裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)住宅套型設(shè)計(jì)研究＊

文/中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院 趙 鈿 白 宇 劉兆龍 王振海 劉冬賀 單孟碩

趙 鈿，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院院長，教授級(jí)高級(jí)建筑師

白 宇，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院建筑師

劉兆龍，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院設(shè)計(jì)師

王振海，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院助理建筑師

劉冬賀，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院建筑師

單孟碩，中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司裝配式建筑工程研究院工程師

鋼框架結(jié)構(gòu)是一種技術(shù)成熟、性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，具有跨度大、內(nèi)部空間靈活的優(yōu)勢，在公共建筑中應(yīng)用十分廣泛；但在住宅建筑中的應(yīng)用，無論是項(xiàng)目數(shù)量，還是規(guī)模上都與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)。造成鋼框架結(jié)構(gòu)住宅推廣難的原因多種多樣，其中住宅套型布局與鋼框架結(jié)構(gòu)的受力原理不協(xié)調(diào)，是制約鋼框架結(jié)構(gòu)在住宅上成功應(yīng)用的首要原因。

1 套型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)體系的矛盾

住宅套型設(shè)計(jì)與采用的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。20世紀(jì)90年代以前，我國住宅大多采用多層砌體結(jié)構(gòu)，由于砌體結(jié)構(gòu)是承重墻體系，對(duì)住宅平面中承重墻的布置有比較嚴(yán)格的要求，如墻體在平面、剖面上要連續(xù)并對(duì)正，門窗洞口宜對(duì)齊，8度區(qū)住宅的橫墻間距應(yīng)控制在4.2m以內(nèi)等。因此磚混住宅的平面比較規(guī)則方正，空間靈活性較差（見圖1）。由于該類結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用燒結(jié)黏土磚，嚴(yán)重破壞土地資源，從“十二五”起黏土制品使用受到嚴(yán)格限制，磚混結(jié)構(gòu)逐漸被現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取代。

20世紀(jì)90年代以后，現(xiàn)澆鋼筋混凝土技術(shù)日趨成熟，成本逐步降低，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)在中高層住宅大量應(yīng)用。隨著住宅發(fā)展，對(duì)自然通風(fēng)和采光的要求越來越高，市場上出現(xiàn)許多外墻輪廓凸凹變化很大的套型，由于剪力墻結(jié)構(gòu)能承受較大的水平荷載，對(duì)建筑平面布置適應(yīng)性好，能夠支持套型平面變化的需求，成為住宅的主流結(jié)構(gòu)形式，一直延續(xù)至今。但套型外墻過多的凸凹變化也對(duì)結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性提出很大挑戰(zhàn)。由于剪力墻結(jié)構(gòu)也是墻體承重結(jié)構(gòu)，因此開間不宜過大，橫墻間距在8度區(qū)通常為6m，建筑室內(nèi)空間靈活性也受到一定限制（見圖2）。

近年來，框架式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目逐漸增多。許多項(xiàng)目直接將鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)形式住宅套型改為鋼框架結(jié)構(gòu)，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)形式與住宅套型的匹配問題。以昆山某鋼結(jié)構(gòu)住宅樓項(xiàng)目為例，從圖3可看出，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)不規(guī)則、柱跨很小、梁多、內(nèi)部抗側(cè)向力的斜撐也比較多；另一個(gè)例子是北京通州臺(tái)湖公租房項(xiàng)目，2棟80m高混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)公租房住宅改為鋼結(jié)構(gòu)（見圖4），在按原套型平面布局進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也出現(xiàn)類似問題。總之，鋼框架結(jié)構(gòu)體系與現(xiàn)有住宅套型的矛盾主要表現(xiàn)在以下2點(diǎn)。

