冷弯薄壁型钢住宅的模数化设计构想

冯佳玉 李会红 刘 宏 江卓林

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



冷弯薄壁型钢住宅的模数化设计构想

冯佳玉 李会红 刘 宏 江卓林

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

随着社会和经济的不断发展，建筑行业的发展也由之前的粗放型逐渐转向集约型，住宅产业化、绿色低碳节能建筑成为现在建筑行业的关键性要素.冷弯薄壁型钢住宅因其自身的优良性能，成为新一代的建筑业宠儿，结合目前我国冷弯薄壁型钢住宅建设过程的问题，提出一套冷弯薄壁型钢住宅模数设计的方案,并对未来的发展进行了展望.

冷弯薄壁型钢住宅；建筑模数化设计；工厂化生产

1 冷弯薄壁型钢住宅简介

低层冷弯薄壁型钢住宅是由木结构演化而来的一种轻钢结构体系，主要运用在1～3层的独立或联排式住宅.其墙体骨架通过间距为400～600 mm的冷弯薄壁C型钢立柱及U型钢上下导轨经自攻螺钉连接而成，墙体骨架两侧附有轻质高强的结构面板，共同组成墙体承重的结构形式.

较传统建筑形式，冷弯薄壁型钢住宅优点突出，因此，在欧美、日本及澳大利亚等发达国家早已得到广泛的应用.而我国的发展相对滞后，其原因大致可归结为如下几点：需求量小，不能大量生产，导致生产成本较高；一些性能好的维护材料，国内没有生产厂家，需从国外进口因而增加成本；专业技术人员稀少，人工费用高；由于整个生产的系统及技术还不成熟，导致本不该有的材料、能源浪费.

2 冷弯薄壁型钢住宅模数化设计构想

2.1 模数协调简介

模数化设计是实现冷弯薄壁型钢住宅标准化、产业化的基础.模数是选定的尺寸单位，作为尺度协调中的增值单位，也是建筑设计、建筑施工、建筑材料与制品、建筑设备、建筑组合件等各部门、各环节进行尺度协调的基础或规则.其目的是使构配件安装吻合，并有互换性.建筑基本模数为100 mm，用符号M表示，即1M=100 mm.模数协调是以建筑模数为基础的尺度协调.它能使建设活动中，各构配件和设备无需修改没有损耗的实现现场的组合和互换，有利于稳定和提高产品质量，降低产品成本，实现住宅产业化.[1]

2.2 我国冷弯薄壁型钢住宅发展现状

冷弯薄壁型钢住宅在建设过程中的突出优点是构件的工厂化生产、机械化安装、施工周期短、符合节能环保及绿色施工等要求.但目前，我国的冷弯薄壁型钢住宅建设，尚未实现模数化、标准化设计及施工，施工现场的工作量仍然很大，建设周期的缩短也不理想.原因是国内目前仅有轻钢住宅标准化的纲领性文件，没有具体的标准化设计及技术规范，在建设过程中没有一个可以参考的标准.

由于未实现标准化的设计，冷弯薄壁型钢住宅的墙体、楼板及其他构件形状、尺寸千差万别，采用在工厂进行半装配式再运到现场进行整体式拼装，无疑会因为部件尺寸的不统一，无法进行归类运输，需要占用大量的空间，增加运输次数，造成运费的不必要增加.因此，为了节约运输成本，施工单位更青睐于将加工好的钢材成批运输到现场，在现场进行组装.这样不仅大大降低了冷弯薄壁型钢住宅的建设速度，并且会影响建筑的质量.不能充分发挥冷弯薄壁型钢住宅在建设过程中的优越性.

解决这个问题的关键是要对冷弯薄壁型钢住宅实现模数化设计，然后再进行模数标准化拆分.将体系的墙体、楼板、屋面拆分为几种标准的模数尺寸.在生产过程中，根据模数拆分图纸，在工厂将墙体、楼板等拼接成标准的小块.以此减少现场施工的工作量，又可以方便运输，有利于构件的分类堆放，井然有序.

2.3 冷弯薄壁型钢住宅模数化设计

模数化设计应当实现建设过程的简单方便，同时也要表现出建筑的多样性.结合上述所提到的问题，根据《建筑模数协调统一标准》(GBJ2-86)中的规定,对冷弯薄壁型钢住宅进行模数设计.

模数设计中墙体及楼板模块的宽度扩大模数采用3 M,墙体中门窗洞口的扩大模数也采用3M,墙体竖向采用1 M.

2.3.1 墙体的模数化拆分

根据《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ-227-2011)墙体立柱间距设为600 mm，根据采用的3 M的扩大模数，将墙体划分为300 mm、600 mm、1200 mm、1800 mm这几种规格，墙体构造简图如图1.

图1 模数化墙体构造简图

当根据设计的需要需在墙体中增设支撑时，其模数化设计简图如图2所示.

图2 加设支撑的模数化墙体构造简图

当墙体设有窗洞时，窗洞的扩大模数也采用3 M，窗户宽度采用600 mm、900 mm、1200 mm、1800 mm，高度为1200 mm.将墙体划分为1800 mm、2100 mm、2400 mm、3000 mm等几种规格，采用这几种尺寸的窗户只是满足一般住宅的需求，如有特殊需求可单独设计.带窗洞的模数化墙构造简图如图3所示.

图3 带窗洞的模数化墙体构造简图

当墙体设有门洞时，门洞的扩大模数也采用3 M，设计满足常用的门洞的宽度为900 mm、1500 mm、1800 mm、2400 mm，门洞高均采用2100 mm.将墙体划分为1500 mm、1800 mm、2100 mm、2400 mm、3600 mm几种规格，带门洞的模数化墙体构造简图如图4所示.

