三種裝配式鋼結構住宅設計與軟件應用

楊悠子，常麗娟，楊廣劍，王 曦

（中國建筑科學研究院有限公司建研科技股份有限公司，北京 100013）

1 概述

近年來，國家大力推廣裝配式住宅建筑。裝配式鋼結構從住宅產業化、環保、抗震防災、加速房屋建造周期等因素考慮，具有廣闊的市場和前景。本文將介紹3 種裝配式鋼結構住宅的結構特點及設計方法等內容，并介紹PKPM 的這3 種裝配式鋼結構軟件的應用。3 種裝配式鋼結構住宅分別為低層冷彎薄壁型鋼住宅、鋼管束剪力墻結構住宅、組合鋼板剪力墻結構住宅。

2 低層冷彎薄壁型鋼住宅

低層冷彎薄壁型鋼結構主要用于3 層及以下的城鎮住宅。房屋是全部由薄壁鋼材在現場組裝成的“盒子”式結構。其主要組成系統包括墻體系統、樓蓋系統、屋蓋系統（見圖1）。

2.1 結構特點

2.1.1 墻體系統

結構的墻體由墻體骨架、內外墻板組成。墻體骨架由上、下導梁和立柱組成。立柱上、下分別插到上導梁和下導梁中。自攻螺釘連接著各構件，如圖2所示。定向刨花板、紙面石膏板、水泥纖維板等為墻體骨架外包的常用面板。立柱和外包的墻體面板需要用自攻螺釘進行連接[1]。

2.1.2 樓蓋系統

樓蓋系統較為復雜，各種薄壁型鋼構件組成其骨架。樓蓋系統骨架上覆樓面結構板，同時支撐、加勁件、拉條等也必不可少，這些構件之間通過自攻螺釘連接。梁外面一圈為邊梁，樓蓋的密梁兩端插在邊梁內，同樣用自攻螺釘連接。板和梁之間用自攻螺釘連接，如圖3 所示。

2.1.3 屋蓋系統

桁架或斜梁是本結構體系常見的屋面承重結構。在屋架上弦需要設置屋面鋼拉帶或者選擇鋪設結構板的方式。支撐和所有屋架的交點處應用自攻螺釘進行連接。屋脊處無集中荷載時，屋架的腹桿與弦桿可直接連接；有集中荷載時應通過連接板連接。

2.2 設計方法

低層冷彎薄壁型鋼住宅設計建模時立柱的間距一般為0.4 m～0.6 m，邊柱常采用雙柱或多柱，多柱用鋼拉帶連接，常見的構件類型可選擇薄壁槽型構件或者卷邊槽型構件。樓蓋系統的設計較為特殊，在樓蓋梁上側布置樓面結構板，常見用定向刨花板，也可用壓型鋼板上澆薄層混凝土。

低層冷彎薄壁型鋼住宅設計計算時，要分別計算建筑結構的2 個主方向的水平荷載。水平風荷載需要按照荷載規范進行計算，地震荷載按照底部剪力法進行計算。每面墻承擔的水平荷載需按照墻體抗剪剛度的大小按比例進行分配。某方向的抗剪墻體承擔該方向的水平荷載，水平剪力產生的彎矩由墻的兩邊柱承擔，如圖4 所示。

邊柱軸力計算公式：

式中：N 為拉拔力，kN；PS為水平剪力，kN；h 為墻體高度，m；b 為一對抗拔連接件之間的墻體實際寬度，m。

承重墻體和抗剪墻體的立柱獨立承擔豎向荷載。

由于實際工程中存在門窗洞口，它們會削弱墻體的抗剪剛度，所以結構計算時需要乘以相應的洞口折減系數。構件的承載力按薄壁規范進行計算。

2.3 軟件介紹

PKPM 的V3.2 版本中正式推出了低層冷彎薄壁型鋼結構設計軟件CSHCAD。該軟件可完成各種低層冷彎薄壁型鋼結構的模型建立、結構分析、構件設計、特殊墻板設計及材料統計等。

