装配式钢结构住宅工程设计及其优化策略

徐洲

【摘要】科学技术水平快速提升背景下，装配式钢结构以其独特的设计要求和理念，在社会各行业中被广泛应用，逐渐在市场经济体制下显露出其重要价值。本文以某装配式钢结构住宅工程的设计及优化为例，对结构方案的设计以及优化进行探讨，对装配式钢结构建筑的深化设计进行研究，希望能够为提高装配式钢结构住宅工程的设计质量带来一定参考。

【关键词】装配式钢结构住宅工程;设计;优化

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.08.043

引言：

当前国家大力推进装配式住宅建设，一些企业也开始进行相应的产业布局及技术研发。一些示范工程的完成，对装配式钢结构行业的进步带来了助力。但当前钢结构住宅的设计还存在很多问题，结构体系与住宅户型平面布局的矛盾制约了钢结构住宅的发展，一些设计人员在设计时照搬钢混结构住宅户型，导致钢结构住宅设计中产生了很多问题。当前缺乏钢结构住宅工程的设计案例，设计人员缺乏对模数化及标准化设计方法的了解，仍采用传统设计方法进行设计，给装配式钢结构住宅的应用及推广造成了制约。现以某工程为例，对装配式钢结构住宅工程的设计及优化进行探讨。

1、工程案例

某装配式住宅项目为政府安置房，根据政策规定需采用装配式建筑。地下3层、地上27层，高度80m。安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，Ⅲ类场地。处于寒冷B区。2装配式钢结构住宅工程的平面方案及优化设计。

1.1结构方案的优化设计

作为政府安置类住房，该住宅工程结构体系应具有造价合理、效率高、技术成熟的特点。当前可供选择的结构体系较多，钢结构体系包括钢管混凝土柱框架-支撑体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、钢框架-支撑体系及钢框架体系、Y形柱钢框架体系、钢管束剪力墙体系、异形柱框架体系及异形柱框架-支撑体系、钢板组合剪力墙体系等。钢框架-混凝土剪力墙体系需要进行现场绑扎钢筋及混凝土浇筑工作，存在与钢框架结构工序交叉的情况，不符合装配式技术发展趋势。钢板组合剪力墙体系结构复杂，施工难度大。Y形柱钢框架体系的Y形面会影响到建筑立面，且当前缺乏类似施工案例。钢框架-延性墙板为了发挥耗能特点，需要进行结构变形，要求围护结构能很好的适应变形。对异形柱框架-支撑体系、钢框架支撑体系及钢管混凝土柱框架支撑体系从单位用钢量、剪重比、地震下最大层间位移角等方面进行比选，发现钢管混凝土柱框架支撑体系的刚度可满足要求，单位用钢量最优，具有良好的防火、隔声性能，适合应用于该项目。用钢量中，梁的用钢量占比为54%，柱的用钢量占比为40%，支撑的用钢量占比为6%。

1.2平面方案及优化设计

1.2.1 户型优化设计的原则

合理进行钢结构住宅工程的优化，可以让住宅及小区整体更加合理，可提高施工的可操作性及节能效果。装配式钢结构住宅工程在进行设计时需要充分考虑到以下几点：第一，结构要合理，梁、柱所需要的数量在合理的情况下尽可能减少，这样才能减少用钢量。第二，要能满足功能需求，平面设计时布局要合理，要有动静分区、洁污分区，功能关系要紧凑。第三，模数制要求板材的宽度要统一，这样才能方便标准化生产。第四，要能方便施工，要确保所有的楼梯、厨卫等均保持一致，板材的规格要统一。第五，节能节地，要对建筑的体形系数进行控制，提高空间的利用率，减少凹凸。第六，造型要美观，要重点处理入口雨棚顶、坡屋顶及窗线条腰线等，外墙要保持整齐。

