(低层独栋及联排别墅案例)一体化装配式钢结构.docx

(案例分析)一体化装配式钢结构钢结构重量轻、塑性韧性好，具有较好的抗震性能，且对于空间的布置较为灵活。与钢筋混凝土结构相比，钢结构室内使用面积增大。装配式结构节约资源,减少施工现场的环境污染，如噪音、粉尘等。且现场施工工作量少、施工速度快,受环境尤其是冬季施工的影响较小，质量稳定。装配式钢结构建筑汇集了上述两种结构的优点，且可以重复利用，符合绿色环保的发展理念。我国钢铁产能过剩，传统的住宅建造模式对环境的破坏较大，装配式钢结构住房可以较好地解决这些问题。2016年2月国务院下发了关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见，重点提到发展新型建造方式、大力推广装配式建筑，后续国家颁布了十余个文件推动装配式建筑的发展。因此，我国的装配式钢结构建筑拥有极大的发展优势，具有良好的应用前景。一、装配式钢结构建筑的发展历程1、国外发展历程受工业革命以及二战影响，西方发达国家及亚洲的日本等国家的住房需求量增大。由此，生产速度快、所需劳动力少且质量较为稳定的装配式钢结构建筑进入了人们的视野，装配式钢结构住宅得到了较好的发展。目前已经具有十分成熟的体系：如美国Conxtech钢框架体系、英国MOdUIar结构体系、意大利BSAIS工业化建筑体系等。美国、英国及意大利的冷弯薄壁型钢结构住宅主流体系有：(1)美国较为广泛采用的体系有CTLS体系、DBS体系以及Conxtech体系。其中CTLS体系为板框式结构，立柱、梁、支撑等结构构件均采用C形冷弯薄壁型钢，用钢量较节省，适用于14层建筑结构；DBS体系构件采用开孔专利技术，方便水、电、气等管线布置，结构自重轻，适用于46层建筑结构，在非地震区最高可以用到12层；Conxtech体系为纯钢框架结构，其梁柱连接具有自锁功能，构造简单、安装方便、节省材料、造价较低，适用于12-15层建筑结构。(2)英国较为广泛采用的体系有STle体系、PANEL体系、MOdUIar体系以及CaSSette体系。STlC体系中，所有的杆件按设计尺寸切割，采用螺栓或自攻螺钉现场连接。PANEL体系中带骨架的墙板、屋面板及屋架都在工厂内用专用的模具加工成型。MOdUIar体系以房间为模块预制单位，在工厂加工后运至现场，是完整的房间构建单元。CaSSette体系的构件模块化能进行快速的生产，克服了传统细长墙面立柱的稳定性问题，无需支撑便能合理地抵抗风荷载产生的剪力。(3)意大利主要采用BSAlS结构体系，该体系适用于18层钢结构住宅，柱子采用H形钢，主梁采用大断面冷弯型钢，支撑采用角钢，梁柱通过高强螺栓连接。楼板为带凹痕的压型钢板。外墙板采用双层墙板体系，内隔墙采用轻钢龙骨石膏玻璃棉，其结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便，在欧洲、非洲、中东等地区应用较广泛。2、国内发展历程我国的装配式钢结构建筑起步较晚。自20世纪50年代起,在政府的鼓励下,我国的装配式建筑开始起步。在1956年国务院发布的关于加强和发展建筑工业的决定中，明确指出了“建筑工业化是建筑业的发展方向”。当时工厂生产的装配式构件主要是预制板，其他构件生产较少，但这是我国装配式建筑发展的一个良好开端。20世纪80年代中期，装配式钢结构逐渐进入人们的视野，开始有所发展。但到了20世纪90年代，受设计和施工水平限制以及大量农民工涌入城市等因素影响，钢筋混凝土结构成为主流，装配式建筑整体发展停滞不前。直至1999年，国家发布了关于推进住宅产业现代化，提高住宅质量的若干意见，其中明确指出了“加快住宅建设从粗放型向集约型转变，推进住宅产业现代化，提高住宅质量，“积极开发和推广使用轻钢框架结构及其配套的装配式板材工钢结构混凝土结构木结构其他结构b)2019年各种装配式结构的比例图1我国装配式建筑的发展概况二、装配式钢结构体系的研究现状及应用目前主要的装配式钢结构体系有以下11种：装配式钢框架结构体系；钢框架-支撑结构体系；钢框架-钢板剪力墙结构体系；钢框架-核心筒结构体系；模块化建筑结构体系；方钢管混凝土组合异形柱结构体系；隐式框架-支撑(钢板墙)钢结构体系；钢管束组合剪力墙结构体系；多腔体钢板组合剪力墙结构体系；交错桁架结构体系和冷弯薄壁型钢结构体系。