綠色裝配式宜居農(nóng)房設(shè)計建造研究

引言由于時代的不斷深入發(fā)展，人們的生活質(zhì)量得到了顯著改善，人們在居住環(huán)境方面的要求也越來越高[1]。開展綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)低層住宅體系儼然成為解決農(nóng)村傳統(tǒng)建房模式的迫切需要。如何改變農(nóng)村延續(xù)了幾千年的“秦磚漢瓦”的傳統(tǒng)建房方式，如何切實的解決“三農(nóng)”問題、實現(xiàn)生態(tài)宜居的現(xiàn)代化農(nóng)村，以及如何實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系和新型綠色圍護(hù)建材產(chǎn)品三板體系的完美結(jié)合已成為當(dāng)前建筑業(yè)關(guān)注的熱點話題之一。本文以某鋼結(jié)構(gòu)裝配式農(nóng)房示范項目為例，詮釋在裝配式農(nóng)房設(shè)計過程中，如何以“建設(shè)綠色房屋、打造精品住宅”為設(shè)計理念，充分利用裝配式建筑的優(yōu)點及其特性，應(yīng)用BIM技術(shù)完成對戶型及空間布局的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系和新型綠色圍護(hù)建材產(chǎn)品的完美結(jié)合，為后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)裝配式農(nóng)房推廣應(yīng)用提供可借鑒的參考實例。1、項目概況

唐山燕東新民居示范項目位于唐山市豐潤區(qū)西楊家營村，總占地面積16778.66m2，總建筑面積7633.2m2，容積率0.45，建筑密度24%，綠化率30%。該項目每棟單體建筑面積676.8m2，共3層（地上2層地下1層），建筑高度9.15m，設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度八度，耐火等級二級。建筑均采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系與新型綠色圍護(hù)建材產(chǎn)品相結(jié)合的形式，其中外墻采用180mm厚的復(fù)合保溫墻板產(chǎn)品，在提高建筑整體強(qiáng)度，提高建筑保溫隔熱、隔聲降噪能力的同時，更能抵抗地震、火災(zāi)、蟲蟻等災(zāi)害的侵襲?？梢允菇ㄖ踩?、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保，真正減少環(huán)境污染，實現(xiàn)生態(tài)宜居的目標(biāo)。該項目的建筑外立面效果圖如圖1所示。

圖1

建筑外立面效果2、各階段深化設(shè)計應(yīng)用

2.1建筑深化設(shè)計該項目在規(guī)劃設(shè)計階段，充分考慮當(dāng)?shù)氐牡孛矚夂?、民風(fēng)民俗。從建筑風(fēng)格來看，將古典風(fēng)格和現(xiàn)代建筑風(fēng)格有機(jī)結(jié)合在一起，造型美觀大方，以古典建筑為依托，對柱飾、挑檐等進(jìn)行裝飾，使其具有自身特點，構(gòu)建一種全新的中式建筑風(fēng)格，能夠?qū)⒐诺涿篮同F(xiàn)代美有機(jī)結(jié)合在一起。項目設(shè)計從實際的農(nóng)民使用及居住需求出發(fā)，以服務(wù)村民、豐富和便利村民的日常生活為落腳點，針對農(nóng)村居住特點設(shè)計加裝地下室，方便農(nóng)用機(jī)具的存儲。整體建筑秉承國內(nèi)領(lǐng)先的輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅體系設(shè)計精華，提高建筑模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思路，注重戶型格局的方正，減少房屋的拐角設(shè)計，提高整體空間利用率。優(yōu)化建筑戶型，使民居的建筑平面、鋼構(gòu)件的構(gòu)件尺寸、以及圍護(hù)板材等都遵循一定的尺寸相協(xié)調(diào)、相統(tǒng)一的原則，為項目在工廠批量化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)，提高現(xiàn)場裝配率。在保證房屋通透性的同時注重房間動靜分區(qū)的結(jié)合，研究合理的功能分區(qū)，墻體板材規(guī)格統(tǒng)一化，模數(shù)化，盡量減少異形板的使用量，實現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)體系的完美結(jié)合，規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑常出現(xiàn)的露梁露柱的問題。以該項目單體住宅為例，示范項目為一棟3層（地上2層，地下1層）的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅，在進(jìn)行此戶型設(shè)計時，按照農(nóng)民的實際使用需求，劃分功能模塊，在保證空間規(guī)整性，滿足使用需求的情況下，適度調(diào)整梁、柱與外墻板、內(nèi)隔墻的位置。目前，國際上普遍采用100mm=1M作為基本模數(shù)，并在此基礎(chǔ)上分為擴(kuò)大模數(shù)及分模數(shù)，基本模數(shù)主要用于約束門窗洞口及構(gòu)件截面尺寸，擴(kuò)大模數(shù)用于約束建筑的開間或柱距、進(jìn)深、層高、跨度等指標(biāo)，此項目各個部分的尺寸設(shè)計按照6M=600mm的模數(shù)基數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行適度增減[2]。一層平面如圖2（a）所示，包含1室1廳、1廚1衛(wèi)、1車庫和入戶玄關(guān)，建筑面積為121.35m2；二層平面如圖2（b）所示，包含3室1廳，2衛(wèi)和1個衣帽間，建筑面積為121.35m2。為充分考慮農(nóng)民存儲糧食、存放農(nóng)用機(jī)具等生活需求，在建筑物下面加設(shè)有地下室，如圖2（c）所示，居住者可根據(jù)自己的實際需求靈活布置。并且考慮到建筑的節(jié)能保溫，在建筑物的下面埋置了10cm的擠塑板保溫層，真正做到了地下室的冬暖夏涼。

