装配式住宅结构选型方法研究——以重庆市九龙坡区某住宅为例

张银会 王 科 彭 荃 李露凡

1. 重庆建筑工程职业学院 重庆 400072；

2. 上海建科工程咨询有限公司 上海 200032；

3. 装配式建筑重庆市高等职业技术院校应用技术推广中心 重庆 400072

近年来，装配式混凝土结构体系的使用尤为广泛。但是在实际工程中，我们会面临多种结构体系选择，仅凭预制率、装配率不能作为衡量装配式主体结构体系适用性、合理性的标准，此，如何综合多方面因素全面系统地优选出最合适的结构体系值得研究。在此基础上，本文拟建立全面的装配式混凝土结构体系指标体系和正确的选择流程，为装配式住宅选型提供基础。

1 装配式混凝土结构体系选择范围

我国现行规范JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》按照结构体系将预制装配式混凝土结构分为框架结构和剪力墙结构，本文按照该分类方法列举目前常用的结构体系及其特点（表1）。

表1 装配式结构体系分类及特点

2 装配式住宅结构体系影响因素分析

由于装配式住宅结构体系的影响因素存在较强的不确定性、模糊性和随机性，本文按环境、抗震、经济、建造和使用性能等五大方面划分影响因素并进行分析。

2.1 环境影响

2.1.1 场地合理性

地形地貌主要影响建筑场地的特征周期，考虑场地合理性可根据场地特征周期与结构自振频率得到结构放大系数从而定量判断。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》得到钢筋混凝土框架、框剪和剪力墙结构的基本自振周期，并与场地特征周期代入式（1）中计算：

不同装配式结构体系通过上式计算可得值，计算结果数值越大，则相应结构体系在所在场地下就越优。

2.1.2 气候适应性

中国各地气候差异较大，建筑对气候的要求也不尽相同，故应当结合当地，如太阳辐射强度、常年主导风向等气候要素，根据结构体系的开间要求选择适用的结构体系。例如预制装配式框架结构的特点是开间较大，平面布置灵活，在湿热地区进行结构体系选择时，其所占权重就应适当放大。

2.1.3 环境影响

建筑施工对周围环境的污染主要有水污染、土壤污染、噪声污染和废弃物污染。装配式结构虽然因工厂预制加上现场拼接，少了很大一部分现场湿作业，但是对于关键连接处依然要进行现场混凝土浇筑，并且会发出一定施工噪声，本文拟就统计湿作业量从而定量评价环境影响。

2.2 抗震性能

中国根据地区特点划分抗震设防烈度地区，一般情况下，抗震设防烈度可采用中国地震参数区划图的地震基本烈度。不同设防烈度，其设计基本抗震加速度亦不相同，因此针对高设防烈度地区进行结构体系选择时应着重考虑其抗震性能指标。

2.2.1 结构抗震失效概率

本文提出采用Pushover分析方法来分析结构体系在地震作用下的结构失效概率。Pushover分析方法把结构体系等效为单自由度体系，根据目标谱曲线和抗力谱曲线判定结构的抗震性能。概率Pushover分析方法是在Pushover分析方法的基础上，在结构抗力的随机性中考虑影响结构抗力的主要随机因素，应用随机地震作用模型考虑地震作用的随机性，类似Pushover分析过程评估结构体系抗震可靠度的性能，从而定量评价不同结构体系的失效概率。

2.2.2 各规范限值

建筑物的抗震影响因素，主要包括抗震设防烈度、地震分组和地震强度。发生地震时，还受到加速度和建筑物结构类型、高度、抗震设防分类的影响。因此，在进行结构设计时，需考虑不同结构体系对最大适用抗震设防烈度、层间位移角以及最大适用高度和最大高宽比等规范限值，从而进行结构体系方案的对比评价。

2.3 经济性能

2.3.1 工程造价

工程造价即工程的建设价格，是指为完成一个工程的建设，预期或实际所需的全部费用总和。从业主的角度来定义，工程造价是指工程的建设成本，即为建设一项工程预期支付或实际支付的全部固定资产投资费用。本文拟通过统计结构的一次性建设投资费用进行定量分析。

2.3.2 碳排放量

标准化设计、工厂化生产和现场机械化施工等特点，使装配式住宅在生产和施工阶段对材料和水等资源的消耗减少，实现节能环保。但是，不同结构体系的碳排放量水平也大不相同，目前对于建筑结构的节能水平可通过全生命周期方法进行评价，根据现场湿作业的组成成分进行碳排放量计算可得到不同结构体系的碳排量水平。