1.2.2 结构体系的选型

当前钢结构住宅结构体系包括错列桁架结构、纯钢框架结构、轻钢龙骨结构、钢框架-支撑结构、钢框架-预制混凝土墙框剪结构、钢框架混凝土筒/墙体混合结构等。错列桁架结构体系的刚度较大，与框架结构相比可减少30%-40%用钢量，这一结构体系的特点在于高效、实用、经济，在旅馆建筑及多层公寓等项目中应用广泛。纯钢框架结构的框架柱主要为H型钢，横向、纵向都可以设置为钢框架，这一结构体系的优点在于制作及安装都比较简单，使用时比较灵活，施工效率高;这一结构体系的缺陷在于为了抵抗侧向力需要增加梁柱的截面积;纯钢框架结构主要应用于不超过6层的多层建筑。轻钢龙骨结构使用配套扣件及加劲件使用自攻螺丝连接天龙骨、地龙骨、梁、柱及中间腰，该结构体系的特点在于构件尺寸不大，能为建筑布置提供便利，具有良好的保温性能，可以在工厂中完成受力墙体的拼装，因此施工效率高;该结构体系的缺陷在于梁柱铰接的方法不能应用于强震区的高层建筑，该结构体系适合应用于低层、中层的住宅或别墅。钢框架-支撑结构的小震、中烈度地震下的刚度可以很好地承受侧向水平力，在强震作用下的耗能能力及延性良好，该结构体系适合应用于小高层、多层建筑。钢框架-预制混凝土墙框剪结构根据强度设置内藏钢板，不需要考虑屈曲，该结构的受力性能良好，支撑构件可以与隔墙布置结合;该结构的缺陷在于制作比较负责，现场安装时较为复杂，该结构适合应用于高层建筑。钢框架混凝土筒/墙体混合结构有机结合具有良好防火性能、较高抗压强度及抗侧刚度的混凝土结构及具有重量轻、强度高、施工效率高的钢结构，可以取得优势互补的效果;这一结构体系的缺陷在于使用混凝土作为芯筒，重量减少不明显，现场需要进行混凝土的浇筑，因此增加了工程量，该结构体系适合应用于高层建筑。

1.2.3 平面方案的優化设计

前期方案为其他公司在传统剪力墙结构思路下完成的设计，并不适合用于钢结构住宅中。对此应在装配式钢结构设计思路指导下对设计方案进行优化，基于钢结构特点，采用模数协调、模块化设计原则指导调整户型。

户型优化设计时，需要以满足住宅平面功能为基础，与人们生活方式相适应。当前设计思路有两种，分别是：（1）改革式思路，以传统结构体系的典型套型及平面方式为基础进行简单修改后移植，这种思路是当前我国钢结构住宅试点的主要思路，其主要是从功能优化与结构优化两个方面实现。功能优化指的是为了确保住宅的功能优化，调整钢结构住宅的柱网布局，对局部柱网采用凹凸、错位设计来保证各方面通风及采光良好。结构优先指的是在规则的柱网内对交通空间及套型空间进行优化从而使钢结构住宅变得紧凑、舒适，组合应用大套型与小套型来增加进深，充分利用土地。（2）开放式思路，其要求充分发挥出钢结构系统的特点，开放设计住宅平面功能。可按照以下途径实现对平面方案的优化设计：①结构规整：要根据钢结构特点来对模块进行设计，轴线要对位，结构布置要方正、规整，尽可能减少柱的数量从而提高空间占比，将钢结构优势充分发挥出来;②模块组合：根据不同使用功能划分，确定户型模块，户型模块应通过多样化组合来设计;③模数协调：部件、内装部品要做到通用化、系列化、标准化。

