3 面向全预制的模块化层级拆分

3.1 针对“完整拆分”的设计修正

在现浇框架结构体系中，竖向柱会根据轴压比控制需要进行多次变截面设计，梁宽、梁高也会根据不同功能区荷载以及受荷大小的需要进行有针对性的设计，因此通常会出现不同区域、不同部位柱截面、梁截面不一样大的结果。现浇过程的整体拉结使结构体系具有一定的稳定性与整体性，而若按此思维方式设计装配式建筑，由于没有在设计阶段针对结构构件进行归类与标准化，则会存在构件种类与数量增多、连接接头变多、连接锚固钢筋干涉增多及钢筋干涉避让要求增高、成本增量变大等问题。目前我国大部分装配式项目并未从开始就建立装配化设计理念，即系统考虑并将构件预制加工、构件连接、现场装配、后期运营维护等过程需要考虑的因素纳入设计环节。由于常规设计过程中并没有意识到之后二次拆分需要针对预制装配部分的完整化拆解，而只是针对既有建筑体系或构件的拼凑式分割，如此一来，势必会导致拆分的装配单元类型较多，或拆分不干净的现象出现。因此，无论全预制还是部分预制，均应在常规设计之后进行一次面向全预制的设计修正，使常规设计完成之后的结果转化为装配式建筑需要，将预制装配部分与现浇砌筑部分均纳入装配化设计体系，以便于施工建造过程中针对预制装配部分与现浇砌筑部分进行筛选。基于此，首先对中国西部科技创新港科创基地7号楼进行了一次面向“完整拆分”的设计 修正。

鉴于项目执行中只考虑单方面设计因素而直接在常规设计图纸上进行拆分，因而导致拆分的装配单元类型较多，以及尚余留的一些拆分不干净的部分只能依靠现场湿作业处理。而从装配建造所形成的影响因素考虑设计过程，使设计面向装配展开，则首先需要使统摄外围护体系、内装体系与设施设备体系，并起支撑作用的框架结构体系均质化与规则化。在保持项目原有功能空间组合关系不作大的改变的前提下，适当调整楼、电梯等核心筒的位置，并全面协调与调整框架结构体系的组构元素。首先，将组成框架结构整体的基本单元规整化，以形成基本结构模块，开间与进深方向均按8100mm×8100mm的空间格局布置，并使8100mm×8100mm的基本结构单元延伸拓展为整个结构体系，从而保证了结构体系设计组合的均质化与模块化。并使柱、梁截面尺寸以800mm×800mm形成方形截面，使柱、梁的交叠能够形成合理的适配关系；其次，在基本结构模块所形成的空间格局内，按照内部空间的功能需求及原设计过程中的开窗方式，在基本结构模块的约束 下，拆分外围护系统。在8100mm×8100mm所形成的结构框架内，结构柱间净距为7300mm，将原3m宽窗洞调整为2650mm宽，原1000mm宽窗洞调整为825mm宽，则7300mm的净空间可容纳两个3650mm（内含2650mm宽窗洞）的外墙段或4个1825mm（内含825mm宽窗洞）的外墙段，并且1825mm的外墙段与3650mm的外墙段也能形成模数组合关系。拆分后的外墙系统共形成了3650mm、1825mm、2100mm、2150mm、90°L形、大于90?° L形6种类型装配单元，并能保证外墙系统可以被完整拆分。

3.2 外墙装配单元“簇”类型的建立

完成以上设计修正之后，针对其中需要拆分的外墙系统，将影响拆分的关键因素进行系统总结并分类，在关键因素作用下，将外墙系统进行层级拆分，以形成外墙系统模型→部件→组件→构件的模 式。首先将混凝土结构部分2层、3层、4层外墙全部展开，同时构建相应的外墙系统三维模型；其次将整体“外墙系统”按照层高要求拆分为不同层的“外墙单元”部件，由于建筑层高1层取5?100mm，2层、3层取4200mm，4层取5500mm，因此可以按照层高要求将外墙系统拆分为5100mm高度的1层部件、4200mm高度的2层部件、4200mm高度的3层部件以及5500mm高度的4层部件；最后，由于更改优化后的外墙系统与结构体系交织在一起，形成了竖向柱构件与横向梁构件包夹外墙板的组构关系。

