一種新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究與實踐

方繼，曹晗，李亞飛

（中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，安徽 合肥 230000）

一種新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究與實踐

方繼，曹晗，李亞飛

（中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，安徽 合肥 230000）

為推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的發(fā)展，中鐵四局集團(tuán)在自主研發(fā)的基礎(chǔ)上，充分吸納國內(nèi)、外先進(jìn)技術(shù)，形成了一套施工速度快、節(jié)能環(huán)保、產(chǎn)業(yè)化程度高的新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建造體系。文章依托鋼結(jié)構(gòu)公司三層裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的實驗樓為背景，就該新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)、建造體系及經(jīng)濟(jì)構(gòu)成進(jìn)行闡述，為同類型工程的開發(fā)研究提供參考。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)；建筑產(chǎn)業(yè)化；經(jīng)濟(jì)性

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是以鋼柱及鋼梁作為主要承重構(gòu)件，經(jīng)過工廠加工，現(xiàn)場進(jìn)行裝配的一種住宅體系。具有標(biāo)準(zhǔn)化制作、工業(yè)化生產(chǎn)、易地重建等綠色建筑的特點，加之適應(yīng)性強、建造周期短、受氣候條件制約小、節(jié)約勞動力、可提高建筑質(zhì)量的優(yōu)點，擁有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值①。中鐵四局作為安徽省產(chǎn)業(yè)化示范基地的成員單位，多年來積極開展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的研究，逐漸的認(rèn)識到裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢，遂進(jìn)行了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅示范樓的建設(shè)和研究工作。

以找出一套堅固、經(jīng)濟(jì)、可行、方便的裝配式鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)體系，找出適合裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的內(nèi)外墻體、樓板等系列的新型材料為研究目的，中鐵四局集團(tuán)在與省內(nèi)高校開展產(chǎn)學(xué)研合作的基礎(chǔ)上，摸索出一套施工速度快、節(jié)能環(huán)保新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系建造技術(shù)，為同類型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的設(shè)計、施工提供借鑒經(jīng)驗。

我國目前的多層、高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系中，鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是應(yīng)用比較多的幾種結(jié)構(gòu)形式②,③。

多層、高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑體系對比分析 表1

中鐵四局鋼結(jié)構(gòu)公司實驗樓地處合肥市西二環(huán)，為鋼結(jié)構(gòu)公司新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑試點項目。試點實驗樓工程采用獨立基礎(chǔ)，地上最高3層，最小層高3.3m，建筑高度13m，建筑總面積1200m2。工程效果圖見圖1所示。

圖1 住宅示范樓照片

為體現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的優(yōu)勢，并結(jié)合工程的功能特點以及企業(yè)研究目的，該工程主體結(jié)構(gòu)體系選用結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單、受力和傳力體系明確、構(gòu)件形狀較為規(guī)則、制造安裝簡單、宜于預(yù)制裝配施工的鋼框架結(jié)構(gòu)體系。工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計使用年限50年，設(shè)計基本地震加速度值為0.1g。

在現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，多高層結(jié)構(gòu)的框架柱一般是雙向壓彎構(gòu)件，大多采用實腹式的截面形式。鋼柱截面形式如表2所示。

鋼柱截面形式 表2

試點實驗樓工程，考慮到建筑規(guī)模及裝配化的程度，框架柱在兩個相互垂直的方向與鋼梁相接，故框架柱采取300mm×300mm×10mm×10mm的方鋼管柱，具有重量輕、強度高等優(yōu)點。

在現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，梁、柱需遵循“強柱弱梁”的設(shè)計原則，采用等截面形式。故框架梁及次梁主要選用熱軋或高頻焊接H型鋼。H型鋼翼緣寬度大、在兩個方向上的截面慣性矩均大于工字鋼，受彎承載力好。試點實驗樓工程，框架梁均采用規(guī)則且容易加工的H300×200×8×12型鋼，樓面次梁為鍍鋅C250×75×20×2.5型鋼。