1、装配式钢框架结构体系装配式钢框架结构体系是指采用型钢梁柱、预制楼板或叠合板、预制墙体和楼盖组成的框架结构，具有空间布置灵活、塑性韧性好、抗震性能优异等优点，但其抗侧刚度较小，一般适用于6层以下的多层建筑。梁柱连接一般为刚性或半刚性节点。常用的外墙板主要有蒸压轻质加气混凝土(autoclavedlightweightconcrete,ALC)墙板、预制现场装配式轻钢龙骨复合墙板以及预应力混凝土夹芯复合墙板，其中ALC板具有轻质高强、保温隔声性好、施工方便、耐火持久、渗透能力强等特点，在装配式建筑中已得到广泛使用2。楼板主要有压型钢板组合楼板、钢筋桁架楼承板、混凝土叠合楼板以及PK预应力叠合楼板，其中钢筋桁架楼承板受力合理、整体性能较好、施工速度快、应用范围广；PK叠合板采用带肋薄板构件，轻质高强、承载能力及抗裂性能好，运输和安装便捷。不少学者针对装配式钢框架结构体系开展了研究，主要集中在柱脚构造、梁柱连接构造、墙体类型等。为减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏，有的提出了一种具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构，如图2所示。该结构主要由钢柱、中间梁段、短梁段、自复位柱脚和金属耗能梁柱节点组成，利用梁端转动时短梁段与长梁段之间的间隙的张开与闭合引起金属阻尼器发生拉压塑性变形来耗能。研究表明，该结构具有较好的自复位性能和耗能性能，有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标。有的提出了一种可变梁高的装配式梁柱节点，如图3所示。该类节点主要由梁、柱、T形件以及L形件4部分组成，可以根据一定范围内梁高的变化对梁下翼缘连接件的位置进行适当调整，方便施工。研究表明，该节点具有较大的初始刚度及承载力，具有良好的抗震性能。图2装配式摇摆钢框架构造c）带椭园孔的L形连接件d）切除部分上翼缘的钢梁图3可变梁高装配式梁柱节点美国提出的COnX体系，其梁茬连接组件是一种套板拼装连接，分为COnXL与ConXR两种形式。COnXL连接的基本构造形式如图4所示，其组装过程如图5所示。连接节点的套板为T形，在梁柱拼装时，将梁端套板插入由两个柱面套板组成的空间内，使钢梁从上往下就位，并使用高强螺栓紧固。有人对ConXL节点进行了改进，根据国内的钢结构设计规范对节点的螺栓间距、位置以及连接板的构造进行重新设计和布置，改进后的装配式节点如图6所示。研究表明，该节点的破坏发生在梁端削弱处，符合“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的设计理念，具有良好的抗震性能。柱面套板图4ConXL连接的基本构造图5ConXL节点的组装过程一柱面中套板一柱面下套板一方钢管柱柱面上套板a）柱面套板组件梁端腹板连接板梁端上翼缘套板b）梁端翼缘套板组件c）梁柱组件拼接梁端 下翼缘一套板d）梁柱节点图6新型装配式节点构造有人提出了一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点,节点装配过程如图7所示。研究表明，该节点装配便捷且具有良好的滞回性能、耗能能力、延性性能。专家分析了蒸压加气混凝土（ALe）墙板以及轻钢龙骨纸面石膏板填充墙（LSF干式墙）对装配式钢框架的滞回性能、刚度退化以及耗能能力的影响。研究表明，ALC墙板可延缓钢框架的失效，并提高钢框架的初始刚度、峰值荷载以及耗能能力，而LSF干式墙板对钢框架力学性能的影响不明显。专家提出了一种震后可恢复功能装配式预应力钢框架体系及一种采用螺栓腹板摩擦装置（PSC连接）的震后可恢复功能装配式钢框架节点，如图8所示。该结构体系通过高强螺栓耗能，在节点内置钢绞线的预应力作用下自动复位。研究表明：该框架结构具有良好的开口闭合机制，能够在地震后自动复位并恢复结构功能，设计合理的节点传力性能良好。带外伸式下翼缘Z字形图7带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点装配示意图短梁段图8震后恢复功能装配式预应力钢框架体系装配式钢框架结构体系具有较广泛的工程应用，例如山东省装配式建筑示范工程文昌嘉苑项目，总建筑面积为69万户，其中17#楼主体结构采用装配式钢框架结构，楼板采用PK预制板，外墙板及内墙板均采用ALC板；该设计采用了一体化的集成设计，即预制构件设计、建筑设计、室内设计是相互配合同步推进的，这在一定程度上减少了作业量。