）:68-73.
［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.
［4］中国建筑标准设计研究院、中国建筑科学研究院.装配式混凝土结构技术规程：JGJ1-2014［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.
［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准：GB50017-2017［S］.北京：中国建筑工业出版社，2017.