圖1 砌體結(jié)構(gòu)典型套型

圖2 某高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)套型平面

圖3 昆山某鋼結(jié)構(gòu)住宅樓結(jié)構(gòu)布置軸測圖及三維整體模型

圖4 通州臺(tái)湖公租房原套型平面柱網(wǎng)布置與套型結(jié)構(gòu)模型

1.1 住宅套型平面外墻凸凹過多

由于采光、通風(fēng)和造型需要，許多住宅套型平面會(huì)出現(xiàn)許多凸凹，剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)這種凸凹變化有較大的容忍度。但這種凸凹在鋼框架結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)布置出現(xiàn)較多單跨及小柱跨，既增加柱的數(shù)量，也使鋼梁跨度受到極大限制，不能有效發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)大跨度的優(yōu)勢。與鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)相比，鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力能力較弱，在凸凹部分易出現(xiàn)應(yīng)力集中，會(huì)進(jìn)一步削弱鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)向能力，只有通過增加抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或增大梁柱尺寸，才能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。一方面，造成用鋼量增加，成本上升；另一方面，暴露在住宅室內(nèi)的梁柱構(gòu)件對(duì)住宅的使用也有不利影響。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件不對(duì)位

住宅外墻過多的凸凹變化使外圍柱網(wǎng)被打斷、套型平面內(nèi)房間尺寸不統(tǒng)一、隔墻不對(duì)位造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件不對(duì)位，難以形成連續(xù)柱網(wǎng)和連續(xù)傳力路徑，嚴(yán)重影響框架結(jié)構(gòu)剛度；同時(shí)，構(gòu)件不對(duì)位也使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，造成構(gòu)件類型、節(jié)點(diǎn)種類、材料成本和施工成本增加。

因此，無論砌體結(jié)構(gòu)、混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，還是鋼框架結(jié)構(gòu)，任何結(jié)構(gòu)體系對(duì)住宅平面設(shè)計(jì)都有所限制，套型設(shè)計(jì)均應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)原理。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)給予住宅套型設(shè)計(jì)以較大自由，但直接把這種脫胎于剪力墻結(jié)構(gòu)的套型用于鋼框架結(jié)構(gòu)住宅中，矛盾就暴露出來。究其原因，設(shè)計(jì)師以一種慣性思維進(jìn)行套型設(shè)計(jì)，忽視了結(jié)構(gòu)體系和住宅套型的相互制約關(guān)系。在鋼框架結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中，應(yīng)重新思考住宅套型設(shè)計(jì)邏輯，協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)體系力學(xué)要求與套型平面功能的關(guān)系，創(chuàng)造出符合鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)的新型住宅套型。

2 住宅套型設(shè)計(jì)應(yīng)符合鋼框架結(jié)構(gòu)受力原理

規(guī)則結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)下的結(jié)構(gòu)傳力更直接、簡潔，梁柱能充分發(fā)揮作用；建筑平面布置規(guī)整能夠減少懸挑，降低水平力作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使構(gòu)件尺寸更加合理。因此，在鋼框架結(jié)構(gòu)套型平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)減少外墻凸凹，并盡可能將結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)齊，形成連續(xù)柱網(wǎng)。北京成壽寺B5地塊公租房套型采用6.6m×6.6m的長方形規(guī)則柱網(wǎng)（見圖5），套型內(nèi)部無柱，套型平面很好地滿足了住宅功能需求。通州臺(tái)湖公租房鋼結(jié)構(gòu)住宅在充分考慮鋼框架結(jié)構(gòu)受力特征后，重新進(jìn)行套型平面設(shè)計(jì)，與基于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的原套型方案相比，新的套型平面輪廓更加規(guī)則，柱網(wǎng)連續(xù)；用鋼量較原方案減少約40%，有效提高了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與合理性（見圖6）。

圖5 成壽寺B5地塊公租房平面

圖6 通州臺(tái)湖公租房新套型平面柱網(wǎng)布置與套型結(jié)構(gòu)模型

3 住宅套型設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

3.1 鋼框架結(jié)構(gòu)為住宅使用功能的變化預(yù)留最大可能

從較長周期看，建筑的使用功能并非一成不變。我國的傳統(tǒng)住宅通過室內(nèi)陳設(shè)的改變實(shí)現(xiàn)功能改變。西方現(xiàn)代建筑中有“通用空間”概念，主張平面設(shè)計(jì)應(yīng)減少對(duì)功能的限定。換言之，一種具有包容性和靈活性的建筑空間為提高建筑壽命創(chuàng)造了條件。

