裝配式鋼結構住宅標準化設計與應用*

蘇 磊，曹計栓，馮仕章

(1.北京建誼投資發展(集團)有限公司，北京 100068；2.住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心，北京 100044)

0 引言

“十三五”期間，國家相關部委陸續出臺了20多項發展裝配式建筑的相關政策，其中重點提到了大力發展裝配式鋼結構建筑，發展裝配式鋼結構建筑是建筑業推進“供給側改革”的重要舉措，是“藏鋼于民”、完善戰略儲備、拉動經濟發展的重要抓手，是推進建筑業轉型升級發展的有效路徑。鋼結構建筑具有安全、高效、綠色、可重復利用的特點，是當前裝配式建筑“三足鼎立”發展的重要支撐。目前,我國各地積極參與裝配式鋼結構住宅體系的研究和實踐,并取得相關建設經驗和科技成果,但在建設實踐中也發現大量制約鋼結構住宅發展的問題，主要為鋼結構住宅建筑產品戶型尺寸模數與結構、部品構件模數不協調，標準化、系列化的推進不夠，設計集成化程度低。本文通過探索裝配式鋼結構住宅的設計思路及流程，在模數化的基礎上實現了標準化，通過組合標準部品部件實現多樣化，總結得到標準化裝配式鋼結構住宅體系，并在北京市首鋼二通廠南區(1615-681地塊)棚改定向安置房項目進行實踐應用。

1 設計思路

1.1 指導思想

鋼結構住宅標準化設計的關鍵是要實現參數化、模數化與數據流轉，設計的中心思想是實現標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應用，各系統間要滿足模數協調、專業設計協同、標準化接口的要求。

1.2 設計流程

裝配式鋼結構住宅標準化設計基本流程為：功能模塊居住空間設計(起居室、臥室、廚衛等)→在假定柱網中組合居住單元→形成柱網模塊→形成結構構件標準化數據庫→項目實踐(模塊化組合+非標準設計)，具體要點如下。

1)功能模塊居住空間設計首先要考慮部品部件及墻板模數協調，其次與假定柱網居住單元組合之間進行初級組合、交互調整。

2)假定柱網居住單元組合與形成的柱網模塊間進行結構初算、交互調整。

3) 確定柱網下的柱網模塊，為各種模塊組合輸入提供依據，結構組合計算形成結構構件標準化數據庫，最后進行多種數據組合、大量計算、包絡分析等。

2 標準化設計

2.1 建筑產品標準化設計

裝配式鋼結構住宅建筑產品的設計核心是戶型的標準化與模數化，戶型設計的模數化主要包括基本開間和進深的尺寸設計、各功能空間尺寸劃分兩方面。在此基礎上，依據住宅內不同功能空間建立不同的標準化獨立模塊，以實現鋼結構住宅建筑設計的標準化與模數化；從標準化的小模塊入手，通過合理組合匹配出多樣化住宅，解決鋼結構住宅標準化與住宅市場需求多樣化的矛盾。通過模塊化、標準化、多樣化的設計手法，可打造出安全、環保、舒適的裝配式鋼結構建筑產品，按產品的不同系列可分為多高層產品和低層產品。

模數協調是鋼結構住宅部品部件標準化設計的基礎，實現鋼結構住宅產業化要以模數化構建標準化，以標準化推動工業化，最終實現住宅產業化。因此，進行鋼結構住宅戶型設計時，首先應注重各尺寸的模數協調，實現鋼結構住宅平面設計的模數化。

2.2 結構部件標準化設計

結構部件標準化設計即實現型鋼構件標準化，型鋼構件標準化按受力體系考慮以下方面：①豎向作用 考慮建筑的高度、柱網大小、建筑做法、圍護做法、樓板做法等；②橫向作用 考慮風作用(風壓、建筑外形)、地震作用(烈度、場地土類別、特征周期)。

通過研究結構體系，得出型鋼構件標準化的設計產品，即H型鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻產品(見圖1)，豎向構件鋼柱采用定制矩形鋼柱，抗側力體系采用防屈曲鋼板剪力墻；水平構件鋼梁采用定制窄翼緣H型鋼梁，框架梁柱連接節點采用梯形全栓接裝配式節點；樓板采用可拆模鋼筋桁架樓承板，滿足裝配化施工要求的同時，降低成本。

圖1 H型鋼框架+防屈曲鋼板剪力墻

1)標準化定制型鋼

通過前期計算，匹配多種經典戶型，歸納出多種定制型鋼，可用于6～8度區的多高層住宅。全樓框架鋼廠軋制，焊接量減少70%以上；全樓鋼柱、鋼梁輪廓統一；部品部件種類減小，使全樓內、外墻高度統一，墻體材料用量降低20%以上，墻體安裝人工用量降低20%以上；定制窄翼緣鋼梁，使鋼梁隱藏在墻體內，電管順利通過鋼梁翼緣；100%工廠軋制，加工工藝簡單形成統一的標準化節點。優化前、后的鋼梁翼緣如圖2所示。

