裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程設(shè)計(jì)及其優(yōu)化策略

文／徐洲 山東上冶鋼構(gòu)股份有限公司 山東濰坊 261072

引言：

當(dāng)前國家大力推進(jìn)裝配式住宅建設(shè)，一些企業(yè)也開始進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)布局及技術(shù)研發(fā)。一些示范工程的完成，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的進(jìn)步帶來了助力。但當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)還存在很多問題，結(jié)構(gòu)體系與住宅戶型平面布局的矛盾制約了鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展，一些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)照搬鋼混結(jié)構(gòu)住宅戶型，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了很多問題。當(dāng)前缺乏鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計(jì)案例，設(shè)計(jì)人員缺乏對模數(shù)化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法的了解，仍采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，給裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用及推廣造成了制約。現(xiàn)以某工程為例，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行探討。

1、工程案例

某裝配式住宅項(xiàng)目為政府安置房，根據(jù)政策規(guī)定需采用裝配式建筑。地下3 層、地上27 層，高度80m。安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7 度，Ⅲ類場地。處于寒冷B 區(qū)。2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的平面方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

作為政府安置類住房，該住宅工程結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有造價(jià)合理、效率高、技術(shù)成熟的特點(diǎn)。當(dāng)前可供選擇的結(jié)構(gòu)體系較多，鋼結(jié)構(gòu)體系包括鋼管混凝土柱框架-支撐體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-支撐體系及鋼框架體系、Y 形柱鋼框架體系、鋼管束剪力墻體系、異形柱框架體系及異形柱框架-支撐體系、鋼板組合剪力墻體系等。鋼框架-混凝土剪力墻體系需要進(jìn)行現(xiàn)場綁扎鋼筋及混凝土澆筑工作，存在與鋼框架結(jié)構(gòu)工序交叉的情況，不符合裝配式技術(shù)發(fā)展趨勢。鋼板組合剪力墻體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大。Y 形柱鋼框架體系的Y 形面會影響到建筑立面，且當(dāng)前缺乏類似施工案例。鋼框架-延性墻板為了發(fā)揮耗能特點(diǎn)，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形，要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)能很好的適應(yīng)變形。對異形柱框架-支撐體系、鋼框架支撐體系及鋼管混凝土柱框架支撐體系從單位用鋼量、剪重比、地震下最大層間位移角等方面進(jìn)行比選，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土柱框架支撐體系的剛度可滿足要求，單位用鋼量最優(yōu)，具有良好的防火、隔聲性能，適合應(yīng)用于該項(xiàng)目[1]。用鋼量中，梁的用鋼量占比為54%，柱的用鋼量占比為40%，支撐的用鋼量占比為6%。

1.2 平面方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 戶型優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

合理進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的優(yōu)化，可以讓住宅及小區(qū)整體更加合理，可提高施工的可操作性及節(jié)能效果。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到以下幾點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)要合理，梁、柱所需要的數(shù)量在合理的情況下盡可能減少，這樣才能減少用鋼量。第二，要能滿足功能需求，平面設(shè)計(jì)時(shí)布局要合理，要有動靜分區(qū)、潔污分區(qū)，功能關(guān)系要緊湊。第三，模數(shù)制要求板材的寬度要統(tǒng)一，這樣才能方便標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。第四，要能方便施工，要確保所有的樓梯、廚衛(wèi)等均保持一致，板材的規(guī)格要統(tǒng)一。第五，節(jié)能節(jié)地，要對建筑的體形系數(shù)進(jìn)行控制，提高空間的利用率，減少凹凸。第六，造型要美觀，要重點(diǎn)處理入口雨棚頂、坡屋頂及窗線條腰線等，外墻要保持整齊。

