装配式混凝土结构设计内容和方法

马 涛 2016年07月26日 北京 提纲 一、结构设计现状的概述 二、结构设计方法和要求 三、结构设计内容及拓展 四、一些争议问题的探讨 五、结语 装配式混凝土装配式混凝土结构设计结构设计内容和方法内容和方法 预制混凝土技术 具有多样性、复杂性、集成性等特点 是混凝土技术重要的组成部分 适用于各种建筑类型 民用、工业、市政设施 适合于各种结构技术间的集成 预应力、钢结构 适合于各种材料的集成 高强、高性能、复合材料、可循 环材料 装配 只是一种建造方式 与现浇一样，各有优势 不仅仅针对结构主体，还包括建筑内的所有填充体、建筑 外部的装饰物等等 对于我们这一个时代的从业者而言很陌生 前前言言 装配式混凝土结构 设计概念清晰，设计原理简单 适用于各种类型的结构 现有的结构体系 框架、剪力墙、框剪、框筒、混合 新型高效装配式结构体系 “十三”科技支撑项目中 预研的体系有十余种 通用体系与专有体系 需要满足系统性、适用性等要求 需要新型装备、设备、机具、产品和控制系统支撑 需要新型抗震设计方法、构造和连接方式支撑 “等同 现浇”的概念可用，但在经济性、易建性、效率发挥等方 面均有较大的发展空间 前前言言 装配式建筑 住宅产业化 新型建筑工业化 建筑产业现代化 钢结构和装配式建筑 2025年新建建筑的30% 北京市目标是2020年 是推动建筑业新发展模式建立的“抓手” 在机制和模 式的转变中创新技术、方法和产品 是一个完整的系统 结构仅仅是其中的一个部分 需要建筑行业内的高度配合 需要相关行业间的高度协调 前前言言 1. 1. 新时期的装配式建筑尚处于发展的新时期的装配式建筑尚处于发展的“初级阶段”“初级阶段” 观念上，是转变的过程 概念梳理，理念交织，诉求多样，路径探索 住宅产业化新型建筑工业化建筑产业现代化 装配式建筑 不同的责任主体对待转变的态度和应对方式差别大 开发商、设计企业、构件部品供应商、施工企业（总 承包、劳务和专业分包等）、监理企业、监管机构等 诉求各异 对使用和需求、使用者和服务者的思考是缺位的 激进型、温和型、中庸型、观望型、漠视型 装配式建筑只是一种产品，装配式建筑还是一个载体 P 1 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 1. 1. 新时期的装配式建筑尚处于发展的新时期的装配式建筑尚处于发展的“初级阶段”“初级阶段” 研究上，是发展、丰富和完善的过程 由单一、关键技术向综合、集成体系转变 以结构装配为重点向建筑装配和产品性能转变 以钢筋连接为重点向高效体系和成套技术过渡 以设计建造为重点向全寿命期品质和使用发展 以产品多样性为需求的通用与专用技术研发 注重“面”的宽度，忽视“点”的深度和“点与点”的 链接和协调 与“绿色”发展全面融合 绿色是装配式建筑的基本要求 装配式建筑对既有的绿色发展方式提出了“新”课题 装配式建筑与绿色融合的方式是创新 P 2 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 1. 1. 新时期的装配式建筑尚处于发展的新时期的装配式建筑尚处于发展的“初级阶段”“初级阶段” 行动上，是“试点示范+推广应用”的过程 紧迫性 十年发展到30%，时间紧，任务重 严峻性 量与质不匹配，导致投入与效益持续失衡 资源整体短缺，特别是优质人力资源 管 理 者 政府政府 行业行业 企业企业 项目项目 科研技术 领军人物领军人物实践者（规划师、建筑师、工实践者（规划师、建筑师、工 程师、建造师、咨询程师、建造师、咨询 ） 产业工人 工厂工厂+ +现场现场+ +服务服务 引导性 “成功”的实践还仅在“试验田和实验室”中 P 3 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 2. 2. 设计模式设计模式“多种多样”“多种多样” 项目设计的基本形式 产业链集团中，相对独立的设计团队 产业化联盟中，开发/设计/施工联合体 松散/紧密 工程总承包中，设计-施工联合体 相对紧密，能否长久还是？ 产品研发型，开发-设计战略合作 关系紧密，只能种点试验田 传统方式中，设计与施工相对分离 松散，大量 P 4 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 2. 2. 设计模式设计模式“多种多样”“多种多样” 设计的出路 建筑设计只是建筑产品开发的一个组成部分 重要但不是全部！ 