多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)的分析

魏飛

摘? 要：作為一種工業(yè)化住宅類型，裝配式住宅具有較高的空間靈活性，比較適用于多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系。文章根據(jù)實(shí)際，主要就多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：多層住宅;裝配式;鋼結(jié)構(gòu)住宅;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TU391? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0090-02

Abstract： As a type of industrial housing， prefabricated housing has high space flexibility and is more suitable for multi-storey prefabricated steel structure housing system. According to the reality， this paper mainly analyzes the design problems of multi-storey prefabricated steel structure housing for reference.

Keywords： multi-storey housing; prefabricated; steel structure housing; design key points

當(dāng)前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅在國內(nèi)外都有廣泛應(yīng)用。尤其是在國外，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中已經(jīng)占據(jù)了較大比例，逐漸形成了完整配套的住宅產(chǎn)業(yè)化體系[1]。近年來我國多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅也取得了較好發(fā)展，多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的系統(tǒng)化、系統(tǒng)化特征逐漸明顯，但也存在一些問題。下面就多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)問題做具體分析。

1 多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系

與傳統(tǒng)住宅項(xiàng)目相比，多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有諸多的不同點(diǎn)。如，在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)住宅項(xiàng)目時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮的是建筑單體的設(shè)計(jì)以及小區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等;而在設(shè)計(jì)多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等問題。因此，在進(jìn)行多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需掌握多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系特征，在此基礎(chǔ)上遵循一定原則，確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、科學(xué)性[2]。

以多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的構(gòu)成為分類標(biāo)準(zhǔn)，可將整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)分為內(nèi)裝系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、模塊化部品系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等。將建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，可將其劃分為樓板、梁柱、樓梯等幾大體系。在這幾大體系中，梁柱體系又分為方鋼管混凝土組合異柱性結(jié)構(gòu)、矩形鋼管混凝土柱、高頻焊接矩形鋼管柱等。樓板體系又分為全預(yù)制累、半現(xiàn)澆類兩種。外圍護(hù)系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)組裝骨架類、預(yù)制墻板類、建筑幕墻類等[3]。在進(jìn)行多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循一定的結(jié)構(gòu)體系，以保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性。具體如，在設(shè)計(jì)衛(wèi)生間時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮到結(jié)構(gòu)體系中各系統(tǒng)之間的組裝，考慮衛(wèi)生間的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)整個(gè)建筑產(chǎn)生怎樣的影響。

2 多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 模數(shù)化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)建筑的多個(gè)領(lǐng)域中，模數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了相對(duì)廣泛的應(yīng)用。如傳統(tǒng)建筑中的門窗構(gòu)件、開間進(jìn)深、柱網(wǎng)、軸線等，多是采用模數(shù)化設(shè)計(jì)。與其他的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，模數(shù)的設(shè)計(jì)要求更嚴(yán)格、更深入、更全面[4]。此外，在進(jìn)行多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要掌握構(gòu)件生產(chǎn)尺寸的模數(shù)，了解框架結(jié)構(gòu)與其他建筑材料之間的適配性等，從而確保建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2 戶型設(shè)計(jì)

在進(jìn)行住宅建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)的戶型設(shè)計(jì)無法滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅對(duì)模數(shù)化以及生產(chǎn)施工的要求，因而需要設(shè)計(jì)出適宜的戶型。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及建筑技術(shù)的發(fā)展，我國的建筑住宅類型也更加豐富多樣，多層住宅的施工建設(shè)也越來越普遍。如與傳統(tǒng)住宅相比，多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的建筑空間的可變性、自由度等較高。且裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的維護(hù)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)支撐體系相互獨(dú)立，建筑中隔墻的位置、模數(shù)等都可以根據(jù)實(shí)際情況做靈活設(shè)計(jì)與改變。除此之外，高層鋼結(jié)構(gòu)與多層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征有所不同，兩者間的差異性在交通核心筒方面體現(xiàn)的更為明顯，在戶型設(shè)計(jì)上也有很多不同。具體如，在進(jìn)行戶型設(shè)計(jì)時(shí)，建議設(shè)計(jì)人員注意以下幾點(diǎn)：

2.2.1 戶型的基準(zhǔn)尺寸

各部分尺寸應(yīng)以某個(gè)確定的模數(shù)為基準(zhǔn)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。在嚴(yán)格參照基準(zhǔn)尺寸的基礎(chǔ)上，戶型中的衛(wèi)生間、廚房、主臥、客廳等的進(jìn)深尺寸、開間等必須合理控制。

2.2.2 組裝靈活性

組裝的靈活度高是多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的一大特征。在進(jìn)行多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到用戶的需求以及后期組裝對(duì)靈活性的要求。如有著用戶初次購買住宅時(shí)，可能只有兩人居室的要求，但隨著家庭成員的增加，可能就會(huì)有三代同居的居住要求。因此在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)考慮到組裝對(duì)靈活性的要求。此外，臨時(shí)構(gòu)件的拆裝必須方便快捷，如外圍構(gòu)件、樓梯等要滿足易安裝、易拆卸的要求。這樣不僅能有效滿足用戶的居住需要，也能有效延長(zhǎng)戶型的生命周期，提升戶型的實(shí)用性、舒適性[5]。

