輕鋼結(jié)構活動房屋的設計與應用

輕鋼結(jié)構活動房屋的設計與應用

1輕鋼結(jié)構活動房屋輕鋼結(jié)構活動房是一種非永久性建筑產(chǎn)品，可以移動、拆除、移動和重復使用。其主體結(jié)構材料采用冷彎薄壁型鋼,圍護結(jié)構采用彩鋼夾芯板或其他輕質(zhì)板材,是一種新型的輕鋼結(jié)構建筑體系。輕鋼結(jié)構活動房屋所有的構件采用標準化、裝配式的設計,在工廠進行批量化預制。在工地安裝時,結(jié)構構件之間采用螺栓連接,圍護板件通過鑲嵌的方式安裝在輕鋼結(jié)構上。與傳統(tǒng)工地的磚混結(jié)構臨時建筑相比,輕鋼結(jié)構活動房屋具有無可替代的優(yōu)勢:磚混結(jié)構大量使用黏土磚,因此會減少耕地,破壞生態(tài),拆解時則形成建筑垃圾;而輕鋼結(jié)構活動房屋可循環(huán)使用。輕鋼結(jié)構活動房屋改變了傳統(tǒng)意義上的建筑方式,大大改善了工地的居住環(huán)境,為人們提供一種快捷的臨時居住場所,是綠色環(huán)保的建筑產(chǎn)品。2和圍護結(jié)構高效環(huán)保的建筑輕鋼結(jié)構活動房屋由標準化設計的輕型鋼結(jié)構和圍護結(jié)構快速組合而成,所用的構件可多次周轉(zhuǎn)使用,很好地實現(xiàn)了快捷高效、綠色環(huán)保的建筑理念,滿足了循環(huán)經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟的要求。2.1活動房屋,高模數(shù)模數(shù)大,可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)輕鋼結(jié)構活動房屋構件的品種多、數(shù)量多,決定了其制作和安裝必須嚴格按照標準化的原則進行設計。采用“模數(shù)協(xié)調(diào)”原則和方法是最必要的手段,通過按統(tǒng)一的長、寬、高的模數(shù)進行空間組合,所有構件采用裝配式結(jié)構,并以螺栓連接,較易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)?；顒臃课菘伸`活地進行拆解、移設和構件儲存。拆裝損耗極小,可多次周轉(zhuǎn)。具有高互換性、高生產(chǎn)效率和高使用效率等優(yōu)點。標準化、模塊化、通用化的生產(chǎn)制作方式對降低成本、提高生產(chǎn)率(快拆快裝)十分重要,由于產(chǎn)品互換性強的特點,使許多活動房企業(yè)得以采取租賃的形式經(jīng)營?；顒臃课莸淖赓U使供應商能夠提供專業(yè)化、規(guī)?；姆?實現(xiàn)臨建產(chǎn)品制造、搭建、倉儲環(huán)節(jié)的規(guī)模效應,提高物料的使用效率。2.2臨時和簡單輕鋼結(jié)構活動房屋產(chǎn)品一般使用周期較短,具有臨時性和簡易性的特點。2.3彩鋼夾芯板圍護結(jié)構輕鋼結(jié)構活動房屋主體結(jié)構采用冷彎薄壁型鋼,用鋼量為10～16kg/m2;其圍護結(jié)構采用彩鋼夾芯板,均為輕質(zhì)材料,房屋整體重量較輕。因而其房屋基礎的截面相應可以做得很小,從而大大降低了房屋整體造價。此外,由于整體重量輕,輕鋼結(jié)構活動房屋被廣泛用于屋面加層改造中。2.4家庭規(guī)模小輕鋼結(jié)構活動房屋屬小型房屋,跨度一般在11m以下。2.5小體積、大按面鋼結(jié)構房屋構件的裝配輕鋼結(jié)構活動房屋運輸十分便捷。