被动房装配式无比钢结构设计应用探讨

商亦蓝　李凌峰

摘 要：无比钢结构是近年来引入中国的一项新技术，相比于传统钢结构而言有许多的优势。将无比钢结构应用于被动房装配式钢结构中，符合国家节能减排的目标，有着重要的社会价值、经济效益与战略意义。本文针对无比钢结构体系在装配式钢结构被动房中的应用进行了简要的探讨与分析。

关键词：被动房；装配式钢结构；无比钢；节能建筑

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章編号：1671-2064（2017）08-0100-02

1 引言

随着经济的发展和社会的进步，节能环保成为了各行各业都绕不过的话题，而建筑物的环境消耗就十分巨大，其排放的温室气体占全球总排放量的33%，带来了空气污染、全球气候变暖等一系列世界性的环境问题。我国目前正大力推进节能减排工作，建筑节能逐渐向纵深发展，被动房装配式钢结构也就应运而生。

被动式房屋的概念最早源于德国，之所以叫被动房，是因为该类建筑仅利用太阳能、建筑内部得热、建筑余热回收等被动技术，而不使用主动采暖设备，却能实现建筑全年达到规范要求的室内舒适温度范围和新风要求，十分符合节能减排的时代要求[1]。节能建筑在欧美国家已经有了近30年的发展历史，但被动房的试点工作在国内才开展了6年，而且这方面研究还处于起步阶段，体系的选择、结构和构造的设计等都缺乏创新和提升，在这样的背景下，本文拟采用一种新型的无比钢结构体系来实现被动式房屋的概念。

2 无比钢结构在装配式钢结构中的应用可行性分析

无比轻钢龙骨体系简称无比钢，该体系源于加拿大的一项专利技术，是一种特殊的冷弯薄壁型钢结构体系，具有轻质高强、抗震性好、施工周期短、工业化程度高、节能环保等许多优点[2]。

装配式钢结构是指预先在工厂内依照标准的规格将钢材制作成建筑单元或部件，之后运至施工现场进行装配，最终组成完整建筑的结构。与传统的结构形式相比，装配式钢结构具有空间设计灵活、集成化程度高、自重轻、承载力高、建造周期短、产品质量高、可回收再利用等许多优点[3]。

将无比钢结构体系应用于装配式钢结构，具有其必要性和可行性。首先，无比钢结构体系中，最基本的单元是由冷弯高频焊接的轻型薄壁方形钢管和V型连接件通过自攻螺丝连接而成的小型桥架，由于结构断面尺寸小，相比于普通的钢结构，无比钢结构体系具有更轻的质量，不仅便于构件预置，更减轻了运输压力。其次，方形截面与三角形桁架的连接方式共同作用，使得整个结构具有更均匀的受力体系和更完整的传力体系，进而具有更强的抗扭性能、抗多向荷载能力和抗水平荷载能力。此外，无比钢结构体系的墙体是由小型桥架、蒙皮、抗拉钢带等共同组成的，这样的装配形式让建筑物墙体更薄的同时也方便了墙体内部管线的布设，更重要的是，蒙皮效应提升了整个结构的刚度，大量的荷载能量都可以通过变形的形式进行消耗和吸收，这也就大大提升了结构的承载能力和抗震性能。所以不论从施工角度还是结构性能的角度来说，装配式钢结构都宜采用无比钢结构系统。

同时，无比钢结构在装配式钢结构中的应用是可行的。第一，无比钢轻质高强的特点使得建筑消耗更少的钢材，节约了成本；第二，无比钢结构体系施工过程基本为干法施工，故而施工过程中产生的废弃物极少，而且理论上钢材可以完全回收，实现了资源的循环利用，符合建筑环保的要求；第三，无比钢结构体系也具有很好的保温隔热性能，符合节能减排的时代要求。所以无论是从经济角度还是从环保角度，无比钢结构的采用都十分可行。

3 装配式钢结构中的无比钢结构体系设计

3.1 结构划分与装配

装配式结构要求主要构件在工厂按照规范标准预制完成，运至现场后再进行结构拼装、节点连接等工作，这就需要预先对结构整体进行划分，以便于工厂的分块预制和现场的装配施工，同时也可以将现场条件下难于完成的部分在室内完成，节约了施工的时间成本也降低了现场的施工难度。

无比钢结构属于冷弯薄壁轻钢结构体系的一种，主要的承重结构是冷轧热镀锌薄壁型钢，在工厂中可以直接完成冷弯薄壁型方钢管构件和V型连接件的生产，在现场通过自钻自攻螺钉就可以快速装配成小型桥架。

建筑物结构部分可以分为结构体系和外围护体系，无比钢结构的结构体系主要由桁架梁、桁架方柱和楼板组成，其中桁架梁直接采用现场装配成的小型桥架，桁架方柱则由两片小型桥架经V型连接件拼装而成，楼板则常选用蒸汽加压混凝土板（ALC板）。无比钢结构的外围护体系主要是指由一定数量的桁架片柱、方柱、抗拉钢带、蒙皮和C型导轨等组成的墙体。蒙皮通过自攻螺丝与柱构件小型桥架中的方钢管相连，其材料可采用钢丝网架聚苯乙烯夹芯板（GJ板）或定向刨花板（OSB板），其中GJ板具有隔热性能好、经济性高的优点，更适用于被动房建设。C型导轨在工厂内预制完成，现场施工时通过自攻螺钉将导轨翼缘与片柱相连接，起到定位和固定的作用。如果墙体水平承载力不够，还需加设100mm宽、1mm厚的抗拉钢带，也同样采用自攻螺钉的连接方式[4]。