1.3外围护结构的优化设计

1.3.1 外围护结构材料

当前可应用于装配式钢结构住宅工程的外围护材料可分为新型板材类、新型砌块类及新型砖类，分别探讨如下：

（1） 新型板材

新型板材经工厂预制生产后运送到工地，将其应用于装配式钢结构住宅工程中，可以有效提高生产效率，改善劳动条件，缩短工期，与砖混结构相比，新型板材可以有效减少建筑自重，可取得一定增加建筑面积效果。当前常见的新型板材包括：①植物纤维水泥复合板（PRC板），其采用农作物秸秆或木材作为增强材料，将水泥作为粘合剂加相应添加剂经过热压或冷压加工而成，这种板材兼具木材特性与水泥优点，可应用于工民建建筑的外、内非承重墙;②蒸压轻质加气混凝土板（ALC板），其采用钢筋、石膏、硅质材料、钙质材料、发气剂等制成板材，板材的强度储备及整体刚度良好，耐火、隔音、隔热性能良好，可满足内隔墙与外墙需要;③玻璃纤维增强水泥板（GRC板），其主要是将低碱度硫铝酸盐水泥砂浆作为基材，将耐碱剥离纤维作为增强材料，将原料制备为中间含有孔洞的条形板材，该板材的特点在于耐火及耐水性能优良，具有良好的抗冲击性能，强度高，质量轻，工艺简单，可节省材料用量，这种板材可应用于装饰板、屋面板、隔墙板及外墙板;④钢丝网架聚苯乙烯夹芯板（GJ板），先焊接一个冷拔低碳镀锌钢丝作为骨架的空间网架，将充氧性能良好的阻燃性聚苯乙烯泡沫填入其中从而形成刚性整体，这种材料的隔声、隔热、保温性能优良，将其应用于住宅工程可明显提高舒适度;除此以外，此类材料还具有自重较轻的特点;⑤ASA板，其主要由水泥、粉煤灰、耐碱玻璃网格布等构成，其特点在于具有良好的隔声、耐火、保温隔热性能，强度高，质量轻，板材加工方便，施工快捷、简便，这种板材可应用于非承重墙板、隔墙板、楼板及屋面板;⑥定向刨花板（OSB板），其采用小径级原木刨片得到薄长条刨花，使用添加剂、胶粘剂等后铺装、热压形成人造板材，这种板材具有良好的抗震性能与隔声效果，可与其他材料组合作为复合墙板使用。

（2）新型砌块

新型砌块可采用地方材料、工业废料及素混凝土等制作，其具有施工简单、灵活性高、制作方便的优势，可以减少对耕地造成的破坏。生产砌块时应结合当地实际情况，就地取材。空心砌块包括多排扁孔、单排圆孔及单排方孔等类型。砌块材料包括粉煤灰、工业废料、加气混凝土及混凝土等。

常见的新型砌块包括：①泡沫混凝土：将泡沫状发泡剂与石灰、水泥、粉煤灰、砂、外加剂、水等混合，浇筑至设计规格并进行养护，制备出的成品含有丰富封闭气孔。泡状混凝土具有良好的吸音效果，保温性能良好，具有一定强度，其质量较轻，加工方便，泡沫混凝土可应用于工民建建筑异形墙体材料;②普通混凝土小型空心砌块：其采用普通混凝土材料制备而成，空心率在25%-50%，这种材料具有良好的抗震性能，自重轻，具有良好的耐火性，施工简单，综合经济水平高，可应用于墙体材料;③蒸压加气混凝土砌块：其原料包括粉煤灰、砂、铝粉、矿渣、石灰、水泥等，经多道工序制备为多孔混凝土砌块，其特点在于强度高、防火性能好、保温性好、容重轻，容易加工，这种材料被广泛应用于多层建筑的承重墙、内隔墙、填充墙等中。

（3）新型砖

目前，随着黏土实心砖的禁用，炉渣砖、草砖、蒸压粉煤灰砖、灰砂砖、烧结页岩空心砖等新型砖被应用广泛，但考虑到钢结构住宅的施工要求及结构设计，草砖是最适合的选择。草砖采用稻草、秸秆及其他农业废弃物制备而成，其具有良好的保温性能，原料丰富，成本低，对大气造成的污染较小。草砖在框架结构中应用广泛，可用于搭建结构框架来支撑天花板及屋顶，发挥保温效果。

