装配式建筑结构设计要点及优化路径

一、引言

装配式建筑通过工厂预制构件、现场装配施工的模式，实现了建筑工业化与信息化的深度融合。其核心优势在于提升施工质量、缩短工期、降低资源消耗，并推动建筑行业向绿色低碳转型。然而，当前装配式建筑发展仍面临标准化程度低、节点连接可靠性不足、全产业链协同困难等挑战。本文从结构设计要点切入，结合技术优化与产业协同路径，探索装配式建筑高质量发展的实施策略，为行业提供可复制的解决方案。

二、装配式建筑结构设计核心要点

1. 标准化与模块化设计

（1）标准化原则

装配式建筑的设计需遵循“少规格、多组合”理念，通过统一构件尺寸、连接节点和接口标准，实现规模化生产与互换性。例如，新加坡建设局（BCA）推出的 PPVC（预制志愿建筑组件）体系，采用 300mm 模数化设计，将建筑拆分为标准模块（如卫生间、厨房），通过工厂预制后整体吊装，施工周期缩短 40% ，人工成本降低 35% 。

（2）模块化拆分逻辑

模块化设计要平衡功能性与经济性。某装配式住宅项目采用“核心筒 + 标准模块”体系：核心筒集成电梯井等关键空间，用现浇混凝土确保结构性能；标准模块用于居住空间，采用预制组合形式与标准化接口，提升施工效率。该方案减少非标构件，使构件种类减 30% 、模具成本降 25% ，还能满足户型个性化需求，实现经济效益与功能适配双提升。

2. 结构体系与抗震设计

（1）结构体系选择

装配式建筑结构体系需根据建筑高度、功能需求及抗震设防烈度综合确定：

多层建筑（ ⩽6 层）：优先采用框架结构，梁柱节点通过灌浆套筒或螺栓连接，施工效率高；

高层建筑（ >6 层）：宜选用剪力墙结构或框架-剪力墙结构，通过预制墙板与现浇边缘构件结合，增强抗侧刚度。例如，上海某 18 层装配式住宅项目采用预制剪力墙 +i 现浇连梁体系，结构整体性达到现浇标准。

（2）抗震性能化设计

装配式结构的抗震性能需通过严格的技术指标进行验证，其中节点连接强度与耗能能力是核心评估要素。以常见的灌浆套筒连接方式为例，其技术要求需从三个方面重点把控：首先，套筒材质须选用 Q345B 及以上强度等级的结构钢材，且壁厚不得小于 4mm ，以确保连接节点具备足够的承载力与抗变形能力；其次，灌浆料性能需满足 28 天抗压强度不低于 85MPa、流动度 ⩾300mm 的硬性指标，保证灌浆密实性与结构耐久性；最后，必须通过单向拉伸、高应力反复拉压及大变形反复拉压三类试验的联合验证，确保连接破坏时钢筋先发生屈服而非套筒拉脱，从而保障结构在地震作用下的安全储备与耗能稳定性。

3. 节点连接与构造优化

装配式建筑连接技术与构造优化包含多种方式：干式连接利用螺栓、焊接或预应力筋实现构件快速拼装，多用于多层工业建筑，如某装配式钢结构厂房采用高强螺栓端板连接，单层安装仅需2天，较传统焊接缩短 60% ；湿式连接通过后浇混凝土或灌浆料保证节点整体性，常见于高层住宅，其关键控制点包括钢筋套筒灌浆连接需分仓浇筑（每仓 ⩽1.5m ）、浆锚搭接连接的螺旋箍筋间距 ⩽50mm 且搭接长度为钢筋直径 12 倍、拼缝处水平设置抗剪键（型钢或粗糙面）且竖向配置抗裂钢筋网；构造细节优化方面，预制墙板防渗漏通过底部企口缝填充聚乙烯泡沫棒 +^, 硅酮密封胶实现（渗漏率 <1% ），叠合板拼缝抗裂采用 Φ6@150 通长钢筋 +50mm 厚后浇带，预埋件则通过 BIM 技术精准定位。

