装配式混凝土建筑：PC建筑适用何种结构体系？

一般而言，任何结构体系的钢筋混凝土建筑，框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、剪力墙结构、无梁板结构、预制钢筋混凝土柱单层厂房结构、薄壳结构、悬索结构等，都可以采用装配式。

但是，有的结构体系更适宜一些，有的结构体系则勉强一些；有的结构体系技术与经验已经成熟，有的结构体系则正在摸索之中。

（1）框架结构

框架结构是由柱、梁为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构。框架结构是空间刚性连接的杆系结构，见图1-29。

目前框架结构的柱网尺寸可做到12m，可形成较大的无柱空间，平面布置灵活，适合办公、商业、公寓和住宅。

在我国，框架结构较多地用于办公楼和商业建筑，住宅用得比较少。一个重要原因是说柱梁凸入房屋空间，影响布置，不如没有梁柱凸入的剪力墙结构更受欢迎。

日本多层和高层住宅大都是框架结构（日本高60m以上建筑算超高层）。日本住宅很少用剪力墙结构主要基于以下考虑：

1）他们比较信任柔性抗震，混凝土框架结构建筑经历了地震的考验。

2）框架结构布置灵活，户内布置可以改变。日本建筑寿命为65年、100年和100年以上，房屋的土地是永久产权。高层和超高层建筑的寿命大都是100年和100年以上。框架结构可以使不同年代不同年龄段的居住者根据自己的需要和偏好方便地改变户内布置。

3）关于柱子与梁凸入房屋空间对布置不利问题，从日本的实践看，一方面，目前框架结构很少有6m以下的小柱网，大都是大跨度柱网，柱子间距可达12m。大柱网布置基本削弱了这个不利影响。一方面，合理的户型设计也会削弱不利影响。还有，日本住宅都是精装修，上有吊顶、下有架空，室内布置比较多的收纳柜，自然而然地遮掩了柱梁凸出问题。

4）框架结构管线布置比较方便。

国外多层和小高层PC建筑大都是框架结构，框架结构的PC技术比较成熟。

（2）框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构是由柱、梁和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构。由于在结构框架中增加了剪力墙，弥补了框架结构侧向位移大的缺点；又由于只在部分位置设置剪力墙，不失框架结构空间布置灵活的优点，见图1-30。

图1-29 框架结构平面示意图

图1-30 框架-剪力墙结构平面示意图

框架-剪力墙结构的建筑适用高度比框架结构大大提高了。框架-剪力墙结构多用于高层和超高层建筑。

装配整体式框架-剪力墙结构按照现行装配式建筑行业标准《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1—2014）（以下简称《装规》）要求剪力墙部分现浇。日本的框架-剪力墙结构，剪力墙部分也是现浇。

（3）筒体结构

筒体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的建筑结构。筒体结构的筒体分剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等。

筒体结构还包括框架核心筒结构和筒中筒结构等。框架核心筒结构是由核心筒与外围稀疏框架组成的筒体结构。筒中筒结构是由核心筒与外围框筒组成的筒体结构。筒体结构平面示意图见图1-31。

图1-31 筒体结构平面示意图

a）筒中筒 b）连续筒体 c）H形剪力墙核心筒 d）L形剪力墙核心筒 e）密柱单筒体 f）筒体-稀柱框架结构 g）束筒结构

筒体结构相当于固定于基础的封闭箱形悬臂构件，具有良好的抗弯抗扭性，比框架结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构具有更高的强度和刚度，可以建更高的建筑。

装配整体式筒体结构在日本应用较多，超高层建筑都是筒体结构，最高达208m。技术成熟，也经历了地震的考验。表1-1给出了几栋日本超高层装配整体式筒体结构建筑的示意图及简介。

表1-1

注：此表根据日本鹿岛建设提供的资料整理，表中建筑都是由鹿岛建设施工。

尽管行业规范没有给出筒体的规定，但是国家标准已经给出了适用高度，筒体结构应当是装配式建筑的方向，特别是公共建筑和超高层住宅建筑。

第一，从节约用地的角度看，超高层建筑具有巨大的优势。日本最高的装配式建筑高208m，筒体结构，容积率高达12.58%。

第二，从装配式效率看，超高层建筑层数多，模具摊销次数多，成本低。

第三，从使用功能看，筒体结构可以获得更大的无障碍空间。

筒体结构的主要问题是，其平面形状多是方形或接近方形，即“点式”建筑，用于住宅有朝向问题和自然通风问题。这两个问题日本的解决方案是：朝向问题，在背阴面布置小户型公寓；通风问题，设置微型强制通风系统等。国内高层点式建筑应用得也越来越多，许多开发商的点式建筑住宅通过灵活平面布置，基本解决了朝向和自然通风问题，如图1-32所示。

图1-32 点式住宅平面布置 （沈阳恒大绿洲户型图）

装配整体式筒体结构与框架结构一样，构件类型、连接方式和外围护做法等没有区别，如果有剪力墙核心筒，则采用现浇方式。

（4）剪力墙结构

剪力墙结构是由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。剪力墙与楼盖一起组成空间体系。剪力墙结构虽然没有凸入室内的问题，但管线埋设在墙体内，这是落后的和影响使用寿命的做法。如果实行管线分离，剪力墙结构较多实体墙就需要架空，如此会侵占空间。

