装配式钢结构设计要点探讨

丁欢欢 南瑞电力设计有限公司

1 前言

随着城市化进程的发展，我国居民的住房需求正在上升，为了节约建筑成本，加快施工速度，很多建筑开发商都引入了装配式结构。比如装配式钢结构，此种结构构件的主要优势是工厂化预制率高，可以减少现场湿作业，大大降低现场作业的强度与难度，由于钢结构建筑具有上述使用优势，所以该建筑形式正逐步应用于工业和民用建筑中。

2 装配式钢结构建筑概念简析

装配式钢结构建筑是指由钢构件组成的装配式建筑。与装配式混凝土建筑不同，这种建筑结构现浇节点少，安装速度快，施工质量更容易保证。通过工程信息平台的建设与设计，将传统的“现场施工”形式转化为“工厂制造”形式，充分体现了“绿色建筑”的理念[1]。同时随着信息技术的发展以及其在装配式构件生产上的应用，装配式钢结构构件的生产和安装速度均得到不断提升，标准化程度不断提高，整体建设成本直线下降，这使得装配式钢结构的优势更加突出。

3 装配式钢结构发展历史分析

装配式钢结构的发展是建立在钢结构建筑的基础之上的，在20世纪20年代后期，我国首次出现了一些钢结构建筑，但是受到当时社会环境因素的影响，导致这批钢结构建筑主要集中在南方一些大型城市中，到了20世纪末期，我国从欧美国家引入了装配式钢结构建筑设计。在我国早期的装配式钢结构设计中，仅仅有很少部分是应用在民用建筑上的，随着城市化进程的加快和高层建筑的应用，装配式钢结构才逐步被应用到民用建筑和商业建筑之中。

4 装配式钢结构运用优势分析

4.1 经济性与抗震性能优异

装配式结构是根据现场施工建筑所需要的材料进行具体建造，主要分为：内墙板以及外墙板、阳台、折叠板与楼梯、预制梁等方面几大类型[2]。结合大量的文献研究可知，与装配式混凝土结构相比，装配式钢结构为延性材料，抗震性能更好。在某次分层框架体系下的抗震试验中，装配式钢结构在承担相当于9级地震的地震力作用下，除了抗震支撑之外，其他部位均完好无损，完美呈现了抗震性能优异的特点。最后，装配式钢结构自身重量相对较轻，基础造价更低，钢材本身也是可回收材料。综上，装配式钢结构在抗震性与经济性方面表现均较为优异，且经济、绿色、环保。

4.2 施工工业化水平较高

与传统的装配式混凝土结构相比，装配式钢结构的梁柱节点主要采用栓焊连接，部分采用螺栓连接（免焊连接）。而采用螺栓焊接的优点在于：①安装速度快。②施工质量更容易控制。③在装配式钢结构中，现场焊接最容易发生腐蚀，螺栓焊接可有效避免这种焊接位置，降低钢结构的腐蚀风险[3]。

装配式钢结构主体受力构件、墙板、连接件、门窗等均可以直接在工厂内部进行加工和预组装，连接部位采用螺栓连接，运至现场后，借助先进的施工机械进行安装，施工安装工业化水平较高。预制钢结构现浇节点少，安装速度快，施工质量更容易保证。

4.3 个性化设计优势凸出

由于装配式钢结构外墙板材质和样式可选择性较多，从而使得装配式钢结构外墙色彩丰富个性。而且，装配式钢结构可以按照装饰装修要求个性化灵活预埋管线，开槽开洞也可以在深化阶段提前预留，减少与其他专业后期现场施工冲突。装配式钢结构相比于其他的建筑结构来讲个性化设计优势凸出。

5 装配式钢结构设计要点分析

5.1 装配式钢结构接地防雷设计要求

为了提高建筑物的安全，设计人员在设计建筑物的过程中都会对建筑物的防雷接地系统进行严格的设计，以此保证装配式钢结构建筑后期使用质量。

为了提高装配式钢结构建筑质量，设计人员应该结合区域的实际气候情况以及气候条件进行接地防雷设计。例如，在（GB540027）《建筑物防雷设计规范》中明确规定，如果轻钢结构建筑的主钢构件、次钢构件和彩钢围护体系在施工过程中已经可靠连接，形成了耐用的电气通道，只要接地装置设置可靠且建筑结构许可，钢柱就可以作为下引线使用，所以在设计过程中，设计人员可以使所有预埋地脚螺栓在钢结构建筑基础与基础箍筋可靠焊接连接，从而保证施工安全[4]。另外，在针对装配式建筑结构进行防雷设计的过程中，由于部分建筑物结构较为特殊，可以采用防雷接闪器作为设计核心。特别是对于轻钢结构而言，其围护系统的连接方式一般为咬合方式或搭接方式，因此选用防雷接闪器也可以起到接地防雷的作用。

5.2 装配式钢结构防水设计要求

无论是工业还是民用装配式钢结构建筑，为了延长建筑的使用寿命，需要针对建筑物做好屋面防水设计工作。基于此，在实际的建筑结构设计过程中，设计人员不仅要根据建筑物的实际情况做好屋面以及屋顶的防水设计工作，同时也要采取各类有效措施来避免屋面漏水的发生。

