裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的深化設(shè)計(jì)研究

王振波

摘要：以某省裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目為依托，結(jié)合MIDAS/Gen有限元分析軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻板的安裝施工精度控制進(jìn)行了分析研究。通過建立兩種不同的施工方案模擬了外墻板“上拉下托”式的節(jié)點(diǎn)連接方式下荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形的作用。研究結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)建筑裝設(shè)外墻板較未裝設(shè)外墻板的節(jié)點(diǎn)撓度增大，且隨外墻板安裝層數(shù)的增加，鋼撓度絕對(duì)差值隨樓層的增加而逐漸增大；按照每3層劃分為一施工段時(shí)，在進(jìn)行第6層外墻板裝設(shè)時(shí)整個(gè)施工階段的鋼梁撓度絕對(duì)差為最大值，且最大值滿足要求；按照每5層劃分為一施工段時(shí)，在超過第7層以上外墻板裝設(shè)時(shí)，鋼梁撓度絕對(duì)差值均大于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的允許范圍，不滿足要求。因此不能夠僅為提高施工進(jìn)度而按照每5層為一施工段進(jìn)行施工，導(dǎo)致外墻板裝設(shè)不安全。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；裝配式；建筑外墻板

1 引言

裝配式建筑是由按設(shè)計(jì)制作的預(yù)制構(gòu)件在工地裝配的建筑。裝配式建筑包括裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑及各類裝配式組合結(jié)構(gòu)建筑等。裝配式建筑的承重結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件組成、圍護(hù)和分隔墻體采用預(yù)制方式，并裝修一體化。裝配式建筑設(shè)計(jì)的方案階段是整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重中之重；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在方案階段的作用更加重要，施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)注重細(xì)部節(jié)點(diǎn)的推敲。裝配式建筑設(shè)計(jì)的前期方案要考慮的問題是預(yù)制裝配率，預(yù)制裝配率是指裝配式建筑±0.000以上的預(yù)制構(gòu)件、裝配式內(nèi)外圍護(hù)墻等體積或面積占該部分總面積的比率。預(yù)制裝配率是評(píng)價(jià)裝配式建筑的主要指標(biāo)，反應(yīng)了裝配式建筑中裝配率程度。設(shè)計(jì)中應(yīng)明確建筑單體的預(yù)制裝配率情況。各地對(duì)于預(yù)制裝配率指標(biāo)都給出了一些地方性的規(guī)定，如根據(jù)江蘇省的相關(guān)文件中給出預(yù)制內(nèi)外墻板、預(yù)制樓梯板、預(yù)制樓板（簡稱三板）在單體建筑中的應(yīng)用比例不得低于60%。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

裝配式建筑的外立面強(qiáng)調(diào)免抹灰技術(shù)、一次成型技術(shù)（如瓷磚反打），避免外立面施工時(shí)進(jìn)行大量的濕作業(yè)。裝配式建筑的立面造型應(yīng)該通過陽臺(tái)板、空調(diào)板等出挑構(gòu)件的有序布置實(shí)現(xiàn)；應(yīng)該通過線腳、立面材質(zhì)以及陰影的變化實(shí)現(xiàn)；不應(yīng)該通過主體結(jié)構(gòu)的里凸外進(jìn)實(shí)現(xiàn)。裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算采用和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一樣的計(jì)算原則。預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)宜采用建筑模塊化設(shè)計(jì)思路，確保預(yù)制構(gòu)件的鋼筋與預(yù)留洞口、預(yù)埋件等構(gòu)件同建筑相吻合，簡化預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)施工；預(yù)制構(gòu)件的形狀、尺寸、重量等應(yīng)滿足制作、運(yùn)輸、吊裝、安裝各環(huán)節(jié)的要求；預(yù)制構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)應(yīng)便于工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場連接。裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆分與建筑平面、立面的調(diào)整是同時(shí)進(jìn)行的，此過程是落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的過程。裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩年得到了很好的發(fā)展，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，如嵌固部位樓板需要做現(xiàn)澆（地下室頂板需要做現(xiàn)澆）。

地下室頂板設(shè)計(jì)條件和標(biāo)準(zhǔn)層不一樣，也無法實(shí)現(xiàn)規(guī)格統(tǒng)一，做成現(xiàn)澆既充分滿足規(guī)范又便于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)；屋面板建議做現(xiàn)澆板，按GB/T51231-2016第5.5.2條要求，屋面板做疊合樓板時(shí)代價(jià)較大，且屋面板設(shè)計(jì)條件也不同于標(biāo)準(zhǔn)層，往往有太陽能設(shè)備基礎(chǔ)等附屬構(gòu)件；合用前室部位的樓板建議做現(xiàn)澆，該部位電氣管線密集，多為2排甚至多排電氣管線并行，此處做疊合樓板不便于施工；

