裝配式集裝箱式房屋體系與屋架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計優(yōu)化

程美濤 章 昊 劉彥彬

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

在上海市公共衛(wèi)生臨床中心應(yīng)急儲備樓項目中，工期要求非常緊張，需要盡可能地采用高效便捷的方式來完成項目的設(shè)計和建造。為了能夠更高效地完成施工任務(wù)，技術(shù)團隊優(yōu)化了北側(cè)鋼結(jié)構(gòu)墻體的施工方案，簡化施工工序，在減少對其他工種影響的同時，實現(xiàn)墻體快速施工。同時，在不改變安裝節(jié)點、提高整體結(jié)構(gòu)安全性的前提下，優(yōu)化檁條用材，簡化安裝工序，大幅減重上部屋架，降低人力及機施資源投入，對項目進度起到極大的推進作用。

1 工程概況

上海市公共衛(wèi)生臨床中心應(yīng)急儲備樓項目為新建臨時建筑，地上有5個建筑單體。其中，1號樓為主體醫(yī)療綜合樓（應(yīng)急儲備樓），包含200床負壓傳染病房、醫(yī)護工作區(qū)、醫(yī)護宿舍及相關(guān)輔助功能區(qū)。

本項目1、2層為冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)，屋面為鋼桁架結(jié)構(gòu)體系[1]，整體結(jié)構(gòu)上重下輕。經(jīng)分析，若采用原檁條施工，下方集裝箱框架有立柱失穩(wěn)、框架梁撓度過大等隱患。為克服主體結(jié)構(gòu)冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)[2-4]無法承受上部屋架質(zhì)量的問題，擬將原設(shè)計中H型鋼屋面檁條部分改用特制C形鋼檁條，在滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下，使屋面大幅減重。

在1號樓北側(cè)鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，原施工圖紙中部分墻體采用蒸壓加氣混凝土砌塊墻。構(gòu)造柱、門窗過梁均需現(xiàn)場綁扎鋼筋支模后現(xiàn)澆混凝土，施工速度緩慢，且施工時期正值春節(jié)假期，又是在新冠肺炎疫情觸發(fā)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng)機制的背景下，在場熟練工較少，無法保證質(zhì)量與速度兼顧。此外，由于多工種同時施工，現(xiàn)澆混凝土的濕作業(yè)對其他專業(yè)單位的工作有較大影響。

為保證更為環(huán)保、高效地完成施工任務(wù)，現(xiàn)場項目部與設(shè)計單位進行了溝通協(xié)商后，優(yōu)化了北側(cè)鋼結(jié)構(gòu)墻體的施工方案，優(yōu)化后的墻體改為厚200 mm的保溫巖棉板墻[5-8]。

2 優(yōu)化方案

2.1 特制C形檁條

2.1.1 特制C形檁條方案設(shè)計

為解決檁條自重過大的問題，設(shè)計師在現(xiàn)場嘗試對多種常規(guī)截面進行試算，計算類型包括高頻焊接輕型H型鋼、冷彎薄壁矩形管、冷彎薄壁卷邊C型鋼等國家型鋼庫已有截面，計算結(jié)果均無法均衡安裝方式、計算安全、經(jīng)濟成本等多方面因素。為此，現(xiàn)場技術(shù)人員提出采用定制C形檁條代替部分H形截面檁條，在滿足原設(shè)計功能及計算要求的前提下，計算出數(shù)種截面方案。在后續(xù)與材料供應(yīng)單位協(xié)調(diào)，考慮型材定制單位的生產(chǎn)能力等多種因素后，在極短的時間內(nèi)確定了特制冷彎薄壁卷邊C形檁條方案。此方案具有加工更快速、質(zhì)量更輕、造價更低等優(yōu)點。考慮屋面桁架加工已基本完成，在設(shè)計截面時考慮了與原設(shè)計H形檁條相同的連接方式（圖1），使得該方案不需要改變屋架的連接節(jié)點，確保安裝進度。

圖1 檁條安裝方式優(yōu)化

2.1.2 C形檁條方案理論依據(jù)

對于C形截面來說，它是一種單軸對稱截面，其相對x軸是對稱的，相對于y軸是非對稱的。因此，相對于y軸，其兩側(cè)的抵抗矩是不同的，截面中位于y軸左側(cè)部分對于y軸的抵抗矩記為W1，位于y軸右側(cè)部分對于y軸的抵抗矩記為W2，W1＞W(wǎng)2，且一般W1是W2的3倍左右。

根據(jù)GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的要求：只有屋面板材與檁條有牢固的連接，即用自攻螺釘、螺栓、拉鉚釘和射釘?shù)扰c檁條牢固連接，且屋面板材有足夠的剛度（例如壓型鋼板），才可認為能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，可不驗算其穩(wěn)定性。此時可以認為屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)，墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)，無需驗算該穩(wěn)定應(yīng)力。

