裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

蘇 磊，曹計(jì)栓，馮仕章

(1.北京建誼投資發(fā)展(集團(tuán))有限公司，北京 100068；2.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心，北京 100044)

0 引言

“十三五”期間，國家相關(guān)部委陸續(xù)出臺(tái)了20多項(xiàng)發(fā)展裝配式建筑的相關(guān)政策，其中重點(diǎn)提到了大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是建筑業(yè)推進(jìn)“供給側(cè)改革”的重要舉措，是“藏鋼于民”、完善戰(zhàn)略儲(chǔ)備、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手，是推進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的有效路徑。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有安全、高效、綠色、可重復(fù)利用的特點(diǎn)，是當(dāng)前裝配式建筑“三足鼎立”發(fā)展的重要支撐。目前,我國各地積極參與裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究和實(shí)踐,并取得相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和科技成果,但在建設(shè)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)大量制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的問題，主要為鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)品戶型尺寸模數(shù)與結(jié)構(gòu)、部品構(gòu)件模數(shù)不協(xié)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的推進(jìn)不夠，設(shè)計(jì)集成化程度低。本文通過探索裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)思路及流程，在模數(shù)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，通過組合標(biāo)準(zhǔn)部品部件實(shí)現(xiàn)多樣化，總結(jié)得到標(biāo)準(zhǔn)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，并在北京市首鋼二通廠南區(qū)(1615-681地塊)棚改定向安置房項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 指導(dǎo)思想

鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、模數(shù)化與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)的中心思想是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應(yīng)用，各系統(tǒng)間要滿足模數(shù)協(xié)調(diào)、專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同、標(biāo)準(zhǔn)化接口的要求。

1.2 設(shè)計(jì)流程

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)基本流程為：功能模塊居住空間設(shè)計(jì)(起居室、臥室、廚衛(wèi)等)→在假定柱網(wǎng)中組合居住單元→形成柱網(wǎng)模塊→形成結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫→項(xiàng)目實(shí)踐(模塊化組合+非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì))，具體要點(diǎn)如下。

1)功能模塊居住空間設(shè)計(jì)首先要考慮部品部件及墻板模數(shù)協(xié)調(diào)，其次與假定柱網(wǎng)居住單元組合之間進(jìn)行初級(jí)組合、交互調(diào)整。

2)假定柱網(wǎng)居住單元組合與形成的柱網(wǎng)模塊間進(jìn)行結(jié)構(gòu)初算、交互調(diào)整。

3) 確定柱網(wǎng)下的柱網(wǎng)模塊，為各種模塊組合輸入提供依據(jù)，結(jié)構(gòu)組合計(jì)算形成結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，最后進(jìn)行多種數(shù)據(jù)組合、大量計(jì)算、包絡(luò)分析等。

2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1 建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)品的設(shè)計(jì)核心是戶型的標(biāo)準(zhǔn)化與模數(shù)化，戶型設(shè)計(jì)的模數(shù)化主要包括基本開間和進(jìn)深的尺寸設(shè)計(jì)、各功能空間尺寸劃分兩方面。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)住宅內(nèi)不同功能空間建立不同的標(biāo)準(zhǔn)化獨(dú)立模塊，以實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化與模數(shù)化；從標(biāo)準(zhǔn)化的小模塊入手，通過合理組合匹配出多樣化住宅，解決鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化與住宅市場需求多樣化的矛盾。通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化的設(shè)計(jì)手法，可打造出安全、環(huán)保、舒適的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)品，按產(chǎn)品的不同系列可分為多高層產(chǎn)品和低層產(chǎn)品。

模數(shù)協(xié)調(diào)是鋼結(jié)構(gòu)住宅部品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化要以模數(shù)化構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化，以標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)工業(yè)化，最終實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化。因此，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)注重各尺寸的模數(shù)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅平面設(shè)計(jì)的模數(shù)化。

2.2 結(jié)構(gòu)部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)即實(shí)現(xiàn)型鋼構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，型鋼構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化按受力體系考慮以下方面：①豎向作用 考慮建筑的高度、柱網(wǎng)大小、建筑做法、圍護(hù)做法、樓板做法等；②橫向作用 考慮風(fēng)作用(風(fēng)壓、建筑外形)、地震作用(烈度、場地土類別、特征周期)。

通過研究結(jié)構(gòu)體系，得出型鋼構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，即H型鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻產(chǎn)品(見圖1)，豎向構(gòu)件鋼柱采用定制矩形鋼柱，抗側(cè)力體系采用防屈曲鋼板剪力墻；水平構(gòu)件鋼梁采用定制窄翼緣H型鋼梁，框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用梯形全栓接裝配式節(jié)點(diǎn)；樓板采用可拆模鋼筋桁架樓承板，滿足裝配化施工要求的同時(shí)，降低成本。