基于项目，还是基于产品 基于自身，还是走向联合 设计企业要走得更远、视野更宽 设计企业要有对技术的集成能力 设计企业要有对项目的控制能力 不能只有“设计师” 需要培养具有工程概念和思维的建筑师和工程师 P 5 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 3. 3. 设计方法未摆脱设计方法未摆脱“传统方法”“传统方法” 装配式建筑设计的变化 结构形式 现浇装配+现浇/装配 技术体系 通用技术和体系专有技术、工艺和体系 生产方式 建造制造+建造制造+服务 控制方式 阶段性全寿命期 发展方式 行业主导跨行业联合 P 6 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 3. 3. 设计方法未摆脱设计方法未摆脱“传统方法”“传统方法” 预制混凝土结构设计方式 第一层次 基于现浇混凝土结构（等同现浇）的预制构 件“拆分和组装”设计 还不如传统方法！还不如传统方法！ 第二层次 基于预制混凝土结构装配的预制构件系统与 现浇构件系统组合设计 与传统方法相近与传统方法相近 第三层次 基于标准化设计理念、模数协调原则和建筑 各系统采用装配方式的装配式装配式建筑体系设计建筑体系设计 第四层次 基于设计、装修、生产和施工、部品部件、 成本等的优化，满足一体化的工程设计一体化的工程设计 第五层次 基于建筑全寿命期的使用、品质和经济性等 的考虑全过程全过程的产品的产品设计设计 P 7 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 3. 3. 设计方法未摆脱设计方法未摆脱“传统方法”“传统方法” 现状总结 全专业的协同设计 少 全过程的产品设计 缺 设计-生产-施工一体化 弱 “施工图”设计 精细化程度低 机制的变化 设计院+工程公司设计企业+标准图集？ 变化的结果 只有设计图，没有施工图！只有设计图，没有施工图！ 施工图需要立足于实施 会改变吗？ 设计企业该怎么办？总承包企业会怎么办？ 构件设计 能力欠缺 P 8 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 4. 4. 预制混凝土构件的产品类型及性能预制混凝土构件的产品类型及性能 预制夹心外墙板 至少可以形成四种技术和产品至少可以形成四种技术和产品 严寒寒冷地区和部分夏热冬冷地区 采用非组合型预制夹心保温外墙板 设计、生产、安装等配套技术基本成熟 南方以夏季隔热、冬季保温为需求的地区 应在综合研究的基础上开发实用型新产品 应遵循安全、适用、效率、耐久、经济等原则 应关注抗风、防水（抗渗）和密闭等性能及建筑表达 各种类型的建筑围护预制外墙板 点/线连接方式不应成为持续的争论点 （部分）组合型夹心墙板的应用必须建立在完整的、系 统的、严谨的理论研究和建立实用工程方法的基础上 P 9 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 4. 4. 预制混凝土构件的产品类型及性能预制混凝土构件的产品类型及性能 叠合/预制楼（屋）盖 要根据综合性能的评价（结构的承载力、变形等，建筑地 面的隔声、振动、隔热等）决定结构设计方式 预制底板应尽量采用标准型预制构件 大型化、通用化预制底板构件是推广应用的基本条件 满足生产和施工中对设备、工艺等的标准化和通用化 提高设计、生产和施工的综合效率 桁架钢筋 不是必需的！ 要正确使用 预制预应力、空心楼盖、肋形板等技术 在大跨度楼盖中可推广应用 电气管、线、盒 对预制构件的生产和施工方式有影响 高层建筑中使用预制楼盖是需要认真研究和分析的 P 10 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 4. 4. 预制混凝土构件的产品类型及性能预制混凝土构件的产品类型及性能 叠合/预制楼（屋）盖 居住建筑必须关注长期使用条件下预制底板拼缝的抗裂 板厚宜适当加大 小跨度板不经济 宜采用配臵抗裂钢筋的后浇带连接形式 板厚与结构自重 在合理范围内，要尽量满足功能需求 关于阳台、露台 最能体现工业化特征的室外建筑构件 具有附加价值的工业化产品 现有的一些（技术）规定与使用习惯是制约因素之一 整体预制楼（屋）盖 低多层 P 11 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 4. 4. 