裝配式鋼結構高層住宅設計與施工

施 亮

上海建工匯福置業有限公司 上海 201318

1 工程概況

上海市某高層住宅項目，共16幢14層高層，其中1幢為裝配式鋼結構試點項目。該單體建筑高度43.6 m，層高3 m，建筑面積近6 000 m2（地上約5 500 m2，地下約500 m2）。出于小區整體規劃及外立面統一性的考慮，該號房除了結構體系與其他單體不同外，建筑平面及立面造型力求與小區其余高層一致。

該小區住宅外立面層間采用貫通的水平線條，外挑陽臺、飄窗，除了轉角帶有圓弧以外，沿水平向也設計了與外墻面水平線條拉通的線條，窗間墻之間的豎向線條與水平線條形成鮮明對比，使整個建筑立面顯得十分華麗、氣派、雅致，體現出海派風格。

2 工程重要特點和難點

1）缺乏設計經驗。目前，我國裝配式鋼結構高層住宅建設開發還處在起步階段，已建成的項目數量很少。在發達國家，鋼結構住宅比較普及，但僅限于低層住宅。所以一方面缺乏設計經驗，另一方面可供借鑒的案例少。

2）受限于現有設計條件。建筑設計定型前，沒考慮鋼結構設計因素。為最大限度保持與小區其他高層住宅建筑風格統一，要求鋼結構盡可能按報規條件設計。同時需重點解決鋼結構住宅建筑防水、防火、保溫隔聲、防開裂等方面的問題。

3）外墻立面線條多，細部節點復雜多樣。與小區其他預制裝配式混凝土結構住宅相比，難度不僅表現為裝飾線條多，幾何形狀復雜，相互拼接精度要求高，且要根據鋼結構自身特點，對結構受力、預制構件制作和吊裝、建筑裝飾效果等方面做全方位分析，從中選取較為理想的技術方案。

4）兼顧室內精裝修，合理布置鋼結構。鋼結構住宅通常為鋼架體系，套內空間出現鋼梁、柱情況難以避免，機電管線布置難度大，鋼材與其他材料接觸面易開裂。

5）無外腳手架施工要求高。在無外腳手架的條件下完成外墻，特別是陽臺、飄窗施工，難度較大，施工安全措施要求更高。

3 裝配式鋼結構高層住宅設計

3.1 鋼結構布置與分析

本項目對鋼結構布置不利的因素有：平面凹進凸出；外立面線條較多，南北臥室為飄窗，還有外挑陽臺，結構受力復雜；多軸線錯位，增加了鋼結構柱網布置的難度[1]。

通過反復研究，確定主體結構采用框架梁-中心支撐結構體系。針對南北臥室飄窗、外挑陽臺自重較大及中心外挑等問題，選用箱型梁作為對應支承邊梁，以提高鋼梁抗扭穩定性能。通過寬扁柱和小截面柱的合理布置，解決了軸線錯位問題，并適度減少了室內凸柱數量。最大寬扁柱截面尺寸為450 mm×180 mm，最小為180 mm×180 mm。電梯井四角鋼柱尺寸為180 mm×180 mm和350 mm×180 mm，鋼柱布置時，充分考慮電梯井道的凈空尺寸。

3.2 外墻板形式的選擇

通過對各種材料性能、優缺點進行分析比較，確定采用預制夾心保溫外掛板技術。其優點是圍護結構荷載傳遞路徑簡潔清晰，能與鋼結構標準化連接，全程干作業施工，便利快捷。同時滿足了防水、防火、保溫等要求，其基本構造為厚60 mm配筋混凝土＋厚40 mm保溫層＋厚60 mm配筋混凝土（圖1）。

圖1 外墻板示意

3.3 內墻形式的選擇

室內分戶墻選用了一種輕鋼龍骨灌漿墻，即輕鋼龍骨＋雙面纖維水泥板，中間現澆密度為400 kg/m3的輕質高強無收縮灌漿料。該墻體的優點是自重輕、易安裝，具有隔聲防火等效果（圖2）。

圖2 輕鋼龍骨灌漿墻構造

3.4 樓板選擇

樓板采用預制混凝土疊合板，即60 mm厚預制＋70 mm厚現澆，樓板與鋼梁通過梁頂栓釘固定，連成整體，共同受力（圖3）。

圖3 疊合樓板與鋼梁連接節點

3.5 外墻裝飾線條的技術處理

外立面裝飾線條包括外掛墻板的水平線條和豎向線條，陽臺外側線條作為水平線條的延伸。水平線條的截面呈上寬下窄，層層內收。豎向線條恰好處在相鄰飄窗之間，呈凹凸形狀（圖4）。

