淺談低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)坤華

（廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

我國(guó)住建部頒布的《“十二五”綠色建筑和綠色生態(tài)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃》中指出，為了加速我國(guó)綠色建筑的發(fā)展，我國(guó)需要加快構(gòu)筑形成裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等工業(yè)化的建筑體系[1]。作為推進(jìn)我國(guó)綠色建筑大力發(fā)展的重要一環(huán)，裝配式建筑迎來(lái)了迅速發(fā)展的機(jī)會(huì)。近十年來(lái)，我國(guó)的住宅產(chǎn)業(yè)一直占據(jù)著國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的60%以上，而且，低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅具有適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，已成為較為普及的裝配式住宅種類。部分地方政府（例如佛山住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局）更是印發(fā)了關(guān)于低多層裝配式建筑的技術(shù)指引。因此，進(jìn)行低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)研究，具有重要的意義。

1 低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系組成

1.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)組成主要包含框架結(jié)構(gòu)、樓板結(jié)構(gòu)、樓梯結(jié)構(gòu)等。

⑴框架結(jié)構(gòu)。

目前適合低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的鋼框架結(jié)構(gòu)體系主要有輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)、分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)、多層輕鋼框架結(jié)構(gòu)及矩形鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)等[2]。

輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)主要是由天龍骨、地龍骨、鋼柱、鋼梁、中間腰支撐及其配套的加勁件、扣件、連接板、通用自攻螺釘連接而形成，如圖1所示。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系根據(jù)主受力構(gòu)件的截面類型，可分為以冷彎薄壁型鋼組成的龍骨體系及以小型熱軋型鋼組成的龍骨體系。鋼柱及鋼梁等構(gòu)件的板件厚度為1～3mm，鋼柱間的距離約為400～600mm。

圖1 輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的主要傳力原理為：鋼柱和天龍骨、地龍骨、中間腰支撐或隔板組成受力墻壁，水平力由受力墻壁傳到基礎(chǔ)，豎向力由樓面鋼梁傳到天龍骨，再通過(guò)鋼柱傳到基礎(chǔ)。在水平荷載作用下，墻面板需要抵抗一定的剪力，并且需提供必要的抗側(cè)剛度。

分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件是支撐[3]，分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)突破了鋼梁連接與柱側(cè)、柱構(gòu)件上下貫穿的傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)形式，創(chuàng)造性地采用強(qiáng)剛度和抗彎性能的鋼梁構(gòu)件貫通，柱構(gòu)件分層的結(jié)構(gòu)形式；梁柱采用端板螺栓的形式連接，分層裝配建造而成；并且采用交叉柔性支撐抵抗水平力。如圖2所示。

圖2 分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)

分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：①傳力路徑清晰，具有優(yōu)越的抗震性能；②柱截面小，可藏于墻體內(nèi)，變相地增加建筑使用面積；③免現(xiàn)場(chǎng)焊接，建筑效率高；④標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

多層輕鋼框架結(jié)構(gòu)是采用寬厚比較大的構(gòu)件作為鋼框架梁柱構(gòu)件。鋼柱截面為H型鋼或冷彎方鋼管，鋼梁截面主要為H型鋼，如圖3所示。

圖3 多層輕鋼框架結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)低多層建筑具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如地震力反應(yīng)小、輕質(zhì)高強(qiáng)、工廠加工制作精度高，且便于根據(jù)業(yè)主使用需求進(jìn)行空間的布局和分隔，主體結(jié)構(gòu)屬于可回收利用的綠色建材[4]。

矩形鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)由多個(gè)型鋼構(gòu)件（方鋼管、C型鋼）拼接形成異形柱。此結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)是容易標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、制作方便、避免室內(nèi)梁柱凸出，便于住宅建筑使用。

⑵樓板結(jié)構(gòu)。

樓板既是水平傳力構(gòu)件，同時(shí)也是樓層水平方向的抗側(cè)力構(gòu)件。目前，適合于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的預(yù)制樓板主要有混凝土疊合板、鋼筋桁架模板、預(yù)應(yīng)力SP板、樓承板等[5]。