图4 带门洞的模数化墙体构造简图

2.3.2 纵横墙体连接

为保证墙体模块在连接中的方便及尺寸的规范化，在纵横墙体连接的部位设置宽度同墙体骨架腹板高度的方钢管，以此将各墙体通过自攻螺钉连接成整体.同时方钢管可类似看作墙体的构造柱，提高建筑的整体性.方钢管与墙体连接平面构造如图5所示.

(a)墙体十字形连接(b)墙体T形连接(c)墙体L形连接(d)墙体一字形连接图5 方钢管与墙体连接平面构造简图

2.3.3 楼板的模数化拆分

楼板通过托梁与托梁导轨连接而成，楼板搭接在墙体之上，楼板托梁形心要和墙体立柱形心保持在同一平面内，当有偏差时，偏移量不能大于20 mm，否则，应当考虑附加偏心距对构件的影响.楼板骨架的模数化拆分按照楼板的宽度进行拆分，将楼板拆分为宽度为1800 mm的标准模块，另外设计有宽度为300 mm、600 mm的模块作为边缘部分的补充模块.楼板模块的跨度根据房间的尺寸制定，可用公式3Mn+am表示(解释在本文2.4-1)).如图6所示.

2.4 模数化冷弯薄壁型钢住宅的特点

由于墙体宽度采用的扩大模数为3 M，所以无论是纵向还是横向所有墙体的宽度都是3 M的倍数.假设墙体立柱腹板高为a，则纵横墙体连接处的方钢管截面宽度也为a，因此建筑纵横方向的平面尺寸是由无数个3 M和a组合而成.可用公式：3 Mn+am来表示.

由于在纵横墙体连接部位采用的方钢管的截面尺寸与墙体立柱腹板高度相关，并不能符合模数化的要求，因此，在设置模数化网格时，方钢管的地方需设网格中断区，且中断区的尺寸为方钢管的截面尺寸a.中断区为非模数空间的网格如图7所示.

图6 模数化楼板骨架构造简图 图7 中断区为非模数空间的模数网格

表1 构件规格统计表

位置规格墙体上下导轨U120×40×1墙体立柱C120×40×10×1楼层托梁C205×40×10×1楼层托梁导轨U205×40×1纵横墙体交接处立柱□120×120×1

方便统计材料的用量，计算时只需将不同模块中各种尺寸、型号的构件进行计算，再统计整个建筑中各种模块的使用数量，即可以对各构架使用的位置及数量一目了然.

3 冷弯薄壁型钢住宅模数化设计举例

结构骨架所需构件型号如表1所示：

由于墙体骨架中模数块的扩大模数为3M，纵横墙体连接处的非模数区方钢管尺寸为120 mm×120 mm，所以，很显然该住宅纵横方向的尺寸可以用公式300 n+120 m来表示.其模数化网格如图8所示：

图8 模数网格

根据建筑平面图中墙体的布置情况，在模数网格中添加模数墙体，(墙体高度为3M)模数墙体布置如图9所示.

墙体骨架拼装完毕后，在其上方进行楼板的拼装，模数化楼板骨架平面布置如图10.

根据各模块的构造，统计墙体用钢量如表2，楼板用钢量如表3.

因此，住宅总用钢量为2519.96 kg，单位面积用钢量为18.22 kg/m2.

4 结束语

由于冷弯薄壁型钢住宅的模数化设计还处于探索阶段，以上的设计只是一个粗略的构思，还存在着很多的瑕疵，对于很多细部的构造没进行考虑.因此，模数化设计还有很多工作有待进一步补充和完善.

图9 模数墙体平面布置图

图10 模数化楼板骨架平面布置图

名称类别宽度(mm)单位用钢量(kg)数量合计用钢量(kg)墙体无门窗(设支撑)30011.29111.2960012.42449.68120023.05246.1180030.3423697.82带窗洞1800(600)50.53--1800(900)51.552103.12100(900)52.482104.962400(1200)54.43--3000(1800)58.333174.99带门洞1500(900)47.56--1800(900)48.493145.472100(900)49.433148.292100(1500)51.97--2400(1800)53.41153.413600(2400)59.69159.691594.8

表3 楼板用钢量(kg)

[1]王明贵,储德文.轻型钢结构住宅[M].北京:中国建筑工业出版社,2011

[2]杜玮.谈建筑模数在低层轻钢建筑中的应用[J].山西建筑,2014(6):40～42

[3]JGJ 227-2011,低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程[S]

[4]GBJ 2-86,建筑模数协调统一标准[S]

[5]GB/T 50100-2013,住宅建筑模数协调标准[S]

the Modular Design Vision of Cold-formed Thin-wall steel Buildings

FENGJia-yu，LIHui-hong,LIUHong,JIANGZhuo-lin

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China)

With the development of society and economy,the construction industry also has changed into intensive type from extensive,both housing industrialization and green carbon-lowing and energy-saving buildings have become the key factors of the construction industry.The low-rise cold-formed thin-wall steel buildings are the most populous in the construction industry of the new generation because of their own fine properties.The modular design vision and the future of the low-rise cold-formed thin-wall steel buildings will be introduced in this essay,according to the problems of the low-rise cold-formed thin-wall steel buildings in the construction process.

cold-formed thin-wall steel buildings;architectural modular design;industrialized production

2016-05-26

河北省住宅产业现代化技术研发中心建设项目(201512)

冯佳玉(1990-)，女，在读研究生，从事结构工程研究.

TU 2

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