一臺7.5m長貨車可以裝運180m2左右輕鋼結(jié)構活動房屋的全部構件,一個40呎(配貨毛重為220kN)的集裝箱可以裝運300m2以上的房屋構件。2.6安裝速度很快輕鋼結(jié)構活動房屋結(jié)構簡單,裝拆十分快捷。一般情況下,4個安裝工人在1天之內(nèi)即可完成一棟100m2房屋的組裝。2.7建筑高度、寬度輕鋼結(jié)構活動房屋以彩色鋼板制作屋面和外墻面,色彩十分豐富。房屋高度、寬度有多種規(guī)格可供選擇;長度可根據(jù)用戶的意愿,在規(guī)定模數(shù)范圍內(nèi)任意增減,靈活組合。3小區(qū)臨時結(jié)構設施建筑業(yè)在工程開工前必先建造辦公場所和供工人食宿的房屋,這些房屋在工程完畢時又要被拆毀,不僅建造時工期長,影響工程開工速度,而且拆除時還會形成大量的建筑垃圾,造成浪費和環(huán)境問題。隨著時代的進步,對工地臨建的安全性、適用性和居住條件都有了更高的要求。因而,在建設過程中都采用了大量的活動房屋和其他形式的集成房屋。此外,野外露天作業(yè)、救災安置和高峰時的旅游點等場合也需要各種可滿足不同要求以活動房屋搭建的臨時住所。輕鋼結(jié)構活動房屋現(xiàn)已被廣泛應用于以下方面:1)城市建設、房地產(chǎn)項目的臨時用房。主要包括工地辦公室臨建、工地工人臨時宿舍、售樓部等。2)交通、水利、石油、天然氣等項目的臨時用房。主要包括野外作業(yè)的臨建設施及辦公室、工人臨時宿舍等。3)旅游用房。包括旅游景點野營房、休閑設施及相應服務功能用房,特別適合季節(jié)性的旅游服務設施。4)過渡安置房。主要用于:a.拆遷過渡房和配套服務設施;b.用于災區(qū)臨時安置房和配套服務設施。5)臨時商業(yè)設施。包括小型商鋪、售報亭等。6)醫(yī)療服務臨時用房和配套服務設施。包括臨時病房、掛號、門診、倉庫等設施。7)市政公用領域。包括治安崗亭、交通崗亭、公交調(diào)度亭、郵政報刊亭、工廠小區(qū)門口崗亭(門衛(wèi)室)和配電房等。8)軍事領域。主要用于:a.軍事演習臨時指揮所;b.戰(zhàn)地醫(yī)院;c.閱兵村等。9)展覽會、現(xiàn)場會、運動會等臨時用房。主要用于:a.會務設施;b.臨時商業(yè)服務設施等。4活動房屋建筑特點輕鋼結(jié)構活動房屋長度和寬度(跨度)均以K為模數(shù),長度方向取模數(shù)K的整倍數(shù),一般小于32K;活動房屋的寬度取模數(shù)K的整倍數(shù)或0.5,常用系列為1.5K、2K、2.5K、3K、4K、5K。由于我國的活動房屋生產(chǎn)個性化現(xiàn)象十分明顯,模數(shù)K值在不同的企業(yè)也略有不同,大部分企業(yè)定義1K=1820mm,有些企業(yè)根據(jù)設計需要將模數(shù)K定為1830,2000mm?；顒臃课莞叨确较蛞訮為模數(shù),1P=950mm,這是由復合板的寬幅決定的?；顒臃课輼菍訑?shù)限定3層以下,產(chǎn)品的高度系列為3P(單層)、6P(雙層)、9P(3層)。考慮使用安全的因素,許多地方有減少使用3層產(chǎn)品的趨向。輕鋼結(jié)構活動房屋的房型一般為雙坡屋頂,房屋坡度為1∶5。立柱采用2C或3C冷彎薄壁型鋼組合斷面。雙坡屋頂?shù)娜切挝菁堋敲骅旒芰壕捎美鋸澅”谛弯撝谱?。活動房屋立柱間由圓鋼和花籃螺絲組成的柱間支撐來連接和調(diào)節(jié)。屋面、外墻面、門板多采用彩鋼夾芯板,芯材采用EPS、PU夾芯板、玻璃棉或巖棉等多種材料。門框采用冷彎薄壁門框型材,窗采用鋁合金門窗、塑鋼窗或壓型鋼窗等(圖1)。