2.4 建造性能

虽然在进行建筑结构设计的过程中，建筑的施工尚未开始，但是也必须考虑施工因素的影响，保证选择的结构体系满足结构的施工性要求。主要从以下3个方面考虑：

2.4.1 施工难度

任何不确定的因素都会使在建项目的施工质量受到影响，导致工程质量无法满足。不同的结构体系由于其特点不同，装配方式也不尽相同，部分体系鉴于抗震设防要求考虑，构件拆分不完全，结构叠合处较多，部分拆分、部分现浇，致使结合处节点多且复杂，模板支设困难，因此需对比评估。

2.4.2 施工工期

施工进度对于建筑项目的成功实施至关重要，如果选择的结构体系过于复杂，会导致结构构件的施工难度过大，结构体系的施工安装效率过低，严重拖延施工工期。因此针对不同结构体系，对于设防要求下的施工工期应该作出相应的预估。

2.4.3 预制装配率

装配式建筑在设计前期方案时要考虑的问题是预制装配率，预制装配率是指装配式建筑在±0 m以上的预制构件、装配式内外围护墙等体积或面积占该部分总面积的比率。各地的预制装配率计算可参考各地规范要求。例如，重庆市建筑装配率可参照《重庆市装配式建筑装配率计算细则（试行）》按式（2）计算，具体分值按照各建筑结构装配比例得出：

式中：P——装配率；

Q1——主体结构指标实际得分；

Q2——围护墙和内隔墙指标实际得分值；

Q3——装修与设备管线指标实际得分值；

Q4——计算项目中缺少的计算项分值总和。

2.5 使用性能

在建筑设计中首先应该考虑的就是建筑物的功能要求，因此，结构设计也应该考虑结构体系对建筑功能的适应性。具体到装配式结构上，主要是得房率和室内空间效果2个方面。

2.5.1 得房率

考虑到住宅用地紧缺，较高的得房率能更好地提高住宅使用体验。目前关于房屋得房率有以下共3种计算方法。

1）得房率＝1－公用面积分摊系数。

2）得房率＝套内建筑面积/建筑面积。

3）得房率＝套内使用面积/建筑面积。

通过对比，第3种计算方法实用性最高，根据此方法得到不同结构体系的得房率，再进行对比分析。

2.5.2 室内空间效果

不同使用功能的建筑区块都对客观空间环境有特定要求，根据该项要求可以大致确定建筑物的尺度、规模和各部分的相互关系，这些都是在方案设计阶段确定的，所以，在进行结构的方案设计时必须综合考虑。选择的结构体系，除了要满足用户当前的使用要求，对于建筑日后的使用情况也要预估，这就需要选择的结构体系能够满足使用功能空间改变和使用空间布局调整的需求。

3 结构体系评价模型及选型流程

3.1 建立评价指标体系

为全面科学建立评价指标体系，综合分析表1中各结构体系优劣，本文拟从环境、抗震、经济、建造和使用性能五大方面进行分类。根据评价指标，五个方面的分类再细分为12个评价指标，其中环境影响指标3个、抗震影响指标2个、经济性能指标2个、建造性能指标3个、使用性能指标2个。然后将12个评价指标进行定量和定性分类。最终形成评价指标体系如表2所示。

3.2 建立评价模型

本文提出针对装配式住宅结构体系的权重算法分析，从而进行结构体系优选。整个评价模型分为3层：目标层A、准则层B和方案层C。

表2 结构选型指标体系

其中，目标层A为应用于某目标工程的合适装配式住宅主体的结构体系；准则层B分别为场地合理性、气候适应性、环境影响、结构抗震失效概率、各规范限值、工程造价、碳排放量、施工难度、施工工期、预制装配率、得房率和室内空间效果，其中定量指标为黑色，定性指标为红色；方案层C为预应力装配式框架体系、非预应力装配式框架体系、约束混凝土柱装配式框架体系、内浇外挂剪力墙体系、预制叠合墙结构体系、装配整体式剪力墙体系。层次结构模型如图1所示。

图1 层次结构模型示意

3.3 结构选型体系流程

本文搭建了以层次分析法为初筛方法，熵权法为终筛方法的一套装配式住宅结构选型体系，具体流程如图2所示。通过此套结构选型体系，能够根据项目方案研究深度的推进而最终优选出最合适的结构体系。