3.2 节点设计

钢结构中，节点是保证结构安全至关重要的部分，对结构的受力也有着巨大的影响，无比钢结构当然也不例外。无比钢结构应用于装配式钢结构中时，由于工厂化预制，现场没有焊接安装，所以节点一般大多采用自攻螺钉的连接形式，按照半刚性连接进行设计，以保证结构在具有足够强度的同时具有一定的柔度，使结构在保留较好的抗侧移刚度的条件下不至于发生脆性破坏。

介于自攻螺钉连接的接触面相对复杂，对其计算模式和计算方法的研究尚处于起步阶段，现阶段各国规范关于自攻螺钉承载力的相关规定和设计公式也都是基于实验结果来确定的。对于Q235、Q345型钢材来说，自攻螺钉的连接一般具有较好的延性，破坏形式以螺钉倾斜被拔出和钢板被撕裂为主，但针对无比钢结构体系所采用的高强冷弯薄壁型钢来说，自攻螺钉被剪断的可能性大大增加，因而设计中应考虑选用直径更大的螺钉来满足强度要求，装配式施工时也要注意施工质量，确保螺钉与构件的有效连接[5]。

4 无比钢结构在满足被动房要求时需考虑的构造要求

被动式房屋强调室内采暖无需外界能源供给，这就对结构整体的保温隔热性能提出了比较高的要求。尽管由于片柱的构造形成了空气层，基本截断了无比钢结构的传热路径，无比钢结构体系本身就具有较好的保温隔热功能，但是在建筑中的连接件、十字墙、外挑阳台板等连接处还是有可能存在保温隔热的薄弱点，即产生“冷桥”效应，造成能量的损失[6]。因而，无比钢结构应用于装配式钢结构被动房时需要做好围护结构的构造设计，尤其是要妥善处理“冷桥”，避免有害冷桥的产生。

墙体和屋面是建筑物与外界接触的主要围护结构，也是保温隔热的最重要一环，目前常采用的保温措施是铺设由玻璃丝棉和防潮贴面构成的保温棉，保温棉宜采用双层错开搭接的布设方式，以防止经过冬夏的温度变化后带来的贴面层收缩会造成搭接处出现隔热的薄弱点，形成“冷桥”。此外，如果采用自攻螺钉，在连接处由于保温棉受压变薄，加之自攻螺钉本身贯穿室内外，又有可能形成冷凝水，就很可能产生冷桥，针对这种情况，宜在自攻螺钉连接处采用导热系数较小的部件，或者在连接处添加硬质板隔热块来减小热能的损失。

建筑物外部的各种孔口也是容易产生冷桥的薄弱点，被动式建筑的窗户宜采用三层夹胶中空钢化玻璃，而门窗洞口的处理则常将次结构处的保温棉布设，窗框、门框中的发泡剂填充和连接洞口的聚氨酯泡沫板构造相结合。

建筑與地坪的接线是一个很容易被忽视的散热点，需要在地坪与建筑物连接处填充密封胶后再在其上填塞一定厚度的保温棉来达到保温隔热的效果。

除了妥善处理冷桥，充分利用太阳能和室内电器、人体逸散的热量也是实现被动房的重要一环。屋面可采用双层采光板，充分利用自然光来节省大量热能，但一定要注意采光板的自身的保温性能，必要时也需要在接缝等处加塞保温棉。

5 结语

无比钢结构体系应用于被动房装配式钢结构具有的充分的经济优势和广阔的社会前景，值得在国内进行推广。但本文仅针对无比钢体系的结构构造进行了初步的探讨分析，目前国内还没有针对无比钢设计的相关规范，这也阻碍着无比钢结构在国内工程中的应用。相信随着实验数据的不断完善和实践经验的不断积累，无比钢被动方装配式结构的相关设计规范会日趋完善，并应用于实践，进一步推进我国的节能减排工作进程。

参考文献

[1]卢求.德国被动房超低能耗建筑技术体系[J].动感：生态城市与绿色建筑，2015（1）：29-36.

[2]黄朗.无比钢轻钢结构体系及其应用[J].建材技术与应用，2010（3）：13-15.

[3]卢俊凡，王佳，李玮蒙，等.装配式钢结构住宅体系的发展与应用[J].城市住宅，2014（8）.

[4]王小平，蒋沧如，蔡江勇，等.一种新型轻钢结构——无比轻钢龙骨体系[J].钢结构，2007，22（3）：27-31.

[5]李元齐，潘斯勇.自攻螺钉连接承载力研究现状[J].结构工程师，2008，24（6）：154-158.

[6]车松岩，赵金城.钢结构工程中的“冷桥”及其处理方法[J].钢结构，2004，19（4）：20-22.