裝配式鋼結構住宅工程設計及其優(yōu)化策略

文／徐洲 山東上冶鋼構股份有限公司 山東濰坊 261072

引言：

當前國家大力推進裝配式住宅建設，一些企業(yè)也開始進行相應的產(chǎn)業(yè)布局及技術研發(fā)。一些示范工程的完成，對裝配式鋼結構行業(yè)的進步帶來了助力。但當前鋼結構住宅的設計還存在很多問題，結構體系與住宅戶型平面布局的矛盾制約了鋼結構住宅的發(fā)展，一些設計人員在設計時照搬鋼混結構住宅戶型，導致鋼結構住宅設計中產(chǎn)生了很多問題。當前缺乏鋼結構住宅工程的設計案例，設計人員缺乏對模數(shù)化及標準化設計方法的了解，仍采用傳統(tǒng)設計方法進行設計，給裝配式鋼結構住宅的應用及推廣造成了制約。現(xiàn)以某工程為例，對裝配式鋼結構住宅工程的設計及優(yōu)化進行探討。

1、工程案例

某裝配式住宅項目為政府安置房，根據(jù)政策規(guī)定需采用裝配式建筑。地下3 層、地上27 層，高度80m。安全等級為二級，抗震設防烈度為7 度，Ⅲ類場地。處于寒冷B 區(qū)。2 裝配式鋼結構住宅工程的平面方案及優(yōu)化設計。

1.1 結構方案的優(yōu)化設計

作為政府安置類住房，該住宅工程結構體系應具有造價合理、效率高、技術成熟的特點。當前可供選擇的結構體系較多，鋼結構體系包括鋼管混凝土柱框架-支撐體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-支撐體系及鋼框架體系、Y 形柱鋼框架體系、鋼管束剪力墻體系、異形柱框架體系及異形柱框架-支撐體系、鋼板組合剪力墻體系等。鋼框架-混凝土剪力墻體系需要進行現(xiàn)場綁扎鋼筋及混凝土澆筑工作，存在與鋼框架結構工序交叉的情況，不符合裝配式技術發(fā)展趨勢。鋼板組合剪力墻體系結構復雜，施工難度大。Y 形柱鋼框架體系的Y 形面會影響到建筑立面，且當前缺乏類似施工案例。鋼框架-延性墻板為了發(fā)揮耗能特點，需要進行結構變形，要求圍護結構能很好的適應變形。對異形柱框架-支撐體系、鋼框架支撐體系及鋼管混凝土柱框架支撐體系從單位用鋼量、剪重比、地震下最大層間位移角等方面進行比選，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土柱框架支撐體系的剛度可滿足要求，單位用鋼量最優(yōu)，具有良好的防火、隔聲性能，適合應用于該項目[1]。用鋼量中，梁的用鋼量占比為54%，柱的用鋼量占比為40%，支撐的用鋼量占比為6%。

1.2 平面方案及優(yōu)化設計

1.2.1 戶型優(yōu)化設計的原則

合理進行鋼結構住宅工程的優(yōu)化，可以讓住宅及小區(qū)整體更加合理，可提高施工的可操作性及節(jié)能效果。裝配式鋼結構住宅工程在進行設計時需要充分考慮到以下幾點：第一，結構要合理，梁、柱所需要的數(shù)量在合理的情況下盡可能減少，這樣才能減少用鋼量。第二，要能滿足功能需求，平面設計時布局要合理，要有動靜分區(qū)、潔污分區(qū)，功能關系要緊湊。第三，模數(shù)制要求板材的寬度要統(tǒng)一，這樣才能方便標準化生產(chǎn)。第四，要能方便施工，要確保所有的樓梯、廚衛(wèi)等均保持一致，板材的規(guī)格要統(tǒng)一。第五，節(jié)能節(jié)地，要對建筑的體形系數(shù)進行控制，提高空間的利用率，減少凹凸。第六，造型要美觀，要重點處理入口雨棚頂、坡屋頂及窗線條腰線等，外墻要保持整齊。

