上海航天建筑设计院有限公司 上海 201108
摘要：通过在装配式混凝土框架设计过程中的应用实例，探讨装配式混凝土框架设计中预制构件的合理选取、预制率的计算及设计过程中的注意点。
关键词：预制率；预制外墙；叠合板；节点设计
1、前言
装配式建筑是建造方式的重大变革，发展装配式建筑是建筑业绿色发展、循环发展、低碳发展的主要内容，是稳增长、促改革、调结构的重要手段。装配式建筑可有效利用资源能源，符合绿色、循环、低碳的可持续发展方向。本文通过某学校的装配式建筑的设计过程实例，阐述下装配式结构设计的一些注意点。
2、项目概况
本项目建设地点在上海，为一所九年一贯制学校，建筑单体由教学综合楼（包含专用教室、中学部、食堂、风雨操场、连廊）、门卫房、垃圾房及变电所等组成。
1#楼（专用教室）地上五层，一层层高为4.2m，二至四层层高均为3.9m，建筑总高21.75m，建筑面积4801.4平方米，钢筋混凝土框架结构，主要柱距为6.0m、8.1m、9.0m等。
2#楼（教学楼）地上五层，一层层高为4.2m，二至四层层高均为3.9m，建筑总高21.75m，建筑面积9067.7平方米，钢筋混凝土框架结构，主要柱距为6.3m、9.0m等。
3#楼（中学部）地上五层，一层层高为4.2m，二至四层层高均为3.9m，建筑总高21.75m，建筑面积4968.5平方米，钢筋混凝土框架结构，主要柱距为7.5m、9.6m等。
5#楼（风雨操场、食堂）地上2层，地下一层。一层层高为4.8m，二层层高11m，建筑总高18.2m， 建筑面积4409.6平方米，钢筋混凝土框架结构，主要柱距为6.6m、8.4m、9.0m等。
连廊地上四层，一层为层高4.2m架空层，二至四层层高均为3.9m，建筑总高17.85m，分布于各楼之间，钢筋混凝土框架结构，主要柱距为6.0m、7.7m、8.4m等。
地上总建筑面积为23247.2m2。
由[上海市住建委]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沪建建材〔2019〕97号文：
除下述范围以外，新建民用建筑、工业建筑应全部按装配式建筑要求实施。其中，新建建筑指在相关信息平台上，建设性质选为“新建”的项目；以及建设性质选为“改建”或“扩建”，且包含“新建独立单体”或“拆除重建单体”的项目（“特定旧住房拆除重建项目”除外）。项目包含建设工程设计方案批复中的所有新建建筑物。独立建筑指建筑专业意义上的独立子项，不包含因“结构缝”分隔出的单体。
（1）建设工程设计方案批复中地上总建筑面积不超过10000平方米的公共建筑类、居住建筑类、工业建筑类项目，所有单体可不实施装配式建筑；
（2）建设项目中独立设置的构筑物、垃圾房、配套设备用房、门卫房等，可不实施装配式建筑。
故专用教室、中学部、教学楼、食堂、风雨操场、连廊按装配式混凝土框架设计。门卫房、垃圾房及变电所不实施装配式建筑。按沪建建材【2019】765号文（以下简称765号文），本项目的预制率按地上面积加权平均后的单体预制率≥40%，且各结构单元预制率≥20%。
（3）上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则
①本《计算细则》适用范围包括混凝土结构、钢结构、竹木结构、混合结构等结构类型涵盖剪力墙结构、框架结构、框架-剪力墙（简体）结构、框架-支撑结构等结构体系。
②当单体建筑因结构缝分隔出的两个及以上结构单元采用不同结构体系（类型）时。可按照整个单体建筑计算预制率、装配率，也可按单一结构体系（类型）计算出各结构单元预制率，装配率，再根据各结构单元地上面积加权平均。加权平均后单体预制率或装配率指标需要满足上海市现行相关文件要求，且由结构缝分隔出的各结构单元预制率分别不再低于20%或装配率分别不得低于40%。
3、预制构件的选取
预制构件优先顺序：预制楼梯、预制叠合板（一般楼层预制60mm+现浇70mm、屋面预制100mm+现浇60mm）或SP预应力空心板（以下简称SP板）、预制叠合梁、预制外墙；考虑到施工安装，梁柱偏心，带来的节点施工困难。柱与柱连接灌浆质量问题等因素，本项目尽量避免竖向柱子预制。
项目初期预制构件优先顺序：预制楼梯、预制叠合板或SP板、预制叠合梁、预制外墙（表1）。
表1预制率权重系数表
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由表1初始方案为（表2）：
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本项目多数单体的一层层高与标准层不一致，考虑到预制构件的标准化模块化，首层楼梯采用现浇，实际预制构件（梯段）占为比约80%；
一般楼电梯间前室、楼层大开洞周边、卫生间及悬臂楼板均采用现浇楼板，实际预制构件（楼板、梁）占比约为80%；
综上需提高预制墙体（外围护墙）的预制构件比例来满足预制率的需求；
调整方案后的预制率估算：
当楼板采用SP板时，查表可得修正系数为0.65(免撑叠合板)，在预制构件比例不变的情况下，预制率的贡献大于叠合楼板，故本项目将柱距为7.5m~9m区隔内的楼板采用SP板，其余采用叠合楼板；
项目中期，建筑外围护墙保温依据沪建建材（2020）539号文需调整，考虑到保温，装配的需求，建筑选取了一种组装式预制墙-混凝土模卡砌块预制墙。
根据沪建建材【2020】539号文：《上海市建设工程材料管理条例》的规定，经市政府批准，现公布《上海市禁止或者限制生产和使用的用于建设工程的材料目录（第五批）》，2020年11月1日前未通过施工图设计文件审查备案的项目以及2020年12月31日前尚未开始墙体节能工程施工的项目，均应当严格执行（表3）。
表3 上海市禁止或限制生产和使用的用于建设工程的材料目录（第五批）
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此预制墙是采用混凝土模卡砌块+C20混凝土+拉结钢筋+保温材料+预埋件，在工厂事先根据项目设计要求，按照一定模数进行榫接、叠砌，并按照结构需求进行配筋、灌浆等工序工业化拼装而成的灌筑预制墙体。
修正系数（集成保温+免抹灰）=0.4+0.1+0.1=0.6；体积密度为1360kg/m3
混凝土卡砌块预制墙主要的规格：
长度：最小400，最长3000mm，模数100mm
高度：最小300，最高4000mm，模数150mm
厚度：200mm（非保温）、225mm（保温）、240mm（保温）；建筑选取240mm厚的墙体；
混凝土模卡预制墙可加工成一字型、U字型、倒T型满足拆分及安装需求（图2）；
由此预制构件选取，优先满足建筑外围护墙的需求，调整后方案如表4
综上：项目初期可与建筑明确是否采用自保温一体的预制墙体，可增加预制构件的可选性。从而灵活搭配预制构件的比列，如大屋面层的楼板及梁可由预制叠合改为采用现浇，板的厚度相对于叠合楼板能减少，从而减小结构自重。从经济角度来讲，上述预制外墙的价格高于叠合楼板，本项目优先满足建筑保温需求，采用较高预制构件比例的预制外墙。
4、预制率的计算
由765号文，本项目的预制率按面积加权平均计算预制率；
依据建筑图，可罗列各结构单体面积占比；依据面积占比在满足单体20%的情况下，探讨面积比下按何种组合较容易满足预制率要求（以下数据仅为探讨，非本项目单体面积）：
由表5~8可得：
4.1、面积较大的单体建筑单体预制率起控制作用；
4.2、面积较大的单体建筑预制率的提高，其预制构件的增量相对较大；面积较小的建筑，其预制构件的增量相对较小；
4.3、在权重系数、修正系数一定的情况下，任何单体满足40%的预制率，主要由预制构件比例决定，即体量大的建筑，预制构件的量就多；
4.4、原则上，预制率是控制预制构件的总量，至于预制构件做在哪个单体里，效果是一样的。预制构件分散做，主要目的是减少预制构件的模数，单体较多时，需选取规则的建筑入手。项目初期设计时可作为大方向的确定；
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表4
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表5：
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表6：
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表7：
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表8：
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对于本项目1#楼~3#楼的采用预制叠合梁；楼板采用现浇钢筋混凝土板和预制板（叠合板和SP板），外墙采用混凝土模卡预制墙。各楼的最终预制率见下表
4#楼的因建筑功能有局部有大开洞，柱网尺寸种类较多，梁跨度及楼板模数较多，故选取少量的预制叠合梁，部分预制SP板及混凝土模卡预制外墙。单体的预制率仅为30.4%
预制率计算表（加权平均法）
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按面积加权后的单体预制率满足要求。
5、模型计算参数
在进行模型整体计算时，装配式混凝土框架的计算参数相对现浇混凝土框架会有一些差别：
如：
5.1、中梁刚度放大系数取1.80。
以6m跨，300*600为例：叠合楼板的预制60mm+现浇70mm，
矩形梁截面的惯性积I1=540000cm4；
T型截面梁的bf=1800mm，hf=60mm截面惯性积I2=980100cm4；
I2/I1=1.82。
5.2、SP板为预应力空心板，程序模拟此板时，需按折算混凝土厚度输入，楼板自重按程序自动计算；本工程9m跨SP板采用了选SP20A。SP20A板，板厚200mm，按图集其板折算混凝土厚度为125.8mm，外加板顶面60mm厚的现浇层，楼板厚度按190mm厚度输入；采用SP板时，还需将荷载的导荷方向按实际情况采取两边对导的方式，来正确模拟实际情况。
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图2预制梁与预应力空心板连接示意图
5.3、依据国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T51231-2016，屋面板的整浇层需≥100mm，预制板最小厚度为60mm，故叠合楼板最小厚度为160mm，整体模型模拟屋面板时较于其他楼层需额外关注。
5.3、依据上海市标准《装配整体式混凝土公共建筑设计规程》DGJ08-2154-2014（以下简称规程）第6.3.2条：对于重点设防类或结构高于30m的装配整体式框架结构应采用弹性时程分析法进行补充计算。
6、节点设计
6.1、依据《规程》第7.2.2条，钢筋混凝土叠合梁接缝采用直缝构造时，需验算此处的受剪承载力。
由公式笔者认为混凝土贡献的抗剪能力可忽略，计算时全部由梁的上部钢筋+下部钢筋来承担。由整体计算模型中的梁截面设计剪力包络图可查得各梁端的剪力设计值；以300*750梁高为例：混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级HRB400，框架抗震等级二级；
梁端钢筋计算列表：
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由上表可知：
整体计算时，一般梁的适筋率为1.2%~1.5%，基本能满足受剪计算要求。对于局部不满足的节点，则在预制梁顶部（叠合层的底部）附加抗剪钢筋。
6.2、十字梁相交处，由于预制构件的特殊性，此处相交的梁底钢筋出现相撞，为保证节点施工，设计时需将两侧的梁高做个区分，两者高差50mm，便于吊装及施工。
7、结束语
装配式混凝土框架进行设计时，初期预制构件的选取需和建筑专业协商，必要时还需注意经济性指标。整体计算时，需选取合理的参数，结合现场节点施工，选取合理的截面。在满足各项功能的前提下，充分发挥装配式混凝土结构设计的先进性、合理性，满足安全、经济、节能、环保的要求。
参考文献
[1]国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T51231-2016.
[2]上海市标准《装配整体式混凝土公共建筑设计规程》DGJ08-2154- 2014.
[3]《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》沪建建材（2019）97号文.
[4]《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》沪建建材（2019）765号文的计算规则.
[5]《上海市建设工程材料管理条例》沪建建材（2020）539号文.