裝配式鋼結構住宅的設計實踐

陳 葉 銀

(上海寶鋼建筑工程設計有限公司，上海 201900)

1 裝配式鋼結構住宅現(xiàn)狀

近年來，發(fā)展裝配式鋼結構住宅是建造方式的重大變革，自2016年以來國務院和住建委多次發(fā)布指導文件和工作報告，大力推動了裝配式鋼結構住宅的發(fā)展。2019年，住建部發(fā)布了行業(yè)標準《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》，該標準在適用范圍、材料與構件類型、結構體系、結構位移控制等結構設計部分都有了詳細的要求。同年，住建部相繼批復山東、湖南、四川、浙江、河南、江西、青海等七個省份開展鋼結構裝配式住宅建設試點，以推動建立成熟的鋼結構裝配式住宅建設體系。據(jù)國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)，2020年新開工裝配式鋼結構建筑1.9億m2，較2019年增長46%，占新開工裝配式建筑的比例為30.2%，其中，新開工裝配式鋼結構住宅1 206萬m2，較2019年增長33%。而目前裝配式鋼結構住宅在我國民用建筑住宅中占比僅為5%，因此裝配式鋼結構住宅未來發(fā)展空間廣闊。近幾年來各省市裝配式鋼結構住宅項目一覽表見表1(未列全)。

表1 各省裝配式鋼結構住宅項目列表 萬m2

2 裝配式鋼結構住宅的技術組成

JGJ/T 469—2019裝配式鋼結構住宅技術標準比較詳細給出了裝配式鋼結構住宅幾大系統(tǒng)技術組成，主要包括：結構系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、設備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)。結構系統(tǒng)是由結構構件通過可靠連接方式裝配而成，用以承受或傳遞荷載作用的部件的整體，所以合理的結構體系是結構安全的首要保障。外圍護系統(tǒng)是由建筑外墻、屋面、外門窗及其他部品部件等組合而成，用于分隔住宅建筑室內(nèi)外環(huán)境的部品的整體[1]，外圍護系統(tǒng)對外觀效果、防火、防水、保溫隔熱等有較高要求，是鋼結構住宅的一項關鍵構成部分和重要集成技術，而外墻圍護體系又是其中的重中之重。文章結合工程項目簡單介紹目前常用的結構體系和外墻圍護體系兩方面技術發(fā)展情況。

3 鋼結構住宅常用的結構體系

多高層裝配式鋼結構住宅結構體系傳統(tǒng)的主要有純框架體系和框架—支撐體系兩種，新型的有集裝箱、鋼管束、鋼異形柱等結構體系，結合項目實踐主要介紹傳統(tǒng)的兩種結構體系。

1)對于不超過12層的鋼結構住宅，我們常采用純鋼框架體系。甘肅省蘭州市某保障性住房1號樓，房屋層數(shù)11層，房屋高度33 m，最大柱距7.6 m，建筑標準層戶型如圖1所示，該房屋抗震設防烈度為7度，鋼管混凝土柱抗震等級為二級，鋼梁抗震等級為四級，結構標準層體系布置如圖2所示,經(jīng)過PKPM計算，標準層冷彎矩形柱截面做到350 mm，地震作用下最大層間位移角為1/350，滿足國家規(guī)范規(guī)定的限值1/300。

該體系主要優(yōu)點：梁柱布置靈活，可增加建筑使用空間的利用率；自重較輕，材料延性好，有利于抗震；梁柱受力構件的生產(chǎn)、運輸和現(xiàn)場的安裝快速。主要不足之處：鋼框架屬于有側移結構，因此較難滿足高烈度地區(qū)對建筑抗震性能的要求，建筑層數(shù)及高度[2]。

2)對于超過12層的鋼結構住宅，我們采用了鋼框架—支撐體系。安徽省某地安置房，房屋層數(shù)27層，房屋高度78.6 m，最大柱距7.6 m，建筑標準層戶型如圖3所示，該房屋抗震設防烈度為7度，鋼管混凝土柱抗震等級為二級，鋼梁抗震等級為三級，結構標準層體系布置如圖4所示，經(jīng)過PKPM計算，標準層冷彎矩形柱截面為400 mm，支撐采用矩形截面鋼管，截面寬度150 mm～160 mm，長度150 mm～250 mm，截面地震作用下最大層間位移角為1/590，滿足國家規(guī)范規(guī)定的限值1/300。

這種結構體系的主要優(yōu)點如下：由于支撐的存在，與純鋼框架建筑相比，鋼框架—支撐體系抗側力能力有顯著增加，截面尺寸可有效減小，建筑層數(shù)和建造高度有較大提升[2]。 框架和支撐形成了兩道抗震防線，該結構具有較好的延性。該體系的缺點主要是：支撐的存在會影響建筑門、窗等洞口的布置，建筑方案確定需提前考慮支撐位置。支撐節(jié)點連接相對較復雜，如圖5所示。在支撐處的墻板施工較繁瑣，影響建筑在施工時的美觀性，如圖6所示。

4 裝配式鋼結構住宅常用的外墻圍護體系

裝配式鋼結構住宅除了結構體系是非常重要的一個方面以外，外墻圍護體系也是鋼結構住宅的一項關鍵技術，目前鋼結構住宅常用的外墻圍護體系有ALC條板+保溫裝飾一體板和夾芯保溫PC外掛板兩種外墻圍護體系，按與主體鋼結構的連接形式即為內(nèi)嵌式和外掛式。

1)ALC條板結合保溫裝飾一體板的外墻圍護系統(tǒng)，具備保溫性能優(yōu)、裝飾豐富耐久、防開裂及防水效果好、施工速度快等突出優(yōu)勢，是裝配式鋼結構住宅外圍護系統(tǒng)應用最廣泛的一種，ALC條板與主體結構的連接構造在規(guī)范《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構造》有詳細節(jié)點，此處不再贅述，工程應用實拍見圖7。常見的保溫裝飾一體板主要是硅酸鈣板一體板，它以黏為主、粘錨結合的方式固定在條板上，并采用保溫嵌縫材料縫填板縫，工程應用實拍如圖8所示。

2)另一種比較常用的外墻體系即夾芯保溫PC外掛板，它由內(nèi)外葉墻板、夾心保溫層、連接件及飾面層組成，保溫提前集成在外墻板中，在工廠進行預制完成，它對主體結構的安裝精度要求比較高，對施工吊裝設備要求也較高，PC外掛板工程實拍見圖9。外掛板與主體結構采用柔性連接，連接節(jié)點具有足夠的承載力和適應主體結構變形的能力，以50厚鋼筋混凝土(C30)+50厚擠塑聚苯板+50厚鋼筋混凝土(C30)外掛板為例，與主體結構的連接構造做法詳見圖10。

5 展望

裝配式鋼結構住宅建筑的性能不同于其他結構體系住宅的性能，外墻系統(tǒng)應根據(jù)不同的結構體系選擇適宜類型，同時也要求采用的外墻系統(tǒng)要耐久耐腐蝕，要與主體鋼結構使用壽命相協(xié)調(diào)，所以兩者之間的技術發(fā)展是一個協(xié)同化發(fā)展的過程。因此未來我們要 結合近幾年裝配式鋼結構住宅的研究結果和工程實踐經(jīng)驗，努力去實現(xiàn)裝配式鋼結構住宅高效率高質(zhì)量的工業(yè)化生產(chǎn)目標。