圖2

示范項目建筑彩平圖在一層空間中，最關(guān)鍵的就是入戶門斗、生活區(qū)等集中于東面，在這之中，餐廳和客廳等取消隔斷，使廚房與餐廳相鄰近。二層以屋主人房為主，結(jié)合戶型實際情況，把樓梯設(shè)計得以長流線型為主，與車庫餐廳相鄰；與衛(wèi)生間不遠(yuǎn)處還有采光特別好、出入方便的保姆屋；二層平面中樓梯正對起居室，便于戶主會客接待，緊鄰會客室外設(shè)陽臺，采光充足，視野開闊[3]。地下一層空間分布較為靈活，可提供糧食儲備、健身、聚會等多種功能用途。

2.2結(jié)構(gòu)深化設(shè)計主體結(jié)構(gòu)方面，建筑結(jié)構(gòu)形式采用輕鋼框架結(jié)構(gòu)，以H型鋼及薄壁矩形管混凝土或薄壁矩形鋼管柱等作為承重骨架，充分利用鋼材的高強(qiáng)度特性，保證結(jié)構(gòu)的安全性能和抗震性能。對于地上部分來說，設(shè)計以裝配式鋼結(jié)構(gòu)為主，以裝配式技術(shù)為依托；建筑結(jié)構(gòu)采用當(dāng)前我國十分流行的輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系的同時，根據(jù)預(yù)制板材的特點，應(yīng)用鋼骨架輕型大板墻體產(chǎn)品作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系和新型綠色圍護(hù)建材產(chǎn)品的完美結(jié)合。對于地下部分來說，以鋼筋混凝土剪力墻為主，這一結(jié)構(gòu)十分牢固，使用時間長，使得基礎(chǔ)牢固得以確保，這一建筑不但能夠使保溫節(jié)能效果得以保證，而且還有一定的抗震作用，可以使傳承百年的目標(biāo)得以實現(xiàn)。傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中平面凹凸較多，鋼結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性的限制，導(dǎo)致建筑戶型布局不如現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)靈活合理且鋼構(gòu)件截面較大，常突出于墻體，占用室內(nèi)空間，室內(nèi)家具擺設(shè)和房間布置受限。為解決露梁露柱問題，實現(xiàn)戶型設(shè)計與鋼構(gòu)特點相結(jié)合，采用模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計理念，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與外墻內(nèi)裝相協(xié)調(diào)，充分利用框架結(jié)構(gòu)的特點，柱網(wǎng)布局采用大柱網(wǎng)、外圍化；柱子盡量外偏，內(nèi)部柱網(wǎng)盡量偏向公共空間，外圍護(hù)墻體采用內(nèi)嵌或嵌掛結(jié)合的安裝方式，采用無次梁與組合梁相結(jié)合的方式，傳統(tǒng)方鋼管柱不能完全避免露梁露柱的問題，盡量將可能露梁露柱的部位放置于廚房、衛(wèi)生間等房間，每戶大約可提高4%～8%的使用面積，在提高得房率的同時，保證了戶內(nèi)分隔的靈活性、多變性。示范項目采用鋼框架結(jié)構(gòu)，考慮到鋼構(gòu)件的尺寸過大會影響室內(nèi)裝修效果（如露梁露柱等問題），鋼柱外凸又影響建筑外立面及做法，示范項目梁柱布置充分考慮標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，規(guī)劃構(gòu)件截面種類及數(shù)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與建筑及構(gòu)造設(shè)計相匹配。規(guī)劃后的鋼梁、鋼柱主體構(gòu)件種類由原來的30種歸類為各3種，鋼梁、鋼柱均采用Q345BH型鋼。圖3為梁柱平面布置圖，圖4為鋼梁節(jié)點連接布置圖。圖3中鋼梁1截面為HN350×175×7×11，鋼梁2截面為HN300×150×6.5×9，鋼梁3截面為HN250×125×6×9。鋼柱1、鋼柱2和鋼柱3均采用方鋼管。由于鋼管混凝土柱截面減小、復(fù)合墻體厚度減薄等，戶內(nèi)有效使用面積較傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)住宅平均增加5%左右，實現(xiàn)了同樣格局、同樣面積的戶型，使用面積更大。