5.3 装配式建筑钢结构防火设计要求

装配式钢结构的防火设计需根据建筑设计防火规范和钢结构设计规范等要求进行。对于一些火险危险级别比较高的建筑物更应当做好防火设计，比如，配电站与变电站等。装配式钢结构的防火安全设计可以从以下三个方面考虑。

第一，外墙装饰材料可以采用岩棉夹心板或者水泥纤维板等防火性能较好的材料。

第二，在室内装饰装修材料方面，可采用A级不燃无极涂料或者其他防火性能较好的材料。

第三，主要受力构件可采用涂防火涂料或包裹耐火材料等方式来保证耐火性能。

5.4 钢结构深化设计

在开始实行深化设计以前，应当充分考虑与水暖和电气专业的配合，在设计过程中，一定要确保深化设计信息的可靠性与完整性。深化设计往往有着非常高的技术要求，设计师们必须具备比较综合的知识储备，才能够更好地完成各专业间的配合。此外，设计人员在设计过程中还要对钢结构的主体结构以及附属加强结构两方面进行深入研究，特别是梁柱节点设计、墙板连接深化设计以及装饰装修配合等几方面，应结合先进的设计理念，发挥专业技术人才的优势，对整个深化设计过程进行全面考虑和把控，才能做好结构深化设计[5]。

6 装配式钢结构建筑的深化设计

6.1 建筑设计

装配式钢结构设计的内容有很多，特别是在建筑设计。首先，建筑设计能满足建筑物的功能要求，不仅可以体现节能和环保的价值，同时也能提升楼宇经济，满足建筑美学设计的要求。在建筑设计，平面设计属于重要内容。根据实际情况，设计者应合理安排好门窗，同时合理安排卫生间和厨房，以满足建筑居住要求。其次，建筑设计也必须要注意外墙设计，设计质量将直接影响住宅的经验，所以墙板接头的位置必须有防火功能，防水功能，防潮功能。墙的设计也必须符合美学和经济的要求，这样才能充分发挥的装配式钢结构设计的优点。第三，小型金属构件的设计，门窗安装节点的设计也很重要。在工厂制造提高了准确性，并确保预制墙板和门窗之间的紧密连接，以避免在关节位置渗水问题。小金属部件，包括室内和室外栏杆，空调面板，所以在框架设计必须考虑的金属成分，以发挥建筑设计的价值[6]。

6.2 结构设计

在安装钢结构的设计，结构设计的问题应予以重视，施工企业应在管理和控制做得很好，共同维护建筑设计的效果。首先，在结构设计的过程中，应注意到主要结构的详细设计和连接的钢筋结构，这将直接影响的结构设计的影响。在设计过程中，标准原则必须遵循，例如在抗震设计，预制构件的承载能力，必须进行检查，以确保组件满足设计要求。其次，优化梁柱节点的设计，以避免对项目的整体质量的影响。在设计过程中，管理必须加强，以确保设计内容和技术方法符合规范的要求。梁节点设计一般为H形与工字型。第三，注重主体，墙板，地板连接设计问题，预制墙板的应用装配式钢结构大多是轻，如蒸压加气混凝土板。主框架和预制墙板通过螺栓连接到充分发挥组装钢结构的设计效果。第四，预制件的承载能力，变形和裂纹应在建筑物耐久性结构的设计来计算。第五，在建筑设计辅助部分中，应首先考虑加固板和加固RIB的设计。如果梁和柱的连接不满足设计强度要求，则应首先考虑加劲肋和加劲肋的设计，则需要针对柱腹板节点部位实施加厚处理。例如H型截面钢柱，需要在节点域位置加焊贴板材，且贴板上边缘与下边缘应当渗出加劲肋15cm左右，且应用角焊缝连接贴板，加焊柱翼缘贴板与贴板之间的连接。

6.3 机电设备设计

机电设备设计也是组装钢结构的重要环节，设计单位必须做好设计管理。一是给排水管道的预嵌入式设计。设计内容体现在预制墙体设计，大部分建筑为厨房和卫浴空间的要求都比较严格，所以在结构设计必须满足标准规范。管线的预埋设计采用预埋管线槽和预埋管线的方式。其次，优化气体预先嵌入和电气管线嵌入前，利用机械和电气设备的优化，加强工程设计的整体质量的设计。

6.4 管线深化设计

在管道设计时，应先布置大直径的管道，再布置小直径的管道。在重力管道安装时，应考虑管道的压力。热水管道应在冷水管道之前设计好。电缆桥架和流体管道的设计应独立进行设计。最大限度地减少管道和消除冗余的管道[7]。

7 结束语

随着计算机技术在建筑中的应用，设计和标准化管理的信息化，预制组件的生产效率不断提高，和组件的成本逐渐下降。随着工厂的数字化管理，装配式钢结构建筑的装饰在不久的将来可以用主体来建造。

在其发展过程中，不可避免地会存在一些问题，例如设计中缺少制约性的规范，设计中所采取的方法与技术相对落后，以及钢结构零件的发展相对滞后等。因此，为了进一步地深化我国装配式钢结构建筑产品行业的发展与创新，必须大力地推动其建造与设计模式的改革与创新，在不断地吸收国内外先进设计理念的同时，通过标准化设计、信息化管理、智能化运用等各个环节，不断促进我国建筑产品行业的优化与转型升级。