圖1 H型鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻

1)標(biāo)準(zhǔn)化定制型鋼

通過前期計(jì)算，匹配多種經(jīng)典戶型，歸納出多種定制型鋼，可用于6～8度區(qū)的多高層住宅。全樓框架鋼廠軋制，焊接量減少70%以上；全樓鋼柱、鋼梁輪廓統(tǒng)一；部品部件種類減小，使全樓內(nèi)、外墻高度統(tǒng)一，墻體材料用量降低20%以上，墻體安裝人工用量降低20%以上；定制窄翼緣鋼梁，使鋼梁隱藏在墻體內(nèi)，電管順利通過鋼梁翼緣；100%工廠軋制，加工工藝簡單形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)。優(yōu)化前、后的鋼梁翼緣如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前、后的鋼梁翼緣

2)標(biāo)準(zhǔn)化抗側(cè)力構(gòu)件

抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)為防屈曲鋼板剪力墻，在內(nèi)嵌鋼板外設(shè)置剛性約束構(gòu)件以抑制平面外屈曲，使內(nèi)嵌鋼板充分耗能。鋼框架-防屈曲鋼板剪力墻體系是融合鋼框架、防屈曲鋼板剪力墻兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)體系。防屈曲鋼板與框架構(gòu)成雙重抗側(cè)力體系，該新型結(jié)構(gòu)耗能能力更優(yōu)，初始抗側(cè)剛度更大，且平面布置靈活、施工方便，能解決傳統(tǒng)鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)場濕作業(yè)多、施工速度慢、工業(yè)化程度低等問題。其具體優(yōu)勢為：①結(jié)構(gòu)體系剛度大、延性好、承載力高，是優(yōu)秀的抗震結(jié)構(gòu)，特別適合用于高烈度地區(qū)；②構(gòu)件尺寸較小，結(jié)構(gòu)布置靈活，可避開建筑門窗在柱間的任意位置自由布置，減小對建筑使用功能的影響；③防屈曲鋼板剪力墻構(gòu)造簡單、安裝方便，可完全實(shí)現(xiàn)工廠加工、現(xiàn)場拼裝，工業(yè)化程度高。

防屈曲鋼板剪力墻主要由內(nèi)填鋼板和外側(cè)混凝土板組成，如圖3所示。外側(cè)蓋板用于約束內(nèi)嵌鋼板平面外變形，采用預(yù)制鋼筋混凝土板，在兩側(cè)蓋板和內(nèi)嵌鋼板的相同位置開孔以便螺栓穿過。

圖3 防屈曲鋼板剪力墻

3)可拆卸的桁架樓承板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

將樓板中的鋼筋在工廠制作為鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與鍍鋅板底模焊接為一體，形成桁架樓承板，鋼筋桁架直接作為板底、板面受力鋼筋。鋼筋桁架樓承板計(jì)算時(shí)與普通現(xiàn)澆混凝土設(shè)計(jì)理論等同，而其鋼筋桁架三角受力模式能提供更大的剛度，且雙向剛度一致，具有更好的抗震性能。施工時(shí)，可將鋼筋桁架樓承板直接鋪設(shè)在鋼梁上，然后進(jìn)行簡單的鋼筋工程施工，便可澆筑混凝土，鍍鋅板底模起模板作用，可提高樓板施工效率，實(shí)現(xiàn)底?；厥赵倮?。

4)樓梯設(shè)計(jì)

樓梯采用預(yù)制混凝土樓梯，現(xiàn)場免去濕作業(yè)，提高整體裝配率，安裝便捷，縮短施工工期。

2.3 外圍護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化圍護(hù)體系采用蒸壓加氣混凝土外墻板+保溫裝飾一體板替代傳統(tǒng)砌塊墻，如圖4所示。保溫裝飾一體板由4mm背板+80mm巖棉保溫+8mm面板組成，防火等級(jí)為A級(jí)。加氣混凝土外墻板熱工性能好、強(qiáng)度低；外墻板拼裝單元體與主體結(jié)構(gòu)間采用自復(fù)位搖擺減震連接節(jié)點(diǎn)連接，包含2個(gè)相互垂直的長圓孔供連接螺栓滑動(dòng)，釋放傳遞至節(jié)點(diǎn)的地震力，確保加氣混凝土條板連接節(jié)點(diǎn)受力較小，在多遇地震時(shí)不被破壞。主體結(jié)構(gòu)變形較大時(shí)，加氣混凝土條板受節(jié)點(diǎn)約束較小，可隨主體結(jié)構(gòu)共同變形，保證其在設(shè)防地震和罕遇地震下起到減小震害的作用，且不會(huì)嚴(yán)重破壞。加氣混凝土外墻板材拼裝單元體技術(shù)可極大地提高生產(chǎn)效率，減少現(xiàn)場作業(yè)，節(jié)能、降耗、減少污染。

