裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計實踐

陳 葉 銀

(上海寶鋼建筑工程設(shè)計有限公司，上海 201900)

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅現(xiàn)狀

近年來，發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是建造方式的重大變革，自2016年以來國務(wù)院和住建委多次發(fā)布指導(dǎo)文件和工作報告，大力推動了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。2019年，住建部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、材料與構(gòu)件類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)位移控制等結(jié)構(gòu)設(shè)計部分都有了詳細(xì)的要求。同年，住建部相繼批復(fù)山東、湖南、四川、浙江、河南、江西、青海等七個省份開展鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)試點，以推動建立成熟的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅1 206萬m2，較2019年增長33%。而目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國民用建筑住宅中占比僅為5%，因此裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅未來發(fā)展空間廣闊。近幾年來各省市裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目一覽表見表1(未列全)。

表1 各省裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目列表 萬m2

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)組成

JGJ/T 469—2019裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較詳細(xì)給出了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅幾大系統(tǒng)技術(shù)組成，主要包括：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)安全的首要保障。外圍護(hù)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(hù)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(jié)構(gòu)住宅的一項關(guān)鍵構(gòu)成部分和重要集成技術(shù)，而外墻圍護(hù)體系又是其中的重中之重。文章結(jié)合工程項目簡單介紹目前常用的結(jié)構(gòu)體系和外墻圍護(hù)體系兩方面技術(shù)發(fā)展情況。

3 鋼結(jié)構(gòu)住宅常用的結(jié)構(gòu)體系

多高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，結(jié)合項目實踐主要介紹傳統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)體系。

1)對于不超過12層的鋼結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)層戶型如圖1所示，該房屋抗震設(shè)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(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層體系布置如圖2所示,經(jīng)過PKPM計算，標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(cè)移結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)層戶型如圖3所示，該房屋抗震設(shè)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(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層體系布置如圖4所示，經(jīng)過PKPM計算，標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)住宅常用的外墻圍護(hù)體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅除了結(jié)構(gòu)體系是非常重要的一個方面以外，外墻圍護(hù)體系也是鋼結(jié)構(gòu)住宅的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前鋼結(jié)構(gòu)住宅常用的外墻圍護(hù)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(hù)體系，按與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接形式即為內(nèi)嵌式和外掛式。

1)ALC條板結(jié)合保溫裝飾一體板的外墻圍護(hù)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(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種，ALC條板與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造在規(guī)范《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》有詳細(xì)節(jié)點，此處不再贅述，工程應(yīng)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(jié)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(yīng)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(jìn)行預(yù)制完成，它對主體結(jié)構(gòu)的安裝精度要求比較高，對施工吊裝設(shè)備要求也較高，PC外掛板工程實拍見圖9。外掛板與主體結(jié)構(gòu)采用柔性連接，連接節(jié)點具有足夠的承載力和適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造做法詳見圖10。

5 展望

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的性能不同于其他結(jié)構(gòu)體系住宅的性能，外墻系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使用壽命相協(xié)調(diào)，所以兩者之間的技術(shù)發(fā)展是一個協(xié)同化發(fā)展的過程。因此未來我們要 結(jié)合近幾年裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究結(jié)果和工程實踐經(jīng)驗，努力去實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅高效率高質(zhì)量的工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)。