節(jié)點的連接在鋼結(jié)構(gòu)建筑中具有至關(guān)重要的地位。節(jié)點可分為鉸接節(jié)點、剛性節(jié)點和半剛性節(jié)點。目前工程實體中，鉸接節(jié)點與剛性節(jié)點應(yīng)用比較廣泛，且研究亦比較成熟。半剛性節(jié)點在工程中應(yīng)用比較少。

試點實驗樓梁柱節(jié)點采用了端板連接的半剛性節(jié)點，如圖2所示。這種半剛性節(jié)點規(guī)模應(yīng)用于實際工程中尚屬國內(nèi)首次，經(jīng)過工程試驗總結(jié)出其如下優(yōu)點：因考慮了節(jié)點區(qū)域的相對變形，可緩解桿件內(nèi)應(yīng)力集中；地震荷載作用下，節(jié)點部位能量耗散作用可以降低位移反應(yīng)；災(zāi)后結(jié)構(gòu)加固設(shè)計較容易處理；半剛性節(jié)點引入結(jié)構(gòu)分析，推動對結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的重視；設(shè)計能夠更接近結(jié)構(gòu)的真實情況；現(xiàn)場無焊接，裝配化程度高④。

2.6.1 墻板概述

現(xiàn)今鋼結(jié)構(gòu)建筑中，適用于鋼框架結(jié)構(gòu)并且具有保溫隔熱、防滲隔聲功能的輕質(zhì)板材類墻體主要有輕質(zhì)蒸壓加氣混凝土板（ALC板）、玻璃纖維增強水泥板（GRC板）、鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙稀夾芯板、鋼筋混凝土絕熱材料復(fù)合墻板、金屬復(fù)合板、現(xiàn)場拼裝復(fù)合型墻板等，這幾種墻板均不能很好的滿足“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、裝配化施工”的要求。

圖2 試點實驗樓梁、柱半剛性節(jié)點

在進(jìn)行中鐵四局集團(tuán)通過與高校建立產(chǎn)學(xué)研合作，在已有復(fù)合夾心墻板的基礎(chǔ)上，就其芯材進(jìn)行改進(jìn)，聯(lián)合開發(fā)出了一種以無石棉纖維水泥板為面層，以玻化微珠改性泡沫混凝土芯材層、以焊接鋼筋網(wǎng)片為加強層的新型輕質(zhì)復(fù)合外墻板。該墻板比普通墻板具有更高的抗壓強度和更好的保溫性能，很好的滿足了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、裝配化施工”的要求。

2.6.2 內(nèi)墻板

試點實驗樓內(nèi)墻板為聚苯乙烯混凝土輕質(zhì)復(fù)合墻板。板材表面雙側(cè)的8mm厚水泥纖維板，具有環(huán)保、隔音、防火的特點。為解決墻板接縫處易開裂的問題，經(jīng)過系列實驗，該墻板采用企口對接，接縫處用射釘密打，板與板之間牢固連接后做裝飾處理。

圖3 內(nèi)墻板板間連接示意圖

2.6.3 外墻板

試點實驗樓外墻板為裝配式鋼筋網(wǎng)格單元式外墻板，即為2.6節(jié)所述自主開發(fā)的新型輕質(zhì)復(fù)合墻板。為保證外墻板連接可靠、有足夠延性，滿足在設(shè)防烈度下主體結(jié)構(gòu)層間變形、因溫度應(yīng)力引起的鋼結(jié)構(gòu)與外墻板變形不一致的要求，外墻板縫處設(shè)置漲縮縫。同時板縫處采用優(yōu)質(zhì)密封膠、專用勾縫劑及對應(yīng)施工措施進(jìn)行處理，亦能滿足防滲效果，保證板縫不開裂。

鋼結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)當(dāng)具有裝配化、環(huán)保化的優(yōu)點。即原材料采用環(huán)保無污染的材料，用裝配式構(gòu)件的安裝來減少現(xiàn)場施工作業(yè)，減少建筑垃圾。

試點實驗樓樓面板采用了（20+20）水泥纖維板，板間鋪設(shè)3mmSBS卷材減震層。樓面板采用自攻螺釘直接與C250×75×20×2.5型鋼樓面梁連接，施工效率高。