圖2 優化前、后的鋼梁翼緣

2)標準化抗側力構件

抗側力構件設計為防屈曲鋼板剪力墻，在內嵌鋼板外設置剛性約束構件以抑制平面外屈曲，使內嵌鋼板充分耗能。鋼框架-防屈曲鋼板剪力墻體系是融合鋼框架、防屈曲鋼板剪力墻兩種結構優點的新型結構體系。防屈曲鋼板與框架構成雙重抗側力體系，該新型結構耗能能力更優，初始抗側剛度更大，且平面布置靈活、施工方便，能解決傳統鋼框架-混凝土剪力墻結構現場濕作業多、施工速度慢、工業化程度低等問題。其具體優勢為：①結構體系剛度大、延性好、承載力高，是優秀的抗震結構，特別適合用于高烈度地區；②構件尺寸較小，結構布置靈活，可避開建筑門窗在柱間的任意位置自由布置，減小對建筑使用功能的影響；③防屈曲鋼板剪力墻構造簡單、安裝方便，可完全實現工廠加工、現場拼裝，工業化程度高。

防屈曲鋼板剪力墻主要由內填鋼板和外側混凝土板組成，如圖3所示。外側蓋板用于約束內嵌鋼板平面外變形，采用預制鋼筋混凝土板，在兩側蓋板和內嵌鋼板的相同位置開孔以便螺栓穿過。

圖3 防屈曲鋼板剪力墻

3)可拆卸的桁架樓承板標準化設計

將樓板中的鋼筋在工廠制作為鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與鍍鋅板底模焊接為一體，形成桁架樓承板，鋼筋桁架直接作為板底、板面受力鋼筋。鋼筋桁架樓承板計算時與普通現澆混凝土設計理論等同，而其鋼筋桁架三角受力模式能提供更大的剛度，且雙向剛度一致，具有更好的抗震性能。施工時，可將鋼筋桁架樓承板直接鋪設在鋼梁上，然后進行簡單的鋼筋工程施工，便可澆筑混凝土，鍍鋅板底模起模板作用，可提高樓板施工效率，實現底模回收再利用。

4)樓梯設計

樓梯采用預制混凝土樓梯，現場免去濕作業，提高整體裝配率，安裝便捷，縮短施工工期。

2.3 外圍護標準化設計

裝配式鋼結構住宅產品的標準化圍護體系采用蒸壓加氣混凝土外墻板+保溫裝飾一體板替代傳統砌塊墻，如圖4所示。保溫裝飾一體板由4mm背板+80mm巖棉保溫+8mm面板組成，防火等級為A級。加氣混凝土外墻板熱工性能好、強度低；外墻板拼裝單元體與主體結構間采用自復位搖擺減震連接節點連接，包含2個相互垂直的長圓孔供連接螺栓滑動，釋放傳遞至節點的地震力，確保加氣混凝土條板連接節點受力較小，在多遇地震時不被破壞。主體結構變形較大時，加氣混凝土條板受節點約束較小，可隨主體結構共同變形，保證其在設防地震和罕遇地震下起到減小震害的作用，且不會嚴重破壞。加氣混凝土外墻板材拼裝單元體技術可極大地提高生產效率，減少現場作業，節能、降耗、減少污染。

圖4 保溫裝飾一體板

2.4 內裝系統標準化設計

裝配式鋼結構住宅的室內裝修由隔墻模塊和各部品裝修模塊組成(見圖5a)，臥室隔墻和廚房內墻采用100mm厚輕集料輕質混凝土板，分戶墻、電梯井周圍墻體、樓梯隔墻采用200mm厚蒸壓輕質砂加氣混凝土條板，內墻飾面(除廚衛間)均為石膏打底、面層涂料飾面，解決了進戶電箱安裝、管線穿插、墻面抗裂等一系列問題。通過采用集成化、模塊化的部品形成標準化內裝系統。

要做到部品設計前置，在方案設計階段就應考慮到集成化部品的預制和應用。采用地面架空(見圖5b)、整體廚衛(見圖5c，5d)、集成機電、模塊收納等全裝配式做法，現場拼裝干式作業。設計選型過程中，可參照成品吊頂的廠家標準尺寸進行內裝設計，參照標準化整體衛浴模塊尺寸進行隔墻定位，按整體廚房的管井設計匹配機電管線、墻體預留洞口等。

圖5 內裝系統標準化設計

內裝設計應與建筑、結構、外圍護、設備與管線系統協同設計。內裝與建筑的協同，主要體現在功能空間尺寸和隔墻定位；內裝與結構的協同，主要體現在裝配式隔墻與上、下樓板或梁柱的拉結固定與變形空間及對鋼構件的隔聲措施；內裝與外圍護的協同，主要體現在門窗洞口收口、墻體縫隙處的防火隔聲處理；內裝與設備管線的協同，主要體現在連接接口的通用性、管線敷設和維修改造的靈活性(如檢修口的設置)。

