裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程設(shè)計及其優(yōu)化策略

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程設(shè)計及其優(yōu)化策略 徐洲 【摘要】科學(xué)技術(shù)水平快速提升背景下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的設(shè)計要求和理念，在社會各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，漸漸在市場經(jīng)濟(jì)體制下顯露出其重要價值。本文以某裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計及優(yōu)化為例，對結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計以及優(yōu)化進(jìn)行探討，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的深化設(shè)計進(jìn)行研究，希望能夠?yàn)樘岣哐b配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計質(zhì)量帶來一定參考。 【關(guān)鍵詞】裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程;設(shè)計;優(yōu)化 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.08.043 引言： 當(dāng)前國家大力推進(jìn)裝配式住宅建設(shè)，一些企業(yè)也開始進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)布局

2、及技術(shù)研發(fā)。一些示范工程的完成，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的進(jìn)步帶來了助力。但當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計還存在好多問題，結(jié)構(gòu)體系與住宅戶型平面布局的矛盾制約了鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展，一些設(shè)計人員在設(shè)計時照搬鋼混結(jié)構(gòu)住宅戶型，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中產(chǎn)生了好多問題。當(dāng)前缺乏鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計案例，設(shè)計人員缺乏對模數(shù)化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法的了解，仍采用傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，給裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用及推廣造成了制約?，F(xiàn)以某工程為例，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計及優(yōu)化進(jìn)行探討。 1、工程案例 某裝配式住宅工程為政府安置房，根據(jù)政策規(guī)定需采用裝配式建筑。地下3層、地上27層，高度80m。安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度，類場地

3、。處于寒冷B區(qū)。2裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的平面方案及優(yōu)化設(shè)計。 1.1結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計 作為政府安置類住房，該住宅工程結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有造價合理、效率高、技術(shù)成熟的特點(diǎn)。當(dāng)前可供選擇的結(jié)構(gòu)體系較多，鋼結(jié)構(gòu)體系包括鋼管混凝土柱框架-支撐體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-支撐體系及鋼框架體系、Y形柱鋼框架體系、鋼管束剪力墻體系、異形柱框架體系及異形柱框架-支撐體系、鋼板組合剪力墻體系等。鋼框架-混凝土剪力墻體系需要進(jìn)行現(xiàn)場綁扎鋼筋及混凝土澆筑工作，存在與鋼框架結(jié)構(gòu)工序交錯的狀況，不符合裝配式技術(shù)發(fā)展趨勢。鋼板組合剪力墻體系結(jié)構(gòu)繁雜，施工難度大。Y形柱鋼框架體系的Y形面會影響到建筑立面，且當(dāng)前缺乏

4、類似施工案例。鋼框架-延性墻板為了發(fā)揮耗能特點(diǎn)，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形，要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)能很好的適應(yīng)變形。對異形柱框架-支撐體系、鋼框架支撐體系及鋼管混凝土柱框架支撐體系從單位用鋼量、剪重比、地震下最大層間位移角等方面進(jìn)行比選，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土柱框架支撐體系的剛度可滿足要求，單位用鋼量最優(yōu)，具有良好的防火、隔聲性能，適合應(yīng)用于該工程。用鋼量中，梁的用鋼量占比為54%，柱的用鋼量占比為40%，支撐的用鋼量占比為6%。 1.2平面方案及優(yōu)化設(shè)計 1.2.1 戶型優(yōu)化設(shè)計的原則 合理進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的優(yōu)化，可以讓住宅及小區(qū)整體更加合理，可提高施工的可操作性及節(jié)能效果。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程在進(jìn)行設(shè)計時需要充分考

5、慮到以下幾點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)要合理，梁、柱所需要的數(shù)量在合理的狀況下盡可能減少，這樣才能減少用鋼量。其次，要能滿足功能需求，平面設(shè)計時布局要合理，要有動靜分區(qū)、潔污分區(qū)，功能關(guān)系要緊湊。第三，模數(shù)制要求板材的寬度要統(tǒng)一，這樣才能便利標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。第四，要能便利施工，要確保所有的樓梯、廚衛(wèi)等均保持一致，板材的規(guī)格要統(tǒng)一。第五，節(jié)能節(jié)地，要對建筑的體形系數(shù)進(jìn)行操縱，提高空間的利用率，減少凹凸。第六，造型要美觀，要重點(diǎn)處理入口雨棚頂、坡屋頂及窗線條腰線等，外墻要保持整齊。 1.2.2 結(jié)構(gòu)體系的選型 當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系包括錯列桁架結(jié)構(gòu)、純鋼框架結(jié)構(gòu)、輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-預(yù)制混凝土墻

