装配式剪力墙结构设计

引言

2016年国务院71号文《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》发布实施后，传统建筑行业转型已不可逆转，装配式将成为今后建筑行业的重要营造方式。进入2018年后，装配式建筑又一重磅文件《装配式建筑评级标准》（GB/T 51129-2017）发布执行，该标准对装配式建筑做出了明确的评价方法和底线要求，根据该标准要求 “只做水平预制构件，不做竖向预制构件的做法都不能叫装配式建筑” ，对目前装配式建筑影响最大。在过去几年里，预制水平构件在装配式建筑中已得到广泛应用，技术已较为成熟；而采用预制竖向构件的装配式建筑则应用较少，工程经验相对欠缺。本文以最常见剪力墙结构为例，对采用预制竖向构件的装配式建筑设计过程中，各阶段结构设计重点工作进行总结。

与传统现浇剪力墙结构相比，装配式剪力墙结构有两个显著特点：首先，成本增量较大，（采用预制构件时，各类型钢筋砼构件的加权综合单价约为现浇构件的3倍）；其次、结构墙体布置需考虑采用预制构件的可实施性。因此，采用装配式建造的项目在建筑方案设计阶段需要结构专业提前介入，分析建筑方案采用装配式时的可实施性和经济性，避免后期方案修改，影响项目开发进度。装配式剪力墙结构在方案设计阶段应关注以下几点。

1. 结构适用高度，采用装配整体式剪力墙结构房屋的屋最大使用高度比现浇剪力墙结构有一定程度降低，具体对比情况见表1.1。

2. 结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀，不应采用严重不规则的平面布置。结构竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。具体规则性判断按照《建筑抗震设计规范》GB50011中规定执行。

3. 建筑采用模数化设计，基本模数100mm（1M=100mm），扩大模数应为2M、3M、6M、9M……。项目宜采用统一模数，模数统一可减少预制构件种类，有效降低建造成本。

4. 结构采用预制构件的可实施性。重点关注以下几点：

a. 转角墙、窗间墙长度是否满足装配式实施。

b. 平面内凹深度较大时，注意凹口宽度是否满足后续施工操作要求。见例图a、b。

a-1 转角墙长度过小（转角窗）

a-2 窗间墙长度过小

b 平面凹口净宽过小

5. 预制构件形式宜简洁，以利于控制成本。重点关注以下几点：

a. 不宜采用飘窗，尽量避免出现三维预制构件。

b. 外墙宜平。

a 飘窗

 b 外墙不平直

按政策要求，采用装配式建造的项目均需要进行产业化实施方案专项汇报。汇报文件内容与初步设计深度基本一致，因此做好初步设计可有效提高后续施工图设计周期。装配式建筑初步设计阶段应重点关注以下几点。

1. 确定建筑底部采用现浇的层数。根据《装配式混凝土结构技术规程》中相关规定：

a. 高层剪力墙结构底部加强部位的剪力墙宜采用现浇混凝土。

b. 带转换层的结构，框支层及相邻的上一层应采用现浇结构。

2. 预制墙板截面厚度不宜小于200mm。

3. 预制构件拆分。墙板两侧的拼接部位宜设在结构受力较小的部位； 竖向预制构件优先采用一字型，不宜采用L型、T型、U型等三维构件 ，预制墙板常用形式见附2.1。

 图2.1 预制墙板常用形式

建筑产业化的核心是生产工业化，生产工业化的关键是设计标准化。实现标准化的关键点则体现在对预制构件的科学拆分上；因此，预制构件的科学拆分是装配式建筑结构设计的核心工作。预制构件科学拆分对建筑功能、建筑平立面、结构受力状况、预制构件承载能力、工程造价等都会产生影响。如何实现预制构件的科学拆分，重点关注内容见表2.1。