2.5 設備與管線系統標準化設計

裝配式鋼結構住宅由傳統思維的機電設計演變為通過新的設計理念、技術手段等總結研究出新型裝配式體系設備與管線集成模塊化、一體化、裝配化的設計。

裝配式鋼結構住宅室內設備與管線應與結構主體分離，所有公共管線系統設在公共空間，選用集成化、標準化、裝配化高的設備管線材料，設計時應充分考慮專用部品可滿足可逆安裝，選用質量好、使用時間長的部品。室內設備及管線設計與整體廚房、整體衛浴、架空地板等設計協同，使機電管線與結構主體分離，避免濕作業、提高裝配率，實現管線預制化、設備標準化采購。

設備與管線模塊化是將建筑項目中整個機電系統拆分，由構配件組合形成最小的、獨立的、系統的設計單元，即模塊。通過對模塊按設計、安裝等要求進行優化，實現設計、安裝、廠商數據信息的集成，以保證模塊可進行快速的設計選用、提資、精確化預制安裝，實現標準化模塊重復使用。

3 工程實踐

3.1 設計實施

裝配式鋼結構住宅在北京市首鋼二通廠南區(1615-681地塊)棚改定向安置房項目進行推廣應用，通過各專業相互協同進行標準化設計，其中建筑與結構、外圍護間緊密協同，標準層外圍護如圖6所示。通過調整結構布置，外圍鋼梁與鋼柱內側齊平，鋼柱露在外側，盡量保證中柱偏向次要空間，增加室內空間利用率，得房率提升10%～12%。柱網橫平豎直，簡潔合理，減少構件數量種類，預制構件規格統一，提高標準化水平，降低用鋼量，同時降低加工和安裝成本，為解決鋼結構建筑“窗上口受鋼梁制約，窗下口受安全高度制約”的問題，外圈優化設計為“王”字形梁，有效增大外窗高度。“王”字形鋼梁節點如圖7所示。

圖6 標準層外圍護

圖7 “王”字形鋼梁節點

3.2 結構部件快速裝配

通過優化構件拆分，施工過程采用一柱四層，每8個工作時可完成全部22根鋼柱的安裝。鋼梁采用串吊法，一次性吊裝4根梁，每8個工作時能完成60根鋼梁的安裝，如圖8所示。防屈曲鋼板墻在現場預拼裝，與鋼梁焊接成整體吊裝(見圖9)。上述施工安裝過程均減少了塔式起重機吊次，節省安裝時間，提高工作效率，縮短工期，充分發揮了裝配式鋼結構住宅標準化建造高效的特點。

圖8 鋼梁串吊法

圖9 防屈曲鋼板墻吊裝

3.3 外圍護部品裝配

外圍護板與鋼梁間采用自復位搖擺減震連接，提高安裝過程中配合精度的兼容性，安裝就位后，有較大調整范圍，降低安裝難度。加氣混凝土外墻板拼裝單元體間的豎縫為子母槽拼縫，采用加氣混凝土專用砂漿擠漿施工，保證板縫密閉且有一定變形能力，避免單元體間相互擠壓破壞。

保溫裝飾一體板采用粘錨結合方式固定，錨固件由塑料脹栓+卡扣式組合扣件組成，由專業施工隊伍安裝。

3.4 外墻防水控制

裝配式鋼結構建筑外墻防水決定整個外墻質量和后期運營維護成本，因此控制好外墻ALC條板間拼縫、防屈曲鋼板剪力墻對拉螺栓孔、鋼柱與ALC條板防水和外墻保溫裝飾一體板的縫隙防水尤為重要。

外墻ALC條板間拼縫、防屈曲鋼板剪力墻對拉螺栓孔、鋼柱與ALC條板間先用密封膠及砂漿封堵，然后用聚合物抗裂砂漿找平，最后以板縫或螺栓孔為中心，涂刷100mm寬聚氨酯防水涂料，涂刷均勻無露底，厚1mm。

保溫裝飾一體板切割后需使用專用封邊漆進行封閉滲透處理，以提高耐候膠與硅酸鈣板間的黏結力。外墻保溫裝飾板面板采用高密度硅酸鈣板，該材料具有較高的強度及柔韌性，但硅酸鈣板裁割后的斷面與硅酮耐候膠相容性不夠，需用專用滲透封邊漆在板材切割后用輥筒(或毛刷)均勻涂刷在飾面板四周(保溫層除外)。滲透封邊漆滲入飾面板2～3mm，起到牢固的、微觀尺度的物理化學互鎖咬合作用，避免保溫裝飾板因四周未封閉處理而產生黏結力差、易吸水、易翹曲變形等嚴重質量問題，保證整個保溫裝飾板外墻外保溫系統具有可靠的耐候性和防水性。

3.5 內裝、設備與管線裝配

架空地板、整體廚衛、設備與管線等內裝部品在裝配前制定了集成化材料部品的生產加工、包裝運輸、安裝驗收等工藝標準，在部品生產、運輸、安裝等環節控制質量、進度和成本。

4 結語

對裝配式鋼結構住宅產品標準化進行設計探索與實踐應用，通過設計與施工的緊密協同、創新優化部品部件安裝工藝，探索裝配式鋼結構外圍護體系的防水質量控制，總結出一套可推廣復制的裝配式鋼結構住宅產品體系及建造方案，可為今后裝配式鋼結構住宅的大面積推廣提供參考。