装配式建筑设计及抗震设计标准研究

袁兴洪

（兴义市规划设计院，贵州 兴义 562400）

随着建筑工业化进程的加快以及绿色施工概念的普及，装配式建筑以其高效率、节能和环保等优势逐渐成为现代建筑发展的重要方向。这种建筑方式通过在工厂预制构件并在现场进行快速装配的方式，不仅缩短了施工周期，而且提高了建筑质量，减少了对环境的影响。然而，由于地震灾害频发，装配式建筑的抗震性能成为确保其安全使用的关键因素之一，这使得装配式建筑的抗震设计标准研究尤为重要。传统的现浇混凝土结构与装配式结构在材料特性、构造方式、整体性方面存在显著差异，这些差异对建筑物的抗震行为产生了深远影响。因此，现有的抗震设计规范可能不完全适用于装配式建筑，需要针对其独特的结构特点和震害模式进行专门研究和调整。

项目总占地面积为13326.77 m2，场地现状空旷，无需拆除任何建筑，且周边没有受保护的历史遗迹或需保留的树木，项目为一座12 层的钢筋混凝土框架结构，其占地面积3897 m2，而总建筑面积则18584.87 m2。其中地上部分建筑面积为16058.74 m2；
地下部分建筑面积则为2526.13 m2。项目地质勘察后所在区域地震带特征见下表1。

表1 项目地质勘察后所在区域地震带特征

按照《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T51231-2016、《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014 等标准的相关要求，装配式建筑结构的抗震性能设计与现浇结构抗震性能基本一致，但是在实际工程抗震设计环节，由于装配式建筑预制标准构件结构生产环节中相对参数误差的存在，混凝土抗震性能指标要优于现浇混凝土抗震指标，因此，结合相关标准，装配式建筑抗震设计性能要在一定程度上超过现浇混凝土结构。

2.1 结构布局与配置

建筑的刚心（刚度中心）和质心（质量中心）位置对建筑动态响应有着显著影响。地震发生时，地面的运动会导致建筑产生平移和扭转两种主要响应。当刚心和质心不重合时，建筑会倾向于产生额外的扭转效应，这可能导致结构破坏的加剧。因此，设计人员应努力使刚心和质心尽可能重合，以最小化扭转效应，从而降低结构在地震中受损的风险。这通常涉及建筑平面布局的对称性、结构系统的选择、质量分布的均衡性等因素的综合考量。

建筑的水平刚度和质量分布的均匀性对于防止地震引起的不连续响应同样重要。如果建筑的不同部分存在显著的刚度或质量差异，那么在地震作用下，这些差异可能导致局部应力集中，从而引发结构损坏。例如，建筑的边角部位如果过于刚硬或过于柔软，都可能成为薄弱环节。因此，设计人员需要确保水平方向上的结构刚度和质量分布尽可能均匀，以避免在地震作用下产生较大的刚度不连续和质量不连续。这可以通过合理的结构布局、选用合适的建筑材料和结构系统，以及在设计阶段进行详细的动力学分析来实现。

2.2 施工材料选择与构件设计

在建筑结构的抗震设计中，选择适当的材料至关重要，因为它们决定了结构在地震作用下的响应和耐久性。高性能混凝土（HPC）和高强度钢材是两种被广泛采用以提高结构抗震性能的材料。HPC 以其高初始刚度和优异的能量吸收能力而著称，其抗压强度可超过60 MPa，显著高于常规混凝土的25～40 MPa。这种增强的强度使得HPC 能够在地震载荷下提供更好的性能，减少结构损伤。