圖4 保溫裝飾一體板

2.4 內(nèi)裝系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的室內(nèi)裝修由隔墻模塊和各部品裝修模塊組成(見圖5a)，臥室隔墻和廚房內(nèi)墻采用100mm厚輕集料輕質(zhì)混凝土板，分戶墻、電梯井周圍墻體、樓梯隔墻采用200mm厚蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土條板，內(nèi)墻飾面(除廚衛(wèi)間)均為石膏打底、面層涂料飾面，解決了進(jìn)戶電箱安裝、管線穿插、墻面抗裂等一系列問題。通過采用集成化、模塊化的部品形成標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)裝系統(tǒng)。

要做到部品設(shè)計(jì)前置，在方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到集成化部品的預(yù)制和應(yīng)用。采用地面架空(見圖5b)、整體廚衛(wèi)(見圖5c，5d)、集成機(jī)電、模塊收納等全裝配式做法，現(xiàn)場拼裝干式作業(yè)。設(shè)計(jì)選型過程中，可參照成品吊頂?shù)膹S家標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行內(nèi)裝設(shè)計(jì)，參照標(biāo)準(zhǔn)化整體衛(wèi)浴模塊尺寸進(jìn)行隔墻定位，按整體廚房的管井設(shè)計(jì)匹配機(jī)電管線、墻體預(yù)留洞口等。

圖5 內(nèi)裝系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

內(nèi)裝設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑、結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、設(shè)備與管線系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)。內(nèi)裝與建筑的協(xié)同，主要體現(xiàn)在功能空間尺寸和隔墻定位；內(nèi)裝與結(jié)構(gòu)的協(xié)同，主要體現(xiàn)在裝配式隔墻與上、下樓板或梁柱的拉結(jié)固定與變形空間及對鋼構(gòu)件的隔聲措施；內(nèi)裝與外圍護(hù)的協(xié)同，主要體現(xiàn)在門窗洞口收口、墻體縫隙處的防火隔聲處理；內(nèi)裝與設(shè)備管線的協(xié)同，主要體現(xiàn)在連接接口的通用性、管線敷設(shè)和維修改造的靈活性(如檢修口的設(shè)置)。

2.5 設(shè)備與管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅由傳統(tǒng)思維的機(jī)電設(shè)計(jì)演變?yōu)橥ㄟ^新的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)手段等總結(jié)研究出新型裝配式體系設(shè)備與管線集成模塊化、一體化、裝配化的設(shè)計(jì)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅室內(nèi)設(shè)備與管線應(yīng)與結(jié)構(gòu)主體分離，所有公共管線系統(tǒng)設(shè)在公共空間，選用集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化高的設(shè)備管線材料，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮專用部品可滿足可逆安裝，選用質(zhì)量好、使用時(shí)間長的部品。室內(nèi)設(shè)備及管線設(shè)計(jì)與整體廚房、整體衛(wèi)浴、架空地板等設(shè)計(jì)協(xié)同，使機(jī)電管線與結(jié)構(gòu)主體分離，避免濕作業(yè)、提高裝配率，實(shí)現(xiàn)管線預(yù)制化、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化采購。

設(shè)備與管線模塊化是將建筑項(xiàng)目中整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)拆分，由構(gòu)配件組合形成最小的、獨(dú)立的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單元，即模塊。通過對模塊按設(shè)計(jì)、安裝等要求進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、安裝、廠商數(shù)據(jù)信息的集成，以保證模塊可進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)選用、提資、精確化預(yù)制安裝，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化模塊重復(fù)使用。