6、框剪結(jié)構(gòu)、鋼框架混凝土筒/墻體混合結(jié)構(gòu)等。錯列桁架結(jié)構(gòu)體系的剛度較大，與框架結(jié)構(gòu)相比可減少30%-40%用鋼量，這一結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)在于高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，在旅館建筑及多層公寓等工程中應(yīng)用廣泛。純鋼框架結(jié)構(gòu)的框架柱主要為H型鋼，橫向、縱向都可以設(shè)置為鋼框架，這一結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)在于制作及安裝都對比簡單，使用時對比生動，施工效率高;這一結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)在于為了抗?fàn)巶?cè)向力需要增加梁柱的截面積;純鋼框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于不超過6層的多層建筑。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)使用配套扣件及加勁件使用自攻螺絲連接天龍骨、地龍骨、梁、柱及中間腰，該結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)在于構(gòu)件尺寸不大，能為建筑布置提供便利，具有良好的保溫性能，可以在工廠中完成

7、受力墻體的拼裝，因此施工效率高;該結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)在于梁柱鉸接的方法不能應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)的高層建筑，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于低層、中層的住宅或別墅。鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的小震、中烈度地震下的剛度可以很好地承受側(cè)向水平力，在強(qiáng)震作用下的耗能能力及延性良好，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于小高層、多層建筑。鋼框架-預(yù)制混凝土墻框剪結(jié)構(gòu)根據(jù)強(qiáng)度設(shè)置內(nèi)藏鋼板，不需要考慮屈曲，該結(jié)構(gòu)的受力性能良好，支撐構(gòu)件可以與隔墻布置結(jié)合;該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于制作對比負(fù)責(zé)，現(xiàn)場安裝時較為繁雜，該結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于高層建筑。鋼框架混凝土筒/墻體混合結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合具有良好防火性能、較高抗壓強(qiáng)度及抗側(cè)剛度的混凝土結(jié)構(gòu)及具有重量輕、強(qiáng)度高、施工效率高的鋼結(jié)構(gòu)，

8、可以取得優(yōu)勢互補(bǔ)的效果;這一結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)在于使用混凝土作為芯筒，重量減少不明顯，現(xiàn)場需要進(jìn)行混凝土的澆筑，因此增加了工程量，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于高層建筑。 1.2.3 平面方案的優(yōu)化設(shè)計 前期方案為其他公司在傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)思路下完成的設(shè)計，并不適合用于鋼結(jié)構(gòu)住宅中。對此應(yīng)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計思路指導(dǎo)下對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，基于鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊化設(shè)計原則指導(dǎo)調(diào)整戶型。 戶型優(yōu)化設(shè)計時，需要以滿足住宅平面功能為基礎(chǔ)，與人們生活方式相適應(yīng)。當(dāng)前設(shè)計思路有兩種，分別是：（1）改革式思路，以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的典型套型及平面方式為基礎(chǔ)進(jìn)行簡單修改后移植，這種思路是當(dāng)前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)的主要思路，

9、其主要是從功能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個方面實(shí)現(xiàn)。功能優(yōu)化指的是為了確保住宅的功能優(yōu)化，調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)住宅的柱網(wǎng)布局，對局部柱網(wǎng)采用凹凸、錯位設(shè)計來保證各方面通風(fēng)及采光良好。結(jié)構(gòu)優(yōu)先指的是在規(guī)矩的柱網(wǎng)內(nèi)對交通空間及套型空間進(jìn)行優(yōu)化從而使鋼結(jié)構(gòu)住宅變得緊湊、舒適，組合應(yīng)用大套型與小套型來增加進(jìn)深，充分利用土地。（2）開放式思路，其要求充分發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)，開放設(shè)計住宅平面功能?？梢勒找韵峦緩綄?shí)現(xiàn)對平面方案的優(yōu)化設(shè)計：結(jié)構(gòu)規(guī)整：要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來對模塊進(jìn)行設(shè)計，軸線要對位，結(jié)構(gòu)布置要方正、規(guī)整，盡可能減少柱的數(shù)量從而提高空間占比，將鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來;模塊組合：根據(jù)不同使用功能劃分，確定戶型模塊，戶