1.2.2 結(jié)構(gòu)體系的選型

當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系包括錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)、純鋼框架結(jié)構(gòu)、輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架-預(yù)制混凝土墻框剪結(jié)構(gòu)、鋼框架混凝土筒/墻體混合結(jié)構(gòu)等。錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系的剛度較大，與框架結(jié)構(gòu)相比可減少30%-40%用鋼量，這一結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)在于高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，在旅館建筑及多層公寓等項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。純鋼框架結(jié)構(gòu)的框架柱主要為H 型鋼，橫向、縱向都可以設(shè)置為鋼框架，這一結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)在于制作及安裝都比較簡單，使用時(shí)比較靈活，施工效率高；這一結(jié)構(gòu)體系的缺陷在于為了抵抗側(cè)向力需要增加梁柱的截面積；純鋼框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于不超過6 層的多層建筑。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)使用配套扣件及加勁件使用自攻螺絲連接天龍骨、地龍骨、梁、柱及中間腰，該結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)在于構(gòu)件尺寸不大，能為建筑布置提供便利，具有良好的保溫性能，可以在工廠中完成受力墻體的拼裝，因此施工效率高；該結(jié)構(gòu)體系的缺陷在于梁柱鉸接的方法不能應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)的高層建筑，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于低層、中層的住宅或別墅。鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的小震、中烈度地震下的剛度可以很好地承受側(cè)向水平力，在強(qiáng)震作用下的耗能能力及延性良好，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于小高層、多層建筑。鋼框架-預(yù)制混凝土墻框剪結(jié)構(gòu)根據(jù)強(qiáng)度設(shè)置內(nèi)藏鋼板，不需要考慮屈曲，該結(jié)構(gòu)的受力性能良好，支撐構(gòu)件可以與隔墻布置結(jié)合；該結(jié)構(gòu)的缺陷在于制作比較負(fù)責(zé)，現(xiàn)場安裝時(shí)較為復(fù)雜，該結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于高層建筑。鋼框架混凝土筒/墻體混合結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合具有良好防火性能、較高抗壓強(qiáng)度及抗側(cè)剛度的混凝土結(jié)構(gòu)及具有重量輕、強(qiáng)度高、施工效率高的鋼結(jié)構(gòu)，可以取得優(yōu)勢互補(bǔ)的效果；這一結(jié)構(gòu)體系的缺陷在于使用混凝土作為芯筒，重量減少不明顯，現(xiàn)場需要進(jìn)行混凝土的澆筑，因此增加了工程量，該結(jié)構(gòu)體系適合應(yīng)用于高層建筑。

1.2.3 平面方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

前期方案為其他公司在傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)思路下完成的設(shè)計(jì)，并不適合用于鋼結(jié)構(gòu)住宅中。對此應(yīng)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，基于鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用模數(shù)協(xié)調(diào)、模塊化設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)調(diào)整戶型[2]。

戶型優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要以滿足住宅平面功能為基礎(chǔ)，與人們生活方式相適應(yīng)。當(dāng)前設(shè)計(jì)思路有兩種，分別是：（1）改革式思路，以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的典型套型及平面方式為基礎(chǔ)進(jìn)行簡單修改后移植，這種思路是當(dāng)前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)的主要思路，其主要是從功能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。功能優(yōu)化指的是為了確保住宅的功能優(yōu)化，調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)住宅的柱網(wǎng)布局，對局部柱網(wǎng)采用凹凸、錯(cuò)位設(shè)計(jì)來保證各方面通風(fēng)及采光良好。結(jié)構(gòu)優(yōu)先指的是在規(guī)則的柱網(wǎng)內(nèi)對交通空間及套型空間進(jìn)行優(yōu)化從而使鋼結(jié)構(gòu)住宅變得緊湊、舒適，組合應(yīng)用大套型與小套型來增加進(jìn)深，充分利用土地。（2）開放式思路，其要求充分發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)，開放設(shè)計(jì)住宅平面功能。可按照以下途徑實(shí)現(xiàn)對平面方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)：①結(jié)構(gòu)規(guī)整：要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來對模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸線要對位，結(jié)構(gòu)布置要方正、規(guī)整，盡可能減少柱的數(shù)量從而提高空間占比，將鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來；②模塊組合：根據(jù)不同使用功能劃分，確定戶型模塊，戶型模塊應(yīng)通過多樣化組合來設(shè)計(jì)；③模數(shù)協(xié)調(diào)：部件、內(nèi)裝部品要做到通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1.3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料

當(dāng)前可應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的外圍護(hù)材料可分為新型板材類、新型砌塊類及新型磚類，分別探討如下：