1.3.2围护结构的选材及优化设计

（1） 外窗

外窗通常采用断桥铝合金窗或单框双玻塑钢窗，玻璃可采用LOW-E玻璃或中空玻璃。外窗的构造方案见表1。从耐久性、经济性、气候条件等因素考虑，最优窗户类型存在差异。当需要同时考虑耐久性、经济性等因素时，则窗户传热系数难以满足要求，需要权衡围护结构的热工性能。窗户设计时需考虑以下因素：①非南向窗以满足采光为前提，尽量选择小窗以确保窗墙比足够;②分型时选择玻璃面积大、分档少的产品;③要对密缝进行处理，预防窗缝透风。

（2）外墙

对普通住宅采用ASA复合保温外墙板作为外墙即可;当住宅对保温隔热要求较高时，可采用双墙加芯保温隔热设计，可将墙分为两层，墙体材料可以使用稻草板或ASA板，板材中间留置30 mm -120mm空隙，空隙中可填塞块状或无机松散的麦壳、木屑、炉渣等保温材料，也可以作空气层。该工程外墙构造为：5 mm厚聚合物水泥砂浆+ASA板（可无）+空隙或填充材料+建筑板材如稻草板、ASA板+8 mm厚粉刷石膏。对寒冷B区，空隙材料科采用50 mm厚麦壳，建筑板材可采用60mm厚稻草板。

（3） 屋面

当屋面采用双层配筋的ASA复合屋面板即可满足热工性能要求时，可在上方直接铺设SBS防水卷材;当仅使用单层屋面板不能满足保温隔热要求时，需在屋面板上增加模塑聚苯板、挤塑聚苯板或其他保温材料。该工程屋面构造为：4mm厚SBS防水卷材+30mm厚细石砼找平+陶粒砼找坡层最薄处30mm+100mm厚加气砼砌块保温层+附加保温板+20mm厚水泥砂浆找平+ASA复合屋面板。对严寒B区可附加30mm厚挤塑聚苯板。

（4） 周边地区

当工程处于寒冷、严寒地区时，需要采用炉渣、挤塑聚苯板等材料对室内距外墙表面2m以内的周边地面进行保温处理。该工程对周边地区处理时，其构造为20mm厚水泥砂浆面层+30mm厚细石混凝土找平层+挤塑聚苯板保温层+80mm厚混凝土层+素土夯实。对寒冷B区，保温层厚度为30mm。

1.3.3 围护结构组合方案

以钢结构住宅外围护结构构造方案为基础，同时考虑经济适应性、气候适应性及技术可行性，合理确定热工性能参数，确定适宜组合方案为：外墙：5mm厚聚合物水泥砂浆+ASA板（可无）+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厚细石混凝土找平+陶粒混凝土找坡层最薄处30mm+100mm厚加气混凝土砌块保温层+附加保温板+20mm厚水泥砂浆找平+ASA复合屋面板，附加30mm厚的挤塑聚苯板;地面：30mm厚的挤塑聚苯板;外窗为6mm厚的塑料窗框中空玻璃。

结语：

随着人力资源紧缺、劳动力成本的持续增加，传统混凝土结构住宅面临较大发展阻力。装配式钢结构住宅具有构件标准化、布局灵活、环保、资源可回收利用等众多特点，与传统钢混结构住宅相比优势明显，特别适合我国当下资源紧缺国情，因此装配式钢住宅结构的发展前景广阔。

参考文献：

[1]侯和涛，王弘扬，陈晓，等.装配式钢结构建筑的工程设计与应用[J].建筑技术，2018，49（z1）：23-24.

[2]刘华，卢清刚，苗启松，等.沧州市天成装配式钢结构住宅设计[J].建筑结构，2018，48（20）：55-59.

[3]郭大林，衛中宽.装配式钢结构选煤厂设计与建设前景分析[J].煤炭工程，2018，50（8）：36-39.

[4]钱庆杰，吴荷花，曹凤娥.批量化生产在装配式钢结构深化设计及钢构件制作中的尝试[J].建筑技术，2018，49（z1）：73-74.