10、型模塊應(yīng)通過多樣化組合來設(shè)計;模數(shù)協(xié)調(diào)：部件、內(nèi)裝部品要做到通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。 1.3外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 1.3.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料 當(dāng)前可應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的外圍護(hù)材料可分為新型板材類、新型砌塊類及新型磚類，分別探討如下： （1） 新型板材 新型板材經(jīng)工廠預(yù)制生產(chǎn)后運(yùn)輸?shù)焦さ?，將其?yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程中，可以有效提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件，縮短工期，與磚混結(jié)構(gòu)相比，新型板材可以有效減少建筑自重，可取得一定增加建筑面積效果。當(dāng)前常見的新型板材包括：植物纖維水泥復(fù)合板（PRC板），其采用農(nóng)作物秸稈或木材作為加強(qiáng)材料，將水泥作為粘合劑加相應(yīng)添加劑經(jīng)過熱壓或冷壓加工而成，這種板

11、材兼具木材特性與水泥優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于工民建建筑的外、內(nèi)非承重墻;蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（ALC板），其采用鋼筋、石膏、硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、發(fā)氣劑等制成板材，板材的強(qiáng)度儲存及整體剛度良好，耐火、隔音、隔熱性能良好，可滿足內(nèi)隔墻與外墻需要;玻璃纖維加強(qiáng)水泥板（GRC板），其主要是將低堿度硫鋁酸鹽水泥砂漿作為基材，將耐堿剝離纖維作為加強(qiáng)材料，將原料制備為中間含有孔洞的條形板材，該板材的特點(diǎn)在于耐火及耐水性能優(yōu)良，具有良好的抗沖擊性能，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，工藝簡單，可節(jié)省材料用量，這種板材可應(yīng)用于裝飾板、屋面板、隔墻板及外墻板;鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯夾芯板（GJ板），先焊接一個冷拔低碳鍍鋅鋼絲作為骨架的空間網(wǎng)架，將

12、充氧性能良好的阻燃性聚苯乙烯泡沫填入其中從而形成剛性整體，這種材料的隔聲、隔熱、保溫性能優(yōu)良，將其應(yīng)用于住宅工程可明顯提高舒適度;除此以外，此類材料還具有自重較輕的特點(diǎn);ASA板，其主要由水泥、粉煤灰、耐堿玻璃網(wǎng)格布等構(gòu)成，其特點(diǎn)在于具有良好的隔聲、耐火、保溫隔熱性能，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，板材加工便利，施工快捷、簡便，這種板材可應(yīng)用于非承重墻板、隔墻板、樓板及屋面板;定向刨花板（OSB板），其采用小徑級原木刨片得到薄長條刨花，使用添加劑、膠粘劑等后鋪裝、熱壓形成人造板材，這種板材具有良好的抗震性能與隔聲效果，可與其他材料組合作為復(fù)合墻板使用。 （2）新型砌塊 新型砌塊可采用地方材料、工業(yè)廢料及素混

13、凝土等制作，其具有施工簡單、生動性高、制作便利的優(yōu)勢，可以減少對耕地造成的破壞。生產(chǎn)砌塊時應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況，就地取材?？招钠鰤K包括多排扁孔、單排圓孔及單排方孔等類型。砌塊材料包括粉煤灰、工業(yè)廢料、加氣混凝土及混凝土等。 常見的新型砌塊包括：泡沫混凝土：將泡沫狀發(fā)泡劑與石灰、水泥、粉煤灰、砂、外加劑、水等混合，澆筑至設(shè)計規(guī)格并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，制備出的成品含有豐富封閉氣孔。泡狀混凝土具有良好的吸音效果，保溫性能良好，具有一定強(qiáng)度，其質(zhì)量較輕，加工便利，泡沫混凝土可應(yīng)用于工民建建筑異形墻體材料;普通混凝土小型空心砌塊：其采用普通混凝土材料制備而成，空心率在25%-50%，這種材料具有良好的抗震性能，自重