因此，根据上下梁板位置、柱的配置位置、外墙板与柱、梁的夹持关系，结合模台加工尺寸的限制要求、运输装载过程、现场装配过程等影响因素从部件到构件拆分。如可将每层中的部件首先划分为柱组件、梁组件、外墙板组件，再考虑设计分离面、工艺分离面的影响，使建筑1层3650mm×4300mm外墙板内含2650mm×3000mm窗洞，1825mm×4300mm外墙板内含825mm×3000mm窗洞，建筑2层、3层中3650mm×3400mm外墙板内含2650mm×3000mm窗洞，1825mm×3400mm外墙板内含825mm×3000mm窗洞，建筑4层3650mm×4700mm外墙板内含2650mm×3000mm窗洞及2650mm×650mm窗洞并上下对齐，1825mm×4700mm外墙板内含825mm×3000mm窗洞及825mm×650mm窗洞并上下对齐。在此基础上，需要经过反复拆分试验，以保证整段墙体最大限度地被装配构件拆分，并且装配构件间存在倍数或模数关系，以使装配构件的类型最少化。

在模数化层级拆分的基础上，将外墙系统拆分开的装配构件进行归并，形成装配单元“簇”，对于不含窗洞的外墙板，如转角的L形墙板、内侧角大于90°的异形墙板作单独“簇”类型记录，尽可能地使装配单元“簇”的种类最少，以便于工厂预制生产中只针对不同的“簇”设置模台、模具，并根据不同的“簇”进行批量生产。

4 复合外墙“干式”装配建造

4.1 预埋龙骨干式机械连接

根据以上分析，在完成“完整拆分”与装配单元“簇”类型建立之后，主要探讨装配单元如何与框架结构体系间建立连接。

以中国西部科技创新港科创基地7号楼（西安交通大学人居环境研究院）北立面中3层外墙为例，首先设定一定宽度、一定翼缘厚度的钢构件为龙骨（最好采用市场上较常出现的尺寸类 型，避免重新加工生产，如宽度为300mm、150mm，翼缘厚度为10mm，腰厚为20mm，腰高根据建筑层高设定的槽型钢等），并使钢构件与上下梁之间通过事先在预制梁中预留的钢构件焊接，或通过螺栓机械连接的方式，使槽型钢与上下梁之间达成连接。

其次，使外墙装配单元在预制加工过程中结构层的左、右两端形成凹口，缩进预设龙骨的宽度尺寸，或缩进预设龙骨宽度尺寸的一半，使结构层缩进的宽度或两两拼合后凹口的宽度正好达到钢龙骨宽度，起到从外部看仍为一个整体，从内部看则结构层与龙骨相切并隐藏于墙板中的作用。

最后，墙板装配单元结构层与钢龙骨拼合后对应的钢龙骨翼缘部分各预留孔洞，以便经过实验验证最终确定装配单元、钢龙骨的形制及尺寸后进行螺栓连接。综合装配单元的“簇”类型，根据外墙装配单元的形制，钢龙骨连接件共分为4种类型，分别为150mm宽槽型钢、300mm宽槽型钢，L形钢龙骨与内侧角大于90°钢龙骨。装配单元通过预埋龙骨与上下梁板的连接方式，由于外墙板通过间接方式与结构体系连接，若装配单元需要置换，则较少影响到结构体系的稳定性，且钢龙骨暗藏于装配单元内，螺栓连接件暗藏于钢构件龙骨内，并且不会给室内空间进一步的内装造成构件暴露需要处理的隐患，从而保证内部空间的完整与规整。

