装配式结构在高层住宅建筑中的设计与研究

来源：建筑技术杂志社

1 工程概况

本项目位于北京市昌平区北七家镇，东至东三旗中路，西至东三旗二路，南至亚运汽车市场北路，北至东三旗二街。规划用地面积39933.55m2，总建筑面积167857.26m2，地上建筑面积87853.81m2，其中住宅地上建筑面积86699.64m2，地下建筑面积80003.45m2。项目整体12栋住宅楼，共2种单元、4个基础户型，其中A+B单元为140户型，C+D单元为90户型，均为二类高层建筑，层高为2.9m，层数为12~18层，高度为35.7~53.1m。其中1号、2号、3号、4号、7号、8号、9号、11号、12号楼为90户型的住宅楼，5号、6号、10号楼为140户型，其中90户型在整个住宅面积占比达到70%以上。小区户型产品的种类及楼座单元的组合方式简单，有利于产业化的批量生产。楼座外立面采用新中式，既端庄稳重，又使装配式工艺易于实施。

建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第2组。建筑场地类别为3类，场地特征周期为0.55s，剪力墙抗震等级均为2级。各楼座信息见表1。

表1 楼座信息

2 结构分析

2.1 政策研究

保障性住房及商品房是装配式建筑推广的重要方向，住宅项目以剪力墙结构形式为主，选择装配式体系既可顺应国家政策指引，也可得到国家财政奖励和项目预售的优势，对开发商具有很大的吸引力。

根据《北京市人民政府办公厅关于加快发展装配式建筑的实施意见》（京政办发〔2017〕8号，以下简称《北京市8号文》）的相关规定，装配式建筑的装配率应不低于50%；装配式混凝土建筑的预制率应符合高度在60m（含）以下时，其单体建筑预制率应不低于40%。水平构件采用预制（叠合）构件或免支模的应用比例应>70%。本项目可按上述指标进行装配式建筑设计。

2.2 方案设计

2.2.1 装配方案分析

小区共12栋楼皆为剪力墙结构，最高为53.1m，符合GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》（以下简称《建筑标准》）规定房屋最大适用高度，高宽比AB户型为3.26，CD户型为3.48，小于规范要求的5.0限值。

由户型平面图可知，各户型外墙轮廓简单，模数协调易于拆分，楼板划分规整，异形板块少，板块规格简单，可通过多种组合拼装实现，全楼标准化程度高，各层重复率高，提高了构件模板的重复使用率，可有效降低成本。整体计算采用传统的CQC法，与现浇混凝土结构计算方法一致，根据《建筑标准》规定，在装配式剪力墙结构中，现浇墙肢水平地震作用弯矩、剪力宜乘以不小于1. 1的增大系数。在PKPM软件前处理信息中输入此放大系数，计算得出AB户型计算结果见表2，CD户型计算结果见表3。

表2 AB户型整体计算结果

表3 CD户型整体计算结果

由计算结果可知，结构平面及竖向规则，整体计算指标满足规范要求，装配整体式剪力墙结构体系成立。楼座装配策略：1~2层为底部加强区，墙体采用现浇方式，3层以上外墙采用预制混凝土墙板，内墙采用部分装配、部分现浇（电梯井）。楼板从1层到屋顶采用叠合楼板，考虑管线交叉影响，强弱电井等公共区域采用现浇。阳台、楼梯、空调板、女儿墙等均预制。

在制订预制构件方案时，预制水平构件难度最低，成本增量最小，应优先选用。叠合楼板是预制水平构件中占比最大的构件类型，规则的建筑平面布置和模数化应用可有效提高叠合楼板预制比例。预制楼梯、预制空调板、预制阳台板可优先选择图集构件尺寸。预制内墙通常占比较小，但其现场操作难度较低，易控制施工质量，可作为提高预制率的手段之一。预制外墙应用较多，可大幅减少墙体模板的搭建，缩短施工工期。当外立面为贴砖作法时，采用反打施工工艺可免除外立面装修的环节，节省时间与造价，且外表面完成质量优于现场施工。