剪力墙结构没有梁柱凸入室内空间的问题，但墙体的分布使空间受到限制，无法做成大空间，适宜住宅和旅馆等隔墙较多的建筑，如图1-33所示。框支剪力墙结构示意图见图1-34。

图1-33 剪力墙结构示意图

图1-34 框支剪力墙结构示意图

剪力墙结构装配式建筑在国外非常少，高层建筑几乎没有，没有可供借鉴的装配式理论与经验。

国内多层和高层剪力墙结构住宅很多。目前装配式结构建筑大都是剪力墙结构。就装配式而言，剪力墙结构的优势是：(www.xing528.com)

1）平板式构件较多，如果解决了出筋问题有利于实现自动化生产，但目前尚无法做到。

2）模具成本相对较低。

装配式剪力墙结构目前存在的问题是：

1）装配式剪力墙的试验和经验相对较少。较多的后浇筑区对装配式效率和成本有较大的影响。

2）构件出筋无法实现自动化，很难降低用工量。

3）结构连接的面积较大，连接点多，连接成本高。

4）装饰装修、机电管线等受结构墙体约束较大。

（5）墙板结构

国家标准中的墙板结构其实是在剪力墙结构的基础上简化的，而欧洲各国的很多墙板结构是框架结构变成暗柱和墙板一体化生产的结构，这两种墙板结构都是为了更适用于多层建筑、小建筑和农村建筑，见图1-35。

图1-35 装配式墙板结构示意图

贝聿铭设计的普林斯顿大学学生宿舍是4层建筑，一共8栋。这组建筑没有柱、梁，只有楼板和墙板，板厚都是20.32cm。8栋建筑全部构件均为预制，墙板最长12m，重1.78t。墙板与墙板、墙板与楼板之间用螺栓连接。学生宿舍于1973年建成，是美国最早的全装配式钢筋混凝土建筑，因采用装配式混凝土，成本降低约30%，还大大缩短了工期，建筑风格也颇有特色，详见图1-36。

图1-36 普林斯顿大学学生宿舍

（6）无梁板结构

无梁板结构是由柱、柱帽和楼板组成的承受竖向与水平作用力的结构。

无梁板结构由于没有梁，空间通畅，适用于多层公共建筑和厂房、仓库等，我国20世纪80年代前就有装配整体式无梁板结构建筑的成功实践。

装配整体式无梁板结构示意图见图1-37。

图1-37 装配整体式无梁板结构示意图

（7）单层钢筋混凝土柱厂房

单层钢筋混凝土柱厂房是由钢筋混凝土柱、轨道梁、钢屋架或预应力混凝土屋架或钢结构屋架组成的承受竖向和水平作用的结构。

单层钢筋混凝土柱厂房在我国工厂中应用较多，大多为全装配结构，干法连接。如图1-38～图1-40所示的预制混凝土厂房，其屋面梁与柱采用的连接方式是螺栓连接。

图1-38 预制混凝土屋架厂房结构示意图

图1-39 预制混凝土屋面梁螺栓连接示意图

图1-40 欧洲超预制混凝土屋面梁

（8）薄壳结构

壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。

实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特、新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力。许多建筑物屋顶都运用了薄壳结构的原理。

约翰·伍重设计的悉尼歌剧院和奈尔维设计的罗马小体育宫均是钢筋混凝土薄壳建筑，并采用了装配式技术。

图1-41悉尼歌剧院是钢筋混凝土薄壳建筑，造型像风帆，也像贝壳；表面质感光洁，建筑整体具有雕塑感；既有着简洁的斯堪的纳维亚传统的灵魂，又蕴含着丰富的表达内容，远近高低各不同。悉尼歌剧院造型优美的帆形屋顶由预制的预应力带肋薄壳板装配而成，预制构件的连接点采用后浇筑混凝土叠合技术，帆形屋顶下的墙体为清水混凝土。

图1-42罗马小体育宫是一座圆形建筑，直径60m，奈尔维用36根倾斜的Y字形钢筋混凝土柱和抛物线薄壳构成了轻盈优美的主体结构，巧妙地运用了拱券原理和薄壳原理，运用了带肋的钢丝网水泥薄壳和预制与现浇叠合的技术。

图1-41 悉尼歌剧院

图1-42 意大利罗马小体育宫

（9）悬索结构

悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。我国是世界上最早应用悬索结构的国家之一，在古代就曾用竹、藤等材料做吊桥跨越深谷。近代的悬索结构，除用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。

悬索按受力状态分成平面悬索结构和空间悬索结构。

1）平面悬索结构：主要在一个平面内受力的平面结构，多用于悬索桥和架空管道。按结构形式分为：单层悬索结构、加劲式单层悬索结构、双层悬索结构。

2）空间悬索结构：一种处于空间受力状态的结构，多用于大跨度屋盖结构中。按结构形式分为：圆形单层悬索结构、圆形双层悬索结构、双向正交索网结构。

华盛顿杜勒斯机场航站楼用16对倾斜的钢筋混凝土柱撑起了悬索结构的屋顶，斜线和抛物线的美妙结合，形成了美妙通畅的空间与造型，既简洁，又丰富，表面为集料外露质感，见图1-43。

图1-43 华盛顿杜勒斯机场航站楼