中高層鋼結構住宅設計與工程實踐―武漢賽博園一期工程

中高層鋼結構住宅設計北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月武漢賽博園一期工程摘要：對已建成使用的武漢賽博園一期工程11層鋼結構住宅樓的設計情況進行介紹。主要內(nèi)容：規(guī)劃與建筑設計、結構體系選用、結構分析、節(jié)點構造，工程的經(jīng)濟技術情況等。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月前言：現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，以及人們對住宅的功能齊全、使用方便、居住舒適、安全節(jié)能、綠色環(huán)保、抗震性能優(yōu)越等方面的要求，使國內(nèi)外鋼結構住宅會逐步替代混凝土、砌體結構的住宅，成為住宅產(chǎn)業(yè)的一支新生力量。對于鋼結構住宅，賽博思公司已有較多的工程實例，比如：福建師大學生公寓，建筑面積1.1萬平米，7層，層高3.6m；北京水利基礎總隊3＃住宅樓，建筑面積2×0.6萬平米，6層，層高2.9m；北京亦莊青年公寓，建筑面積10萬平米，6層，層高2.9m；等工程。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月工程概況

武漢賽博園一期工程于2006年10月設計完成，目前已建成并交付使用，情況良好。該工程為板式中高層（地上11層）鋼結構住宅樓，套型按經(jīng)濟適用房現(xiàn)行標準控制；一期工程由獨立的6棟住宅樓組成，總建筑面積6.55萬平米；工程照片：北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月工程概況結構概況：結構開間為6.6m，跨度5.1m+6.3m，屬平面規(guī)則建筑體系；層高2.9m，室內(nèi)外高差0.6m，房屋高度32.5m；陽臺為凹陽臺，設置在鋼結構體系內(nèi)?；撅L壓w0=0.35kN/m2；抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，建造于II類場地上，設計地震分組為第一組。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月規(guī)劃與建筑設計

賽博園一期工程總用地面積2.46ha，一期住宅面積55364.4m2，容積率2.424，建筑密度29.3%，綠地率44.3%，各指標均滿足規(guī)范及當?shù)匾?guī)劃部門的要求。規(guī)劃鳥瞰圖如圖1。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁賽博園一期工程鳥瞰圖返回鳥瞰圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月戶型設計：

在鋼結構住宅戶型設計中，除滿足規(guī)范要求外，建筑設計更多思考的方面是結構等相關專業(yè)的協(xié)同，使其有較好的通用性及經(jīng)濟性。鋼結構住宅的戶型設計流程一般按照圖2進行。武漢賽博園工程的基本套型如圖3。

相關鏈接：《體系化鋼結構住宅開發(fā)模式的初步研究》北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回戶型設計流程北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回標準戶型圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構造主要工程做法北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構造典型墻身大樣圖

內(nèi)墻節(jié)點圖同層排水

柱、支撐、外墻的綜合解決北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月墻身大樣圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月分戶墻節(jié)點偏置內(nèi)隔墻節(jié)點內(nèi)墻節(jié)點圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月同層排水返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月柱、支撐、外墻的綜合解決鋼柱截面寬度為230mm，小于250mm外墻厚度，連同防熱橋措施，做到了外墻—柱等厚設計，室內(nèi)不露柱。返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構造由于鋼結構具有自重輕的特點，建筑設計在注意經(jīng)濟指標的同時，也盡量選用輕質(zhì)材料，本工程上結構總恒載控制在8kN/m2以內(nèi)（含二次裝修荷載1kN/m2），僅為同類鋼筋混凝土住宅的58%左右。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計：鋼結構住宅的結構設計，除滿足安全、適用、受力合理外，還要同時兼顧發(fā)揮鋼結構的優(yōu)勢，兼顧施工的可行性、材料供應、安裝工效、可控操作、現(xiàn)場檢驗等等要求，同時造價方面也是要重點考慮的因素，因此，鋼結構住宅設計并不同于一般的住宅設計。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系