（1）新型板材

新型板材經(jīng)工廠預(yù)制生產(chǎn)后運(yùn)送到工地，將其應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅工程中，可以有效提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件，縮短工期，與磚混結(jié)構(gòu)相比，新型板材可以有效減少建筑自重，可取得一定增加建筑面積效果[3]。當(dāng)前常見的新型板材包括：①植物纖維水泥復(fù)合板（PRC 板），其采用農(nóng)作物秸稈或木材作為增強(qiáng)材料，將水泥作為粘合劑加相應(yīng)添加劑經(jīng)過熱壓或冷壓加工而成，這種板材兼具木材特性與水泥優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于工民建建筑的外、內(nèi)非承重墻；②蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（ALC 板），其采用鋼筋、石膏、硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、發(fā)氣劑等制成板材，板材的強(qiáng)度儲備及整體剛度良好，耐火、隔音、隔熱性能良好，可滿足內(nèi)隔墻與外墻需要；③玻璃纖維增強(qiáng)水泥板（GRC 板），其主要是將低堿度硫鋁酸鹽水泥砂漿作為基材，將耐堿剝離纖維作為增強(qiáng)材料，將原料制備為中間含有孔洞的條形板材，該板材的特點(diǎn)在于耐火及耐水性能優(yōu)良，具有良好的抗沖擊性能，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，工藝簡單，可節(jié)省材料用量，這種板材可應(yīng)用于裝飾板、屋面板、隔墻板及外墻板；④鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯夾芯板（GJ 板），先焊接一個(gè)冷拔低碳鍍鋅鋼絲作為骨架的空間網(wǎng)架，將充氧性能良好的阻燃性聚苯乙烯泡沫填入其中從而形成剛性整體，這種材料的隔聲、隔熱、保溫性能優(yōu)良，將其應(yīng)用于住宅工程可明顯提高舒適度；除此以外，此類材料還具有自重較輕的特點(diǎn)；⑤ASA 板，其主要由水泥、粉煤灰、耐堿玻璃網(wǎng)格布等構(gòu)成，其特點(diǎn)在于具有良好的隔聲、耐火、保溫隔熱性能，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，板材加工方便，施工快捷、簡便，這種板材可應(yīng)用于非承重墻板、隔墻板、樓板及屋面板；⑥定向刨花板（OSB 板），其采用小徑級原木刨片得到薄長條刨花，使用添加劑、膠粘劑等后鋪裝、熱壓形成人造板材，這種板材具有良好的抗震性能與隔聲效果，可與其他材料組合作為復(fù)合墻板使用。

（2）新型砌塊

新型砌塊可采用地方材料、工業(yè)廢料及素混凝土等制作，其具有施工簡單、靈活性高、制作方便的優(yōu)勢，可以減少對耕地造成的破壞。生產(chǎn)砌塊時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，就地取材。空心砌塊包括多排扁孔、單排圓孔及單排方孔等類型。砌塊材料包括粉煤灰、工業(yè)廢料、加氣混凝土及混凝土等。

常見的新型砌塊包括：①泡沫混凝土：將泡沫狀發(fā)泡劑與石灰、水泥、粉煤灰、砂、外加劑、水等混合，澆筑至設(shè)計(jì)規(guī)格并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，制備出的成品含有豐富封閉氣孔。泡狀混凝土具有良好的吸音效果，保溫性能良好，具有一定強(qiáng)度，其質(zhì)量較輕，加工方便，泡沫混凝土可應(yīng)用于工民建建筑異形墻體材料；②普通混凝土小型空心砌塊：其采用普通混凝土材料制備而成，空心率在25%-50%，這種材料具有良好的抗震性能，自重輕，具有良好的耐火性，施工簡單，綜合經(jīng)濟(jì)水平高，可應(yīng)用于墻體材料；③蒸壓加氣混凝土砌塊：其原料包括粉煤灰、砂、鋁粉、礦渣、石灰、水泥等，經(jīng)多道工序制備為多孔混凝土砌塊，其特點(diǎn)在于強(qiáng)度高、防火性能好、保溫性好、容重輕，容易加工，這種材料被廣泛應(yīng)用于多層建筑的承重墻、內(nèi)隔墻、填充墻等中[4]。

（3）新型磚

目前，隨著黏土實(shí)心磚的禁用，爐渣磚、草磚、蒸壓粉煤灰磚、灰砂磚、燒結(jié)頁巖空心磚等新型磚被應(yīng)用廣泛，但考慮到鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，草磚是最適合的選擇。草磚采用稻草、秸稈及其他農(nóng)業(yè)廢棄物制備而成，其具有良好的保溫性能，原料豐富，成本低，對大氣造成的污染較小。草磚在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，可用于搭建結(jié)構(gòu)框架來支撐天花板及屋頂，發(fā)揮保溫效果。