1.2.2 結構體系的選型

當前鋼結構住宅結構體系包括錯列桁架結構、純鋼框架結構、輕鋼龍骨結構、鋼框架-支撐結構、鋼框架-預制混凝土墻框剪結構、鋼框架混凝土筒/墻體混合結構等。錯列桁架結構體系的剛度較大，與框架結構相比可減少30%-40%用鋼量，這一結構體系的特點在于高效、實用、經(jīng)濟，在旅館建筑及多層公寓等項目中應用廣泛。純鋼框架結構的框架柱主要為H 型鋼，橫向、縱向都可以設置為鋼框架，這一結構體系的優(yōu)點在于制作及安裝都比較簡單，使用時比較靈活，施工效率高；這一結構體系的缺陷在于為了抵抗側向力需要增加梁柱的截面積；純鋼框架結構主要應用于不超過6 層的多層建筑。輕鋼龍骨結構使用配套扣件及加勁件使用自攻螺絲連接天龍骨、地龍骨、梁、柱及中間腰，該結構體系的特點在于構件尺寸不大，能為建筑布置提供便利，具有良好的保溫性能，可以在工廠中完成受力墻體的拼裝，因此施工效率高；該結構體系的缺陷在于梁柱鉸接的方法不能應用于強震區(qū)的高層建筑，該結構體系適合應用于低層、中層的住宅或別墅。鋼框架-支撐結構的小震、中烈度地震下的剛度可以很好地承受側向水平力，在強震作用下的耗能能力及延性良好，該結構體系適合應用于小高層、多層建筑。鋼框架-預制混凝土墻框剪結構根據(jù)強度設置內(nèi)藏鋼板，不需要考慮屈曲，該結構的受力性能良好，支撐構件可以與隔墻布置結合；該結構的缺陷在于制作比較負責，現(xiàn)場安裝時較為復雜，該結構適合應用于高層建筑。鋼框架混凝土筒/墻體混合結構有機結合具有良好防火性能、較高抗壓強度及抗側剛度的混凝土結構及具有重量輕、強度高、施工效率高的鋼結構，可以取得優(yōu)勢互補的效果；這一結構體系的缺陷在于使用混凝土作為芯筒，重量減少不明顯，現(xiàn)場需要進行混凝土的澆筑，因此增加了工程量，該結構體系適合應用于高層建筑。

1.2.3 平面方案的優(yōu)化設計

前期方案為其他公司在傳統(tǒng)剪力墻結構思路下完成的設計，并不適合用于鋼結構住宅中。對此應在裝配式鋼結構設計思路指導下對設計方案進行優(yōu)化，基于鋼結構特點，采用模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊化設計原則指導調(diào)整戶型[2]。

戶型優(yōu)化設計時，需要以滿足住宅平面功能為基礎，與人們生活方式相適應。當前設計思路有兩種，分別是：（1）改革式思路，以傳統(tǒng)結構體系的典型套型及平面方式為基礎進行簡單修改后移植，這種思路是當前我國鋼結構住宅試點的主要思路，其主要是從功能優(yōu)化與結構優(yōu)化兩個方面實現(xiàn)。功能優(yōu)化指的是為了確保住宅的功能優(yōu)化，調(diào)整鋼結構住宅的柱網(wǎng)布局，對局部柱網(wǎng)采用凹凸、錯位設計來保證各方面通風及采光良好。結構優(yōu)先指的是在規(guī)則的柱網(wǎng)內(nèi)對交通空間及套型空間進行優(yōu)化從而使鋼結構住宅變得緊湊、舒適，組合應用大套型與小套型來增加進深，充分利用土地。（2）開放式思路，其要求充分發(fā)揮出鋼結構系統(tǒng)的特點，開放設計住宅平面功能?？砂凑找韵峦緩綄崿F(xiàn)對平面方案的優(yōu)化設計：①結構規(guī)整：要根據(jù)鋼結構特點來對模塊進行設計，軸線要對位，結構布置要方正、規(guī)整，盡可能減少柱的數(shù)量從而提高空間占比，將鋼結構優(yōu)勢充分發(fā)揮出來；②模塊組合：根據(jù)不同使用功能劃分，確定戶型模塊，戶型模塊應通過多樣化組合來設計；③模數(shù)協(xié)調(diào)：部件、內(nèi)裝部品要做到通用化、系列化、標準化。