混凝土疊合板主要有預(yù)制疊合板、PK疊合板，如圖4、圖5所示。與傳統(tǒng)預(yù)制疊合板相比，PK預(yù)應(yīng)力疊合板是通過(guò)改進(jìn)預(yù)制疊合構(gòu)件而成，其底板為倒“T”型預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制帶肋薄板，完成澆筑后整板厚度可控制在120mm，最大無(wú)支模距離可達(dá)到3.0m。

圖4 預(yù)制疊合板

圖5 PK疊合板

鋼筋桁架模板主要有普通鋼筋桁架模板及可拆卸鋼筋桁架模板，如圖6、圖7所示。由于普通鋼筋桁架模板在混凝土成型后脫模困難，且脫模后底面不平整，因而改進(jìn)形成了可拆卸鋼筋桁架模板。可拆卸鋼筋桁架模板脫模后底面平整，適合用于住宅建筑，但造價(jià)偏高。

圖6 普通鋼筋桁架模板

圖7 可拆卸鋼筋桁架模板

SP預(yù)應(yīng)力板（圖8）能實(shí)現(xiàn)的跨度大，且能節(jié)省次梁的布置；但缺點(diǎn)在于，澆筑上部的現(xiàn)澆混凝土層后，板厚及自重較大。

圖8 SP預(yù)應(yīng)力板

最早應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的樓承板是開口板，只能作為底模板，因?yàn)榈撞坎黄秸虼擞米髯≌瑯敲姘鍟r(shí)觀感較差；采用閉口板后，閉口板相對(duì)開口板較為平整（如圖9所示），可以應(yīng)用在住宅當(dāng)中。

圖9 閉口型樓承板

⑶樓梯結(jié)構(gòu)。

樓梯結(jié)構(gòu)主要有預(yù)制砼樓梯、鋼樓梯、鋼樓梯+預(yù)制踏步等。適用于低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的主要是預(yù)制混凝土樓梯，預(yù)制砼樓梯的產(chǎn)品質(zhì)量較高，但制作工藝和養(yǎng)護(hù)成本也要求更高。

1.2 外圍護(hù)系統(tǒng)

裝配式建筑的外圍結(jié)構(gòu)種類眾多，例如有預(yù)制墻板、骨架組合外墻、建筑幕墻等等；但適合用于低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的當(dāng)屬預(yù)制墻板中的條板體系，其中包括有預(yù)制混凝土外墻板、蒸壓加氣混凝土板、復(fù)合夾芯條板等[6]。在條板體系中，蒸壓加氣混凝土板更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其優(yōu)點(diǎn)在于輕質(zhì)，比重只有混凝土的1/5、空心磚的1/3，減輕外墻自重有利于減小鋼構(gòu)件的截面；并且隔熱性、耐火性、隔音性、承載能力與抗震性能均較好；現(xiàn)場(chǎng)可以以600mm寬度為模數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行拼裝及切割，靈活性高，符合裝配式建筑的需求。

2 低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅有明顯區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)住宅的特征，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

⑴提高住宅建筑面積的有效使用率

一般來(lái)說(shuō)，低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)相比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻柱截面較小，且戶型平整，凹凸變化較少，進(jìn)而增加了建筑面積的有效使用率。跟據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑可增加4%～8%的有效使用面積。在寸金寸土的現(xiàn)代，無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)。

⑵提高抗震性能。

在地震作用下，傳統(tǒng)的低多層砌體結(jié)構(gòu)住宅無(wú)法產(chǎn)生有效的變形來(lái)抵消地震能量；而低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅由于所用的鋼構(gòu)件具有很好的延展性及變形能力，在地震作用下能通過(guò)自身良好的變形能力來(lái)有效抵消地震能量，從而提高房屋的抗震性能[7]。