2、钢框架-支撑结构体系钢框架-支撑结构体系是在钢框架结构体系的基础上在框架上设置支撑结构，形成共同工作的双重抗侧力结构体系。与纯钢框架相比，该结构抗侧刚度更大，抗震性能更优。中心支撑的水平刚度较大，构造简单；但中心支撑的设置不利于门窗洞口的开设，且该结构在地震后易发生侧向屈曲，导致结构体系无法继续正常工作。偏心支撑在中心支撑基础上增加了耗能梁段，抗震性能更优；但其构造复杂，大震后耗能梁的屈服会导致楼板破坏，支撑体系会出现变形，耗能能力有限。防屈曲支撑是一种新型耗能支撑，在普通支撑的外围加入约束套筒，从而防止支撑在受压过程中发生屈曲；防屈曲支撑在地震作用下有着较好的稳定性能及优越的耗能能力、抗震性能。专家对一种新型分层装配式支撑钢结构体系进行了改进和研究。如图9所示，该体系的梁柱连接采用梁贯通式全螺栓端板节点，即在梁柱节点处保持梁通长、柱分层，通过螺栓将柱子端板与梁翼缘直接连接。该体系工业化程度高、技术集成度高、设计便捷、品质稳定、施工周期短，同时还具有耐久、保温、隔热、防火、隔音、防潮等特点。但不满足“强柱弱梁”的设计理念，最终表现为层破坏机制，故仅适用于普通低层多层住宅领域。专家为探究分层装配支撑钢框架体系在真实地震动作用下的响应，进行了振动台试验研究。结果表明，分层装配支撑钢框架体系应用于低多层建筑时具有优良的抗震性能与震后可恢复性。图9新型分层装配式结构梁柱节点示意图钢框架-支撑结构体系具有较多的工程应用，位于县的“T30A塔式酒店”即采用了装配式斜支撑节点钢结构框架体系，如图10所示。该建筑共30层，建筑面积共1.7万行。主体结构施工仅用15do整栋建筑被划分为若干块空间模块，墙体、门窗、电气、空调、照明、给排水等工程均在工厂中制造完成，随后运输至施工现场进行吊装。对“T30A塔式酒店”的综合性能进行了分析，建立了装配式建筑可持续发展的评价模型，结果表明该建筑在装配式建筑中处于中上游水平，但存在成本较高的问题。图10T30A塔式酒店现场施工三、一体化装配式钢结构随着目前装配式建筑相关政策的不断发布，各地逐步展开了较大规模的装配式建筑实践。但总体上来说，装配式混凝土结构建筑居多，而装配式钢结构建筑尤其是住宅，其主体结构部分以外的工业化围护系统、非结构部品件及内装系统与钢结构主体的一体化集成技术，还有待进一步完善与提高。在此方面，日本积水住宅株式会社（SEKISUIhouse,以下简称积水）在全世界范围内开发了大量低层独栋及联排别墅，均采用一体化装配式钢结构体系，通过先进环保的材料、精心细致的“以人为本”理念，打造安心、安全、健康、舒适的居住环境，对我国加快装配式钢结构建筑及产业链系统的完善性与先进性有很大的参考学习意义。项目位于交汇处，其中（东区）由E1#E6#高层住宅、E7#E26#联排别墅、E27#配套服务用房及地下车库、门卫等组成，地上总建筑面积约15.6万肝；低层联排别墅部分（雅居）为16栋3层、4栋2层装配式钢结构体系，地上建筑面积约2.1万户。全产业链工业化模式联排别墅地上部分采用一体化装配式钢结构体系，其围护系统、隔墙、楼板、屋顶、机电系统及内装系统均采用工厂成品或半成品，现场装配集成。积水在沈阳建有综合的工业化住宅生产基地，联排别墅所使用的钢结构零部件及外墙、内装饰材料，均采用高度自动化的设备生产，还与室内装修的板材、内部装修设备等厂商合作，在工厂内形成一条龙式生产线；施工现场由自有的专业工程公司进行安装及内装修施工，并提供后期维修保养服务。总体上来看，从源头开始通过设计、材料采购、加工生产、专业安装及自有维修形成完善的工业化产业链，确保了自有开发理念在整个过程中的严格实施，为业主提供了优质、舒适的住宅产品0按照省装配式建筑预制装配率计算细则（试行）的规定，本项目地上主体钢结构、外墙围护系统、内隔墙系统、楼板、屋盖及机电系统全部采用工厂成品现场集成组装，故其在主体结构和外围护结构预制构件Zl、装配式内外围护构件Z2、内装建筑部品Z3等部分的评分均为满分；另外在创新加分项S的标准化、模块化、集约化设计中都有一定程度应用，故获得加分项2分。最终，本项目各单体的预制装配率达到102%,充分体现了工业化全产业链的优势。