预制混凝土构件的产品类型及性能预制混凝土构件的产品类型及性能 预制框架柱、梁构件 性能好，效益差 构件质量、安装效率具有明显优势 适用的建筑类型特点（目前） 建造环节土建成本高 少装饰/时间价值高/施工环境差 构件大型化，现场拼接简单化 柱-梁-节点共同预制 跨层柱（如2 3层，高度小于12m）+铰接/半刚接梁 型钢/预应力应用，集中连接 支撑抗侧力，框架柱承载力提高 大跨度 局部设臵（连接）与整体设臵（性能） P 12 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 4. 4. 预制混凝土构件的产品类型及性能预制混凝土构件的产品类型及性能 装配式框-剪结构中的“预制”剪力墙 可能需要论证！ 现浇 JGJ 1-2014，预制可参考剪力墙结构采取措施 单片剪力墙可以预制 有研究成果，需创新和发展 预制边框柱/梁+现浇节点 预制剪力墙可在“半层”处竖向连接 可采用带“竖缝”的剪力墙+裙梁的形式 可将“耗能”装臵与预制剪力墙结合 可根据性能要求采用相应的配筋构造 筒体外墙宜现浇，内墙可采用预制构件 适度发展 一般筒体外墙开洞较多，连接复杂 内墙标准化程度相对较高 满足结构整体性能的要求 可参考钢框架-核心筒结构 P 13 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 5. 5. 结构设计发展的制约因素结构设计发展的制约因素 建筑规划、单体设计方案 专业的参与度低，协商的话语权小 目标的一致性 开发商（特别是“纯”国企）的主导性太强大 专业协商是方案制定的基础 咨询服务应重点在这个工作阶段开展 建筑师的态度、认知与方法 工程师的能力、经验与技巧 在目前的大环境下，迫切需要高水平的建筑师 领导、参与和支持领导、参与和支持 在目前的大环境下，迫切需要高水平的工程师 主动、主动、创新和坚持创新和坚持 P 14 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 5. 5. 结构设计发展的制约因素结构设计发展的制约因素 建筑规划、单体设计方案 标准化设计与建筑单一化 两者不是因果关系 标准化设计非装配式建筑设计的特殊要求 标准化设计是建筑质量和经济的重要保障 标准化设计是部品互换和使用的基本条件 标准化设计是项目设计中时时要做的事情 标准化设计是从业者职业素养的重要体现！ P 15 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 5. 5. 结构设计发展的制约因素结构设计发展的制约因素 工程师对规范和标准图集要深入学习，正确理解和运用 现行规范和标准图集是在对理论和试验研究成果、既有 试点示范项目成功经验、当前行业发展水平及技术发展 性评价等诸多因素的综合分析、平衡下编制的，所给出 的都是针对当前工程实践的最低要求！ 安全可靠是JGJ 1-2014编制的主导思想之一 正确使用标准、准确把握设计尺度在当前的工程实践中 是至关重要！ 结构工程师需要详细、全面了解与装配建造方式相关的 技术、生产、施工、材料、产品，在坚守安全底线的前 提下，要以科学、严谨、积极的态度面对新的需求 P 16 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 5. 5. 结构设计发展的制约因素结构设计发展的制约因素 与结构设计相关的配合和协同环节 “方案设计阶段，我们的建筑和结构专业的工作成果是要 达到初步设计的深度” 张守峰 在项目设计初期，配合建筑师将项目的目标、可能出现的 问题、需要配合和协同的重点及难点等找到、找准并得到 解决的有效途径和合理方式 机电设备、装饰装修、构件生产、安装施工等重要的配合 和协同环节要在方案设计、初步设计至施工图设计阶段逐 步开展 例如： 在初步设计阶段如果满足了预制构件模具设计和生产计 划编制的需求，就可以提前约两个月的时间排产，就可能 意味着100 150元/m3的直接造价节省 P 17 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 5. 5. 结构设计发展的制约因素结构设计发展的制约因素 积极实践，善于积累 结构设计的工作量大幅度提高 对！这是初期的事实 预制构件设计+协同/配合设计+精细化设计 合理组织+掌握方法+摸索规律+善于积累 全面提高管理者、建筑师和工程师的职业能力 利用信息化平台，丰富设计手段 协同设计平台 BIM设计平台 设计+生产、设计+施工的信息化管理平台 设计效率可以高于传统模式 P 18 一、结构设计现状的概述一、结构设计现状的概述 1. 1. 