1.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選材及優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）外窗

外窗通常采用斷橋鋁合金窗或單框雙玻塑鋼窗，玻璃可采用LOW-E 玻璃或中空玻璃。外窗的構(gòu)造方案見表1。從耐久性、經(jīng)濟(jì)性、氣候條件等因素考慮，最優(yōu)窗戶類型存在差異。當(dāng)需要同時(shí)考慮耐久性、經(jīng)濟(jì)性等因素時(shí)，則窗戶傳熱系數(shù)難以滿足要求，需要權(quán)衡圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。窗戶設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素：①非南向窗以滿足采光為前提，盡量選擇小窗以確保窗墻比足夠；②分型時(shí)選擇玻璃面積大、分檔少的產(chǎn)品；③要對密縫進(jìn)行處理，預(yù)防窗縫透風(fēng)。

表1 鋼結(jié)構(gòu)住宅外窗構(gòu)造方案

（2）外墻

對普通住宅采用ASA 復(fù)合保溫外墻板作為外墻即可；當(dāng)住宅對保溫隔熱要求較高時(shí)，可采用雙墻加芯保溫隔熱設(shè)計(jì)，可將墻分為兩層，墻體材料可以使用稻草板或ASA 板，板材中間留置30 mm -120mm 空隙，空隙中可填塞塊狀或無機(jī)松散的麥殼、木屑、爐渣等保溫材料，也可以作空氣層。該工程外墻構(gòu)造為：5 mm 厚聚合物水泥砂漿+ASA 板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA 板+8 mm 厚粉刷石膏。對寒冷B 區(qū)，空隙材料科采用50 mm 厚麥殼，建筑板材可采用60mm 厚稻草板。

（3）屋面

當(dāng)屋面采用雙層配筋的ASA 復(fù)合屋面板即可滿足熱工性能要求時(shí)，可在上方直接鋪設(shè)SBS 防水卷材；當(dāng)僅使用單層屋面板不能滿足保溫隔熱要求時(shí)，需在屋面板上增加模塑聚苯板、擠塑聚苯板或其他保溫材料。該工程屋面構(gòu)造為：4mm 厚SBS 防水卷材+30mm 厚細(xì)石砼找平+陶粒砼找坡層最薄處30mm+100mm 厚加氣砼砌塊保溫層+附加保溫板+20mm 厚水泥砂漿找平+ASA 復(fù)合屋面板。對嚴(yán)寒B區(qū)可附加30mm 厚擠塑聚苯板。

（4）周邊地區(qū)

當(dāng)工程處于寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)，需要采用爐渣、擠塑聚苯板等材料對室內(nèi)距外墻表面2m 以內(nèi)的周邊地面進(jìn)行保溫處理。該工程對周邊地區(qū)處理時(shí)，其構(gòu)造為20mm 厚水泥砂漿面層+30mm 厚細(xì)石混凝土找平層+擠塑聚苯板保溫層+80mm 厚混凝土層+素土夯實(shí)。對寒冷B 區(qū)，保溫層厚度為30mm。

1.3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合方案

以鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性、氣候適應(yīng)性及技術(shù)可行性，合理確定熱工性能參數(shù)，確定適宜組合方案為：外墻：5mm 厚聚合物水泥砂漿+ASA板（可無）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA 板+8 厚粉刷石膏；屋面：4mm 厚SBS 防水卷材+30mm 厚細(xì)石混凝土找平+陶粒混凝土找坡層最薄處30mm+100mm 厚加氣混凝土砌塊保溫層+附加保溫板+20mm 厚水泥砂漿找平+ASA 復(fù)合屋面板，附加30mm 厚的擠塑聚苯板；地面：30mm 厚的擠塑聚苯板；外窗為6mm 厚的塑料窗框中空玻璃。

結(jié)語：

隨著人力資源緊缺、勞動力成本的持續(xù)增加，傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)住宅面臨較大發(fā)展阻力。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅具有構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、布局靈活、環(huán)保、資源可回收利用等眾多特點(diǎn)，與傳統(tǒng)鋼混結(jié)構(gòu)住宅相比優(yōu)勢明顯，特別適合我國當(dāng)下資源緊缺國情，因此裝配式鋼住宅結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景廣闊。