表2.1 预制构件拆分重点关注内容

4.  结构专业初步设计图纸内容：

a.  结构设计说明，包括装配式设计专篇。

b.  结构平面图，应有各层结构平面图及屋面结构平面图；预制构件应注明预制构件的编号，给出预制构件编号与型号对应关系，应包括构件重量等。

c.  预制构件典型连接节点详图。

d.  结构专业计算书，包括竖向构件预制率（体积率）计算，水平构件预制率（面积率）计算等。

5. 各专业协同设计。根据不同专业的技术要点，分析影响施工成本、施工进度和施工质量的因素，采取科学有效的技术组合，做好协同设计，控制装配率。

6. 信息化设计（BIM）。装配式建筑全产业链应用BIM，既能提升项目的精细化管理和集约化经营，又能提高资源使用效率、降低成本、提升工程设计与施工质量水平；加之部分城市对装配式建筑有强制采用BIM要求。因此，装配式建筑在初步设计阶段需确认是否采用BIM。

装配式建筑结构施工图设计应包含以下几个方面。

1. 结构设计总说明，其中应有装配式结构设计专项说明。

2. 结构平面布置图。应有各层结构平面布置图、配筋图；预制构件应注明预制构件编号；现浇墙肢编号、现浇节点编号等。

3. 预制构件详图及加工图。构件详图应包括：

a.  构件模板图，应表示模板尺寸、预留洞及预埋件位置、尺寸，预埋件编号、必要的标高等。

b.  构件配筋图：纵剖面表示钢筋形式、箍筋直径与间距，配筋复杂时宜将非预应力筋分离绘出；横剖面注明断面尺寸、钢筋规格、位置、数量等。

c.  需作补充说明的内容。

4. 预制墙板的水平、竖向接缝的连接节点设计与施工是装配式结构的重点和难点，连接节点的性能是保证装配式结构性能的关键。装配式结构连接节点在施工现场完成是最容易出现质量问题的环节，而连接节点的施工质量又是整个结构施工质量的核心。节点设计应重点关注以下几点：

a.  套筒连接作为装配式结构最受诟病的质量缺陷，设计文件中应特别注明对钢筋连接套筒及灌浆料的材料性能及相关检测、检验的要求。

b. 预制墙板竖向接缝设计，优先采用连接区段长度不大于600mm的连接节点（根据《装配式建筑评价标准》现浇节点长度不大于600mm时，现浇节点可计入预制混凝土体积），预制构件水平筋甩筋及现浇节点水平应选便于构件吊装，方便现场钢筋绑扎的方式。“一”字型连接节点钢筋排布构造如图3.1所示，其余种类连接节点可参见远洋《装配式建筑结构标准节点手册》。

图3.1 “一”字型连接节点钢筋排布构造

c. 外叶板连接缝防渗漏问题。“一”字型连接节点防渗漏构造如图3.2所示，其余种类连接节点可参见远洋《装配式建筑结构标准节点手册》。

图3.2 “一”字型连接节点防渗漏构造 

预制构件深化设计应考虑工程实际加工制作、吊装、运输、堆放等情况，重点工作如下：

1. 深化设计计算，应包括设计文件规定荷载及施工程堆放、脱模、运输、吊装等各种工况荷载不利组合验算。

2. 深化图应正确反映建筑、设备、电气等专业所需的预留孔和预埋管线、埋件等，对有冲突的预留预埋应协同各专业进行设计调整。

3. 预制构件深化图应考虑预制构件施工吊装就位需要的预埋件（如图4.1所示墙板所需的临时支撑）。

（左）外墙板临时支撑布置图

（右）内墙板临时支撑布置图

  图4.1 墙板临时支撑布置图

4. 预制构件深化设计应配合总单位包考虑脚手架，塔吊安装所需的预留预埋问题。竖向构件采用装配式建造的剪力墙结构宜采用集成爬架（如图4.2所示），采用集成爬架可有效解决阳台挑架问题，实现外墙穿插施工。

图4.2 装配式剪力墙结构采用集成爬架

预制构件深化设计工作是保证项目实施的关键环节，该工作不但涉及建筑方案研究、各专业施工图配合等，还需要和构件制作单位及施工安装单位密切配合，充分研究项目实施过程中的细节问题。多专业协同、多单位协同是实现装配式建筑技术性和经济性统一的保证。

目前，我国的建筑工业化程度相对落后，产业链也不是非常完善，需要进一步的支持与促进。设计行业作为装配式建筑发展的龙头，需要与时俱进，顺应时代发展的潮流，持续突破与创新，才可以真正地对中国整体建筑行业的发展起到积极的推动作用。