14、輕，具有良好的耐火性，施工簡單，綜合經(jīng)濟(jì)水平高，可應(yīng)用于墻體材料;蒸壓加氣混凝土砌塊：其原料包括粉煤灰、砂、鋁粉、礦渣、石灰、水泥等，經(jīng)多道工序制備為多孔混凝土砌塊，其特點(diǎn)在于強(qiáng)度高、防火性能好、保溫性好、容重輕，簡單加工，這種材料被廣泛應(yīng)用于多層建筑的承重墻、內(nèi)隔墻、填充墻等中。 （3）新型磚 目前，隨著黏土實(shí)心磚的禁用，爐渣磚、草磚、蒸壓粉煤灰磚、灰砂磚、燒結(jié)頁巖空心磚等新型磚被應(yīng)用廣泛，但考慮到鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計，草磚是最適合的選擇。草磚采用稻草、秸稈及其他農(nóng)業(yè)廢棄物制備而成，其具有良好的保溫性能，原料豐富，本金低，對大氣造成的污染較小。草磚在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，可用于搭建結(jié)

15、構(gòu)框架來支撐天花板及屋頂，發(fā)揮保溫效果。 1.3.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選材及優(yōu)化設(shè)計 （1） 外窗 外窗尋常采用斷橋鋁合金窗或單框雙玻塑鋼窗，玻璃可采用LOW-E玻璃或中空玻璃。外窗的構(gòu)造方案見表1。從耐久性、經(jīng)濟(jì)性、氣候條件等因素考慮，最優(yōu)窗戶類型存在差異。當(dāng)需要同時考慮耐久性、經(jīng)濟(jì)性等因素時，則窗戶傳熱系數(shù)難以滿足要求，需要權(quán)衡圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。窗戶設(shè)計時需考慮以下因素：非南向窗以滿足采光為前提，盡量選擇小窗以確保窗墻比足夠;分型時選擇玻璃面積大、分檔少的產(chǎn)品;要對密縫進(jìn)行處理，預(yù)防窗縫透風(fēng)。 （2）外墻 對普通住宅采用ASA復(fù)合保溫外墻板作為外墻即可;當(dāng)住宅對保溫隔熱要求較高時，可采用雙墻加芯

16、保溫隔熱設(shè)計，可將墻分為兩層，墻體材料可以使用稻草板或ASA板，板材中間留置30 mm -120mm空隙，空隙中可填塞塊狀或無機(jī)松散的麥殼、木屑、爐渣等保溫材料，也可以作空氣層。該工程外墻構(gòu)造為：5 mm厚聚合物水泥砂漿+ASA板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA板+8 mm厚粉刷石膏。對寒冷B區(qū)，空隙材料科采用50 mm厚麥殼，建筑板材可采用60mm厚稻草板。 （3） 屋面 當(dāng)屋面采用雙層配筋的ASA復(fù)合屋面板即可滿足熱工性能要求時，可在上方直接鋪設(shè)SBS防水卷材;當(dāng)僅使用單層屋面板不能滿足保溫隔熱要求時，需在屋面板上增加模塑聚苯板、擠塑聚苯板或其他保溫材料。該工程屋面構(gòu)造為

17、：4mm厚SBS防水卷材+30mm厚細(xì)石砼找平+陶粒砼找坡層最薄處30mm+100mm厚加氣砼砌塊保溫層+附加保溫板+20mm厚水泥砂漿找平+ASA復(fù)合屋面板。對酷寒B區(qū)可附加30mm厚擠塑聚苯板。 （4） 周邊地區(qū) 當(dāng)工程處于寒冷、酷寒地區(qū)時，需要采用爐渣、擠塑聚苯板等材料對室內(nèi)距外墻表面2m以內(nèi)的周邊地面進(jìn)行保溫處理。該工程對周邊地區(qū)處理時，其構(gòu)造為20mm厚水泥砂漿面層+30mm厚細(xì)石混凝土找平層+擠塑聚苯板保溫層+80mm厚混凝土層+素土夯實(shí)。對寒冷B區(qū)，保溫層厚度為30mm。 1.3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合方案 以鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案為基礎(chǔ)，同時考慮經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性、氣候適應(yīng)性及技術(shù)可行性，合理確定熱工性能參數(shù)，確定適合組合方案為：外墻：5mm厚聚合物水泥砂漿+ASA板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA板