裝配式鋼結構設計要點探討

丁歡歡 南瑞電力設計有限公司

1 前言

隨著城市化進程的發展，我國居民的住房需求正在上升，為了節約建筑成本，加快施工速度，很多建筑開發商都引入了裝配式結構。比如裝配式鋼結構，此種結構構件的主要優勢是工廠化預制率高，可以減少現場濕作業，大大降低現場作業的強度與難度，由于鋼結構建筑具有上述使用優勢，所以該建筑形式正逐步應用于工業和民用建筑中。

2 裝配式鋼結構建筑概念簡析

裝配式鋼結構建筑是指由鋼構件組成的裝配式建筑。與裝配式混凝土建筑不同，這種建筑結構現澆節點少，安裝速度快，施工質量更容易保證。通過工程信息平臺的建設與設計，將傳統的“現場施工”形式轉化為“工廠制造”形式，充分體現了“綠色建筑”的理念[1]。同時隨著信息技術的發展以及其在裝配式構件生產上的應用，裝配式鋼結構構件的生產和安裝速度均得到不斷提升，標準化程度不斷提高，整體建設成本直線下降，這使得裝配式鋼結構的優勢更加突出。

3 裝配式鋼結構發展歷史分析

裝配式鋼結構的發展是建立在鋼結構建筑的基礎之上的，在20世紀20年代后期，我國首次出現了一些鋼結構建筑，但是受到當時社會環境因素的影響，導致這批鋼結構建筑主要集中在南方一些大型城市中，到了20世紀末期，我國從歐美國家引入了裝配式鋼結構建筑設計。在我國早期的裝配式鋼結構設計中，僅僅有很少部分是應用在民用建筑上的，隨著城市化進程的加快和高層建筑的應用，裝配式鋼結構才逐步被應用到民用建筑和商業建筑之中。

4 裝配式鋼結構運用優勢分析

4.1 經濟性與抗震性能優異

裝配式結構是根據現場施工建筑所需要的材料進行具體建造，主要分為：內墻板以及外墻板、陽臺、折疊板與樓梯、預制梁等方面幾大類型[2]。結合大量的文獻研究可知，與裝配式混凝土結構相比，裝配式鋼結構為延性材料，抗震性能更好。在某次分層框架體系下的抗震試驗中，裝配式鋼結構在承擔相當于9級地震的地震力作用下，除了抗震支撐之外，其他部位均完好無損，完美呈現了抗震性能優異的特點。最后，裝配式鋼結構自身重量相對較輕，基礎造價更低，鋼材本身也是可回收材料。綜上，裝配式鋼結構在抗震性與經濟性方面表現均較為優異，且經濟、綠色、環保。

4.2 施工工業化水平較高

與傳統的裝配式混凝土結構相比，裝配式鋼結構的梁柱節點主要采用栓焊連接，部分采用螺栓連接（免焊連接）。而采用螺栓焊接的優點在于：①安裝速度快。②施工質量更容易控制。③在裝配式鋼結構中，現場焊接最容易發生腐蝕，螺栓焊接可有效避免這種焊接位置，降低鋼結構的腐蝕風險[3]。

裝配式鋼結構主體受力構件、墻板、連接件、門窗等均可以直接在工廠內部進行加工和預組裝，連接部位采用螺栓連接，運至現場后，借助先進的施工機械進行安裝，施工安裝工業化水平較高。預制鋼結構現澆節點少，安裝速度快，施工質量更容易保證。

4.3 個性化設計優勢凸出

由于裝配式鋼結構外墻板材質和樣式可選擇性較多，從而使得裝配式鋼結構外墻色彩豐富個性。而且，裝配式鋼結構可以按照裝飾裝修要求個性化靈活預埋管線，開槽開洞也可以在深化階段提前預留，減少與其他專業后期現場施工沖突。裝配式鋼結構相比于其他的建筑結構來講個性化設計優勢凸出。

5 裝配式鋼結構設計要點分析

5.1 裝配式鋼結構接地防雷設計要求

為了提高建筑物的安全，設計人員在設計建筑物的過程中都會對建筑物的防雷接地系統進行嚴格的設計，以此保證裝配式鋼結構建筑后期使用質量。

為了提高裝配式鋼結構建筑質量，設計人員應該結合區域的實際氣候情況以及氣候條件進行接地防雷設計。例如，在（GB540027）《建筑物防雷設計規范》中明確規定，如果輕鋼結構建筑的主鋼構件、次鋼構件和彩鋼圍護體系在施工過程中已經可靠連接，形成了耐用的電氣通道，只要接地裝置設置可靠且建筑結構許可，鋼柱就可以作為下引線使用，所以在設計過程中，設計人員可以使所有預埋地腳螺栓在鋼結構建筑基礎與基礎箍筋可靠焊接連接，從而保證施工安全[4]。另外，在針對裝配式建筑結構進行防雷設計的過程中，由于部分建筑物結構較為特殊，可以采用防雷接閃器作為設計核心。特別是對于輕鋼結構而言，其圍護系統的連接方式一般為咬合方式或搭接方式，因此選用防雷接閃器也可以起到接地防雷的作用。

5.2 裝配式鋼結構防水設計要求

無論是工業還是民用裝配式鋼結構建筑，為了延長建筑的使用壽命，需要針對建筑物做好屋面防水設計工作。基于此，在實際的建筑結構設計過程中，設計人員不僅要根據建筑物的實際情況做好屋面以及屋頂的防水設計工作，同時也要采取各類有效措施來避免屋面漏水的發生。