2.3.1 軟件截面庫

CSHCAD 軟件包含了低層冷彎薄壁型鋼住宅常用的截面形式，包括薄壁槽、薄壁卷邊槽鋼、薄壁槽鋼組合、薄壁角鋼、薄壁角鋼組合等。同時，軟件提供自定義截面功能，設計人員可根據需要自定義截面尺寸。

2.3.2 建模方式

1）交互建模

軟件三維空間結構模型輸入界面（見圖5）。軟件提供傳統的交互建模方式，可完成任意模型的建立。

2）快速建模

低層冷彎薄壁型鋼結構的桿件截面小，間距近，桿件數量多。軟件針對這種結構特點提供了2種快速建模方法。一種是直接導入標準戶型庫；另一種是針對墻柱等間隔且數量多的布置規律，提供快速布置整片墻的方法。

軟件內部植入多個標準模型庫，供設計人員直接選擇載入并進行設計（見圖6）。

針對低層冷彎薄壁型鋼住宅“密柱密梁”的結構特點，軟件提供了快速布墻、快速布梁、快速布置窗洞口功能，以此來提高建模的效率（見圖7）。

3）結構分析功能

軟件對于豎向荷載采用一般空間桿系有限元方法分析。主要抗側力構件為墻面，墻體設計遵循“冷彎薄壁規程”的相關要求。

軟件特別設計了適用于低層冷彎薄壁型鋼結構的墻板類型選擇框（見圖8）。除規程中提到的3種常用墻板類型外，軟件提供自定義墻板功能。采用自定義墻板時用戶只需要輸入墻板抗側移剛度及單位長度抗側承載力設計值即可。

4）計算結果

軟件可以輸出住宅整體計算書和各層信息計算書。整體計算書包含：設計依據、風荷載作用信息、地震荷載作用信息、墻板抗剪信息、材料統計信息。各層計算書包含：樓層信息、墻基本信息、柱單工況內力、梁單工況內力、柱構件驗算結果、梁構件驗算結果。

3 鋼管束剪力墻結構住宅

3.1 結構特點

鋼管束混凝土組合是由杭蕭鋼構股份有限公司自主研發的新型鋼結構住宅體系。

鋼管束混凝土剪力墻是由中間部分的方矩形鋼管和多個U 型鋼組成，它們是在工廠進行拼接組裝而形成的多個豎向空腔的結構單元。

在施工現場將混凝土灌注到鋼管束內，從而形成了鋼管束混凝土組合剪力墻，如圖9 所示。鋼管束剪力墻不僅是主要承重構件，還是抗側力構件。鋼管束分段長度可達3 層，可同時多層澆筑混凝土，實現立體交叉作業。大大縮短建造周期。

鋼管束剪力墻結構的柱、樓板、屋面與普通混凝土結構相同。

3.2 軟件應用

PKPM 鋼管束混凝土剪力墻結構設計軟件為杭蕭鋼構的定制軟件。軟件按PKPM 主程序所執行的現行國家、行業標準規范及杭蕭鋼構提供的企業標準《鋼管束混凝土剪力墻結構技術規定》QB/HX 109—2015 進行研發[2-3]。

3.2.1 建模方式

軟件整體建模采用PMSAP 建模方式，即采用層建模形式，與普通混凝土結構三維建模方式相同，此處不再贅述。但是，鋼管束混凝土剪力墻與普通剪力墻操作不同，SETWE 中新加“鋼管束”剪力墻布置功能，在布置構件菜單下選擇“鋼墻板”中的“鋼管束墻”，可在模型中布置鋼管束混凝土剪力墻（見圖10）。