圖3

梁柱平面布置圖（單位：mm）圖4

鋼梁連接節(jié)點布置圖（單位：mm）此項目圍護(hù)體系采用鋼骨架輕型大板，與裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系相結(jié)合，形成一個完整的框架體系。為驗證房屋的整體性能進(jìn)行了相應(yīng)的抗震試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著荷載增加，水平位移增大，連接螺栓在預(yù)埋件的長遠(yuǎn)孔洞內(nèi)滑動，可減輕框架傳遞給墻板的荷載；但當(dāng)位移角為1/80時，連接螺栓被預(yù)埋件卡住，周圍應(yīng)力集中嚴(yán)重，墻體與框架間的相互作用加強(qiáng)，墻體裂縫發(fā)展加快，如圖5所示。加載至300kN時，框架整體發(fā)生彈塑性變形，框架梁水平位移10mm，墻體開始出現(xiàn)可見裂縫，螺栓周圍發(fā)生開裂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖5

連接螺栓滑移（1/80位移角）圖6

墻體出裂（300kN）荷載繼續(xù)增大，位移角為1/58時，框架與墻板間的相互作用持續(xù)增強(qiáng)，墻板與框架柱間的縫隙明顯增大，墻板受框架的擠壓變形明顯，局部被壓碎，但整體性仍較好，如圖7所示。當(dāng)位移角為1/45時，試驗停止，此時，首層門洞口上部框架梁與框架柱連接處焊縫撕裂，墻體整體損傷較輕，如圖8所示。

圖7

墻板-框架變形（1/58位移角）圖8

試驗停止（1/45位移角）通過對圖9的鋼框架荷載-位移滯回曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼框架各實測點荷載-位移滯回曲線比較飽滿，表明其耗能能力較強(qiáng)；當(dāng)試驗達(dá)到大震停止時，鋼框架的承載力略有下降，表明該裝配式鋼框架延性好，后期承載能力穩(wěn)定，具有良好的抗震性能，驗證了該結(jié)構(gòu)框架體系具有較好的穩(wěn)定性。

圖9

鋼框架荷載-位移滯回曲線2.3節(jié)點深化設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)與圍護(hù)系統(tǒng)的整合，節(jié)點的處理是決定建筑成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中外墻保溫、墻板開裂、防火處理、墻體隔聲、耐久性等問題仍是制約鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展的重要因素。目前，鋼結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件之間的連接形式主要分為焊接與栓接，其均具有承擔(dān)節(jié)點受力的作用。但焊接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，會改變構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布；且現(xiàn)場大量的焊接作業(yè)不利于提高施工效率和施工質(zhì)量，也不利于鋼材后期的循環(huán)利用，更不符合裝配式建筑現(xiàn)場干作業(yè)快速安裝的發(fā)展方向。焊接與栓接都是鋼構(gòu)件之間的連接形式，都具有承擔(dān)節(jié)點受力的作用。下面分別將焊接節(jié)點受力情況和栓接節(jié)點受力情況進(jìn)行驗算，以說明改為栓接節(jié)點后可以起到同樣的受力作用。為了便于對比分析，只將螺栓和焊縫相同等代的地方進(jìn)行驗算。焊接連接受力情況分析如下：（1）當(dāng)焊縫受到正應(yīng)力作用時①相關(guān)參數(shù)確定根據(jù)原節(jié)點圖紙，鋼骨架大板與鋼梁連接時采用的角鋼尺寸為L35×100×6，厚度為6mm；鋼邊框大板中鋼邊框尺寸如圖10所示，厚度為2mm。根據(jù)GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對于焊縫焊腳的構(gòu)造規(guī)定，當(dāng)焊件邊緣構(gòu)件厚度t≤6mm時，取焊腳hf(max)=t=2mm，焊腳有效高度he=0.7hf