与此同时，高强度钢材，如Q345B，拥有345 MPa 的屈服强度，远高于普通碳钢Q235 的235 MPa。在抗震设计中，钢筋的作用非常关键，因为它能够提供必要的延性和韧性，帮助结构耗散地震能量，避免脆性破坏。选用屈服强度不低于400 MPa的钢筋，可以确保结构在遭受极端地震作用时，仍保持足够的强度和稳定性。因此，在制定建筑结构的抗震设计要点时，应重视材料的选择。HPC 和高强度钢材不仅提供了更高的承载能力，而且还通过其良好的延性和韧性，增强了结构在面对地震动力作用时的整体抗震性能。通过合理选择和应用这些材料，可以设计出更加安全和经济的结构，以应对潜在地震威胁。

2.3 结构连接与节点设计

在结构连接与节点设计中，箍筋的配置对于确保结构抗震性能至关重要。通常，箍筋间距不应超过柱子最小尺寸的1/12，并且箍筋直径不得小于6 mm。这样的规定有助于提供足够的约束作用，防止在地震作用下柱体发生脆性破坏。

在梁柱节点区域，为了提高结构的延性和耗能能力，通常会减小箍筋间距。如果使用直径为20 mm的HRB400 级钢筋，并且梁的有效深度为450 mm，则4 根钢筋的总截面面积将达到1256 mm2。这表明在节点区采用了较高强度的钢筋，以增强节点区的抗剪能力和整体的结构性能。为进一步增强节点区的抗震性能，梁端的箍筋间距可能会从通常不大于300 mm 减小至100 mm，这样做可以减少25%的箍筋间距。此外，为了避免节点区产生过大的剪切力，可能会导致脆性破坏，因此在节点区的箍筋间距通常不会超过100 mm。这样的设计考虑有助于优化节点配置，确保力的均匀传递，从而提高整个结构的抗震性能。

3.1 遵循的国家标准与规范

装配式建筑在抗震设计中必须遵守一系列国家标准和规范，以确保结构的可靠性和安全性。第一，设计人员需要遵循的国家标准包括《工程结构可靠性设计统一标准》（GB 50153-2008），该标准规定了结构设计的基本要求，确保建筑在规定的使用年限内，在正常使用条件和罕遇地震作用下不会发生破坏。这要求设计人员对建筑结构的可靠性进行细致分析和评估。

第二，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）（2015年版），钢筋混凝土结构的设计必须具有足够的延性，以便在强震作用下通过塑性变形耗散能量，从而避免脆性破坏。这意味着设计人员需要仔细选择和配置钢筋，以及合理设计结构的细节，以确保结构在地震作用下的性能。除了上述规范，还有其他相关的国家标准和规范，如《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016），这些规范提供了建筑设计加速度系数、响应修正系数以及建筑地震影响系数的具体要求。设计人员需要根据建筑的重要性、功能类别和震害预测来调整这些系数，以确保设计的合理性和安全性。

在实际应用中，设计团队不仅要考虑这些规范的要求，还要结合当地具体地质、气候条件和施工现场的实际情况进行综合考虑。例如，不同地区的地震烈度区划、土壤类型、地形地貌等因素都会对建筑的抗震设计产生影响。因此，设计人员需要进行详细的现场调查和分析，以确保设计方案既符合规范要求，又适应当地的实际情况。

3.2 安全与功能性标准

装配式建筑的抗震设计标准中，安全与功能性是两个基本且关键的原则。安全性原则是至关重要的，它要求在地震作用下，首先要保证人员的生命安全不受威胁。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016），结构在地震中必须保持整体稳定，不发生垮塌。为了达到这一目标，设计人员可以采取多种设计策略。

