多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計與分析

楊康

【摘要】建筑工程項目是一個復雜的系統，建筑結構設計是保證建筑安全的重要手段，建筑結構的形式是為了滿足建筑功能要求，為創造建筑的美而服務，而模塊化建筑是當前新興建筑結構模式，多層鋼結構模塊和鋼框架結構設計得到廣泛運用，在此過程中，需要進一步加強此類建筑結構設計優化，保障建筑整體結構安全，防止一些不必要問題出現。

【關鍵詞】多層建筑鋼結構;設計;實例分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.035

1、鋼結構建筑特點分析

鋼結構建筑抗震性強，相對于普通砌體或者混凝土來說， 鋼結構強度要高出十幾倍;在承受同樣荷載條件下，鋼結構所需要的構件面積更小。鋼結構設計的現代住宅以鋼柱為骨架，使用輕質墻板，使得鋼結構建筑總重僅為普通混凝土建筑的70%左右，同時還具備很好的延展性，使得鋼結構建筑的抗震性能大幅提升，有效延長建筑物使用壽命。鋼結構整體施工周期短，全部構件均由廠家統一制造，只需在施工前將構件及時運輸到位即可，產品質量高、安全性好、施工速度快，而且在施工中受外界環境影響較小，對于工程造價有著一定的降低作用。

2、多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計實例分析

2.1辦公樓工程簡介

某工程項目主要為辦公樓建筑，總建筑面積約2536㎡。該建筑分為3層，部分為4層，建筑總高16.4m，無地下空間，設計為多層鋼結構模塊和鋼框架復合型結構。

2.1.1結構體系選擇

實際設計前，需要科學合理選擇結構體系，以期滿足實際設計要求，防止出現意外問題，最終保證后期施工的順利開展。因此，要綜合考慮鋼結構模塊尺寸，除了工廠流水線制作方便以外，還需要考慮運輸到現場后吊裝以及安裝工作的暢通，所以鋼結構模塊寬度以3m左右為宜，高度不超過4.2m。除了對鋼結構模塊尺寸有著較為嚴格的要求以外，對建筑物功能也有著較高的要求。該項目設有模塊展示區，無法采用純模塊體系。因此，在首層及2、3層采用傳統鋼框架結構，其余部分采取鋼結構模塊單元。

2.1.2模塊單元劃分

除了傳統鋼框架以外，將其余部分劃分為51個建筑模塊單元，長約8m，寬約3m，高約3.7m。

2.1.3模塊單元類型

該項目模塊單元在設計時，不但要進行系統劃分，更需要相關技術人員深入了解模塊單元類型，將所有鋼結構模塊單元進行詳細分類，分為普通型、中柱型、支撐型、角部加強型等模塊單元。普通模塊單元用于開放辦公區域，中柱模塊單元位于橫向模塊旁，主要作用是上下貫通，支撐模塊單元用于支撐樓梯及建筑物周邊，角部加強模塊用于模塊建筑角部，防止角部單元出現薄弱點。

2.1.4首層鋼框架結構

首層鋼框架結構部分的設計由矩形鋼管柱和H型鋼梁共同組成，在實際施工時，需要用隔板將柱子打斷后重新混合焊接，確保鋼框架結構整體受力性能良好，能夠滿足模塊按照需求。

2.1.5構件設計

構件性能對于最終設計效果有著直接影響，因此，需要對構件進行科學設計，以滿足實際施工方案需求，確保后續施工能夠順利開展。本項目使用Q345B鋼，模塊次梁間距控制在2m以內，在模塊單元設計時，要保證梁截面大于柱截面，也就是俗稱的強梁弱柱體系，此時，相關構件設計一定要滿足荷載需求。

2.1.6節點設計

節點又可以分為模塊單元之間節點和鋼框架與模塊單元之間節點。模塊單元之間的節點往往采取插銷連接模式，保障模塊連接點強度，促使該結構形式科學、合理、安全、可靠，方便下一步施工。鋼框架與模塊之間的連接節點通常采用隔板貫通和模塊節點相結合的形式，確保腹板局部穩定性。