裝配式建筑由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)4個(gè)系統(tǒng)組成。其中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的改動(dòng)最困難，其壽命也是4個(gè)系統(tǒng)中最長的；隨著使用功能、維護(hù)更新的要求，其他3個(gè)系統(tǒng)也會(huì)不斷變化，壽命也要比結(jié)構(gòu)系統(tǒng)短得多。因此，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)盡可能少占用建筑內(nèi)部空間，為其他系統(tǒng)的更新和改變預(yù)留足夠可能。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼框架結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件截面小、結(jié)構(gòu)自重輕、跨度大的優(yōu)勢，便于形成自由分割的空間。因此，在住宅套型平面設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分利用鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，創(chuàng)造能夠適應(yīng)需求變化的“通用空間”，為住宅使用過程中的變化提供最大限度支持，也為住宅功能的轉(zhuǎn)化預(yù)留可能。

3.2 鋼框架結(jié)構(gòu)支持套型多樣化劃分與組合

當(dāng)前，我國城鎮(zhèn)化率已超過50%，大地塊大規(guī)模集中開發(fā)的項(xiàng)目會(huì)越來越少，小地塊精細(xì)化開發(fā)項(xiàng)目將越來越多。如何在小地塊甚至1棟樓內(nèi)提供不同種類的住宅套型，需要有合適的結(jié)構(gòu)體系支持。與剪力墻結(jié)構(gòu)相比，鋼框架結(jié)構(gòu)能夠支持平面自由劃分和套型組合。例如，可根據(jù)需要在不同樓層設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品，如低區(qū)可做小套型；高區(qū)可做成大套型或平層住宅。隨著自持、租賃為主的住宅項(xiàng)目越來越多，也會(huì)出現(xiàn)后期運(yùn)營中改變套型組合的情況，如將分戶隔墻打掉，將2戶或多戶合并成更大的居住空間；或?qū)⒋筇仔头指顬楦〉奶仔?。鋼框架結(jié)構(gòu)為套型改變、重新組合提供可能（見圖7）。

3.3 鋼框架結(jié)構(gòu)住宅套型內(nèi)部空間的多樣化設(shè)計(jì)

在住宅使用過程中，家庭成員數(shù)量、生活方式的變化都會(huì)帶來住宅布局改變的需求。在高房價(jià)時(shí)代，通過更換住房實(shí)現(xiàn)這種改變的代價(jià)過于高昂，對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者而言無法接受，因此在住宅套型內(nèi)部空間提供可變性尤為重要。剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅套型受制于剪力墻限制，室內(nèi)空間的改變很難有大的作為。在鋼框架結(jié)構(gòu)住宅中，內(nèi)部空間的改變比較容易實(shí)現(xiàn)（見圖8）。在1927年德國斯圖加特魏森霍夫住宅展上，密斯·凡·德羅設(shè)計(jì)的1～4號(hào)住宅，就以鋼框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種可變平面的設(shè)計(jì)。上世紀(jì)60年代荷蘭的支撐體住宅和日本的SI住宅體系均實(shí)現(xiàn)了可為居住者提供豐富的個(gè)性化空間。2016年，在萬科研發(fā)的“萬科芯”住宅中，整個(gè)套型以1根結(jié)構(gòu)柱作為建筑核心，外圍護(hù)墻體作為剪力墻，固定管井位置，實(shí)現(xiàn)了住宅套型設(shè)計(jì)的極大可變性。

圖7 德國蒂瑟道夫可變住宅（1973年），設(shè)計(jì)人：H·施維帕特

圖8 鋼框架住宅結(jié)構(gòu)布置示意

圖9 方案一：豪華一室套型

圖10 方案二：精致二室套型

圖11 方案三：經(jīng)濟(jì)舒適三室套型

4 鋼框架結(jié)構(gòu)住宅的全周期套型設(shè)計(jì)