5產(chǎn)業(yè)配套能力正加快增強改革開放以來,以輕鋼結(jié)構活動房屋為代表的集成房屋產(chǎn)品得到了很大發(fā)展,我國活動房屋企業(yè)適應市場的能力正逐步增強。近10年來,生產(chǎn)活動房的企業(yè)逐年增多,廣泛分布于我國各個地區(qū)。隨著活動房屋行業(yè)的整體發(fā)展,已具備較強的產(chǎn)業(yè)配套能力,初步形成一個獨立的行業(yè)。房屋與房地產(chǎn)市場相關度較高,而房地產(chǎn)市場可能因宏觀調(diào)控、市場需求等因素而呈周期性波動,房地產(chǎn)的景氣度直接影響到活動房屋的需求。5.12國內(nèi)外活動房屋的發(fā)展狀況動房屋的全面興起,僅僅在一個半月的時間內(nèi),就在四川災區(qū)迅速搭建了62萬套,約1200萬m2的臨時住所(圖2),這對奪取抗震救災的全面勝利發(fā)揮了重要作用。由于此次抗震救災安置房的特殊性,各地鋼結(jié)構公司憑借其技術、設備、人員的優(yōu)勢大量介入,使活動房屋受到前所未有的宣傳普及,影響面、使用面日益擴大,更多的鋼結(jié)構企業(yè)和建材生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)輕鋼結(jié)構活動房屋產(chǎn)品,各地仿建者如雨后春筍般地出現(xiàn),整個市場競爭日趨激烈。在歐美國家,客戶往往對活動房屋的使用功能設計要求很高,房屋要具有其他建筑應有的防水、防風、防沙及保溫隔聲、防火、防雷等性能。由于活動房屋的運輸半徑有限,所以必須有足夠的分支機構才能確保其租賃業(yè)務全面快速運轉(zhuǎn)。法國ALGE-CO公司在歐洲9個國家有89個分支機構,7家生產(chǎn)基地,超過1600名員工。龐大的資金規(guī)模、技術力量、銷售網(wǎng)絡、運輸系統(tǒng)是確保正常運作與競爭的有力武器。國內(nèi)外活動房屋的發(fā)展狀況表明,活動房屋的市場容量、市場成熟度與當?shù)氐恼w經(jīng)濟發(fā)展水平成正比。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,活動房屋的應用將由經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū),逐步向內(nèi)地輻射,由中心城市逐步向二、三線城市輻射,發(fā)展?jié)摿薮蟆陌l(fā)達國家的實踐來看,活動房屋主要應用于市政、商業(yè)、旅游等領域,而我國活動房屋多數(shù)用于工地臨建,在上述領域還未有大規(guī)模的應用。6活動場所行業(yè)的問題和對策6.1生產(chǎn)企業(yè)進一步轉(zhuǎn)型活動房屋行業(yè)并沒有很高的技術門檻。目前國內(nèi)參與企業(yè)有上千家,其中包括大量設施簡陋、設備簡單、施工粗糙的“作坊式”工廠,其生產(chǎn)企業(yè)的技術裝備水平較低。許多企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新意識,還停留在盲目擴大生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)低檔產(chǎn)品的階段。隨著社會的進步,活動房屋行業(yè)這種粗放式的增長方式必須得到改變?；顒臃课萆a(chǎn)企業(yè)應著力提高裝備素質(zhì)和工藝水平,通過開發(fā)沖、壓模具提高生產(chǎn)效率,通過噴涂流水線實現(xiàn)涂裝的自動化,通過采用水性漆等新材料提高產(chǎn)品的涂裝質(zhì)量。