裝配式鋼結構小型場館的結構探索

曲圣玉

2015 年國務院46 號文件提出，要重點建設一批便民利民的中小型體育場館、公眾健身活動中心、戶外多功能球場等體育場地設施。隨著國家對體育館經營權的逐漸放開，體育產業快速發展，出現了多種合作共贏的體育館的商業運營模式。如何降低建造成本，改變傳統建設方式下的重資產模式，同時又能實現產業化發展的需求，實現IPD模式下的集成產品開發，是決定體育產業走向和前景的根本問題。

在裝配式鋼結構住宅發展較慢的起步階段，如果能在中小型多功能場館的建設中開展標準化、模塊化設計[1]，通過各類功能齊全的基礎標準單元，完成型鋼構件標準化設計，進而建立構件標準化體系，實現構件產品標準化、基礎模塊標準化，推動中小型公共建筑向標準化、規模化邁進，也不失為一條探索裝配式鋼結構建筑產業化發展的以點帶面的開拓之路。

1.較成熟的小型場館結構體系介紹

目前國內的全民健身體育場館設施主要來自兩家企業，就是號稱開創了移動裝配式場館先河的勞斯伯格和上海瑞德爾。

圖1 場館設計效果圖

移動裝配式場館主要采用篷房結構。篷房（fabric building）是由鋁合金型材或鋼結構框架以及篷布組成的臨時建筑或半永久性建筑，可用于短期戶外活動或用于大面積、大跨度、內部空間通暢無障礙、又能夠快速裝卸的臨時或永久工程。篷房源自歐洲，其異于普通帳篷的特點是安全性能可靠，針對不同類型的場地可實現快速靈活搭建，具有拆裝便捷、運輸方便、組合多樣化等特點。

篷房的主體框架為高強度中空鋁合金結構或鋼結構，可調節式基座能適應場地不平的普遍狀況；采用的PVC 篷布更具有不拉伸、防雨、防紫外線的良好性能；且不透光、防火級別能達到國家標準；抗風壓可達0.8KN/m2。

篷房按結構形式可分為小型單體篷房、框架組合篷房和張拉結構篷房，最大跨度可達30m。

2.模塊化裝配式鋼結構小型場館的設計構思

該建筑體系的研究最初是以在北方寒冷和嚴寒地區推廣中小型體育場館為目的，在設計中專注解決了雪載、凍融和防滲漏等問題。與篷房結構相比，在可移動的同時，考慮了寒冷氣候的影響，形成了標準化、模塊化的產品體系，更符合裝配式建筑工業化生產和裝配化施工的理念。圖1 是一小型場館的建筑效果。

模塊化裝配式鋼結構小型場館采用的是輕鋼結構體系，基礎模塊的結構單元連接、標準型鋼構件組合拼接全部采用高強螺栓連接，從開口型鋼截面到開口型鋼組合截面、再到組合后構件的閉口型鋼截面甚至平面桁架結構，都形成了系列標準化構件體系[2]。

圖2 功能平面示意圖

圖3 標準化型鋼構件的截面形式

圖4 底板單元梁、柱構件組合截面

圖5 樓層單元梁組合截面

圖6 樓層梁組合拼接節點設計

圖7 結構分析模型

通過基礎模塊搭建的模塊式組合建筑的圍護系統采用了聚氨酯夾芯板墻板或整體式單元大板，配合單元體玻璃幕墻，可實現不同的立面風格；屋面則采用雙層登普采光天幕系統、雙層壓型金屬板復合保溫屋面或二者的組合，達到保溫、采光、防火、承重的功能要求。樓面系統采用LOFT 鋼結構夾層樓板或蒸壓加氣混凝土樓板。墻面圍護系統自成體系，采用獨立的單元式大板或單元體幕墻，屋（樓）面系統則與樓層單元結合，集成供應，實現了結構、保溫、裝飾一體化。

3.模塊化裝配式鋼結構小型場館的結構體系探索

3.1 以型鋼構件標準化為基礎的模塊化結構設計

模塊（Module）是模塊化設計的基礎，模塊是由標準模塊經設計組合，具有某種特定功能及結構的單元，它能夠與其他組件（或模塊）通過規范標準接口構成更大組合、模塊或系統。模塊通過“搭積木”的方式即可組成系列標準化模型，通過不同的設計接口構成模塊式建筑，以滿足不同用戶的多樣化要求。

傳統的模塊化設計以系統功能分析為基礎，將整個復雜系統的總體功能分解為若干個層次較低的、可互換的、可管理的、獨立的基礎單元模塊，再根據具體的設計要求，通過對基礎模塊的選擇和組合，快速設計出具有不同系列、不同性能、不同用途的各種全新系統，通過空間層次的重復性和流動性，達到快速建造的目的。其設計遵循的邏輯是：“空間組成整體，結構組成體系，設備組成系統”；基礎是模塊單元，關鍵是功能、狀態、接口及組合邏輯。

而以型鋼構件標準化為基礎的模塊化設計，則是在模塊化結構體系設計過程中對基礎單元模塊結構體系的再分解，以基礎模塊的受力構件為基礎建立型鋼構件標準化體系，以標準化型鋼構件組成底板單元、柱單元和樓層（屋面）單元等結構部件，再按不同的要求裝配成高度、跨度各異的基礎單元模塊，賦予不同的空間使用功能，最后依據特定的組合邏輯，通過基礎模塊搭建模塊式建筑。

在模塊化設計中引入構件標準化，通過構件標準化實現基礎模塊標準化，從源頭上推進了標準化構件在設計、生產和裝配施工各環節中的應用，也是裝配式建筑一體化集成設計方法在中小型公共建筑中的嘗試。