圖4 外立面裝飾線條SU模型示意

1）外掛預制墻板水平裝飾線條。從圖4看出，水平線條位于上下層飄窗之間，考慮到小業主擦窗時會踩踏在裝飾線條上，故確定把線條作為外掛墻板一部分，整體加工制作。轉角圓弧飄窗由于質量太大，加工構件采用輕質混凝土。

2）陽臺外側線條。因陽臺采用箱形鋼梁、整體預制陽臺的結構受力體系，難以將裝飾線條與陽臺合成一體。加工制作時只能分2次施工。線條采用輕鋼龍骨外掛GRC裝飾材料，降低了現場施工的難度，提高了結構連接的安全性，保證了建筑立面效果（圖5）。

圖5 陽臺墻身示意

3）飄窗間的豎向線條。豎向線體依附于2塊預制外墻板上，如想與預制板一起加工，須把線條分成2塊，分別依附在2塊預制板上，這樣在立面上不但多出一條豎向縫，而且增加了預制構件制作、安裝的難度。而將它們分開制作安裝，則簡化了構件節點計算模型，確保了豎向線條的安裝難度。線條基本構造是：輕鋼龍骨外掛GRC材料。

3.6 關鍵部位節點處理

1）外掛墻板與鋼框架交接處的封堵處理。外掛墻板與鋼框架之間設有40 mm間隙，空隙在層間、戶間、套內各房間之間均需做防火設計，防火設計需滿足住宅建筑空間特點和各房間使用要求，并減少后期維護。上述部位防火構造采用A級防火材料封堵（防火材料選用玻璃棉卷氈和無機灌漿料）；層間封堵保證建筑主體結構（鋼框架與樓面結構板）與外掛墻板自由變形，以符合結構計算模型要求，但需保持房間地面層與外掛墻板貼合以使房間空間完整，滿足建筑使用要求。墻柱封堵結合室內裝修統一考慮防火材料表層覆蓋構造（圖6）。

圖6 外掛板與鋼柱的封堵處理

2）衛生間樓地面防水處理。主體結構與外掛墻板相接處防水構造主要是通過合理設置現澆混凝土擋墻，使地面防水層與墻面防水層銜接緊密，避免防水層基層變形開裂導致防水層拉裂失效（圖7）。

圖7 衛生間外墻節點大樣

4 主體結構吊裝

本項目所有鋼結構、外墻板、樓梯板和大部分樓板均為工廠預制成形，現場通過吊機進行安裝作業，安裝工序嚴格按照“鋼結構先行、樓（梯）板緊跟”的原則進行。為減少吊裝構件數量，鋼柱以2層為1節進行制作，對布設有支撐的鋼柱，將2層鋼柱、2層鋼梁和1層支撐制作成片狀桁架進行整體吊裝。

內、外墻板均在主體結構封頂后安裝，外墻板采用吊機自下而上逐層依序安裝，內墻板按類型分區域安裝。

為方便外墻板與梁之間連接，采用了下承上拉式連接節點構造（圖8）。預制外掛板通過點支承式連接節點外掛于相應鋼結構邊梁。單塊板上部2個為面外約束，下部2個為承重鉸支座，其中1個可水平滑動（圖9）。

圖8 外墻板與鋼梁連接節點構造

圖9 平移式外掛墻板支座示意

陽臺安裝受限于無外腳手架施工，陽臺梁（鋼梁）與預制陽臺在預制夾心保溫外掛墻板吊裝完成后，從低樓層向高樓層順次安裝。

5 室內精裝修施工

相較于毛坯房交付，精裝修商品房交付有著更精細的要求。原本結構設計時允許出現的不影響結構安全性的小裂縫，在精裝交付時是不允許出現的。因此精裝修施工過程中需要解決更多的細節問題。

5.1 墻體有拼縫，套內墻面需特殊處理

1）由于結構形式的客觀原因，外立面上預制板的拼縫不可避免。墻體外側拼縫，上文已經介紹過，而在套內的外掛板拼縫，無法純用乳膠漆遮蓋，因為溫度產生的熱脹冷縮會使墻面有開裂隱患。考慮到施工成本，且此房間并非主臥，這面墻不設背景墻，最終在此位置加了一個與衣柜等厚度的假柱，待小業主入住放置衣柜后，此處能與衣柜形成整體（圖10）。