要開發(fā)與應用機器人、機械手技術、高頻焊接技術,實現(xiàn)焊接自動化。預計到“十二五”后期,那些技術水平低、產(chǎn)品無特色的企業(yè)逐步被淘汰出該行業(yè),活動房屋企業(yè)經(jīng)過優(yōu)勝劣汰,將會在競爭中重新組合,形成經(jīng)濟規(guī)模,行業(yè)整體水平將會有較大的提高?！跋裨炱囈粯釉旆孔印睂⑹腔顒臃课萆a(chǎn)制造的必然趨勢。6.2國內(nèi)外活動房屋發(fā)展現(xiàn)狀長期以來,國內(nèi)活動房屋這一新興產(chǎn)業(yè)由于沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品標準,行業(yè)主管單位也不明確,幾千家活動房企業(yè)各自為戰(zhàn),產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。行業(yè)主管單位的不明確和產(chǎn)品標準的缺失,不利于對生產(chǎn)企業(yè)的管理和產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)督檢查,最終可能導致這一新興產(chǎn)業(yè)的市場混亂。隨著市場競爭日趨激烈,出現(xiàn)相互壓價、偷工減料、忽視產(chǎn)品設計等隱患日益突出。由于產(chǎn)品標準的滯后和缺項,質(zhì)量管理的欠缺,在其使用中出現(xiàn)了一些問題,如:鋼構件加工安裝質(zhì)量不高、鋼構件銹蝕、屋面漏水、防火性能差等。個別工程曾發(fā)生倒塌事故,如2009年9月成都龍?zhí)豆さ匕l(fā)生的3層活動房因產(chǎn)品不合格遇強風倒塌;2010年9月北京某開發(fā)區(qū)工地發(fā)生了一場群毆事件,一棟活動房2層外走道由于圍觀者過多,走道板突然坍塌墜落,導致多人死傷。當前對活動房行業(yè)的管理上也存在一定問題。為應對陸續(xù)出現(xiàn)的安全事故、火災事故,各地出臺了形形色色的文件,這些規(guī)定中不乏生搬硬套固定建筑要求的條款,也不乏行政命令的色彩和地方保護主義的色彩。近兩年,由于冬季火災頻發(fā),有些地區(qū)強行推出了墻板材料采用巖棉板的要求。在此過程中,其弊端就開始逐步顯現(xiàn):1)作為芯材的巖棉板的密度必須在100～120kg/m3之間,密度相對較大。用作輕鋼結(jié)構活動房屋的外墻板,最底層的板材所受到的壓力較大,使用一段時間以后,下層芯材被向上擠壓,企口發(fā)生變形,影響板材的周轉(zhuǎn)使用。2)巖棉的吸水率約5%,使用一段時間后,巖棉吸水膨脹,復合板起鼓變形,特別是與地面接觸的墻板,極易受雨水和地面水分浸蝕而損壞。3)在工廠制作及工地上二次加工時,安裝工人受巖棉粉塵影響有皮膚瘙癢的癥狀。在使用時,用戶反映巖棉屑被風吹掉在床鋪上,出現(xiàn)皮膚瘙癢,影響休息和健康。4)巖棉彩鋼復合板的活動房屋拆裝損耗很大,降低了可周轉(zhuǎn)次數(shù)。5)市場上巖棉板質(zhì)量良莠不齊,許多廠家采用低質(zhì)礦渣棉板,嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,如何合理而有效地規(guī)范活動房屋市場,保證行業(yè)健康發(fā)展,是一個十分突出問題。目前,活動房屋的防火、隔熱、保溫、隔聲等問題受到重視,新材料、新技術、新工藝的應用初見端倪。