=1.4mm。

圖10

鋼邊框尺寸（單位：mm）

焊縫長度取鋼邊框C型鋼短邊滿焊。②焊縫正應(yīng)力強(qiáng)度計算根據(jù)GB50017—2017中式11.2.2-1，正面角焊縫的計算（作用力垂直于焊縫長度方向）見式（1）：故，當(dāng)焊縫受到正應(yīng)力作用時，兩條焊縫最大承載力為：③與風(fēng)荷載設(shè)計值對比參照標(biāo)準(zhǔn)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中關(guān)于風(fēng)荷載方面的相關(guān)規(guī)定，實際工程中螺栓間距為1.5m，取1m長板材，螺栓個數(shù)為0.67個，則在1m2范圍內(nèi)焊縫與螺栓受拉承載力為26.1kN×0.67=17.5kN＞風(fēng)荷載設(shè)計值1.68kN。在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全可靠。通過對節(jié)點受力分析計算，發(fā)現(xiàn)螺栓連接方式更適用于鋼結(jié)構(gòu)工程項目，為此在裝配式施工設(shè)計中，實現(xiàn)焊接改用栓接節(jié)點，局部采用套管加厚連接，如圖11螺栓節(jié)點所示。

圖11

螺栓節(jié)點圖（單位：mm）2.4圍護(hù)板材設(shè)計鋼框架結(jié)構(gòu)體系與新型綠色圍護(hù)建材產(chǎn)品相結(jié)合，應(yīng)考慮的是如何做到關(guān)鍵節(jié)點部位的防水、防潮。目前，常規(guī)做法是圍護(hù)板材與主體結(jié)構(gòu)之間連接只填充了聚氨酯發(fā)泡，但連接做法過于簡單，聚氨酯類膠固化后表面殘留粘性，容易積塵附著；在紫外線長期照射下容易老化變質(zhì)，且耐久性不好，容易引起滲水等弊端。為此提出改進(jìn)大板與主體結(jié)構(gòu)連接做法，如圖12所示對焊接方式進(jìn)行改進(jìn)。做到建筑與結(jié)構(gòu)的多重防水，首先填塞巖棉，無防火要求可填塞聚氨酯發(fā)泡，然后填塞PE棒，最后用密封膠密封。改進(jìn)后的做法接縫中間填塞巖棉為柔性連接，改善了墻板與結(jié)構(gòu)的適應(yīng)變形能力，采用PE棒和密封膠可以起到密封、防水和防滲的作用。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)工程在風(fēng)荷載或地震荷載作用下產(chǎn)生較大位移角時，鋼骨架大板與主體結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生相應(yīng)的變形量，通過在接縫處施加密封膠后不僅可以起到防水作用，還可以起到一定的延展作用，大大提高了縫隙的防水抗裂性能，保護(hù)接縫處不在外力作用下產(chǎn)生開裂，有效提高了鋼骨架大板與主體結(jié)構(gòu)之間連接的安全性和耐久性。

圖12

板材焊接方式改進(jìn)為了更好地滿足建筑的防水要求，針對板材的板型及對接方式也進(jìn)行了優(yōu)化，如圖13所示。板材與板材之間的連接由原來的直板對接改為企口形式（凹凸槽）可有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)防水，配合材料防水，增強(qiáng)防水效果，起到雙重防水作用[4]。通過改進(jìn)后，測試的板材含水率為2.9%，遠(yuǎn)低于國家10%的含水率要求，并在此項目中進(jìn)行實際應(yīng)用，如圖14所示。

