本文以郑州市第一个全部采用装配式剪力墙结构体系建造的住宅小区为例，介绍了该项目装配式住宅结构设计，包括装配率的计算、结构分析、主要连接截面设计和构造。分析表明，环筋扣合锚接连接能够满足受力要求，安全可靠。运用 BIM对此装配式建筑进行了专业协同设计及碰撞检查，优化了节点钢筋排布。实践证明，环筋扣合锚接体系安全可靠，施工方便，具有很好的推广价值; BIM 对装配式建筑的实现有着重要的支撑作用。
1
工程概况
该项目总用地面积15077.5㎡，建筑总面积51000㎡，该项目为郑州市第一个全部采用装配式剪力墙结构体系建造的住宅小区。本文以5#楼为例进行分析，5#楼位于场地南侧。该建筑长54.4m，宽 13.6m; 地上21层，地下2层; 标准层单层面积624.36㎡，层高2.9m; 总建筑面积14568.52㎡，建筑高度 61.2m。标准层结构平面图如图1所示，剪力墙厚度为200mm，楼板厚度140mm; 剪力墙混凝土强度等级基础顶～3 层为C40，3～4 层为 C35，5 层～屋面层为C30; 楼板混凝土强度等级为 C30。钢筋采用HＲB400。本工程5层及以上采用装配式环筋扣合锚接技术。
图1
本工程为标准设防类，设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7度( 0.1g) ，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组。抗震等级为三级，基本风压为0. 45kN/㎡，基本雪压为 0.40kN/㎡，结构嵌固端为地下室顶板。
2
结构设计
结构的拆分与装配率计算
依据《装配式建筑评价标准》(GB/T51129—)( 简称评价标准) ，装配式建筑的装配率应不低于50%。经过分析成本、周期、加工等要素，本工程主体结构采用预制外墙 + 部分内墙( 大部分现浇) +叠合楼板 + 预制楼梯 + 预制空调板 + 预制阳台 +预制飘窗; 围护墙采用预制墙，内隔墙采用 ALC 条板; 装修和设备管线采用全装修模式。
本工程外墙采用保温、结构一体化三明治预制板，解决了防火和安全两大问题，符合节能、环保的要求; 叠合板、楼梯、空调板等水平构件预制成本低，施工方便; 内墙主要以现浇为主。
评价标准第4.0.1条要求，对本工程进行预制率的计算，计算结果详见表1。本工程主体结构得分为37. 02( 包括竖向构件和水平构件) ，大于评价标准表4.0.1规定的最低分值20分; 围护墙和内隔墙得分 10分，等于规定的最低分值; 装修和设备管线得分 6分，等于规定的最低分值;装配率53%＞50%，可以认定本工程为装配式建筑。
结构分析
《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》(JGJ/T 430—) 第4.3.1条规定: 装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构可采用与现浇混凝土剪力墙结构相同的方法进行结构分析。本工程采用 YJK软件进行分析。图2为标准层墙体拆分图。主要指标计算结果见表2。
图2
由表2可见，层间位移角小于1/1000，扭转位移比不大于1.2，剪重比大于0.016，有效质量系数大于 90%，各指标均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—)要求。《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1—)第6.1.1条规定: 当预制剪力墙构件底部承担的总剪力大于该层总剪力的80%时，建筑的最大适用高度应降低。本项目X，Y向预制构件底部承担的总剪力与该层总剪力比值均大于80%，依据表6.1.1建筑高度限值为100m，本项目建筑高度为61.2m，在要求范围内。
主要连接截面设计
预制剪力墙之间通过现浇区域连接成整体结构。水平缝要承受水平剪力和竖向压力或拉力，需要进行承载力验算。
1.预制墙水平缝受剪承载力验算
依据《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》( JGJ/T 430—) 第4.1.1条，对环筋扣合锚接的预制墙水平缝受剪承载力进行验算，计算公式如下:
VuE ≤ 0.6f y Asd + 0.8N (1)
式中: VuE 为地震设计状况下接缝最大剪力; fy 为穿过结合面的环形钢筋抗拉强度设计值，本文 fy =360N/mm2 ; Asd为穿过结合面的竖向环形钢筋面积，按上层或下层预制环形钢筋混凝土内、外墙预留的钢筋面积确定，取较小值; N为与受剪承载力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值，压力时取正，拉力时取负。环筋扣合锚接的预制墙水平缝受剪承载力的验算方法与《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—) 第 7.2.12条中施工缝的验算方法相似，但要求更为严格，即使用环筋扣合锚接时，预制墙所有的水平缝均需进行受剪承载力验算。
以图4中预制剪力墙WQ63为例进行验算。根据结构整体计算结果，WQ63最小的轴力N=1645. 84kN，竖向配筋面积Asd=1810.8m㎡，该墙地震作用下的最大剪力为VuE =559.04kN。则 WQ63与下层预制墙连接的水平缝受剪承载力设计值V=0.6×360×1810.8×10－3+ 0.8 × 1645840 × 10－3=1 707.8kN，VuE＜V，满足规范要求。