《地震災區(qū)過渡安置房建設技術導則》(試行)已成為活動房屋產(chǎn)品標準的初級模板。日前,由成都市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院牽頭,包括多家科研和工程管理機構以及雅致集成房屋股份有限公司等活動房生產(chǎn)龍頭企業(yè)成立了標準修訂編制小組。編制組深入企業(yè)和現(xiàn)場調(diào)研我國活動房產(chǎn)品的生產(chǎn)、安裝、使用情況,探討目前國內(nèi)活動房設計、開發(fā)和生產(chǎn)工藝的需求和發(fā)展趨勢,詳細地分析、研究國內(nèi)外活動房屋的相關資料,并向有關的設計、生產(chǎn)、使用、管理單位廣泛地征求意見。在此基礎上編制的《拆裝式輕鋼結(jié)構活動房》標準稿已經(jīng)完成。6.3從建筑結(jié)構設計規(guī)范中工程用輕鋼結(jié)構活動房屋屬臨時建筑,具有不同于一般建筑物的特點,對產(chǎn)品的驗收方式也應有所不同,盲目套用現(xiàn)有的固定建筑的規(guī)范將會造成社會資源的浪費。具有房屋功能的輕鋼結(jié)構活動房屋產(chǎn)品的安全要求,必須以保證安全、經(jīng)濟實用為前提,從其臨時性和簡易性出發(fā),以促進技術進步、提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的,做到科學論證、實事求是,避免出現(xiàn)“一放就亂,一管就死”的混亂現(xiàn)象?；顒臃课萦卸喾N要求,既有抗風壓、氣密性、水密性、保溫、隔聲等一般性要求,又有防火、防盜等強制性要求。而我國目前從建筑結(jié)構設計規(guī)范、防火規(guī)范到建筑材料規(guī)范,無不是以固定建筑為對象,較少考慮活動房屋的臨時性和簡易性,更缺乏對輕鋼結(jié)構系統(tǒng)的試驗研究數(shù)據(jù)。同樣,我國目前采用的鋼結(jié)構設計軟件,也多以門式剛架和高層鋼結(jié)構作為原型,較少顧及輕型結(jié)構的使用條件。如夾芯板蒙皮效應的作用,在大型鋼結(jié)構之中發(fā)揮不了多大效用,而在輕型結(jié)構中卻舉足輕重,但目前還沒有對這方面定量分析的公式。按文獻中提出的鋼框架填充鑲嵌板抗側(cè)力試驗的方法原理進行彩鋼夾芯板測量抗側(cè)力試驗,將彩鋼夾芯板的抗側(cè)力轉(zhuǎn)化為等效的柱間支撐的作用力,從而建立起更符合輕鋼結(jié)構活動房屋的力學模型(圖3)。6.4安置房防火試驗及結(jié)果分析由于活動房屋主要由輕型板材和輕鋼結(jié)構組成,其防火性能相對較差;而活動房屋多用作臨時建筑,對防火的要求較一般建筑低。如果不采取防火措施,則房屋的安全得不到保證;如果采用固定建筑的防火要求則房屋材料不適合周轉(zhuǎn),且成本過高。目前,用于彩鋼夾芯板的芯材材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、巖棉、玻璃棉等。從物理性能上講,EPS最適合用于彩鋼夾芯板。首先EPS與彩鋼有很好的粘接性,其粘接強度約是巖棉與彩鋼粘接強度的2倍,玻璃棉與彩鋼的3倍,EPS與彩鋼復合后整體形成很好的強度和剛度;其次,EPS塑性好于其他材料,防水性好,經(jīng)久耐用,而且十分經(jīng)濟,用作輕鋼結(jié)構活動房屋的圍護材料性價比相當高。但是,EPS彩鋼板存在的消防問題也十分突出。EPS復合板起火時,在室內(nèi)高溫下,EPS材料發(fā)生熔融,形成空腔,進而燃燒,導致彩鋼夾芯板失去承載力。