2.2.3 空間利用率

受結(jié)構(gòu)等因素影響，傳統(tǒng)住宅的空間利用率較低。但多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅有效彌補(bǔ)了這一不足，大大提升了住宅的空間利用率。在進(jìn)行多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)延續(xù)建筑的這一優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮建筑在構(gòu)造、結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì)，提升空間利用率。如在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)住宅中的“副空間”做合理利用，對(duì)住宅中的儲(chǔ)藏室、走廊等進(jìn)行改造利用等，最大程度擴(kuò)大住宅中的可用面積。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保證構(gòu)件截面承載力小于節(jié)點(diǎn)連接的承載力，并滿足各種不同結(jié)構(gòu)體系相應(yīng)的剛度、強(qiáng)度以及延性等的要求。多層鋼結(jié)構(gòu)住宅系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要涉及到以下工作：梁梁連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、柱柱拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。

在梁柱連接部位，一般常見以下三種設(shè)計(jì)方法：全螺栓節(jié)點(diǎn)，栓焊混合節(jié)點(diǎn)以及全焊接節(jié)點(diǎn)。上述三種連接節(jié)點(diǎn)，在抗震性等方面有所不同。如全焊接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)剛度以及延性較好。全栓焊連接節(jié)點(diǎn)整體上呈現(xiàn)出一種滯回曲線，該種節(jié)點(diǎn)的延性較差，抗震性能也較差，當(dāng)受到地震的影響時(shí)，建筑節(jié)點(diǎn)的承載力將受到影響而降低，因此該種節(jié)點(diǎn)形式一般用于非地震區(qū)多層框架。而栓焊混合節(jié)點(diǎn)，在衍生性、抗震性等方面較好，因此目前應(yīng)用的較為廣泛[6]。在具體設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況做合理選擇。

2.4 樓板設(shè)計(jì)

多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的樓板，可采用鋼筋混凝土樓板和壓型銅板組合樓板。

這一類型的樓板不僅造價(jià)低，而且施工過程簡(jiǎn)單，整體性能優(yōu)良，在建筑工程中比鋼筋混凝土樓板更為適用[7]。

2.5 柱腳設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的柱腳，主要是指鋼結(jié)構(gòu)最下層柱構(gòu)件的下端和基礎(chǔ)混凝土連接部分。柱腳是將最下層柱下端所受的軸力、剪力、彎矩等有效傳遞給基礎(chǔ)[6]。在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)柱腳發(fā)揮著重要作用，因此需高度重視鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)工作。當(dāng)前，常見的鋼結(jié)構(gòu)柱腳主要有以下類型：外露式柱腳、埋入式柱腳以及外包式柱腳。其中，外露式柱腳施工簡(jiǎn)便，施工效率高，但是其的剛度、承載力、抗震性等較低，因此外露式柱腳在高層建筑、小規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)建筑中都有應(yīng)用，但在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用的較少。埋入式鋼結(jié)構(gòu)柱腳與外露式柱腳有所不同，埋入式柱腳的承載力、抗震性等更為良好。埋入式柱腳的軸力主要是通過鋼柱腳部的底板進(jìn)行傳遞;埋于混凝土中的鋼柱與混凝土間的承壓則主要傳遞剪力與彎矩。在設(shè)計(jì)時(shí)，要將鋼柱埋入基礎(chǔ)混凝土中的深入控制在鋼柱截面高度的2.5倍以上。為保證鋼柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用一定數(shù)量的鋼筋配置在鋼柱周圍，尤其是在邊柱的周圍配置鋼筋，并適當(dāng)增加混凝土的保護(hù)層厚度，以防工程在后續(xù)施工或使用過程中出現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問題或安全問題。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)建筑，選用埋入式柱腳最為適宜。為保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在選擇并應(yīng)用埋入式柱腳時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑物的類型來選擇相應(yīng)的柱腳連接形式，從而提升整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量[8]。在設(shè)計(jì)外包式柱腳時(shí)，主要通過鋼柱腳部的底板將軸力傳遞給基礎(chǔ)，同時(shí)通過外包式構(gòu)件混凝土部分來傳遞剪切力與彎矩，以此保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。同時(shí)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)柱腳時(shí)首先需要計(jì)算出柱腳的最大彎矩承載力以及鋼柱腳部的負(fù)擔(dān)承載力，在明確上述重要數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)，更有利于提升柱腳設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性。

2.6 節(jié)能設(shè)計(jì)

要想提升多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的節(jié)能性，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)做好住宅的朝向設(shè)計(jì)，而南北向設(shè)計(jì)最為適宜。在南北向房間中，冬暖夏涼，冬天有陽光射入室內(nèi)，可提升室內(nèi)溫度并因此減少對(duì)空調(diào)、煤炭等的使用;夏季可最大程度減少太陽對(duì)墻面以及室內(nèi)空間的照射，并保持通風(fēng)的順暢，確保室內(nèi)溫度適宜。另外，在多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，減少房間熱量的散失，以此達(dá)到節(jié)能目的。具體如，設(shè)計(jì)人員可通過控制窗墻比來改善屋面、樓地面、樓梯間、門窗等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，以此實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)[9]。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅取得了良好發(fā)展，多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的系統(tǒng)化、系統(tǒng)化特征逐漸明顯，住宅設(shè)計(jì)水平也逐步提升。但要想進(jìn)一步推升多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品品質(zhì)，相關(guān)單位、人員還應(yīng)立足實(shí)際，繼續(xù)推進(jìn)對(duì)多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究與探索，不斷優(yōu)化多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)，有效提升住宅的實(shí)用性、舒適性以及綠色節(jié)能性。

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