3.3.1 基于层次分析法的初步筛选

在进行结构选型的初始阶段，结构方案数据不全备，可以将定性和定量评价的全部12个指标作为基础，根据层次分析法-模糊评价法的指标体系评价模型进行准则层各评价指标权重计算和评价指标对各方案层权重计算，基于权重算法分析，从6个方案层中初步筛选得到少数比较合适的结构体系。

层次分析法的优势在于能够将定性分析和定量分析有机地结合在一起，可以用作非定量事件的定量分析。

图2 结构体系选型过程示意

3.3.2 基于信息熵权法的最终筛选

当项目设计方案进入深入对比分析阶段时，可通过方案设计的数据，以8个定量评价指标为基础，基于信息熵权法的指标体系评价模型进行定量分析对比，进行终筛，最终得到最适合建筑项目的优选结构体系。熵权法基于指标信息量的大小来评判该指标的权重大小，能够反映该指标在所有指标中的地位，其较主观权重具有很强的规律性。

4 工程案例分析——重庆市九龙坡区某住宅

某住宅小区位于重庆市九龙坡区，四周均有规划道路，整个小区四周都有便捷的交通道路，地理位置较优越。整个小区分A、B、C、D、E、F共6个区，本文要论述的D区为一期工程共分D1和D2两个单元，每单元各为24层，总高74.4 m，顶层为天台，底层层高5.4 m，为架空层；2层以上为标准层，层高3 m，其楼层平面布置见图3。

图3 2～23层楼层平面布置示意

4.1 基于层次分析法-模糊评价法的结构体系初次筛选

在建立判断矩阵的过程中，综合考虑以往各文献对不同因素重要程度的判断，以及来自开发商、设计单位和施工单位的专家的意见，在此基础上最终建立了各层次的判断矩阵，利用数学软件Matlab计算出各判断矩阵的特征值及对应的标准化特征向量，具体方法如下。

4.1.1 计算准则层指标权重、最大特征值以及判断是否满足一致性

准则层各评价指标的权值如表3。

表3 准则层各评价指标的权值

表4 准则层计算结果

以预制装配率为例，如表5所示。

表5 预制装配率对方案层的权值

表6 评价指标对各方案层的权值

4.1.3 最终评价权重

通过(wBC)6×12·(w0)12×1，可求得各方案最终评价权重，结果如表7所示。

结果显示，对于该高层住宅建筑，预应力装配式框架体系、非预应力装配式框架体系和预制叠合墙结构体系为较优结构方案。

故接下来将选择预应力装配式框架体系（C1）、非预应力装配式框架体系（C2）和预制叠合墙结构体系（C5）作为下一步深化方案的研究对象。

表7 初筛后方案层评价权重

4.2 基于信息熵权法的结构体系最终筛选

4.2.1 定量评价指标数值的确定

根据前文对指标的分类，进一步的深化方案仅针对能定量计算的指标研究。接下来将确定预应力装配式框架体系、非预应力装配式框架体系和预制叠合墙结构体系各指标的具体数值。

根据项目实际数据，最终确定各定量评价指标的原始数据如表8所示。

表8 各定量评价指标的原始数据

4.2.2 矩阵无量纲化及归一化处理

通过基于层次分析法的初筛后，共有3个评价方案，8个评价指标，形成矩阵R=(rij)3×8，矩阵R中原始数据来源于表7。

矩阵R中原始数据无量纲化后，记为矩阵S=(sij)3×8，记S中每列的最优值为：

正相关指标是指指标的值越大越好，而负相关指标正好相反。

对Sij进行归一化处理，如式（7）所示：

表9 准则层各评价指标的熵权

4.2.6 最终评价权重

通过(S')3×8·(β)8×1，可求得各方案最终评价权重，结果如表10所示。

表10 终筛后方案层评价权重

由上表可知，预应力装配式框架体系（C1）为本工程案例最合理的结构体系。

5 结语

本文从环境、抗震、经济、建造和使用性能等5个方面考虑，构建了一套综合的指标体系，以及方案比选方法，引导装配式主体结构设计技术水平的整体提升。首先本文结合工程经验，拟定了具有5个方面，共12个评价指标（8个定量指标、4个定性指标）的适宜结构体系的评价指标体系。在此基础上，形成了装配式结构体系方案优选的整体流程：当方案研究深度尚浅，可使用层次分析法，以12个评价指标为基础进行结构体系方案初筛；当研究较深，数据较完整后，可使用信息熵权法，以8个定量指标为基础进行终筛，最终得到最优的结构体系方案。若在其他地区使用该方法，可根据地区特点更新指标。