由于火焰在彩鋼板內(nèi)部燃燒,消防員只能把水打到外部板材上進行降溫,不能直接撲滅夾芯部位的火焰。另外,即使面積不大的EPS板房發(fā)生火災,也會產(chǎn)生大量的黑色濃煙,造成很大的社會影響。在汶川特大地震爆發(fā)后,雅致公司與公安部四川消防研究所共同完成了災區(qū)安置房防火狀況調(diào)研工作,并模擬安置房布局,對活動房進行實體燃燒試驗(圖4)。從試驗發(fā)現(xiàn),輕鋼結(jié)構活動房屋起火燃燒后,PU材料如果隔著石膏板吊頂會發(fā)生碳化,從而阻止進一步燃燒的發(fā)生。其次,活動房屋火災的蔓延與室內(nèi)物體的數(shù)量及其燃燒性能密切相關。試驗表明,在汶川地區(qū),采用活動房的設計結(jié)構在正?；鸷奢d下,完全滿足阻燃要求,當室內(nèi)少量物品燒光后火自行熄滅。而在另一棟房屋內(nèi),由于屋內(nèi)放置了大量物品,在這些材料充分燃燒的情況下,房屋墻體和屋面的圍護材料也完全燒光。這說明輕鋼結(jié)構活動房屋在滿足阻燃的情況下,火荷載起決定作用。為提高產(chǎn)品的防火性能,在全國各地也跟蹤調(diào)研分析了多家公司活動房屋的火災現(xiàn)場。分析發(fā)現(xiàn),影響活動房屋火災的首要因素是火災時屋面火焰的迅速蔓延,圖5案例就是明證。該火災起火點在2樓一側(cè),當最后火勢撲滅時,屋面板上的PU材料已經(jīng)全燒光了,而2層的木夾板大部分還能保持承載力。在燃燒過程中,火焰的傳播途徑為兩個方面:一是裸露的保溫材料,如屋面等處;二是在室內(nèi)高溫下,EPS材料發(fā)生熔融,形成空腔,空氣進入其中促進燃燒,在其后的燃燒過程中,由于空腔內(nèi)燃燒的煙囪效應,更助長了火勢的發(fā)展。最終彩鋼板脫離,EPS完全暴露在外,直至燃燒結(jié)束。因此,活動房屋防火應主要解決防止起火和起火后防止火勢迅速蔓延的問題,應從構造措施和管理措施兩方面加以解決,以切斷表面火焰?zhèn)鲗詾橹?。如果將EPS等阻燃材料與玻璃棉或巖棉、礦渣棉等不燃材料制成組合芯材的彩鋼復合板,則可以結(jié)合這兩種材料的優(yōu)點,即可防水又可通過不燃材料構造層解決活動房屋防火問題。為此,雅致公司與公安部四川消防研究所進一步合作,研究防火型的彩鋼夾芯板。其基本思路是:采用構造防火的方式制作復合型芯材的彩鋼夾芯板,通過不燃材料阻斷火災時夾芯板內(nèi)空腔的擴張,從而保持夾芯板的承載力。并就此通過一系列試驗進行驗證。對在彩鋼夾芯板的芯材中加入橫向隔斷和縱向隔斷制成的試件進行52組SBI燃燒試驗。對比試驗結(jié)果顯示,以龍王牌EPS顆粒制成的夾芯板級別由未加隔斷的E級提高到B級,而以另一個品牌EPS顆粒制成的夾芯板級別也由E級提高到C級(圖6)。作為對比試驗,加入豎向隔斷的結(jié)構,其SBI級別還是E級(圖7)。試驗結(jié)果表明,在彩鋼夾芯板內(nèi)部結(jié)構中,加入橫向隔斷后,彩鋼夾芯板的燃燒性能可以大大提高。證明了采用橫隔斷方式的結(jié)構可有效地解決EPS復合板的防火問題。利用這一成果,可制作圖8所示的復合材料型的彩鋼夾芯板。當夾芯板橫向放置時,底層的EPS解決墻體最下方的墻板雨水侵襲問題和彩鋼夾芯板企口處夾芯材料的沉降問題,中部的EPS條則可提高芯材與彩鋼板之間的粘接力進而增強夾芯板的整體剛度,中間A級不燃材料則可起到分倉隔斷火焰的作用。相對單純巖棉、玻璃棉復合板,它兼具重量輕、整體剛度高、防水性佳、耐久性好、成本較低等優(yōu)點。既保持了EPS復合板防水、輕質(zhì)的特性,又具備了