2.环筋扣合单元钢筋受拉承载力计算
依据《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》( JGJ/T 430—) 第4.4.3条，对环筋扣合锚接的钢筋受拉承载力进行验算，计算公式如下:
Ns＜Ｒ(2)
Ns=fy As(3)
Ｒ= 0.15ft Asc + 0.55fyvAsd1(4)
式中: Ns为竖向环形闭合钢筋受拉承载力设计值; Ｒ为水平扣合连接筋的受拉承载力设计值; As 为竖向环形闭合钢筋的面积，按两根钢筋面积计算; ft 为混凝土轴心抗拉强度设计值，按后浇混凝土强度取值，本文 ft = 1.43kN; Asc为环形闭合钢筋扣合单元中混凝土剪切面的面积; fyv 为水平扣合连接筋的抗拉强度设计值，本文fyv =360N/m㎡; Asd1为水平扣合连接筋的面积，按封闭环内角部四根插筋面积计算。竖向环形闭合钢筋直径为8mm，As= 2×50.3 =100.6m㎡。扣合单元宽度为200mm( 环钢筋间距) ，高度为140mm，Asc=200×140=28 000m㎡。水平扣合钢筋为4根直径12mm的HＲB400级钢筋，Asd1=4×113.1=452.4m㎡ 。由式( 3)可得，Ns=360×100.6×10－3=36.22kN; 由式( 4)可得，Ｒ=0.15×1.43×28000×10－3+0. 55×360×452.4×10－3=95.58kN; 可见 Ns＜Ｒ，满足要求。
连接特点及构造
本工程采用环筋扣合锚接进行预制墙竖向钢筋的连接。该连接方法改变了预制剪力墙在楼板顶面进行竖向连接的传统方法，通过扣合区域实现有效连接。从而使关键连接部位实现了从面到单元的转变，大幅度提高了结构的整体性和结合部位的抗剪承载力。
图3
图3为预制剪力墙环筋扣合竖向连接节点示意图。预制剪力墙竖向通过构件上、下端留置的竖向环形钢筋扣合连接，形成暗梁区域; 预制剪力墙水平向通过构件两端留置的水平环形钢筋扣合连接，形成暗柱区域; 在暗梁或暗柱中穿入水平或竖向钢筋后，暗梁和暗柱区域与预制梁、板的叠合层整体浇筑，形成装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构体系。图4为预制外墙大样图。
图4
3
BIM 应用
为了优化设计和指导安装，体现装配式结构的特点，本工程运用了BIM 技术。BIM 的可视化、协同性、模拟性、优化性和可出图等特点符合建筑工业化的要求。图5为Ｒevit建立的预制剪力墙三维图。
图5
基于 BIM 技术的全结构及全专业协同设计
图6
图7
建筑模型由预制构件和现浇部分组成，对预制墙体、预制叠合板、现浇混凝土部分分别建模后进行组装，图6为各部分子模型。结构模型与机电专业组装后，形成全专业模型，详见图7。
施工模拟及检查钢筋碰撞
通过Ｒevit将构件各部分拼装成三维模型，导入 Navisworks中进行预制构件模型之间的碰撞检查。包括预制构件模型之间、预制构件模型与现浇部分插筋之间、两块预制构件中外露钢筋之间的碰撞检查。对发现的问题及时修改，避免构件在安装中出现问题，减少损耗，节约成本。图8为预制构件局部拼装图，通过检查发现，梁主筋锚固长度过长，影响了墙体的安装，需要进行调整，可采用机械锚固和其他方法减小梁主筋的锚固长度。
图8
现浇段节点及钢筋排布展示
装配式节点连接不同于现浇，构造复杂，连接区域的质量直接影响结构安全。利用Ｒevit 可以直观地展现各个构件在节点区域的连接情况，并可根据模型检查设计的合理性，绘制节点钢筋排布，在施工前进行交底，优化节点连接方式，保证施工的准确性。图9为转角部位节点展示图。
图9
辅助计算装配率
装配率的计算涉及预制构件及现浇混凝土的体积、面积等指标。由于高层建筑层数多，功能复杂，人为统计计算会产生一定的误差。利用装配式 BIM模型，可准确统计各预制构件和现浇部分的体积、重量，计算装配率。
项目综合分析
本项目采用环筋扣合连接的预制剪力墙结构体系，可以实现提高施工质量和施工效率、减少人工、节能减排的目标。该体系的预制构件在观感、质量、强度等方面均优于现浇构件。减少了抹灰和砌筑的工艺，可以有效节省工期。本项目根据进度计划相对现浇结构可以节省2个月的工期。预制构件的成本由于原材料及用工费不断上涨而居高不下，按该项目53%装配率测算的成本要高于传统混凝土结构成本约350元/㎡以上。
4
结论
1.环筋扣合锚接是一种自主创新的连接方式，适用于各类预制剪力墙结构，此连接具有技术先进、施工简易、质量可靠的特点。
2.环筋扣合锚接连接的预制剪力墙的结构设计等同于现浇剪力墙的结构设计，其计算方法可按现浇结构计算。需要对预制墙体和现浇墙体进行合理划分，对预制构件进行详细设计，以满足加工和安装要求。
3.BIM对装配式建筑的实现有着重要的支撑作用，在预制构件的布置、管线综合布置、专业协同方面能起到指导作用。本项目目前正处于安装阶段，进展顺利。实践证明环筋扣合锚接体系安全可靠，施工方便，具有很好的推广价值。
来源：建筑结构张海东等
如果觉得《案例分析|郑州某装配式住宅项目结构设计和BIM应用》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