装配式钢结构主体设计主体钢结构部分采用积水自有的“8系统构造”，即梁贯通构造体系，每个梁柱节点处均为单向抗侧力构造，且钢柱竖向无需严格对齐贯通，适用于低层钢结构体系，主体及非结构部分采用全装配、全干法的拼接工艺，结构主体通过ETABS分析软件计算，所有构件均满足承载能力、变形及稳定性的要求。系统构造”示意图抗侧力体系钢柱与钢梁材质均为Q235B,通过高强螺栓连接形成平面内抗侧力体系，两个方向的侧向力由该方向的平面内框架承担，参照低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程进行抗侧力构件及主次梁布置，可根据需要灵活设置，钢柱通过螺栓与混凝土基础梁连接，钢梁上下翼缘上根据75mm模数的间距打满孔，钢柱按此模数进行布置连接，极大提高了设计及加工制作的效率。通过严格的抗震试验，验证了主体结构的整体性能以及柱梁节点的有效性，确保建筑在灾害发生时的安全性。同时，主体钢构件采用致密的电镀涂层，达到了I类环境中20年以上的防腐效果，结合超薄防火涂料提升了主体结构构件的耐久性。日表示钢柱从下层一直伸至上层F三三表示降板325mm,ALC板埠Ioommo表示钢柱从本爆一直延伸至上星,二I表示用柱从下层一直延伸至本层二表示降板50mm.ALC板殍IOofnm一表示网接本层结构平面圉中未注明的ALC收懵为15OmmI-表示校检结构平面布置示意图钢柱脚连接详图钢柱、钢梁现场连接楼盖体系楼板采而15Omm厚预制ALC板简支于钢梁上，并于板间密缝拼接，端部通过MlO螺杆与钢梁做限位构造连接。另外，在卫生间降板处，ALC楼板搭接于梁下翼缘上的构造角钢上，每跨梁间板底都设置对角拉杆，以保证平面内的整体性，防止地震时板跨变形导致楼板脱落。楼盖体系断面详图楼板下表面拉杆布置楼板与钢梁连接节点装配式围护体系建筑外围护部分采用工厂预制生产的、兼顾强度和美观的新一代复合结构外墙板"SHELLTEC墙”，运用独有的“高压真空挤压方式”将混凝土状的原料压挤成型，可达到两倍于一般混凝土的强度，同时达到了Ih以上的外壁耐火时间。外墙板分块用专用挂件连接于龙骨上，接缝用柔性胶处理，以消除温度变形及实现防水效果。外墙采用龙骨组合保温体系，即将高性能玻璃丝棉（保温材料）嵌入龙骨间，辅以防潮隔膜，以保证保温性能的同时，防止吸收水汽；墙内面层则为石膏板，方便现场确定点位并留洞。水泥后70teDD-DDTO15mm三9。265钢花督60mmXa3mm外墙构造详图外墙节点详图工业化集成内装人一生中摄入最多的物质是空气，其占摄入物质总量的83%,因而良好的空气环境是保障健康的首要因素。项目室内装修中注重选用环保健康建材，地板、墙纸、天花板涂料使用甲醛释放量较小的F四星级建材，将甲醛等有害物质的释放降至最低，打造出健康、舒适的空气环境。内装采用一体化设计集成，竖向管线、线盒均嵌入墙体龙骨中，机电水平管线布置于吊顶内；现场与主体钢结构安装完成后，与龙骨及吊顶施工穿插进行。屋顶与吊顶安装一体化机电系统本项目从设计制造阶段开始便积极推进削减碳排量的措施，实现所有建造流程中的“环保”。项目采用保温窗扇与热反射隔热双层玻璃，使全屋具备优异的气密性；通过可高效过滤PM2.5的全热交换器系统，以24h小风量进行换气，将污浊的空气与热量一同排出，并对新风送气进行热量回收，可有效减轻空调负担，降低使用费用；采用温水地暖系统及先进的软水处理系统，保证健康的居住环境。24h新风系统设备管线安装总结余项目通过前期的一体化集成设计、全产业链的成熟工业化部品件供应及专业安装，实现了全装配式节能环保住宅的快速、高质量实施，过程中有以下几点体会：（1）前置的精细化设计与定位是关键，需在设计早期阶段确定材料及系统定位，并根据实际部品件进行集成设计。（2）钢结构主体布置需大胆创新，根据建筑及装修功能要求适当调整，由两个方向的面内抗侧力“龙骨墙”体系分别承担各自方向的侧向荷载，同时梁仅承担竖向荷载，楼盖采用干法密缝拼接，柱、梁布置具有了极大自由性，也为建筑及装修的布置调整提供了最大自由度，同时有助于提高标准化、自动化加工及安装效率。（3）健康舒适的室内环境永远是住宅的首要需求，需要通过环保的材料、工厂高效率的集成工艺及现场的专业安装等专业化分工达成。（4）配套的成熟部品件是实现建筑高效率、高质量的重要补充。将钢结构住宅大范围推广，必须依赖于配套部品件的完善成熟。（5）积极实施住宅保险制度，针对部品件、机电设备及房屋整体进行商业投保，能够有效提升维护质量和效率，改善居住体验。