1.3 外圍護結構的優(yōu)化設計

1.3.1 外圍護結構材料

當前可應用于裝配式鋼結構住宅工程的外圍護材料可分為新型板材類、新型砌塊類及新型磚類，分別探討如下：

（1）新型板材

新型板材經(jīng)工廠預制生產(chǎn)后運送到工地，將其應用于裝配式鋼結構住宅工程中，可以有效提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件，縮短工期，與磚混結構相比，新型板材可以有效減少建筑自重，可取得一定增加建筑面積效果[3]。當前常見的新型板材包括：①植物纖維水泥復合板（PRC 板），其采用農(nóng)作物秸稈或木材作為增強材料，將水泥作為粘合劑加相應添加劑經(jīng)過熱壓或冷壓加工而成，這種板材兼具木材特性與水泥優(yōu)點，可應用于工民建建筑的外、內(nèi)非承重墻；②蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（ALC 板），其采用鋼筋、石膏、硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、發(fā)氣劑等制成板材，板材的強度儲備及整體剛度良好，耐火、隔音、隔熱性能良好，可滿足內(nèi)隔墻與外墻需要；③玻璃纖維增強水泥板（GRC 板），其主要是將低堿度硫鋁酸鹽水泥砂漿作為基材，將耐堿剝離纖維作為增強材料，將原料制備為中間含有孔洞的條形板材，該板材的特點在于耐火及耐水性能優(yōu)良，具有良好的抗沖擊性能，強度高，質(zhì)量輕，工藝簡單，可節(jié)省材料用量，這種板材可應用于裝飾板、屋面板、隔墻板及外墻板；④鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯夾芯板（GJ 板），先焊接一個冷拔低碳鍍鋅鋼絲作為骨架的空間網(wǎng)架，將充氧性能良好的阻燃性聚苯乙烯泡沫填入其中從而形成剛性整體，這種材料的隔聲、隔熱、保溫性能優(yōu)良，將其應用于住宅工程可明顯提高舒適度；除此以外，此類材料還具有自重較輕的特點；⑤ASA 板，其主要由水泥、粉煤灰、耐堿玻璃網(wǎng)格布等構成，其特點在于具有良好的隔聲、耐火、保溫隔熱性能，強度高，質(zhì)量輕，板材加工方便，施工快捷、簡便，這種板材可應用于非承重墻板、隔墻板、樓板及屋面板；⑥定向刨花板（OSB 板），其采用小徑級原木刨片得到薄長條刨花，使用添加劑、膠粘劑等后鋪裝、熱壓形成人造板材，這種板材具有良好的抗震性能與隔聲效果，可與其他材料組合作為復合墻板使用。

（2）新型砌塊

新型砌塊可采用地方材料、工業(yè)廢料及素混凝土等制作，其具有施工簡單、靈活性高、制作方便的優(yōu)勢，可以減少對耕地造成的破壞。生產(chǎn)砌塊時應結合當?shù)貙嶋H情況，就地取材?？招钠鰤K包括多排扁孔、單排圓孔及單排方孔等類型。砌塊材料包括粉煤灰、工業(yè)廢料、加氣混凝土及混凝土等。

常見的新型砌塊包括：①泡沫混凝土：將泡沫狀發(fā)泡劑與石灰、水泥、粉煤灰、砂、外加劑、水等混合，澆筑至設計規(guī)格并進行養(yǎng)護，制備出的成品含有豐富封閉氣孔。泡狀混凝土具有良好的吸音效果，保溫性能良好，具有一定強度，其質(zhì)量較輕，加工方便，泡沫混凝土可應用于工民建建筑異形墻體材料；②普通混凝土小型空心砌塊：其采用普通混凝土材料制備而成，空心率在25%-50%，這種材料具有良好的抗震性能，自重輕，具有良好的耐火性，施工簡單，綜合經(jīng)濟水平高，可應用于墻體材料；③蒸壓加氣混凝土砌塊：其原料包括粉煤灰、砂、鋁粉、礦渣、石灰、水泥等，經(jīng)多道工序制備為多孔混凝土砌塊，其特點在于強度高、防火性能好、保溫性好、容重輕，容易加工，這種材料被廣泛應用于多層建筑的承重墻、內(nèi)隔墻、填充墻等中[4]。

（3）新型磚

目前，隨著黏土實心磚的禁用，爐渣磚、草磚、蒸壓粉煤灰磚、灰砂磚、燒結頁巖空心磚等新型磚被應用廣泛，但考慮到鋼結構住宅的施工要求及結構設計，草磚是最適合的選擇。草磚采用稻草、秸稈及其他農(nóng)業(yè)廢棄物制備而成，其具有良好的保溫性能，原料豐富，成本低，對大氣造成的污染較小。草磚在框架結構中應用廣泛，可用于搭建結構框架來支撐天花板及屋頂，發(fā)揮保溫效果。

