被動房裝配式無比鋼結構設計應用探討

商亦藍　李凌峰

摘 要：無比鋼結構是近年來引入中國的一項新技術，相比于傳統鋼結構而言有許多的優勢。將無比鋼結構應用于被動房裝配式鋼結構中，符合國家節能減排的目標，有著重要的社會價值、經濟效益與戰略意義。本文針對無比鋼結構體系在裝配式鋼結構被動房中的應用進行了簡要的探討與分析。

關鍵詞：被動房；裝配式鋼結構；無比鋼；節能建筑

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0100-02

1 引言

隨著經濟的發展和社會的進步，節能環保成為了各行各業都繞不過的話題，而建筑物的環境消耗就十分巨大，其排放的溫室氣體占全球總排放量的33%，帶來了空氣污染、全球氣候變暖等一系列世界性的環境問題。我國目前正大力推進節能減排工作，建筑節能逐漸向縱深發展，被動房裝配式鋼結構也就應運而生。

被動式房屋的概念最早源于德國，之所以叫被動房，是因為該類建筑僅利用太陽能、建筑內部得熱、建筑余熱回收等被動技術，而不使用主動采暖設備，卻能實現建筑全年達到規范要求的室內舒適溫度范圍和新風要求，十分符合節能減排的時代要求[1]。節能建筑在歐美國家已經有了近30年的發展歷史，但被動房的試點工作在國內才開展了6年，而且這方面研究還處于起步階段，體系的選擇、結構和構造的設計等都缺乏創新和提升，在這樣的背景下，本文擬采用一種新型的無比鋼結構體系來實現被動式房屋的概念。

2 無比鋼結構在裝配式鋼結構中的應用可行性分析

無比輕鋼龍骨體系簡稱無比鋼，該體系源于加拿大的一項專利技術，是一種特殊的冷彎薄壁型鋼結構體系，具有輕質高強、抗震性好、施工周期短、工業化程度高、節能環保等許多優點[2]。

裝配式鋼結構是指預先在工廠內依照標準的規格將鋼材制作成建筑單元或部件，之后運至施工現場進行裝配，最終組成完整建筑的結構。與傳統的結構形式相比，裝配式鋼結構具有空間設計靈活、集成化程度高、自重輕、承載力高、建造周期短、產品質量高、可回收再利用等許多優點[3]。

將無比鋼結構體系應用于裝配式鋼結構，具有其必要性和可行性。首先，無比鋼結構體系中，最基本的單元是由冷彎高頻焊接的輕型薄壁方形鋼管和V型連接件通過自攻螺絲連接而成的小型橋架，由于結構斷面尺寸小，相比于普通的鋼結構，無比鋼結構體系具有更輕的質量，不僅便于構件預置，更減輕了運輸壓力。其次，方形截面與三角形桁架的連接方式共同作用，使得整個結構具有更均勻的受力體系和更完整的傳力體系，進而具有更強的抗扭性能、抗多向荷載能力和抗水平荷載能力。此外，無比鋼結構體系的墻體是由小型橋架、蒙皮、抗拉鋼帶等共同組成的，這樣的裝配形式讓建筑物墻體更薄的同時也方便了墻體內部管線的布設，更重要的是，蒙皮效應提升了整個結構的剛度，大量的荷載能量都可以通過變形的形式進行消耗和吸收，這也就大大提升了結構的承載能力和抗震性能。所以不論從施工角度還是結構性能的角度來說，裝配式鋼結構都宜采用無比鋼結構系統。

同時，無比鋼結構在裝配式鋼結構中的應用是可行的。第一，無比鋼輕質高強的特點使得建筑消耗更少的鋼材，節約了成本；第二，無比鋼結構體系施工過程基本為干法施工，故而施工過程中產生的廢棄物極少，而且理論上鋼材可以完全回收，實現了資源的循環利用，符合建筑環保的要求；第三，無比鋼結構體系也具有很好的保溫隔熱性能，符合節能減排的時代要求。所以無論是從經濟角度還是從環保角度，無比鋼結構的采用都十分可行。

3 裝配式鋼結構中的無比鋼結構體系設計

3.1 結構劃分與裝配

裝配式結構要求主要構件在工廠按照規范標準預制完成，運至現場后再進行結構拼裝、節點連接等工作，這就需要預先對結構整體進行劃分，以便于工廠的分塊預制和現場的裝配施工，同時也可以將現場條件下難于完成的部分在室內完成，節約了施工的時間成本也降低了現場的施工難度。

無比鋼結構屬于冷彎薄壁輕鋼結構體系的一種，主要的承重結構是冷軋熱鍍鋅薄壁型鋼，在工廠中可以直接完成冷彎薄壁型方鋼管構件和V型連接件的生產，在現場通過自鉆自攻螺釘就可以快速裝配成小型橋架。

建筑物結構部分可以分為結構體系和外圍護體系，無比鋼結構的結構體系主要由桁架梁、桁架方柱和樓板組成，其中桁架梁直接采用現場裝配成的小型橋架，桁架方柱則由兩片小型橋架經V型連接件拼裝而成，樓板則常選用蒸汽加壓混凝土板（ALC板）。無比鋼結構的外圍護體系主要是指由一定數量的桁架片柱、方柱、抗拉鋼帶、蒙皮和C型導軌等組成的墻體。蒙皮通過自攻螺絲與柱構件小型橋架中的方鋼管相連，其材料可采用鋼絲網架聚苯乙烯夾芯板（GJ板）或定向刨花板（OSB板），其中GJ板具有隔熱性能好、經濟性高的優點，更適用于被動房建設。C型導軌在工廠內預制完成，現場施工時通過自攻螺釘將導軌翼緣與片柱相連接，起到定位和固定的作用。如果墻體水平承載力不夠，還需加設100mm寬、1mm厚的抗拉鋼帶，也同樣采用自攻螺釘的連接方式[4]。