装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同 等同现浇 等同现浇是装配整体式结构的整体性能可以达到与现浇 结构相同或相近 等同现浇是指性能，而不是指设计的全部内容 钢筋在受力较小部位连接时，可以采用更小的长度 预制构件的配筋构造应采用适合工厂生产和装配施工 的形式 装配整体式结构的屈服机制、破化形态决定了其抗震 构造措施与现浇结构不完全相同 等同现浇可以使结构构件具有广泛结构性能的可能 全面、正确理解等同现浇的概念，有助于提高对通用技术 的掌握和熟练运用 P 19 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 1. 1. 装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同 结构整体方案应把握的重点 建筑的高度、长度、高宽比 装配适合于标准层多的建筑 结构单元长度可以做到60m左右 高宽比是一个经济性的衡量指标 规则、均匀、连续 发挥装配式结构性能优势的重要条件 承载力与延性、刚度与整体性、“力”的传递路径 结构内力的平衡、分配 塑性内力重分配 性能设计 JGJ 3-2010第3.11节 P 20 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 1. 1. 装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同装配整体式结构的整体设计方法与现浇结构相同 装配方案的技术要点 装配与现浇 预制的条件和成本、装配的施工能力 现浇是一种连接可选择的方式 地上与地下 地下室结构更适合装配 装配是手段，要与目标紧密联系 底部加强部位 对JGJ 1-2104第6.1.8条的理解 保证结构整体的屈服机制 附加措施：隔震、耗能减振、承载力水平等 预制构件序列和建筑产品序列 性能、质量一致性 效率一致性、集成可行性 P 21 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 2. 2. 方案阶段的协调与配合方案阶段的协调与配合 建筑功能、空间尺寸与结构方案 了解产品特征和创作思想 提供专业的技术思路和途径 建筑功能区构件部品模数及尺寸协调 提出符合标准化和模块化原则的设计建议 建筑墙体（围护墙、分隔墙）与剪力墙布臵 结构件与建筑空间和部品的尺寸协调 功能与产品的协调 例如：预制外墙板，有窗，外贴瓷砖，可能需要协调的内容： 洞口的尺寸和位臵室内使用的需求、外立面的瓷砖对缝、 预制构件的生产和重复使用、 预留预埋（管、件、盒、孔 等） P 22 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 2. 2. 方案阶段的协调与配合方案阶段的协调与配合 建筑功能与结构构件布臵 质量控制标准的一致性 以适宜的预制率满足质量所需的装配要求 现浇部分的质量控制标准 适宜的空间是建筑产品基本的功能性需求 大开间、灵活空间方案应满足经济性和舒适性的要求 施工工种、工序穿插的合理性 机电设备系统和管线路由 预制构件序列 通用标准件的应用（以3M为基本模数） 现阶段应尽量选用通用型标准构件 每种定型的建筑产品类型可以开发一套标准构件序列 P 23 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 2. 2. 方案阶段的协调与配合方案阶段的协调与配合 建筑经济性和设计指标与结构方案 不要过分强调混凝土和钢筋用量 结构构件的承载力、刚度、舒适度及其他性能的匹配 基于预制率和装配率指标的设计方案往往不合理 体系化合理应用预制混凝土构件 质量、效率和效益的平衡 政府、企业对预制率、装配率指标要科学分析政府、企业对预制率、装配率指标要科学分析 手段要与目标一致才具有合理性手段要与目标一致才具有合理性 P 24 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 2. 2. 方案阶段的协调与配合方案阶段的协调与配合 生产条件、施工能力与结构方案 生产条件决定预制构件类型 充分发挥生产线的利用率 充分发挥生产设备的使用率 新型产品需要预留足够的研制和工艺评定时间 施工能力决定结构方案的技术路线 设计的标准化程度 预制构件的尺寸和重量 施工企业的管理、组织、设备等 设计设计- -生产生产- -施工一体化、工程总承包是客观施工一体化、工程总承包是客观需要需要 设计对全过程的控制能力是实现的保障设计对全过程的控制能力是实现的保障 P 25 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 3. 