賽博思公司通過大量鋼結構工程的設計實踐，以安全、適用、經(jīng)濟為設計方針，一般采用的結構體系為：1）鋼框架—混凝土抗震墻：利用樓電梯間、衛(wèi)生間做組成抗側力單元，承擔了大部分的水平力，減小了鋼框架的負擔，同時降低了用鋼量；2）鋼框架—支撐：利用支撐做為抗側力體系，施工速度快；3）純鋼框架結構：適合多層建筑，用鋼量偏高。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁結構設計－結構體系結合本工程的具體情況和以往的設計實踐經(jīng)驗，對可能的結構體系進行了一系列的探討，發(fā)現(xiàn)有如下一些規(guī)律：小柱網(wǎng)：該體系一般開間3.0~3.9m，跨度4~6m，因單柱負荷面積較小，梁柱截面亦較小，使得建筑處理十分方便，但同時該體系過分依賴于建筑師的戶型設計，或者說只有當戶型方案與結構計算密切配合時方可得出一個使用與結構都比較合理的方案。另外，當采用梁柱全栓連接節(jié)點時，較小的開間使梁柱節(jié)點過多，增加了高強螺栓數(shù)量降低了安裝效率，但在多層住宅中有較優(yōu)的用鋼量。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系大柱網(wǎng)：該體系一般開間和跨度均在6.0~7.2m之間，梁柱負荷面積的增大導致梁柱的截面增大，這需要建筑師巧妙的戶型設計才能取得較好的使用空間。其平米用鋼量在多層時與小柱網(wǎng)基本持平，在小高層時優(yōu)于小柱網(wǎng)。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系鋼框架－混凝土核心筒：該體系一般利用樓、電梯間，衛(wèi)生間的墻體構成抗側力的筒體，剛度很大，可以承擔大部分的水平力，鋼結構部分基本由豎向荷載控制，與純框架結構相比可以明顯減少鋼結構的用鋼量。但工期不是它的優(yōu)勢。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系鋼框架－支撐：與框架－混凝土核心筒體系類似，只是用鋼支撐代替了混凝土墻，可以取得工期上的優(yōu)勢。但對住宅結構來說，橫向支撐（進深方向）的設置較為方便，縱向支撐（開間方向）基本沒有可能。如何協(xié)調(diào)縱橫向的剛度是這種體系要考慮的重要問題。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系純鋼框架：小柱網(wǎng)的純框架體系，當采用H型鋼柱時，可以實現(xiàn)多層住宅結構。當小高層時，需用方矩管柱。不論何種情況，其用鋼量比框－撐（或混凝土墻）體系提高20％～30％，同時柱子截面的增大使建筑處理帶來麻煩。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系本工程若沿用小柱網(wǎng)—混凝土核心筒的設計經(jīng)驗，當然沒有問題，但開發(fā)商對工期要求嚴格，混凝土核心筒顯然無法保證工期。經(jīng)過多次結構試算及與建筑師反復溝通，最終確定了采用鋼框架－支撐體系。型材選擇：根據(jù)市場供貨能力及經(jīng)濟性，經(jīng)比較，柱子采用冷彎矩形空心型鋼，梁和支撐用熱軋H型鋼。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系標準單元的建筑戶型和結構布置（下圖）。從圖中可以看出支撐僅橫向布置，建筑戶型決定了無法布置縱向支撐，為保證縱向剛度，柱子長邊沿縱向布置，這種布置方式同時滿足了建筑師隱藏柱子的要求，除底部三層的中柱外，其他柱子均隱藏于墻體之中。主要梁柱截面（下頁）。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月標準層結構布置圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回柱截面表主要梁柱截面梁截面表北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回結構設計－結構體系關于支撐型式：關于支撐型式可選擇“人”及“×”型式，若采用“人”型式，為保證橫梁穩(wěn)定需在人字交點處設置隅撐等措施，這樣會嚴重影響使用，所以采用“×”型支撐；采用拉桿支撐會造成框架梁受壓，對結構不利，因此選用壓桿支撐。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構體系關于設置水平隅撐的討論：《高鋼規(guī)》要求設置框架梁柱節(jié)點水平隅撐，而水平隅撐是為了防止框架橫梁在大震下側向屈曲而設置的，但在抗震設防為6度時可不考慮大震，因此可不設置此水平隅撐。根據(jù)抗震規(guī)范要求，有地下室鋼結構住宅，框架-支撐結構中豎向連續(xù)布置的支撐、鋼柱延伸至地下一層。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結構設計－結構分析計算參數(shù)：全部鋼梁采用焊釘與樓板固定，并不考慮組合作用，栓釘按照構造設置，鋼框架與鋼支撐通過樓板傳遞剪力，在水平力作用下實現(xiàn)空間協(xié)同工作；結構分析可采用剛性樓板假定。當鋼梁兩側或一側有混凝土板時，鋼梁的截面慣性矩分別乘以1.5或1.2的增大系數(shù)。當?shù)叵率覙菍拥膫纫苿偠炔恍∮谙噜彽厣辖Y構樓層側移剛度的2倍時，地下室頂板作為上部結構的嵌固端。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁結構設計－結構分析結構有限元分析計算：采用建研院STS、SATWE軟件。取3個戶型組成的結構（無地下室）進行有限元分析計算，總的結構外圍面積為7645m2（含屋頂塔樓），主要結果如下：北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月計算模型消隱圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回結構設計－計算結果北京賽博