3.2 節點設計

鋼結構中，節點是保證結構安全至關重要的部分，對結構的受力也有著巨大的影響，無比鋼結構當然也不例外。無比鋼結構應用于裝配式鋼結構中時，由于工廠化預制，現場沒有焊接安裝，所以節點一般大多采用自攻螺釘的連接形式，按照半剛性連接進行設計，以保證結構在具有足夠強度的同時具有一定的柔度，使結構在保留較好的抗側移剛度的條件下不至于發生脆性破壞。

介于自攻螺釘連接的接觸面相對復雜，對其計算模式和計算方法的研究尚處于起步階段，現階段各國規范關于自攻螺釘承載力的相關規定和設計公式也都是基于實驗結果來確定的。對于Q235、Q345型鋼材來說，自攻螺釘的連接一般具有較好的延性，破壞形式以螺釘傾斜被拔出和鋼板被撕裂為主，但針對無比鋼結構體系所采用的高強冷彎薄壁型鋼來說，自攻螺釘被剪斷的可能性大大增加，因而設計中應考慮選用直徑更大的螺釘來滿足強度要求，裝配式施工時也要注意施工質量，確保螺釘與構件的有效連接[5]。

4 無比鋼結構在滿足被動房要求時需考慮的構造要求

被動式房屋強調室內采暖無需外界能源供給，這就對結構整體的保溫隔熱性能提出了比較高的要求。盡管由于片柱的構造形成了空氣層，基本截斷了無比鋼結構的傳熱路徑，無比鋼結構體系本身就具有較好的保溫隔熱功能，但是在建筑中的連接件、十字墻、外挑陽臺板等連接處還是有可能存在保溫隔熱的薄弱點，即產生“冷橋”效應，造成能量的損失[6]。因而，無比鋼結構應用于裝配式鋼結構被動房時需要做好圍護結構的構造設計，尤其是要妥善處理“冷橋”，避免有害冷橋的產生。

墻體和屋面是建筑物與外界接觸的主要圍護結構，也是保溫隔熱的最重要一環，目前常采用的保溫措施是鋪設由玻璃絲棉和防潮貼面構成的保溫棉，保溫棉宜采用雙層錯開搭接的布設方式，以防止經過冬夏的溫度變化后帶來的貼面層收縮會造成搭接處出現隔熱的薄弱點，形成“冷橋”。此外，如果采用自攻螺釘，在連接處由于保溫棉受壓變薄，加之自攻螺釘本身貫穿室內外，又有可能形成冷凝水，就很可能產生冷橋，針對這種情況，宜在自攻螺釘連接處采用導熱系數較小的部件，或者在連接處添加硬質板隔熱塊來減小熱能的損失。

建筑物外部的各種孔口也是容易產生冷橋的薄弱點，被動式建筑的窗戶宜采用三層夾膠中空鋼化玻璃，而門窗洞口的處理則常將次結構處的保溫棉布設，窗框、門框中的發泡劑填充和連接洞口的聚氨酯泡沫板構造相結合。

建筑與地坪的接線是一個很容易被忽視的散熱點，需要在地坪與建筑物連接處填充密封膠后再在其上填塞一定厚度的保溫棉來達到保溫隔熱的效果。

除了妥善處理冷橋，充分利用太陽能和室內電器、人體逸散的熱量也是實現被動房的重要一環。屋面可采用雙層采光板，充分利用自然光來節省大量熱能，但一定要注意采光板的自身的保溫性能，必要時也需要在接縫等處加塞保溫棉。

5 結語

無比鋼結構體系應用于被動房裝配式鋼結構具有的充分的經濟優勢和廣闊的社會前景，值得在國內進行推廣。但本文僅針對無比鋼體系的結構構造進行了初步的探討分析，目前國內還沒有針對無比鋼設計的相關規范，這也阻礙著無比鋼結構在國內工程中的應用。相信隨著實驗數據的不斷完善和實踐經驗的不斷積累，無比鋼被動方裝配式結構的相關設計規范會日趨完善，并應用于實踐，進一步推進我國的節能減排工作進程。

參考文獻

[1]盧求.德國被動房超低能耗建筑技術體系[J].動感：生態城市與綠色建筑，2015（1）：29-36.

[2]黃朗.無比鋼輕鋼結構體系及其應用[J].建材技術與應用，2010（3）：13-15.

[3]盧俊凡，王佳，李瑋蒙，等.裝配式鋼結構住宅體系的發展與應用[J].城市住宅，2014（8）.

[4]王小平，蔣滄如，蔡江勇，等.一種新型輕鋼結構——無比輕鋼龍骨體系[J].鋼結構，2007，22（3）：27-31.

[5]李元齊，潘斯勇.自攻螺釘連接承載力研究現狀[J].結構工程師，2008，24（6）：154-158.

[6]車松巖，趙金城.鋼結構工程中的“冷橋”及其處理方法[J].鋼結構，2004，19（4）：20-22.