3 工程實(shí)踐

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)施

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅在北京市首鋼二通廠南區(qū)(1615-681地塊)棚改定向安置房項(xiàng)目進(jìn)行推廣應(yīng)用，通過各專業(yè)相互協(xié)同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其中建筑與結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)間緊密協(xié)同，標(biāo)準(zhǔn)層外圍護(hù)如圖6所示。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，外圍鋼梁與鋼柱內(nèi)側(cè)齊平，鋼柱露在外側(cè)，盡量保證中柱偏向次要空間，增加室內(nèi)空間利用率，得房率提升10%～12%。柱網(wǎng)橫平豎直，簡潔合理，減少構(gòu)件數(shù)量種類，預(yù)制構(gòu)件規(guī)格統(tǒng)一，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，降低用鋼量，同時(shí)降低加工和安裝成本，為解決鋼結(jié)構(gòu)建筑“窗上口受鋼梁制約，窗下口受安全高度制約”的問題，外圈優(yōu)化設(shè)計(jì)為“王”字形梁，有效增大外窗高度?！巴酢弊中武摿汗?jié)點(diǎn)如圖7所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層外圍護(hù)

圖7 “王”字形鋼梁節(jié)點(diǎn)

3.2 結(jié)構(gòu)部件快速裝配

通過優(yōu)化構(gòu)件拆分，施工過程采用一柱四層，每8個(gè)工作時(shí)可完成全部22根鋼柱的安裝。鋼梁采用串吊法，一次性吊裝4根梁，每8個(gè)工作時(shí)能完成60根鋼梁的安裝，如圖8所示。防屈曲鋼板墻在現(xiàn)場預(yù)拼裝，與鋼梁焊接成整體吊裝(見圖9)。上述施工安裝過程均減少了塔式起重機(jī)吊次，節(jié)省安裝時(shí)間，提高工作效率，縮短工期，充分發(fā)揮了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準(zhǔn)化建造高效的特點(diǎn)。

圖8 鋼梁串吊法

圖9 防屈曲鋼板墻吊裝

3.3 外圍護(hù)部品裝配

外圍護(hù)板與鋼梁間采用自復(fù)位搖擺減震連接，提高安裝過程中配合精度的兼容性，安裝就位后，有較大調(diào)整范圍，降低安裝難度。加氣混凝土外墻板拼裝單元體間的豎縫為子母槽拼縫，采用加氣混凝土專用砂漿擠漿施工，保證板縫密閉且有一定變形能力，避免單元體間相互擠壓破壞。

保溫裝飾一體板采用粘錨結(jié)合方式固定，錨固件由塑料脹栓+卡扣式組合扣件組成，由專業(yè)施工隊(duì)伍安裝。

3.4 外墻防水控制

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻防水決定整個(gè)外墻質(zhì)量和后期運(yùn)營維護(hù)成本，因此控制好外墻ALC條板間拼縫、防屈曲鋼板剪力墻對拉螺栓孔、鋼柱與ALC條板防水和外墻保溫裝飾一體板的縫隙防水尤為重要。

外墻ALC條板間拼縫、防屈曲鋼板剪力墻對拉螺栓孔、鋼柱與ALC條板間先用密封膠及砂漿封堵，然后用聚合物抗裂砂漿找平，最后以板縫或螺栓孔為中心，涂刷100mm寬聚氨酯防水涂料，涂刷均勻無露底，厚1mm。

保溫裝飾一體板切割后需使用專用封邊漆進(jìn)行封閉滲透處理，以提高耐候膠與硅酸鈣板間的黏結(jié)力。外墻保溫裝飾板面板采用高密度硅酸鈣板，該材料具有較高的強(qiáng)度及柔韌性，但硅酸鈣板裁割后的斷面與硅酮耐候膠相容性不夠，需用專用滲透封邊漆在板材切割后用輥筒(或毛刷)均勻涂刷在飾面板四周(保溫層除外)。滲透封邊漆滲入飾面板2～3mm，起到牢固的、微觀尺度的物理化學(xué)互鎖咬合作用，避免保溫裝飾板因四周未封閉處理而產(chǎn)生黏結(jié)力差、易吸水、易翹曲變形等嚴(yán)重質(zhì)量問題，保證整個(gè)保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)具有可靠的耐候性和防水性。

3.5 內(nèi)裝、設(shè)備與管線裝配

架空地板、整體廚衛(wèi)、設(shè)備與管線等內(nèi)裝部品在裝配前制定了集成化材料部品的生產(chǎn)加工、包裝運(yùn)輸、安裝驗(yàn)收等工藝標(biāo)準(zhǔn)，在部品生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)控制質(zhì)量、進(jìn)度和成本。

4 結(jié)語

對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)與施工的緊密協(xié)同、創(chuàng)新優(yōu)化部品部件安裝工藝，探索裝配式鋼結(jié)構(gòu)外圍護(hù)體系的防水質(zhì)量控制，總結(jié)出一套可推廣復(fù)制的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品體系及建造方案，可為今后裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的大面積推廣提供參考。