一种新型装配式钢结构住宅体系的研究与实践

方继，曹晗，李亚飞

（中铁四局集团钢结构有限公司，安徽 合肥 230000）

一种新型装配式钢结构住宅体系的研究与实践

方继，曹晗，李亚飞

（中铁四局集团钢结构有限公司，安徽 合肥 230000）

为推进建筑产业工业化的发展，中铁四局集团在自主研发的基础上，充分吸纳国内、外先进技术，形成了一套施工速度快、节能环保、产业化程度高的新型装配式钢结构住宅建造体系。文章依托钢结构公司三层装配式钢框架结构的实验楼为背景，就该新型装配式钢结构住宅结构、建造体系及经济构成进行阐述，为同类型工程的开发研究提供参考。

装配式钢结构；建筑产业化；经济性

装配式钢结构住宅体系是以钢柱及钢梁作为主要承重构件，经过工厂加工，现场进行装配的一种住宅体系。具有标准化制作、工业化生产、易地重建等绿色建筑的特点，加之适应性强、建造周期短、受气候条件制约小、节约劳动力、可提高建筑质量的优点，拥有广阔的发展前景和应用价值①。中铁四局作为安徽省产业化示范基地的成员单位，多年来积极开展钢结构住宅产业化的研究，逐渐的认识到装配式钢结构住宅的优势，遂进行了装配式钢结构住宅示范楼的建设和研究工作。

以找出一套坚固、经济、可行、方便的装配式钢结构主体结构体系，找出适合装配式钢结构住宅的内外墙体、楼板等系列的新型材料为研究目的，中铁四局集团在与省内高校开展产学研合作的基础上，摸索出一套施工速度快、节能环保新型装配式钢结构住宅体系建造技术，为同类型钢结构住宅建筑的设计、施工提供借鉴经验。

我国目前的多层、高层和超高层钢结构建筑结构体系中，钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-核心筒结构结构是应用比较多的几种结构形式②,③。

多层、高层和超高层钢结构建筑体系对比分析 表1

中铁四局钢结构公司实验楼地处合肥市西二环，为钢结构公司新型装配式钢结构住宅建筑试点项目。试点实验楼工程采用独立基础，地上最高3层，最小层高3.3m，建筑高度13m，建筑总面积1200m2。工程效果图见图1所示。

图1 住宅示范楼照片

为体现建筑产业工业化的优势，并结合工程的功能特点以及企业研究目的，该工程主体结构体系选用结构设计较为简单、受力和传力体系明确、构件形状较为规则、制造安装简单、宜于预制装配施工的钢框架结构体系。工程结构的抗震设防烈度为7度，设计使用年限50年，设计基本地震加速度值为0.1g。

在现有的钢结构建筑中，多高层结构的框架柱一般是双向压弯构件，大多采用实腹式的截面形式。钢柱截面形式如表2所示。

钢柱截面形式 表2

试点实验楼工程，考虑到建筑规模及装配化的程度，框架柱在两个相互垂直的方向与钢梁相接，故框架柱采取300mm×300mm×10mm×10mm的方钢管柱，具有重量轻、强度高等优点。

在现有的钢结构建筑中，梁、柱需遵循“强柱弱梁”的设计原则，采用等截面形式。故框架梁及次梁主要选用热轧或高频焊接H型钢。H型钢翼缘宽度大、在两个方向上的截面惯性矩均大于工字钢，受弯承载力好。试点实验楼工程，框架梁均采用规则且容易加工的H300×200×8×12型钢，楼面次梁为镀锌C250×75×20×2.5型钢。

节点的连接在钢结构建筑中具有至关重要的地位。节点可分为铰接节点、刚性节点和半刚性节点。目前工程实体中，铰接节点与刚性节点应用比较广泛，且研究亦比较成熟。半刚性节点在工程中应用比较少。

试点实验楼梁柱节点采用了端板连接的半刚性节点，如图2所示。这种半刚性节点规模应用于实际工程中尚属国内首次，经过工程试验总结出其如下优点：因考虑了节点区域的相对变形，可缓解杆件内应力集中；地震荷载作用下，节点部位能量耗散作用可以降低位移反应；灾后结构加固设计较容易处理；半刚性节点引入结构分析，推动对结构设计过程的重视；设计能够更接近结构的真实情况；现场无焊接，装配化程度高④。

2.6.1 墙板概述

现今钢结构建筑中，适用于钢框架结构并且具有保温隔热、防渗隔声功能的轻质板材类墙体主要有轻质蒸压加气混凝土板（ALC板）、玻璃纤维增强水泥板（GRC板）、钢丝网架水泥聚苯乙稀夹芯板、钢筋混凝土绝热材料复合墙板、金属复合板、现场拼装复合型墙板等，这几种墙板均不能很好的满足“标准化设计、模块化生产、装配化施工”的要求。

图2 试点实验楼梁、柱半刚性节点

在进行中铁四局集团通过与高校建立产学研合作，在已有复合夹心墙板的基础上，就其芯材进行改进，联合开发出了一种以无石棉纤维水泥板为面层，以玻化微珠改性泡沫混凝土芯材层、以焊接钢筋网片为加强层的新型轻质复合外墙板。该墙板比普通墙板具有更高的抗压强度和更好的保温性能，很好的满足了“标准化设计、模块化生产、装配化施工”的要求。