1.3.2 圍護結構的選材及優(yōu)化設計

（1）外窗

外窗通常采用斷橋鋁合金窗或單框雙玻塑鋼窗，玻璃可采用LOW-E 玻璃或中空玻璃。外窗的構造方案見表1。從耐久性、經(jīng)濟性、氣候條件等因素考慮，最優(yōu)窗戶類型存在差異。當需要同時考慮耐久性、經(jīng)濟性等因素時，則窗戶傳熱系數(shù)難以滿足要求，需要權衡圍護結構的熱工性能。窗戶設計時需考慮以下因素：①非南向窗以滿足采光為前提，盡量選擇小窗以確保窗墻比足夠；②分型時選擇玻璃面積大、分檔少的產(chǎn)品；③要對密縫進行處理，預防窗縫透風。

表1 鋼結構住宅外窗構造方案

（2）外墻

對普通住宅采用ASA 復合保溫外墻板作為外墻即可；當住宅對保溫隔熱要求較高時，可采用雙墻加芯保溫隔熱設計，可將墻分為兩層，墻體材料可以使用稻草板或ASA 板，板材中間留置30 mm -120mm 空隙，空隙中可填塞塊狀或無機松散的麥殼、木屑、爐渣等保溫材料，也可以作空氣層。該工程外墻構造為：5 mm 厚聚合物水泥砂漿+ASA 板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA 板+8 mm 厚粉刷石膏。對寒冷B 區(qū)，空隙材料科采用50 mm 厚麥殼，建筑板材可采用60mm 厚稻草板。

（3）屋面

當屋面采用雙層配筋的ASA 復合屋面板即可滿足熱工性能要求時，可在上方直接鋪設SBS 防水卷材；當僅使用單層屋面板不能滿足保溫隔熱要求時，需在屋面板上增加模塑聚苯板、擠塑聚苯板或其他保溫材料。該工程屋面構造為：4mm 厚SBS 防水卷材+30mm 厚細石砼找平+陶粒砼找坡層最薄處30mm+100mm 厚加氣砼砌塊保溫層+附加保溫板+20mm 厚水泥砂漿找平+ASA 復合屋面板。對嚴寒B區(qū)可附加30mm 厚擠塑聚苯板。

（4）周邊地區(qū)

當工程處于寒冷、嚴寒地區(qū)時，需要采用爐渣、擠塑聚苯板等材料對室內(nèi)距外墻表面2m 以內(nèi)的周邊地面進行保溫處理。該工程對周邊地區(qū)處理時，其構造為20mm 厚水泥砂漿面層+30mm 厚細石混凝土找平層+擠塑聚苯板保溫層+80mm 厚混凝土層+素土夯實。對寒冷B 區(qū)，保溫層厚度為30mm。

1.3.3 圍護結構組合方案

以鋼結構住宅外圍護結構構造方案為基礎，同時考慮經(jīng)濟適應性、氣候適應性及技術可行性，合理確定熱工性能參數(shù)，確定適宜組合方案為：外墻：5mm 厚聚合物水泥砂漿+ASA板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA 板+8 厚粉刷石膏；屋面：4mm 厚SBS 防水卷材+30mm 厚細石混凝土找平+陶?；炷琳移聦幼畋√?0mm+100mm 厚加氣混凝土砌塊保溫層+附加保溫板+20mm 厚水泥砂漿找平+ASA 復合屋面板，附加30mm 厚的擠塑聚苯板；地面：30mm 厚的擠塑聚苯板；外窗為6mm 厚的塑料窗框中空玻璃。

結語：

隨著人力資源緊缺、勞動力成本的持續(xù)增加，傳統(tǒng)混凝土結構住宅面臨較大發(fā)展阻力。裝配式鋼結構住宅具有構件標準化、布局靈活、環(huán)保、資源可回收利用等眾多特點，與傳統(tǒng)鋼混結構住宅相比優(yōu)勢明顯，特別適合我國當下資源緊缺國情，因此裝配式鋼住宅結構的發(fā)展前景廣闊。