4.2 虚拟仿真的装配化模型验证

首先，需要借助数字信息技术平台（如BIM revit信息平台）对之前常规设计阶段及常规设计修正过程进行集成建筑信息模型的转换，相当于将传统的常规设计过程中绘图内容翻译为三维模型的建立与拆分过程，从而使装配化过程转向三维数字化模型操作。

集成建筑信息模型在正向建立（相当于常规设计过程）的同时，也会依据建筑组成体系划分为如结构模块（柱、梁、板等承重构件）、外围护模块（非承重外墙、屋面等）、内装模块（内隔墙、地面、吊顶等）、设施设备模块（设备、管线 等）、能源利用模块等模块系统（划分建筑体系并进行层级化拆分过程），之后经历“模块系统→部件→组件→构件”拆分试验，最终至外墙模块系统中装配单元“簇”类型建立。

其次，借助于BIM revit信息平台中的特征建模功能建立各模块系统中各层级拆分件的装配特征，如开洞、钻孔、附加材料等。

再次，针对复合外墙装配单元与预埋龙骨之间、同一层中外墙板与上下梁构件之间、外墙系统与整体框架结构体系之间的连接方式，利用BIM revit信息平台中的虚拟样机技术在加入连接件后以“构件→组件→部件→模块系统→集成建筑信息模型”的方式自底向上建立虚拟仿真的装配化模型，验证上下梁构件与外墙装配单元、龙骨钢构连接件、螺栓连接件之间是否存在干涉，进而依次验证外墙装配单元与上下梁构件连接的合理性、外墙系统与框架结构体系连接的合理性。

在此基础上，利用有限元分析法分析与验证外墙装配单元之间，装配单元与龙骨、螺栓等连接件之间的连接强度，外墙装配单元与上下梁构件间内力传递规律的合理性，以及结构体系承载预埋龙骨及外墙装配单元的力学合理性。

此外，需要分析与验证结构体系与外墙系统连接后的整体结构强度、应力应变、施加外力如风荷载、地震荷载后的变形、膨胀强度等。若以上模拟与验证合理，则可以直接组织工厂预制加工及现场装配；若不合理，则需要返回最初的模块系统层级化拆分环节重新拆分，或重新构建连接件的形制及连接方式，以便在操作过程中经过不同种类外墙装配单元、不同种类预埋钢龙骨连接件、不同种类螺栓连接件的虚拟装配验证、有限元分析后，从中筛选出与传力科学、验证结果合理相对应的装配单元形制、连接件形制，进而达到验证拆分设计是否有效的目的。

5 结束语

针对混凝土材料的框架结构体系下的外墙系统从设计阶段到装配建造阶段进行系统统筹。

首先，优化设计方案确定合理的拆分方式，使最终用于加工生产的装配单元类型减少到最少。

其次，针对装配单元与结构体系建立能够隐藏连接件的干式连接方式。

再次，将装配单元、连接件、结构体系建立虚拟装配模型进行装配验证及分析其连接的力学合理性，并将结果反馈给拆分过程及连接件建立过程，调整以上两个阶段并进行相互比较，直到较为科学合理的结果出现。

以上研究过程在更新与优化我国当下框架结构类装配式混凝土建筑复合外墙“干式”装配建造的基础上，尽可能减少现场湿作业环节，实现了装配单元不需事先预埋连接件，以尽可能达到使预制加工环节生产工艺复杂性降低的目的，缩短预制与现场装配周期的同时也能满足最大可能地减少人力成本，也能同时实现装配单元可装可拆及可置换，以便外墙系统在使用年限限制及损毁情况下更替与修补（图8）。

图8 外墙板与结构体系预埋龙骨干式机械连接方式示意

此外，借助BIM revit信息平台建立模块化层级拆分方式，通过装配模型虚拟仿真及有限元分析方法将外墙拆分、装配过程进行分析与预演，以选择更科学合理的结果，减少实际装配中的错误率，以此获得只针对装配单元“簇”进行批量加工生产的路径，节省了建筑材料的过度消耗与浪费。

（本文已完结）