2.6.2 内墙板

试点实验楼内墙板为聚苯乙烯混凝土轻质复合墙板。板材表面双侧的8mm厚水泥纤维板，具有环保、隔音、防火的特点。为解决墙板接缝处易开裂的问题，经过系列实验，该墙板采用企口对接，接缝处用射钉密打，板与板之间牢固连接后做装饰处理。

图3 内墙板板间连接示意图

2.6.3 外墙板

试点实验楼外墙板为装配式钢筋网格单元式外墙板，即为2.6节所述自主开发的新型轻质复合墙板。为保证外墙板连接可靠、有足够延性，满足在设防烈度下主体结构层间变形、因温度应力引起的钢结构与外墙板变形不一致的要求，外墙板缝处设置涨缩缝。同时板缝处采用优质密封胶、专用勾缝剂及对应施工措施进行处理，亦能满足防渗效果，保证板缝不开裂。

钢结构楼板应当具有装配化、环保化的优点。即原材料采用环保无污染的材料，用装配式构件的安装来减少现场施工作业，减少建筑垃圾。

试点实验楼楼面板采用了（20+20）水泥纤维板，板间铺设3mmSBS卷材减震层。楼面板采用自攻螺钉直接与C250×75×20×2.5型钢楼面梁连接，施工效率高。

门窗及附属配件包括橱窗、保温窗、街门、内门及雨水槽等，均选用标准件,便于装配。

装配化施工，最大优点即能够满足“标准化设计、模块化生产、装配化施工”。

其施工流程主要分成基础工程、主体结构工程、装饰工程3个部分。基础工程部分与装饰装修部分与现浇式建筑大体相同，主要对主体结构部分进行描述。主体结构部分的工艺流程包括：构配件工厂化预制、运输、吊装、调整、构件支撑固定；直至顶层。

装配化施工的工艺流程如图4所示。

内墙板施工流程：梁、柱验收→测量放线、确定内墙板位置→核对水泥砂浆基座位置及标高（有偏差时调整）→安装U钢及固定用水泥纤维板条→内墙板尺寸复核→墙板就位→调整墙板→自攻螺钉固定→射钉固定→修补破损位置。

外墙板施工流程：梁、柱等验收→测量、放线及验线→连接件验收→校正连接挂耳的位置桂板进场验收→挂板吊装→挂板就位→微调→初步固定→单墙校核→整体调整→最终固定。

图5 现场安装外墙板

楼层板施工流程：梁、柱验收→根据预排板图纸现场划线定位→梁柱处焊接增设角钢→底层水泥纤维板铺设→检查底层板平整度并调整→自攻钉固定→铺设卷材减震层→上层水泥纤维板铺设→检查上层板平整度并调整→自攻钉固定→钉头抹灰及嵌缝。

试点实验楼的工期为83天，毛坯房每平方米造价1866元，对成本构成进行分析如下。

图4 工艺流程

图6 毛坯房各项造价比例图

图7 住宅示范楼各项工程单价图

图8 住宅示范楼“三板”及屋面板工程单价图

从以上对比中可知：

①试点实验楼工程造价中，基础工程、钢结构分部占到整个造价的13%、32%，围护结构占55%。可知，围护结构是装配式钢结构住宅体系的重中之重。开发新型、经济的围护结构，能够很大程度的降低装配式钢结构住宅体系的造价。

②“三板”、屋面板单价组成中，外墙板的材料费、安装费均远高于其他几项，故开发新型、经济的围护结构，外墙板应作为研究的重中之重。

通过试点实验楼工程，中铁四局对钢结构住宅体系的理论研究和实践研究，形成了一整套钢结构住宅的体系技术。

①试点实验楼的结构体系、结构组成、施工技术等多个方面的研究，可为今后的装配式钢结构住宅工程提供一定的参考。

②半刚性节点在实际工程中的规模应用在国内还是首次，对提高结构装配效率和抗震研究有积极意义。

③试点实验楼研制的新型轻质复合外墙板，能够满足“标准化设计、模块化生产、装配化施工”的特点，适合于产业化的要求，是一种新型的适合于钢结构住宅的装配式外墙板材。

④试点实验楼研制的新型轻质复合外墙板，能够满足“标准化设计、模块化生产、装配化施工”的特点，适合于产业化的要求，是一种新型的适合于钢结构住宅的装配式外墙板材。

[1]张爱林，张劲爱，刘学春.装配式钢结构楼板拼接板缝关键问题研究[J].工业建筑，2014，44(8)：39-45.

[2] 磨凤梅,黄永忠.浅析多层民用钢结构房屋的结构体系[J].硅谷，2010(13)：133

[3]王明贵.钢结构住宅的发展研究[J].钢结构，2007(1)：37-40

[4]王静峰，李国强.有侧移半刚性连接组合框架的稳定分析[J].哈尔滨工业大学学报(自然科学版)，2009，41(4)：126-130

TU391

A

1007-7359（2016）05-0063-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.016

方继（1967-），男，安徽枞阳人，毕业于西南交通大学，学士。