裝配式建筑4個(gè)系統(tǒng)的壽命不同，更新維護(hù)的頻率和難易程度也不相同。因此，可把構(gòu)件和部品分為2類：一類是相對(duì)長壽和固定的，包括承重結(jié)構(gòu)的柱、梁和豎向管井；另一類是耐久性較低和需要進(jìn)行階段性維護(hù)更新的，如裝飾裝修部品和戶內(nèi)機(jī)電管線部品等，可進(jìn)行靈活布置，滿足多樣化需要。

本文以在商品住宅中常見的120m2三居套型為對(duì)象，結(jié)合家庭成員數(shù)量和生活方式的變化，研究適用于鋼結(jié)構(gòu)的全周期住宅套型，提出4種方案。

1）方案一 按照一室戶進(jìn)行設(shè)計(jì)。充分利用結(jié)構(gòu)形成的10.2m×11.0m的大空間，以起居室為中心形成“島”式居住空間（見圖9），起居空間寬大舒適，除日常起居外，兼具多種休閑文化功能；臥室空間南北通透，擁有分區(qū)衛(wèi)生間及獨(dú)立衣帽間。

2）方案二 按照二室戶進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全滿足家庭起步階段二人世界的需要。與一室套型相比，在起居室中劃分出1個(gè)獨(dú)立書房，提供了更多的私密空間（見圖10）。

3）方案三 以滿足三代人共同生活為目標(biāo)，是市場上最受歡迎的經(jīng)濟(jì)舒適型三居套型（見圖11）?？蛷d、餐廳、廚房“一”字形貫通，空間通透，開敞明亮；老人房獨(dú)立設(shè)置；衛(wèi)生間便浴分離，形成獨(dú)立的淋浴間和馬桶間，干濕分離，效率高，方便使用。

4）方案四 在三室套型的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)二孩家庭專門設(shè)計(jì)迷你四居（見圖12）。將餐廳與起居室結(jié)合設(shè)計(jì)，調(diào)整廚房家政區(qū)，在北側(cè)設(shè)計(jì)了2個(gè)享有采光的獨(dú)立兒童房。

從以上方案可看出，鋼框架結(jié)構(gòu)住宅具有很大優(yōu)勢，框架結(jié)構(gòu)形成的大空間為套型內(nèi)部空間變化提供了多種可能。一方面結(jié)構(gòu)和豎向管井相對(duì)固定，簡化了設(shè)計(jì)難度；同時(shí)利用結(jié)構(gòu)形成的大空間能夠設(shè)計(jì)出多種套型，可適應(yīng)不同類型家庭或家庭不同階段的需要。

圖12 方案四：極限四室套型

當(dāng)然，鋼框架結(jié)構(gòu)住宅的套型設(shè)計(jì)也需注意結(jié)構(gòu)梁對(duì)室內(nèi)空間的影響、樓梯電梯布置與柱網(wǎng)的結(jié)合、廚衛(wèi)豎向管井的位置等。結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的選擇和服務(wù)空間的位置將決定住宅套型的靈活性能否真正實(shí)現(xiàn)。裝配式裝修方式能使住宅室內(nèi)空間的靈活可變真正具備可操作性。

5 結(jié)語

綜上所述，無論采用磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)，住宅套型布局受結(jié)構(gòu)體系影響很大，平面設(shè)計(jì)要遵循結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律。不能簡單地把混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的套型直接套用在鋼框架結(jié)構(gòu)上。由于結(jié)構(gòu)體系和建筑功能共同決定了住宅套型單元的平面形式，所以應(yīng)該轉(zhuǎn)變套型先于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑功能布置。

在鋼框架結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中，應(yīng)減少平面輪廓的凸凹，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)位，形成規(guī)則的框架柱網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)研究如何充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)框架體系形成的平面大空間優(yōu)勢，優(yōu)化平面結(jié)構(gòu)布置，充分考慮建筑功能的變化和家庭居住需求的演變，提供建筑平面內(nèi)的套型劃分及套型內(nèi)部多樣化設(shè)計(jì)的可能性。這種順應(yīng)裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)體系的全周期套型是建筑設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)方向。

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