2.2.2 预制率、装配率计算

依据《建筑标准》中“少规格、多组合”原则对各户型进行拆分。预制外墙拆分时一般以一个窗洞为拆分单元，也可选择两个窗洞为一个预制墙段，同时注意外墙的连续性和标准化程度，尽量避免转角墙。考虑起重机起吊重量的要求，单个预制竖向构件的重量宜控制在5t以内，以保证吊装安全，在进行构件拆分设计时需注意。根据《北京市8号文》相关要求，计算得出各户型预制率计算结果见表4，水平叠合构件应用比例见表5。

表4 各户型预制率计算结果

表5 各户型水平叠合构件应用比例

由计算结果可知，单栋建筑预制率>40%，水平叠合构件预制率>70%，满足北京市政策要求。

本项目没有砌筑的建筑围护墙体，外墙窗户的“窗下墙”采用与预制剪力墙板一体化预制的作法，外围护墙非砌筑的表面积比为100%，满足最低指标要求。3层及以上采用预制夹心保温结构外墙板，墙体与保温、装饰一体化墙体作法的表面积比最低为81%。内隔墙采用加气混凝土条板墙及加气混凝土砌块墙，条板墙占比>50%。项目采用“全装修交房”的标准，厨房、卫生间均为集成管线加吊顶，占比>90%。

根据以上分析，建筑装配率评分见表6。

表6 建筑装配率评分

实际装配率：q=51%>50%，满足北京市政策要求。

3 关键连接节点设计

3.1 预制墙板细部节点构造

（1）本工程预制外墙板采用承重、保温、装饰于一体的预制混凝土夹心保温外墙板，也称“三明治”墙板，从内到外由200mm厚钢筋混凝土内叶墙板、120/90mm厚保温层、60mm厚钢筋混凝土外叶墙板组成。外叶板仅起到保护作用，整体计算时不与内叶板发生组合，外叶板的自重由内叶板承担，内、外叶板在各种荷载作用下保持相对独立变形。

二者通过拉结件可靠连接，要求拉结件在侧向具有较好的抗弯、抗剪强度和足够的弹性、韧性，保护外叶板混凝土不会开裂。一般采用矩形布置，也可采用梅花形布置，通常距门窗洞口、墙板边缘为100~200mm，连接件间距一般为400~600mm。目前比较成熟的拉结件产品主要包括不锈钢拉结件和玻璃纤维拉结件。本工程预制外墙板拉结件材质根据业主及预制构件加工单位实际招标采购情况选用。典型外墙板节点、钢筋骨架如图1所示。

图1 预制外墙板节点示意

楼座外立面细部造型采用装饰混凝土外挂板或加厚外叶板，表面涂抹建筑外墙涂料。外装饰线脚可采用水泥压力板通过螺栓外挂于主体外墙上。

特殊线脚位置采用幕墙作法，结构连接埋件在生产阶段预留在外叶板或内叶板，具体作法如图2所示。

图2 幕墙节点作法示意

转角处外墙应尽量避免设置L形墙板，其工厂预制难度大，成本费用高，初步估算转角预制比普通预制构件加工成本高1000~1500元/m2，且构件较重，形心不好控制，吊装就位时也相对困难。

因此本项目在外墙转角处采用现浇暗柱外设PCF板作法，两侧墙板拼装后采用现浇暗柱连接，PCF板在暗柱外侧通过拉结件与暗柱相连，既可保证外观的连续性，又可简化预制构件的设计、节约成本、利于现场施工。具体节点作法如图3所示。

图3 外墙与PCF板转角节点作法示意

（2）上下预制墙板采用单排全灌浆套筒连接，连接钢筋抗拉承载力宜不小于被连接钢筋抗拉承载力的1.1倍，锚固长度应不小于1.2Lae。灌浆料采用强度高于85MPa的高强无收缩灌浆料，使用温度不宜低于5℃。