第一，增加结构的冗余性是一种有效的设计策略。冗余性是指结构系统在部分受力构件失效后，仍能通过其他路径传递力量，从而避免整体崩溃。在实际设计中，这可以通过在关键支撑部位安装多根支柱来实现。例如，对于框架结构，可以在柱子周围增设次级柱或临时支撑，以提高结构在遭受地震作用时的冗余性和鲁棒性。第二，使用超出最低标准要求的材料和构件也是一种提升安全性的方法。这意味着选用更高强度等级的混凝土、更高级别的钢材或其他具有更好抗震性能的新材料。例如，如果规范要求的混凝土强度等级为C30，设计时可以选择C40 或更高等级的混凝土，以提高结构的承载能力和延展性。同时，对于钢筋，可以选择具有较高屈服强度和良好延性的钢筋，以增强结构的抗震能力。第三，引入耗能结构系统是另一种提高装配式建筑抗震性能的设计策略。这些系统包括隔震支座、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等，它们能够在地震作用下吸收和消散能量，有效降低结构对地震能量的响应。隔震支座通过隔离地震波的直接传递，减少上部结构受到的力；
而粘滞阻尼器则通过内部液体或气体的粘滞流动来耗散能量。这些装置的应用可以显著降低结构在地震中的加速度反应，从而保护建筑和人员的安全。

装配式建筑的抗震设计必须遵循安全性和功能性标准。通过增加结构冗余性、使用超出最低标准的材料和构件及引入耗能结构系统，可以显著提高建筑在地震作用下的安全性能，确保人员的生命安全不受威胁，并保持结构的整体稳定性。这些设计策略的有效实施需要依据具体工程条件和地震环境进行详细分析和计算，以确保设计的合理性和可靠性。

3.3 经济与可操作性标准

在装配式建筑的抗震设计中，除了安全性原则外，经济性与可操作性也是重要的考量因素。设计人员需要在结构系统和施工方法上权衡，确保设计方案既经济实用又便于施工。

首先，结构系统的选型是影响经济性和可操作性的关键因素。例如，选择框架结构还是剪力墙结构，会直接影响到材料用量、施工难度及最终成本。框架结构虽然施工较为灵活，但可能需要更多的梁柱连接节点，而剪力墙结构则可能在材料消耗上更为经济，但对施工精度要求更高。根据一项对比研究，剪力墙结构的单位面积成本可能比框架结构低10%～15%，但具体数据会根据地区、材料价格和劳动力成本有所不同。其次，施工方法的选择也会对经济性和可操作性产生影响，预制构件的使用可以减少现场作业时间，提高施工效率，但需要较高的前期投资和精准的制造工艺。例如，采用预制楼板代替现场浇筑楼板，可以缩短工期20%～30%，但预制楼板的单价可能会比传统楼板高出15%～25%。此外，运输和吊装预制构件也需要特殊的设备和技术，这些都需要在成本计算中予以考虑。最后，材料选择是另一个需要权衡的方面。虽然高强度材料可能提供更好的抗震性能，但其成本相对较高。例如，使用高强度钢筋（如HRB600）相比普通强度钢筋（如HRB400），可能使结构成本增加10%～20%。然而，通过精确的结构设计和优化材料利用率，可以在一定程度上减少成本差异。在某些情况下，通过减少构件尺寸和数量来降低材料使用量，可能会抵消因选择更高强度材料而增加的成本。

在装配式建筑抗震设计中，经济性与可操作性是不可或缺的考虑因素。设计人员需要在选择结构系统、施工方法和材料时进行评估和权衡，确保设计方案既满足安全性要求，又具有经济效益和施工便利性。这要求设计人员具备跨学科知识，能够综合考虑工程、经济和管理等多方面的因素，以实现最优设计解决方案。

经过深入研究，文章对装配式建筑的设计及其抗震设计标准进行了系统探讨。研究表明，装配式建筑由于其预制构件的标准化、模块化，以及现场快速装配的特点，在提高建筑效率、节约能源和减少环境污染方面具有显著优势。然而，其抗震性能受多种因素影响，包括材料特性、结构设计和连接方式等，因此需要专门针对装配式建筑制定或调整抗震设计规范。研究强调了进一步制定和完善装配式建筑抗震设计标准的重要性，并建议相关规范应不断吸纳新的研究成果、材料技术及设计理念，以适应日益增长的建筑市场需求，确保装配式建筑在面对地震灾害时的安全性和可靠性。

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