2.2公寓樓工程概況

某公寓樓建筑面積共計1865.9㎡，設計層數為6層，總高為16.5m，層高2.8m，均為標準層，設有地下停車場，停車場高3.6m，整體結構屬多層，使用鋼結構模塊和鋼框架復合結構模式。

2.2.1結構體系設計

該公寓樓結構體系設計大致分為2方面，由于地下停車場空間較大，其層高有3.6m，且獨棟公寓樓六層建筑布局一致，因此，最終確定樓層選用鋼結構模塊與高科技結構復合體系，地下停車場采取傳統鋼框架結構，在該公寓樓設計時，重點考慮結構模塊尺寸以及黑科技結構設計。

2.2.2鋼結構模塊尺寸

按照國家相關道路運輸大型建材規定以及公寓樓具體施工需求，對建筑模塊高度和長度都進行相關限制，模塊單位寬度控制在2～3m區間，高度控制在3～4m區間。

2.2.3鋼框架設計

鋼框架分為地上地下兩部分，在鋼框架設計時也需要做出相應選擇。在設計地下車庫時，采取鋼框架與H型鋼梁組成的復合型鋼框架結構，而在地面建筑設計時，只需要在首層采取矩形鋼管柱與H型鋼梁，其他均為鋼結構模塊單元。通過設計模型得知，該施工方案整體受力性能較好，符合該公寓施工條件，該工程施工難度不大，符合模塊建筑施工需求。

2.2.4構件設計

地下車庫采用Q345B鋼，地面建筑采用Q235B鋼。按照公寓樓具體需求，在組合模塊過程中，模塊次梁間距不大于1m;在模塊單元設計時，為確保建筑物抗震能力，選用強柱弱梁體系，模塊單元梁截面為80*50*5，柱截面為100*60*10，經過設計模型結果可知，該設計滿足項目需求。

2.2.5節點設計

節點設計重點考慮地下車庫和地面建筑之間的節點以及地面建筑之間的節點。主要包含鋼框架之間的節點、鋼框架和模塊單元之間的節點、模塊單元之間的節點。首先是鋼框架之間的節點采用特制鉚釘與螺栓拉桿連接組合模式，以保障地下車庫和地面首層鋼框架之間連接節點剛度和強度，提升抗震防災能力。該結構形式設計合理，但施工難度較大，通過組合來連接節點，確保連接節點強度與剛度符合剛性節點需求。其次是鋼框架和模塊單元之間連接節點，在首層鋼框架和地下車庫的鋼框架之間需要采用高強度和高剛度的節點，在首層鋼框架的頂部放置模塊單元，連接節點采用插銷連接，對于節點連接部分先行固定，然后在梁截面與模板連接處采用十字肋板焊接相連，對節點進行加強。鋼框架與模板單元之間的連接節點能夠有效提升公寓穩定性，避免建筑物出現具備節點連接不當問題。三是模塊單元之間連接節點。模塊單元之間連接比較簡單，并且不同模塊因大小不一而采用不同的連接方式。常見的節點連接為專用節點模式，通常有插銷連接及螺栓連接等形式，以保障模塊角部連接節點強度和剛度。專用節點連接形式簡單、高效、穩定性好、便于施工，普遍用于模塊單元結構連接，適用該公寓項目地面六層建筑之間的模塊連接。

3、多層鋼結構模塊及鋼框架復合建筑結構和傳統鋼框架結構之間的對比

傳統鋼框架結構屬于簡單梁柱連接體系，只是通過簡單連接手段把鋼框架用節點連接起來，由于個體體量較大，使得剛度與強度都有所欠缺，穩定性不足，施工難度較高。采取多層鋼結構模塊與鋼框架復合結構后，其形成一個有機整體，形式簡單、剛度與強度均得到提升，穩定性好，施工難度較低，適合多種施工條件。

結語：

現代建筑設計施工過程中，多層鋼結構與鋼框架復合建筑權重越來越大，該類建筑具有成本低、施工操作簡單、整體質量較高等優勢，而且污染較小，符合當前生態建設發展理念需求。我們應當充分發揮其優勢特點，為建設和諧社會奠定基礎。