對塑料瓦、彩鋼板等剛度較弱的瓦材或屋面板材與檁條未牢固連接的情況，例如卡固在檁條支架上的壓型鋼板（扣板），板材在使用狀態(tài)下可自由滑動，即屋面板材與檁條未牢固連接，連接片是可滑移的，扭轉(zhuǎn)剛度沒有保證，不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)。此時不可以認為屋面板能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)、墻板能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)，需要驗算該穩(wěn)定應(yīng)力。計算中選擇Q355B的C150 mm×75 mm×20 mm×3 mm卷邊槽形冷彎型鋼，設(shè)置2道拉條，因采用彩鋼板屋面，故計算以屋面板不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)，構(gòu)造不能保證風(fēng)吸力作用下翼緣受壓的穩(wěn)定性為前提條件，選擇中間區(qū)域具有代表性的檁條進行計算，根據(jù)GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，具體計算如下：

1）強度計算。根據(jù)規(guī)范對檁條的強度進行驗算，在最不利情況下，檁條強度滿足要求。

2）穩(wěn)定性計算。根據(jù)規(guī)范對檁條的穩(wěn)定性進行驗算，在恒載＋1.5風(fēng)載（壓力）＋0.7活載＋0.9積灰的最不利情況下，檁條整體穩(wěn)定性滿足要求。

3）風(fēng)吸作用下檁條的穩(wěn)定性計算。在1.0恒載＋1.5風(fēng)載（吸力）的風(fēng)吸作用下，檁條的穩(wěn)定性滿足要求。

4）撓度驗算。根據(jù)規(guī)范，檁條在荷載標準值作用下的撓度滿足要求。

2.2 保溫巖棉板墻

2.2.1 墻體材料優(yōu)化

為更為高效地完成施工任務(wù)，在了解設(shè)計要求后，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，向原設(shè)計提出將蒸壓加氣混凝土砌塊墻體改為厚200 mm保溫巖棉板墻（內(nèi)外側(cè)厚75 mm巖棉板＋中間40 mm×80 mm方鋼構(gòu)造）的方案（圖2），保溫巖棉板墻的保溫、防火性能均能達到使用標準，對氣密性、防潮等特殊要求經(jīng)過特殊施工處理后，可達到更好的使用效果，經(jīng)設(shè)計核算驗證后，采用并實施了優(yōu)化方案。

圖2 保溫巖棉板墻結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 墻體施工優(yōu)化

原砌塊墻圈梁砌筑施工10 d，構(gòu)造柱、門窗過梁5 d，共計工期約15 d，采用巖棉板方案后，利用鋼結(jié)構(gòu)增加構(gòu)造方鋼，使保溫巖棉板墻固定在構(gòu)造方鋼上，簡化了施工工序，在減少對其他工種影響的同時，實現(xiàn)新型墻體快速施工，墻體施工節(jié)約工期10 d。

3 效益分析

3.1 檁條優(yōu)化

特制C形檁條下料、軋制、沖孔一次成形，無需工廠二次加工，所使用的鍍鋅板基材無需涂防腐涂料，大大節(jié)約了工期和成本，每根長約6 m的檁條單重也由原來的186.60 kg變?yōu)?6.32 kg，檁條成本相應(yīng)降低約47萬元。同時由借助機械安裝變成普通人工即可安裝，為現(xiàn)場節(jié)約大量施工機械資源。型材壁厚由10 mm變?yōu)? mm，避免了預(yù)鉆孔，使得現(xiàn)場屋面板施工變得簡單，大大提高施工效率，為該項目提前竣工搶到寶貴時間，也提高了結(jié)構(gòu)整體的安全度。

3.2 墻體優(yōu)化

在1號樓北側(cè)鋼結(jié)構(gòu)建筑中，墻體采用了優(yōu)化后的巖棉板墻方案，可滿足消防、保溫等設(shè)計要求，在當(dāng)前市場上是一種較好的替代方案。同時由于施工技術(shù)的優(yōu)化，巖棉板墻方案有效避免了混凝土濕作業(yè)施工，減少了對相鄰工種施工的影響。此外，在節(jié)省大量人力物力的情況下，將工期由約15 d縮短至5 d，提升了施工質(zhì)量，且將墻體的總造價降低了50%，為項目順利完工提供了有力保障。

4 結(jié)語

本文結(jié)合上海市公共衛(wèi)生臨床中心應(yīng)急儲備樓項目，從配合應(yīng)急施工過程中快速應(yīng)變的適用性、安全性、經(jīng)濟性等方面出發(fā)，采用特制C形檁條和保溫巖棉板墻等技術(shù)方案，在預(yù)定工期內(nèi)圓滿完成了施工建設(shè)任務(wù)。

應(yīng)急項目施工過程中，在時間緊、材料缺等條件下，要根據(jù)設(shè)計要求和項目實際情況合理優(yōu)化施工工藝和施工工序，盡量采取適合項目自身的結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造做法、靈活施工，確保項目如期完工。該項目的順利實施可為同類應(yīng)急醫(yī)院建筑項目的設(shè)計與施工提供參考。