竖向墙体与水平楼板相交接缝处是受力薄弱环节需重点关注复核，根据《建筑标准》规定，剪力墙水平接缝受剪承载力设计值为：

VuE=0.6fyAsd+0.8N （1）

式中：VuE为剪力墙水平接缝受剪承载力设计值（N）；fy为垂直穿过结合面的竖向钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；Asd为垂直穿过结合面的竖向钢筋面积（N/mm2）；N为与剪力值V对应的轴向力设计值（N）。

以5号楼南侧3层主卧一字形外墙为例进行验算：

墙板竖向钢筋为8C14（Asd=1232mm2），由整体计算可知此墙肢：V=157.18kN，对应N=308.52kN，0.6 fcbh0=1833.6kN>N，N可用，VuE=512.93kN，V=157.18kN<Vue，满足抗剪要求。

（3）为了达到良好的结合效果，应对预制墙板边缘进行处理，根据JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》规定，预制墙板顶部与底部应设置粗糙面，也可设置抗剪键槽，深度应不小于20mm，否则易发生承压破坏，宽度宜不小于3倍深度。

本项目实际操作时根据现场反馈，键槽使用效果不太理想，后改为人工粗糙面，利用水洗的方式除去墙板表面的水泥浆和砂子，粗糙面露出粗骨料高度不小于最大粒径的1/3，表面凹凸度不小于6mm。

此作法的优点是结合性好、易操作，缺点是费水、经济性差，随着施工工艺的逐步完善，相信后续会开发出更环保、经济的作法。

3.2 预制叠合楼板节点构造

叠合楼板采用单向、双向组合方式拼接，板块受力方向接缝采用后浇带方式处理。双向板底部钢筋分别伸入后浇带中进行连接，后浇带宽度需满足钢筋搭接长度。

当板块底部纵向钢筋直径不同时，应注意区分后浇带的宽度，避免单一宽度导致钢筋搭接长度不足，拼接节点如图4（a）所示。

单向板非受力方向没有钢筋连接要求，板块间可采用密拼拼缝，如图4（b）所示。此方法需拼装工艺精准，对施工要求高，板缝间存在物理缝隙，仅用抹灰填平，若处理不好楼板易出现裂缝影响外观，因此住宅等民用建筑慎重采用。

另外一种方式为后浇带接缝，但其接缝原理与双向板接缝不同，后浇带作用仅为填充板间缝隙，因此要求较为放松，宽度为40~200 mm，中间设置构造钢筋即可，如图4（c）所示。

图4 楼板拼接示意

（a）双向板后浇带拼缝；（b）单向板密拼接缝；（c）单向板后浇带接缝

拆分楼板时应注意接缝处避开楼板弯矩及剪力最大处，最好设置在板块1/3的位置。

3.3 预制空调板构造

本项目空调板全部采用预制，其端部搁置在预制外墙板长度为10~15mm，板顶与楼板标高齐平，以便于预留钢筋直接伸入楼板现浇混凝土。空调板为悬挑构件，负弯矩钢筋伸入支座长度不小于1.1La，下部钢筋需伸过支座中线。预制面与后浇混凝土接触面应处理为粗糙面，凹凸宜不小于4 mm。具体连接如图5所示。

图5 预制空调板连接节点示意

4 结束语

随着社会不断发展，新技术不断推陈出新，装配式建筑已成为我国建筑行业未来的主流发展方向。通过对本项目进行装配式建筑设计和分析，可看到对于重复率高的高层住宅小区，因其使用功能单一，外立面简单，预制率及装配率指标均可满足国家政策要求，适合采用装配整体式建筑体系，但细部节点与传统设计方法有所区别，应多加留意，严格执行规范要求，保证结构整体的安全性。

摘自《建筑技术》2023年10月，黄存智