軟件可布置一字型墻肢，其他形式（T 型、一字型、工字型等）可用一字型組合（見圖11）。

3.2.2 結構分析

軟件采用SATWE 程序進行結構整體分析與設計。分析方法及相關內力調整等同剪力墻結構，同樣執行現行國家及行業標準規范相關部分的要求，并給出分析結果與總體指標。

墻肢按杭蕭鋼構技術文件驗算承載力。結果包含圖形文件、文本文件。所有混凝土剪力墻的輸出圖形文件和文本信息包括用鋼量統計信息、軸壓比、墻體設計結果。

3.2.3 連接節點設計

連接節點采用連接設計工具完成節點設計。提供連接設計計算書，不提供施工圖功能。

4 組合鋼板剪力墻結構住宅

4.1 結構特點

外包鋼板、內填混凝土及若干栓釘共同組成鋼板混凝土組合剪力墻。外包鋼板和內填混凝土之間通過栓釘進行連接，如圖12 所示。

如果把這類墻體和鋼筋混凝土剪力墻進行比較，相同尺寸下，鋼板混凝土組合剪力墻憑借抗剪剛度大、延性好、極限承載力強等優勢，克服了純鋼板剪力墻剛度小、穩定性和防火性差、建成后維護成本高等弊病。

4.2 設計方法

組合鋼板剪力墻結構住宅設計應依據《鋼板剪力墻技術規程》JGJ/T 380—2015（以下稱為“規程”）。墻體承載力計算按規程第7 章方法進行驗算，即先計算出塑性中和軸高度，然后按規程中公式驗算墻肢的受彎承載力，如圖13 所示[4-5]。

4.3 軟件應用

軟件按PKPM 主程序所執行的現行國家及行業標準規范進行設計。鋼板剪力墻面外穩定驗算按照《矩形鋼管混凝土結構技術規程》CECS 159：2004方法進行計算。

4.3.1 結構建模

整體部分采用PMSAP 建模方式，即采用層建模形式，與普通混凝土結構三維建模方式相同。

剪力墻部分與普通剪力墻操作不同，SETWE 中新加“鋼板剪力墻”布置功能，在布置構件菜單下選擇“鋼墻板”中的“外包鋼板”，選擇布置位置，即可布置端鋼板與墻身鋼板厚度不相等的組合鋼板剪力墻。模型中的組合鋼板剪力墻會標記“外包”字樣（見圖 14）。

組合鋼板剪力墻布置對話框（見圖15），用戶需要輸入墻端鋼板厚度、墻身鋼板厚度及鋼板鋼號。

4.3.2 結構分析

整體部分采用SATWE 程序進行結構整體分析與設計。分析方法及相關內力調整等同剪力墻結構。

墻肢按《鋼板剪力墻技術規程》JGJ/T 380—2015 規定驗算承載力。鋼板剪力墻面外穩定驗算按照《矩形鋼管混凝土結構技術規程》CECS 159：2004方法進行計算[6]。

4.3.3 構件設計與設計結果查看

結果包含圖形文件、文本文件。所有混凝土剪力墻的輸出圖形文件和文本信息包括用鋼量統計信息、軸壓比、墻體設計結果。

5 結語

3 種裝配式鋼結構住宅除了具備普通鋼結構住宅抗震性能好、重量輕等優勢，專業工廠標準化生產構件，構件工業化生產和現場施工安裝同步開展，工程建造的工業化程度和施工速度大幅提高，作業速度快，受氣候條件影響小。預制構件進場后，采用干作業方式施工，環境污染小，環保效益顯著。舊建筑拆除后材料的再回收和再利用率高于傳統混凝土建筑，實現建筑全壽命期的資源節約利用。

國內針對這3 種結構的專業設計軟件極少。導致多家冷彎薄壁型鋼住宅設計單位出現使用國外軟件設計工程，從而無法滿足國內審圖部門要求的情況。PKPM 軟件遵循國內專業設計人員使用習慣，嚴格執行國內設計標準，滿足裝配式鋼結構建筑快速發展的需要，顯著提高了設計效率和質量。