圖13

板材形式改進(jìn)圖14

施工現(xiàn)場實景在實際項目中考慮裸板不能單獨滿足北京市和河北省的75%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，實際工程中需要在鋼骨架輕型外墻板外側(cè)覆一定厚度的保溫材料，以滿足北京市和河北省的75%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。為了方便實際工程應(yīng)用，將不同保溫材料與水泥基纖維復(fù)合輕質(zhì)板復(fù)合的熱工性能進(jìn)行分類整理，以便實際工程中按照不同的需求選用不同的保溫材料種類及厚度。最終選用50mm厚聚苯板復(fù)合180mm厚鋼骨架外墻板的復(fù)合墻體產(chǎn)品作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并分別對鋼骨架大板與鋼梁熱橋、復(fù)合條形隔墻板與鋼梁和混凝土樓板連接處熱橋、鋼骨架大板與混凝土樓板連接處熱橋在有保溫和無保溫狀態(tài)下的溫度場分布進(jìn)行了模擬[5]，如圖15～圖17所示。對比了外保溫對外墻系統(tǒng)溫度場分布的影響，也充分驗證了保溫復(fù)合墻體材料在工程中應(yīng)用的可行性。由圖15～圖17可知，鋼骨架大板與鋼梁連接處保溫線不連續(xù)，存在尖點，有熱橋存在的風(fēng)險；增加保溫后保溫層內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件保溫效果好，保溫線連續(xù)平滑。鋼骨架大板與混凝土樓板連接圖中，在鋼梁和混凝土樓板交點處保溫線不連續(xù)，存在熱橋風(fēng)險，有結(jié)露風(fēng)險；增加保溫后保溫線連續(xù)平滑，無熱橋存在。復(fù)合條形隔墻板與鋼梁和混凝土樓板連接圖也表明，在未安裝外保溫前，室外冷空氣向室內(nèi)傳遞明顯，室內(nèi)居住環(huán)境不理想，鋼梁的一半處于溫度較低區(qū)域，另一半處于溫度較高區(qū)域，形成熱橋；增加保溫后保溫線連續(xù)平滑，保溫層內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度分布均勻，保溫效果好。

圖15

鋼骨架大板與鋼梁熱橋模擬圖16

復(fù)合條形隔墻板與鋼梁和混凝土樓板連接處熱橋模擬圖17

鋼骨架大板與混凝土樓板連接處熱橋模擬2.5戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計對于BIM來說，其主線就是全壽命周期，把建筑的不同節(jié)點利用信息有效連接在一起。BIM技術(shù)使建筑管理模式等發(fā)生變化，能夠在規(guī)劃、設(shè)計等階段將建筑信息數(shù)據(jù)等全面共享，同時使不同過程信息彼此融合得以確保。把這一技術(shù)在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計中有效應(yīng)用，在過程設(shè)計時以預(yù)制構(gòu)件模型為依托，能夠使生產(chǎn)、設(shè)計等相互分離的問題有效規(guī)避，該項目中，根據(jù)BIM技術(shù)的優(yōu)勢，借助BIM技術(shù)，結(jié)合制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計理念，優(yōu)化裝配式住宅，降低設(shè)計及建造成本，簡化設(shè)計程序，提高設(shè)計的精度，構(gòu)建BIM技術(shù)的設(shè)計方法。本項目在戶型的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中（如圖18所示），對建筑戶型的空間有效性進(jìn)行分析，對鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，對結(jié)構(gòu)件和圍護(hù)部件的工藝技術(shù)等進(jìn)行研究，設(shè)計方法以標(biāo)準(zhǔn)化為主[6]，同時還有兩大原則，一是規(guī)格不多，二是組合多，使模數(shù)保持一致，盡可能使預(yù)制件數(shù)量縮減，實現(xiàn)模塊化拼裝，使產(chǎn)品類型減少，使利用率提升，使其向標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。

圖18

戶型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計利用BIM技術(shù)，在戶型設(shè)計階段，對各個功能空間模塊進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，保證建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、水暖等各專業(yè)整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性。如圖19所示，進(jìn)行戶型功能模塊設(shè)計，自施工視角出發(fā)，模塊化設(shè)計理念能夠使構(gòu)件向標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn)，改善規(guī)格尺寸，能夠使構(gòu)件類型縮減，由原來的120種不同類型的板材規(guī)格，通過BIM技術(shù)進(jìn)行板材預(yù)排布，優(yōu)化板材型號、種類，優(yōu)化后縮減為57種板材規(guī)格。這樣運輸效率有效提升，同時使施工更加便利。利用碰撞檢測工具，規(guī)避各不同專業(yè)之間的碰撞。優(yōu)化戶型的使用面積，避免空間的浪費。利用BIM技術(shù)的可視化特點，進(jìn)行工業(yè)化內(nèi)裝效果設(shè)計，如圖20所示。可為業(yè)主提供菜單式的戶型選配清單，可更好地適用于不同地方、不同類別的需求群體。通過工業(yè)化內(nèi)裝模擬，使用者在挑選裝修風(fēng)格時更加便利，能夠使土建和裝修向一體化方向邁進(jìn)，使二次裝修的浪費得以降低。

圖19

戶