4. 预制构件设计

在装配式建筑设计中，构件划分需遵循功能与施工效率原则：水平构件如楼板、楼梯、阳台等优先采用预制工艺，可显著减少现场湿作业量；竖向构件中，柱、墙的预制范围则需根据运输及吊装能力确定，例如某项目通过将非承重隔墙全部替换为 ALC 蒸压加气混凝土板，实现单体重量减轻 50% 的同时，使吊装效率提升 40% 。为平衡减重与经济性，构件截面形式需优化：采用预应力空心楼板可使跨度达 9m ，自重较实心板降低 35% ；双层叠合板通过 60mm 厚预制底板与 70mm 现浇层组合，综合成本较全预制板降低 18‰ 。此外，预埋件集成设计通过 BIM 技术实现机电管线、装饰龙骨与构件的一体化协同，如某项目在预制墙板内预埋电气线盒时，利用BIM 模型精准控制标高，有效避免了现场开凿对结构的破坏。

三、装配式建筑结构优化路径

1. 全生命周期数字化协同

装配式建筑结构优化需依托全生命周期的数字化协同。通过深度应用BIM 技术，构建包含设计、生产、施工全流程信息的 BIM 模型，实现各环节信息的高效共享。在此基础上开展施工模拟，结合 4D 进度计划，对塔吊吊装路径进行精准模拟，合理优化构件堆放顺序，有效缩短工期，经实践验证，工期可缩短 15% 。

2. 生产工艺与成本控制

在生产工艺方面，工厂智能化改造是降低成本、提升产能的关键。部分预制构件厂引入先进的自动化生产线，如采用机器人布料、智能养护系统等，显著提高了生产效率。以某预制构件厂为例，引入这些技术后，日产能从 80m³ 提升至 120m³ 。同时，3D 打印技术应用于异形构件（如曲面墙板）生产，有效减少了材料浪费，材料浪费率从 15% 降至 5% 。

（2）规模化生产效益

规模化生产能够带来显著的经济效益。在区域产业布局上，京津冀地区通过集中布局预制构件厂，使运输半径缩短至 150 公里内，大幅降低了物流成本，降幅达 20‰ 。此外，政府项目的示范作用也不容忽视，上海要求保障性住房 100% 采用装配式技术，形成了“设计 - 生产 - 施工”一体化供应链，促使构件成本下降 18% 。

3. 施工工艺与效率提升

（1）模块化施工技术

模块化施工技术极大地提升了施工效率。以某酒店项目为例，采用整体卫浴模块，单间安装时间从传统的 3 天大幅缩短至 4 小时。在集成厨房吊装方面，通过标准化接口实现橱柜、电器与结构的一体化吊装，将安装误差严格控制在 ±2 厘米内，保证了施工质量与效率。

（2）吊装与定位优化

吊装与定位的优化是施工工艺提升的重要环节。塔吊监控系统可实时监测吊装载荷、风速等关键参数，一旦超限自动报警，有效降低了安全事故发生率，经统计，安全事故率降低 40% 。在叠合板安装中，运用激光定位技术，通过激光投影仪投射控制线，使安装效率提升 30% ，提高了施工的精准度与速度。

四、结论与展望

装配式建筑结构设计应以标准化、模块化为核心，借助 BIM 等技术实现全生命周期优化。未来，随着 5G、AI 等技术融合，将向智能化、自动化、无人化方向发展。建议完善技术标准与构件编码规则，加强产学研合作突破关键技术，推广 EPC 模式实现协同。装配式建筑将推动行业高质量发展，助力“双碳”目标实现。

参考文献

[1]黄海涛. 装配式建筑结构设计优化路径分析[J]. 低碳世界, 2021, 11(09): 160-161.

[2]孙惠民, 黄华波. 装配式建筑结构设计优化路径研究[J]. 工程建设与设计, 2021, (15): 22-24.