3. 结构设计的标准化和尺寸协调结构设计的标准化和尺寸协调 结构构件布臵的均匀性、连续性、对称性和规则性 截面尺寸的分类统一 构件类型的合理选择 预制构件 满足模具的标准化 对称布臵与模块化组合原则 钢筋骨架的标准化 预留预埋的标准化 构件-钢筋骨架-预埋的尺寸协调 与连接相关的构造 P 26 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 3. 3. 结构设计的标准化和尺寸协调结构设计的标准化和尺寸协调 现浇构件 设臵部位的选择 与预制构件的协调 截面尺寸与模板的尺寸协调 钢筋骨架的标准化 建筑底部加强部位、标准层和屋顶层 竖向构件的截面尺寸变化 屋顶层的设计 框架结构的顶板也可采用叠合 剪力墙结构顶层的墙板和圈梁尺寸 P 27 二、结构设计方法和要求二、结构设计方法和要求 1. 1. 与现浇结构相比与现浇结构相比增加的设计内容 所有类型预制构件的布臵图 平面布臵图 可参考国家标准设计图集 立面布臵图 复杂的、平面有重叠的情况 叠合构件（板、梁、阳台等） 所有类型预制构件的明细表 构件基本情况 编号、规格、位臵、数量、重量、详图 索引等，必要时可增加材料信息等内容 编号 工程编号与构件编号的对应 可参考国家标准设计图集 P 28 三、结构设计内容及拓展三、结构设计内容及拓展 1. 1. 与现浇结构相比与现浇结构相比增加的设计内容 预制构件详图 可参考国家标准设计图集 设计说明 模板图 必要时应提供三维图纸 配筋图 当采用钢筋骨架时，应给出钢筋网片和骨架图 所有与使用相关的预留预埋管线、孔洞等 材料和配件明细表 所有与生产和施工相关的预埋件、预留洞，并给出设计 要求、限定性措施等 预制构件生产中所需的统一详图 钢筋加工、安装固定 需要加工制作的零部件 P 29 三、结构设计内容及拓展三、结构设计内容及拓展 1. 1. 与现浇结构相比增加的设计内容与现浇结构相比增加的设计内容 预制构件安装图 设计说明 安装工艺图 安装工序图 必要时应提供三维图纸 叠合梁、板的竖向支撑布臵图 与预制构件安装相关的钢筋定位图 塔吊、施工电梯、外架（安全防护架、爬升架等）等水 平支撑杆的连接详图（也可引用标准做法） P 30 三、结构设计内容及拓展三、结构设计内容及拓展 2. 2. 短暂设计状况的控制短暂设计状况的控制 预制构件在生产过程中的脱模起吊、翻转、码放、装车 应了解生产厂家的设备情况 应了解生产厂家的工艺流程 注重经验积累理论计算不能保证实际生产的可靠度 预制构件的运输环节 运输线路选择与风险评估 车辆及固定、减振装臵 施工安装环节 存放 场地布臵、地基处理、存放装臵及措施 吊具选择、安装定位措施、支撑设臵 P 31 三、结构设计内容及拓展三、结构设计内容及拓展 3. 3. 结构构件的允许偏差控制结构构件的允许偏差控制 现行标准 GB 50204-2015、JGJ 1-2014、GB 50666-2011等 预制构件的允许偏差和装配式结构尺寸允许偏差是在现 浇混凝土结构尺寸允许偏差的基础上调整而来的，而不 是基于装配式建筑质量控制目标进行系统性的控制，存 在控制的短板和系统性缺陷 预制构件与现浇混凝土构件的组合方式较多，对允许尺 寸偏差应按照整个构件（预制+现浇+）的目标要求 进行控制 JGJ 1-2014第11.4.2条和第13.3.1条的条文说明中，都明 确了“可根据工程设计需要适当从严控制”的规定 必须根据项目的质量目标、集成产品参数和结构设计等 具体情况，补充允许尺寸偏差的设计控制要求 P 32 三、结构设计内容及拓展三、结构设计内容及拓展 1. 1. “预制率”的问题“预制率”的问题 装配式建筑的结构设计应当坚持体系化应用 要摒弃按“指标”设计的模式 2. 2. “装配整体式”的问题“装配整体式”的问题 一般的高层建筑采用装配整体式结构是适宜的 结构体系的“创新”应当与建筑产品紧密结合， 要符合国情、域情 3. 3. “精细化设计”的问题“精细化设计”的问题 装配式建筑的基本要求 装配式建筑设计=建筑设计+产品设计+工艺设计 P 33 四、一些争议问题的探讨四、一些争议问题的探讨 4. 4. “预制夹心保温外墙板”的问题“预制夹心保温外墙板”的问题 通用技术的一种，安全可靠，还可继续发展 性能要综合的分析和评价 保温/隔热+结构防护+建筑耐久性+建筑风格+ 装配施工的变革+ 产品设计中应体现地域、环境、性能的差异 5. 5. “拆分设计”的问题“拆分设计”的问题 源自于工厂生产的概念 是以设计标准化为基础