圖8 X、Y 向地震作用下位移云圖

圖9 最大豎向變形圖

圖10 風荷載作用下的最大水平向變形

圖11 柱和底板組合結點最大應力云圖

圖12 組合梁組合節點最大應力云圖

圖2 是圖1 場館的平面圖，是由八個基礎模塊組成的一個小型場館，既能滿足籃球、羽毛球和乒乓球等球類比賽的場地要求，也能兼做健身操場，還具備洗澡、休閑、茶吧和體育用品展售等功能。

基礎模塊的平面尺寸有3m×15m、3m×12m、3m×8m、3m×6m、3m×3m等幾種，高度有3m、6m、9m 三種選擇，可實現不同的空間要求。基礎模塊包括底板單元、柱單元、樓層單元，由標準型鋼梁、柱構件構成，模塊組合后又形成了組合梁、柱構件，再構成組合模塊的結構單元。柱構件和雨落管集成，實現了結構和排水一體化；樓層單元預留有電線和風管敷設的功能層，實現了管線分離。

型鋼構件標準化體系采用了開口型冷彎薄壁型鋼截面、高頻焊H 型鋼截面及其組合截面，作為底板、樓層單元的主次梁和柱單元的標準化構件。

以基礎模塊為例，標準化型鋼構件的截面形式見圖3。組合后的梁、柱結構單元如圖4、5 如示。

通過標準化型鋼構件得到組合構件，再以組合構件形成組合模塊的受力結構，既滿足結構的力學性能，又解決了冷橋保溫和外露梁柱的裝飾問題，還提供了電氣等設備管線的布置夾層，充分體現了裝配式建筑一體化集成設計方法的精要。組合柱由基礎模塊的冷彎薄壁型鋼構件、拼接插件、雨水管構件，保溫和裝飾包封構件等共同組成（見圖4），最后形成T 形閉口組合構件，大大提高了基礎模塊單個構件的承載力。樓層梁的組合構件（見圖5）以基礎模塊冷彎C型鋼背靠背組合為主，以插接節點板為綴板，形成組合截面，再與上部防水扣板和底部保溫層封板組合，形成了上、下弦為方鋼管截面的平面桁架結構，在改善構件截面受力性能的同時，形成了樓面設備管線系統的功能層，完美展示了各專業的協同設計。

表1 層間位移角計算結果

表2 偶然偏心作用下扭轉位移比計算結果

表3 殼單元主要參數標準

跨度方向因取消柱結構而形成的組合節點是基礎模塊拓展空間的關鍵，也提供了構件標準化體系不可缺少的節點標準化，使基礎單元的固定空間獲得了成倍延展。

組合節點做法見圖6。組合節點利用基礎模塊樓層單元和柱單元的節點板，在取消柱設計的同時，通過樓層梁腹板位置的拼接板、柱節點底面的封板、組合拼縫的加強節點板等，完成了兩個模塊樓層梁的剛接拼接，實現了節點標準化和全螺栓連接的施工裝配化，滿足了強度、穩定性和變形的各項技術要求。

3.2 結構體系分析

結構分析采用Abaqus 有限元分析軟件，分別對基礎模塊、組合模塊、組合梁柱構件進行了受力分析，對組合節點進行了彈性應力分析，印證了構件和節點設計的合理性。

圖7為組合模塊結構計算分析模型。結構分析結果如下：

3.2.1 地震作用下最大水平位移（見圖8）

3.2.2 層間位移角計算結果（見表1）

3.2.3 偶然偏心作用下扭轉位移比計算結果（見表2）

3.2.4 最大豎向變形

最大豎向變形為12mm＜8000/180=44.4mm，滿足《冷彎薄壁型鋼技術規范》（GB50018—2002）表10.1.6-1 的要求。

3.2.5 最大水平向變形為風荷載作用下的位移

最大水平向變形為18.9mm＜8000/75=106.67mm，滿足《冷彎薄壁型鋼技術規范》（GB50018—2002）表10.1.6-2的要求。見圖10。

3.2.6 豎向荷載+風荷載作用下彈性屈曲分析

屈曲模態特征值：22.9＞10，滿足要求。

3.3 組合節點分析

3.3.1 柱單元與底板單元組合節點分析

最不利組合工況：1.2 恒+0.98 活+0.98 雪+1.4 風（x、y 向）。最大應力云圖見圖11。

σmax=10.6MPa＜345 MPa，滿足要求。

分析中采用殼單元和實體單元，并賦予相應的厚度屬性。模型中殼單元基本尺寸為20mm，殼單元網格主要質量指標見表3。

3.3.2 樓層單元組合梁組合節點分析

組合梁組合節點最不利組合工況：1.2 恒+0.98 活+0.98 雪+1.4 風（x、y 向）。最大應力云圖如圖12 所示。

σmax=211.6MPa＜345 MPa，滿足要求。

4.結語

本文通過模塊化設計方法在裝配式鋼結構小型場館中的應用，探索了以型鋼構件標準化體系為基礎的一體化、模塊化設計方法，通過構件及其組合擴充了受力構件的序列，不僅提高了標準化組合構件的承載力，滿足了組合后跨度更大的結構受力要求，更通過組合構件的巧妙設計，獲得了與裝飾、保溫、設備系統密切結合的使用功能，實現了各專業的協同，充分體現了一體化集成設計的優勢。從源頭上解決了中小型模塊化裝配式鋼結構體育場館的產業化、規模化發展問題，實現了基于構件標準化的裝配式建筑技術體系的標準化設計、工業化生產和裝配化施工，為裝配式鋼結構建筑技術體系在公共建筑領域的應用做出了探索，為建筑工業化的發展積累了可借鑒的實踐經驗。