門窗及附屬配件包括櫥窗、保溫窗、街門、內(nèi)門及雨水槽等，均選用標(biāo)準(zhǔn)件,便于裝配。

裝配化施工，最大優(yōu)點即能夠滿足“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、裝配化施工”。

其施工流程主要分成基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)工程、裝飾工程3個部分。基礎(chǔ)工程部分與裝飾裝修部分與現(xiàn)澆式建筑大體相同，主要對主體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行描述。主體結(jié)構(gòu)部分的工藝流程包括：構(gòu)配件工廠化預(yù)制、運輸、吊裝、調(diào)整、構(gòu)件支撐固定；直至頂層。

裝配化施工的工藝流程如圖4所示。

內(nèi)墻板施工流程：梁、柱驗收→測量放線、確定內(nèi)墻板位置→核對水泥砂漿基座位置及標(biāo)高（有偏差時調(diào)整）→安裝U鋼及固定用水泥纖維板條→內(nèi)墻板尺寸復(fù)核→墻板就位→調(diào)整墻板→自攻螺釘固定→射釘固定→修補破損位置。

外墻板施工流程：梁、柱等驗收→測量、放線及驗線→連接件驗收→校正連接掛耳的位置桂板進(jìn)場驗收→掛板吊裝→掛板就位→微調(diào)→初步固定→單墻校核→整體調(diào)整→最終固定。

圖5 現(xiàn)場安裝外墻板

樓層板施工流程：梁、柱驗收→根據(jù)預(yù)排板圖紙現(xiàn)場劃線定位→梁柱處焊接增設(shè)角鋼→底層水泥纖維板鋪設(shè)→檢查底層板平整度并調(diào)整→自攻釘固定→鋪設(shè)卷材減震層→上層水泥纖維板鋪設(shè)→檢查上層板平整度并調(diào)整→自攻釘固定→釘頭抹灰及嵌縫。

試點實驗樓的工期為83天，毛坯房每平方米造價1866元，對成本構(gòu)成進(jìn)行分析如下。

圖4 工藝流程

圖6 毛坯房各項造價比例圖

圖7 住宅示范樓各項工程單價圖

圖8 住宅示范樓“三板”及屋面板工程單價圖

從以上對比中可知：

①試點實驗樓工程造價中，基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)分部占到整個造價的13%、32%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)占55%。可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的重中之重。開發(fā)新型、經(jīng)濟(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠很大程度的降低裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的造價。

②“三板”、屋面板單價組成中，外墻板的材料費、安裝費均遠(yuǎn)高于其他幾項，故開發(fā)新型、經(jīng)濟(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外墻板應(yīng)作為研究的重中之重。

通過試點實驗樓工程，中鐵四局對鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的理論研究和實踐研究，形成了一整套鋼結(jié)構(gòu)住宅的體系技術(shù)。

①試點實驗樓的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)組成、施工技術(shù)等多個方面的研究，可為今后的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程提供一定的參考。

②半剛性節(jié)點在實際工程中的規(guī)模應(yīng)用在國內(nèi)還是首次，對提高結(jié)構(gòu)裝配效率和抗震研究有積極意義。

③試點實驗樓研制的新型輕質(zhì)復(fù)合外墻板，能夠滿足“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、裝配化施工”的特點，適合于產(chǎn)業(yè)化的要求，是一種新型的適合于鋼結(jié)構(gòu)住宅的裝配式外墻板材。

④試點實驗樓研制的新型輕質(zhì)復(fù)合外墻板，能夠滿足“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)、裝配化施工”的特點，適合于產(chǎn)業(yè)化的要求，是一種新型的適合于鋼結(jié)構(gòu)住宅的裝配式外墻板材。

[1]張愛林，張勁愛，劉學(xué)春.裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板拼接板縫關(guān)鍵問題研究[J].工業(yè)建筑，2014，44(8)：39-45.

[2] 磨鳳梅,黃永忠.淺析多層民用鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系[J].硅谷，2010(13)：133

[3]王明貴.鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007(1)：37-40

[4]王靜峰，李國強.有側(cè)移半剛性連接組合框架的穩(wěn)定分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，41(4)：126-130

TU391

A

1007-7359（2016）05-0063-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.016

方繼（1967-），男，安徽樅陽人，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，學(xué)士。