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、结语装配式混凝土结构设计内容和方法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言1.新时期的装配式建筑尚处于发展的“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P1一、结构设计现状的概述1.新时期的装配式建筑尚处于发展的“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P2一、结构设计现状的概述1.新时期的装配式建筑尚处于发展的“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→行业→企业→项目科研技术领军人物→实践者（规划师、建筑师、工程师、建造师、咨询……）产业工人工厂+现场+服务……引导性—“成功”的实践还仅在“试验田和实验室”中P3一、结构设计现状的概述2.设计模式“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P4一、结构设计现状的概述2.设计模式“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P5一、结构设计现状的概述3.设计方法未摆脱“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P6一、结构设计现状的概述3.设计方法未摆脱“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！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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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的产品设计P7一、结构设计现状的概述3.设计方法未摆脱“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！—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P8一、结构设计现状的概述4.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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P9一、结构设计现状的概述4.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P10一、结构设计现状的概述4.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P11一、结构设计现状的概述4.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）P12一、结构设计现状的概述4.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—JGJ1-2014，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P13一、结构设计现状的概述5.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、参与和支持在目前的大环境下，迫切需要高水平的工程师主动、创新和坚持P14一、结构设计现状的概述5.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！P15一、结构设计现状的概述5.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JGJ1-2014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P16一、结构设计现状的概述5.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P17一、结构设计现状的概述5.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P18一、结构设计现状的概述1.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P19二、结构设计方法和要求1.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—JGJ3-2010第3.11节P20二、结构设计方法和要求1.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