3 工程背景

某建筑結(jié)構(gòu)為河北省一裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目。該項(xiàng)目總建筑面積約5萬m2，以混合框架-支撐體系為主，框架柱整體以矩形鋼管混凝土為基礎(chǔ)，梁、支撐采用熱軋H型鋼和焊接H型鋼連接，筏板基礎(chǔ)。建筑總高度為82m，其中地下建筑面積為620.41m2，地上建筑面積為10435.6m2。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系外墻板構(gòu)件采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝。由于受現(xiàn)場環(huán)境和施工工況的影響，外墻板需要承受外掛件的重量，特別是下層外掛墻板的安裝，容易導(dǎo)致上層框架出現(xiàn)較大變形。若墻板安裝節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大變形，則墻板無法按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝，因此需要合理的施工方案來保證鋼梁上層結(jié)構(gòu)的變形控制在合理范圍內(nèi)。本項(xiàng)目外墻板采用漸進(jìn)式、由上而下的安裝方法。由于缺乏相關(guān)的規(guī)范和工程實(shí)例，因此，采用MIDAS/Gen有限元分析軟件建立外墻板位移較大的節(jié)點(diǎn)模型來計(jì)算外墻板的位移，通過軟件模擬來實(shí)現(xiàn)不同施工階段下外墻板施工安裝精度和監(jiān)控要求。

3.2 樓板、屋面板設(shè)計(jì)

工程樓板采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼肋疊合板，由混凝土底板、波紋鋼腹板、混凝土上翼緣組成。其中底板厚度為30mm，波紋鋼腹板高度為45mm，混凝土上翼緣厚度為30mm，總高度105mm，波紋鋼腹板優(yōu)先選用厚度1.5mm，其上下兩端分別錨固于混凝土上翼緣和底板內(nèi)，其中在底板內(nèi)的錨固高度為25mm，在上翼緣內(nèi)錨固15mm，相鄰兩條混凝土上翼緣之間的距離為600mm。預(yù)應(yīng)力鋼筋使用1570級(jí)螺旋肋高強(qiáng)鋼絲φH5.0，單根預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力σcon=0.55?ptk，超張拉5%。底板內(nèi)另設(shè)置均布橫向鋼筋C8@200，上翼緣內(nèi)設(shè)置通長縱向鋼筋2C8，預(yù)應(yīng)力筋及上翼緣內(nèi)鋼筋的保護(hù)層厚度均為15mm。該預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板開裂荷載大于6kN/m2，極限承載力為8～18kN/m2，跨中撓度為7.75mm，與相同板跨的鋼絲桁架樓板相比，其承載力提高了3.3倍。

3.3 經(jīng)濟(jì)性研究

分別將計(jì)算鋼框架、鋼絲桁架混凝土復(fù)合墻板和預(yù)應(yīng)力混凝土鋼肋疊合板的成本。鋼材用量475.38t，工日1436，較混凝土框架結(jié)構(gòu)（框架柱600mm×600mm，框架梁300mm×750mm，次梁250mm×600mm）節(jié)約工期50%。鋼絲桁架混凝土復(fù)合墻板較200mm厚砌塊加50mm厚EPS保溫墻板相比，工期節(jié)約高達(dá)67.8%，節(jié)約建筑面積325.57m2。成本較砌塊+外保溫外墻和200mm厚ALC外墻板降低10%和20%。預(yù)應(yīng)力混凝土鋼肋疊合板施工周期較130mm厚現(xiàn)澆樓板減少68.5%，與130mm厚鋼筋桁架混凝土疊合板相比成本降低24%，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)建筑裝設(shè)外墻板較未裝設(shè)外墻板的節(jié)點(diǎn)撓度增大，且隨外墻板安裝層數(shù)的增加，鋼梁撓度絕對(duì)差值隨樓層的增加而逐漸增大。2）按照每3層劃分為一施工段時(shí)，在進(jìn)行第6層外墻板裝設(shè)時(shí)，獲得整個(gè)施工階段的鋼梁撓度絕對(duì)差最大值，其中第6層量節(jié)點(diǎn)的最大撓度絕對(duì)差值為4.872mm，最大撓度差出現(xiàn)在鋼梁A左側(cè)節(jié)點(diǎn)，且滿足JGJ/T157—2014要求。3）按照每5層劃分為一施工段時(shí)，在超過第7層以上外墻板裝設(shè)時(shí)，鋼梁撓度絕對(duì)差值均大于JGJ/T157—2014規(guī)定的允許范圍，不滿足施工要求。因此不能夠僅為提高施工進(jìn)度而按照每5層為一施工段進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，導(dǎo)致外墻板裝設(shè)超出JGJ/T157—2014要求。

參考文獻(xiàn)

[1]舒春香.綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的研究與應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（33）：19.

（作者單位：中國二十二冶集團(tuán)有限公司）