圖10 套內外掛板拼縫位置以及處理

2）防火涂料噴涂厚度不均。設計施工圖上防火涂料厚度為30 mm，涂料完成面與二結構墻體齊平（圖11）。實際大面施工下來，最終噴涂完成面精度較差，不同的鋼柱防火涂料厚度不同，同一個柱子上部和根部的防火涂料厚度也不同，相鄰的砌塊墻面需要粉更厚的砂漿來借平整個墻面。這次試點為今后的施工提供了寶貴經驗，將來或可采用涂抹式的防火涂料，提高鋼柱最終完成面的精度，從而為后續施工提供良好的基層條件。

圖11 防火涂料完成面與二結構墻體齊平

3）鋼柱與其他墻體的接縫處理。鋼結構住宅與鋼筋混凝土住宅最大的區別在于主體結構與二結構墻體材料剛度的差異性?，F澆混凝土與砌塊在面層粉上水泥砂漿后，墻面基本不會開裂，鋼結構則不然。本項目中鋼柱與相鄰墻體平接有2種情況。一是鋼柱與砌塊墻平接，二是鋼柱與灌漿墻平接。最理想的處理方法是在2種材料交界處外附石膏板或者用木飾面裝飾。但是該方法成本過高，且同樣戶型與別的樓棟裝修標準不一致，最終解決方法為接縫處貼鋼絲網片，再用水泥砂漿抹平。

5.2 外掛板連接件影響吊頂高度、寬度

鋼結構住宅除了墻面連接上的問題，使用空間上與鋼筋混凝土住宅也有略有不同。

由于外掛板與鋼梁是側向連接，圖12中的上節點支座在套內空間明露。因此室內精裝修吊頂設計時需要降低客廳、臥室等周圍一圈低頂的高度，同時加大這圈低頂的寬度，以遮蓋此支座。而在小空間如廚房、衛生間等區域，則整體降低吊頂高度。這樣與同層高的鋼筋混凝土裝修房相比，就體現不出它的優勢。

圖12 上節點支座在套內空間明露

5.3 樓梯間裸露鋼梁鋼柱需裝飾處理

樓梯間墻面除了正常粉刷外，裸露鋼梁、鋼柱需要額外封板處理，避免產生視覺上的突兀感（圖13）?，F場用TK板包覆，外刷白色涂料。

圖13 樓梯間裸露鋼梁鋼柱封板前與封板后

5.4 裝配式鋼結構對機電安裝的影響

由于鋼梁鋼柱的特殊性，只能在前期設計階段事先在鋼梁上預留穿線洞口位置。另外，項目是精裝修交付，相對于毛坯房交付增加了許多機電設備，如中央空調、燃氣排煙、浴室排氣以及冷熱水管等。因此對前期設計的周密性、整體性提出了很高的要求。尤其外墻留洞，鋼梁和外掛板需同步預留，一旦兩者發生錯位，只能在外墻板上重新打洞，這對于無腳手架體系來說，無法在外側高空作業，只能從內部穿過鋼梁上的洞口進行作業，施工非常不便。

在套內，精裝修布置點位時需要結合鋼結構圖紙和PC深化圖，插座開關需避開鋼柱位置和現澆預制的交界處。若遇到插座無法避免鋼柱位置時，則需對鋼柱進行外包處理。

6 結語

裝配式鋼結構住宅在土建施工時，有顯著優勢：鋼結構構件、混凝土構件適合工廠化、標準化生產，且鋼構件自動化組裝焊接大部分可在工廠完成，減少了現場工作量；設計、生產一體化，制作工廠化，吊裝機械化，減少了現場濕作業量，施工周期明顯縮短。

裝配式鋼結構帶精裝交付的高層住宅在國內尚在探索階段。筆者認為未來需要優化改進的部分在精裝修階段。首先，在設計初期就必須考慮精裝修的設計內容，裝修標準和定位都應事先明確，否則一旦后期調整，會大大增加現場作業量，既增加人力成本，又延長工期，削弱了預制裝配式的優勢。其次，提高土建施工的精度和毛坯房的質量，避免在精裝階段因墻地面平整度不好、開裂以及管線排布不合理的原因，從而產生二次成本。

本項目由于小區整體立面與房型考慮在先，確定該項目采用鋼結構在后，所以未能充分發掘鋼結構大空間的優勢。希望今后有機會能研發一些基于鋼結構特性的戶型。在裝修風格上也可以嘗試表現出鋼結構固有特色，發掘應用適合于鋼結構的新型裝修材料。預制裝配式鋼結構住宅是一種值得推廣的產品，只有多元化的住宅產品才能讓房地產市場更有活力。