5.3 裝配式建筑鋼結構防火設計要求

裝配式鋼結構的防火設計需根據建筑設計防火規范和鋼結構設計規范等要求進行。對于一些火險危險級別比較高的建筑物更應當做好防火設計，比如，配電站與變電站等。裝配式鋼結構的防火安全設計可以從以下三個方面考慮。

第一，外墻裝飾材料可以采用巖棉夾心板或者水泥纖維板等防火性能較好的材料。

第二，在室內裝飾裝修材料方面，可采用A級不燃無極涂料或者其他防火性能較好的材料。

第三，主要受力構件可采用涂防火涂料或包裹耐火材料等方式來保證耐火性能。

5.4 鋼結構深化設計

在開始實行深化設計以前，應當充分考慮與水暖和電氣專業的配合，在設計過程中，一定要確保深化設計信息的可靠性與完整性。深化設計往往有著非常高的技術要求，設計師們必須具備比較綜合的知識儲備，才能夠更好地完成各專業間的配合。此外，設計人員在設計過程中還要對鋼結構的主體結構以及附屬加強結構兩方面進行深入研究，特別是梁柱節點設計、墻板連接深化設計以及裝飾裝修配合等幾方面，應結合先進的設計理念，發揮專業技術人才的優勢，對整個深化設計過程進行全面考慮和把控，才能做好結構深化設計[5]。

6 裝配式鋼結構建筑的深化設計

6.1 建筑設計

裝配式鋼結構設計的內容有很多，特別是在建筑設計。首先，建筑設計能滿足建筑物的功能要求，不僅可以體現節能和環保的價值，同時也能提升樓宇經濟，滿足建筑美學設計的要求。在建筑設計，平面設計屬于重要內容。根據實際情況，設計者應合理安排好門窗，同時合理安排衛生間和廚房，以滿足建筑居住要求。其次，建筑設計也必須要注意外墻設計，設計質量將直接影響住宅的經驗，所以墻板接頭的位置必須有防火功能，防水功能，防潮功能。墻的設計也必須符合美學和經濟的要求，這樣才能充分發揮的裝配式鋼結構設計的優點。第三，小型金屬構件的設計，門窗安裝節點的設計也很重要。在工廠制造提高了準確性，并確保預制墻板和門窗之間的緊密連接，以避免在關節位置滲水問題。小金屬部件，包括室內和室外欄桿，空調面板，所以在框架設計必須考慮的金屬成分，以發揮建筑設計的價值[6]。

6.2 結構設計

在安裝鋼結構的設計，結構設計的問題應予以重視，施工企業應在管理和控制做得很好，共同維護建筑設計的效果。首先，在結構設計的過程中，應注意到主要結構的詳細設計和連接的鋼筋結構，這將直接影響的結構設計的影響。在設計過程中，標準原則必須遵循，例如在抗震設計，預制構件的承載能力，必須進行檢查，以確保組件滿足設計要求。其次，優化梁柱節點的設計，以避免對項目的整體質量的影響。在設計過程中，管理必須加強，以確保設計內容和技術方法符合規范的要求。梁節點設計一般為H形與工字型。第三，注重主體，墻板，地板連接設計問題，預制墻板的應用裝配式鋼結構大多是輕，如蒸壓加氣混凝土板。主框架和預制墻板通過螺栓連接到充分發揮組裝鋼結構的設計效果。第四，預制件的承載能力，變形和裂紋應在建筑物耐久性結構的設計來計算。第五，在建筑設計輔助部分中，應首先考慮加固板和加固RIB的設計。如果梁和柱的連接不滿足設計強度要求，則應首先考慮加勁肋和加勁肋的設計，則需要針對柱腹板節點部位實施加厚處理。例如H型截面鋼柱，需要在節點域位置加焊貼板材，且貼板上邊緣與下邊緣應當滲出加勁肋15cm左右，且應用角焊縫連接貼板，加焊柱翼緣貼板與貼板之間的連接。

6.3 機電設備設計

機電設備設計也是組裝鋼結構的重要環節，設計單位必須做好設計管理。一是給排水管道的預嵌入式設計。設計內容體現在預制墻體設計，大部分建筑為廚房和衛浴空間的要求都比較嚴格，所以在結構設計必須滿足標準規范。管線的預埋設計采用預埋管線槽和預埋管線的方式。其次，優化氣體預先嵌入和電氣管線嵌入前，利用機械和電氣設備的優化，加強工程設計的整體質量的設計。

6.4 管線深化設計

在管道設計時，應先布置大直徑的管道，再布置小直徑的管道。在重力管道安裝時，應考慮管道的壓力。熱水管道應在冷水管道之前設計好。電纜橋架和流體管道的設計應獨立進行設計。最大限度地減少管道和消除冗余的管道[7]。

7 結束語

隨著計算機技術在建筑中的應用，設計和標準化管理的信息化，預制組件的生產效率不斷提高，和組件的成本逐漸下降。隨著工廠的數字化管理，裝配式鋼結構建筑的裝飾在不久的將來可以用主體來建造。

在其發展過程中，不可避免地會存在一些問題，例如設計中缺少制約性的規范，設計中所采取的方法與技術相對落后，以及鋼結構零件的發展相對滯后等。因此，為了進一步地深化我國裝配式鋼結構建筑產品行業的發展與創新，必須大力地推動其建造與設計模式的改革與創新，在不斷地吸收國內外先進設計理念的同時，通過標準化設計、信息化管理、智能化運用等各個環節，不斷促進我國建筑產品行業的優化與轉型升級。