⑶鋼結(jié)構(gòu)跨度大，空間可靈活布置。

傳統(tǒng)的混凝土、磚混結(jié)構(gòu)由于材料的特性，空間布局的靈活度受到了限制，大跨度會(huì)增加柱截面、梁高、板厚等，影響觀感及使用。而裝配式鋼結(jié)構(gòu)則體現(xiàn)了空間布置靈活的優(yōu)勢(shì)，由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比遠(yuǎn)高于混凝土構(gòu)件，從而可形成較大的跨距，業(yè)主可自行根據(jù)自身的使用需求靈活布置使用空間。

⑷鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件精度高。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在工廠內(nèi)加工生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)的混凝土、磚混結(jié)構(gòu)，工業(yè)化流水線生產(chǎn)的構(gòu)件精度更高，工程質(zhì)量更容易保證。

⑸建筑材料可回收。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅還有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)在于，其建筑材料可進(jìn)行回收。不同于傳統(tǒng)的混凝土、磚混結(jié)構(gòu)的施工不可逆，即澆筑后會(huì)恒定地黏結(jié)，拆除后回收可用的建筑材料十分困難，裝配式鋼結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)后期的拆除，構(gòu)件回收率極高，符合社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型的現(xiàn)狀及解決方法

⑴模數(shù)化設(shè)計(jì)不足。

目前裝配式住宅的戶型設(shè)計(jì)和常規(guī)的住宅并沒(méi)有太大的區(qū)別，因此沒(méi)有發(fā)揮出裝配式住宅的空間可靈活布置的優(yōu)勢(shì)；而且模數(shù)化設(shè)計(jì)不足，導(dǎo)致增加生產(chǎn)工序，降低生產(chǎn)構(gòu)件的效率[8]。因此，對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅，應(yīng)該更深入全面地貫徹模數(shù)化設(shè)計(jì)，在方案階段充分考慮構(gòu)件生產(chǎn)尺寸模數(shù)的統(tǒng)一。同一層中盡量統(tǒng)一梁柱截面，這樣既可以提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率，也能減少裝配式連接節(jié)點(diǎn)的種類，從而提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的標(biāo)準(zhǔn)化程度。提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的標(biāo)準(zhǔn)化程度，可令生產(chǎn)建造流程系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，建立一條裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)、制作、安裝一體化的產(chǎn)業(yè)鏈[9]。

⑵缺少空間靈活性。

目前多數(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中，戶型設(shè)計(jì)多數(shù)只是把傳統(tǒng)的混凝土梁柱替換成鋼梁和鋼柱，沒(méi)有體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)的空間靈活性。因此，為體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)可更適合大跨度設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，并滿足不同家庭對(duì)空間布置的需求，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅可進(jìn)行大跨度設(shè)計(jì)，內(nèi)部使用臨時(shí)隔墻組裝；或者由業(yè)主自理后期內(nèi)部布局及裝潢。可隨著家庭組成的變化而改變內(nèi)部空間的布置，延長(zhǎng)戶型的生命周期，增強(qiáng)戶型的靈活性和實(shí)用性。

⑶忽略了戶型朝向，保溫效果差。

鋼結(jié)構(gòu)存在保溫效果差及特有的冷橋問(wèn)題，為解決保溫問(wèn)題，可先從戶型的朝向入手。在南北朝向的戶型中，冬天有陽(yáng)光照射，提升室內(nèi)溫度，可減少對(duì)空調(diào)、暖爐的使用；夏季則可最大程度地減少太陽(yáng)對(duì)墻面以及室內(nèi)空間的照射，戶型南北對(duì)流適當(dāng)降低室內(nèi)溫度。另外，合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，減少室內(nèi)熱量的散失，從而達(dá)到節(jié)能的目的[10]。比如，設(shè)計(jì)人員可合理選擇內(nèi)外砌墻的類型、隔熱斷橋窗框、中空雙層玻璃，控制窗墻比等來(lái)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，以達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅具有抗震性能好、輕質(zhì)高強(qiáng)、使用空間靈活可變及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)發(fā)展方向。目前低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系已有一定的研究和應(yīng)用，但如何合理地因地制宜地進(jìn)行戶型設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牧褐w系、樓板體系、樓梯體系，并進(jìn)行模數(shù)化設(shè)計(jì)，大量地推廣，是我們值得思考的問(wèn)題。