多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析

杨康

【摘要】建筑工程项目是一个复杂的系统，建筑结构设计是保证建筑安全的重要手段，建筑结构的形式是为了满足建筑功能要求，为创造建筑的美而服务，而模块化建筑是当前新兴建筑结构模式，多层钢结构模块和钢框架结构设计得到广泛运用，在此过程中，需要进一步加强此类建筑结构设计优化，保障建筑整体结构安全，防止一些不必要问题出现。

【关键词】多层建筑钢结构;设计;实例分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.035

1、钢结构建筑特点分析

钢结构建筑抗震性强，相对于普通砌体或者混凝土来说， 钢结构强度要高出十几倍;在承受同样荷载条件下，钢结构所需要的构件面积更小。钢结构设计的现代住宅以钢柱为骨架，使用轻质墙板，使得钢结构建筑总重仅为普通混凝土建筑的70%左右，同时还具备很好的延展性，使得钢结构建筑的抗震性能大幅提升，有效延长建筑物使用寿命。钢结构整体施工周期短，全部构件均由厂家统一制造，只需在施工前将构件及时运输到位即可，产品质量高、安全性好、施工速度快，而且在施工中受外界环境影响较小，对于工程造价有着一定的降低作用。

2、多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计实例分析

2.1办公楼工程简介

某工程项目主要为办公楼建筑，总建筑面积约2536㎡。该建筑分为3层，部分为4层，建筑总高16.4m，无地下空间，设计为多层钢结构模块和钢框架复合型结构。

2.1.1结构体系选择

实际设计前，需要科学合理选择结构体系，以期满足实际设计要求，防止出现意外问题，最终保证后期施工的顺利开展。因此，要综合考虑钢结构模块尺寸，除了工厂流水线制作方便以外，还需要考虑运输到现场后吊装以及安装工作的畅通，所以钢结构模块宽度以3m左右为宜，高度不超过4.2m。除了对钢结构模块尺寸有着较为严格的要求以外，对建筑物功能也有着较高的要求。该项目设有模块展示区，无法采用纯模块体系。因此，在首层及2、3层采用传统钢框架结构，其余部分采取钢结构模块单元。

2.1.2模块单元划分

除了传统钢框架以外，将其余部分划分为51个建筑模块单元，长约8m，宽约3m，高约3.7m。

2.1.3模块单元类型

该项目模块单元在设计时，不但要进行系统划分，更需要相关技术人员深入了解模块单元类型，将所有钢结构模块单元进行详细分类，分为普通型、中柱型、支撑型、角部加强型等模块单元。普通模块单元用于开放办公区域，中柱模块单元位于横向模块旁，主要作用是上下贯通，支撑模块单元用于支撑楼梯及建筑物周边，角部加强模块用于模块建筑角部，防止角部单元出现薄弱点。

2.1.4首层钢框架结构

首层钢框架结构部分的设计由矩形钢管柱和H型钢梁共同组成，在实际施工时，需要用隔板将柱子打断后重新混合焊接，确保钢框架结构整体受力性能良好，能够满足模块按照需求。

2.1.5构件设计

构件性能对于最终设计效果有着直接影响，因此，需要对构件进行科学设计，以满足实际施工方案需求，确保后续施工能够顺利开展。本项目使用Q345B钢，模块次梁间距控制在2m以内，在模块单元设计时，要保证梁截面大于柱截面，也就是俗称的强梁弱柱体系，此时，相关构件设计一定要满足荷载需求。

2.1.6节点设计

节点又可以分为模块单元之间节点和钢框架与模块单元之间节点。模块单元之间的节点往往采取插销连接模式，保障模块连接点强度，促使该结构形式科学、合理、安全、可靠，方便下一步施工。钢框架与模块之间的连接节点通常采用隔板贯通和模块节点相结合的形式，确保腹板局部稳定性。

2.2公寓楼工程概况

某公寓楼建筑面积共计1865.9㎡，设计层数为6层，总高为16.5m，层高2.8m，均为标准层，设有地下停车场，停车场高3.6m，整体结构属多层，使用钢结构模块和钢框架复合结构模式。

2.2.1结构体系设计

该公寓楼结构体系设计大致分为2方面，由于地下停车场空间较大，其层高有3.6m，且独栋公寓楼六层建筑布局一致，因此，最终确定楼层选用钢结构模块与高科技结构复合体系，地下停车场采取传统钢框架结构，在该公寓楼设计时，重点考虑结构模块尺寸以及黑科技结构设计。

2.2.2钢结构模块尺寸

按照国家相关道路运输大型建材规定以及公寓楼具体施工需求，对建筑模块高度和长度都进行相关限制，模块单位宽度控制在2～3m区间，高度控制在3～4m区间。

2.2.3钢框架设计

钢框架分为地上地下两部分，在钢框架设计时也需要做出相应选择。在设计地下车库时，采取钢框架与H型钢梁组成的复合型钢框架结构，而在地面建筑设计时，只需要在首层采取矩形钢管柱与H型钢梁，其他均为钢结构模块单元。通过设计模型得知，该施工方案整体受力性能较好，符合该公寓施工条件，该工程施工难度不大，符合模块建筑施工需求。

2.2.4構件设计

地下车库采用Q345B钢，地面建筑采用Q235B钢。按照公寓楼具体需求，在组合模块过程中，模块次梁间距不大于1m;在模块单元设计时，为确保建筑物抗震能力，选用强柱弱梁体系，模块单元梁截面为80*50*5，柱截面为100*60*10，经过设计模型结果可知，该设计满足项目需求。

2.2.5节点设计

节点设计重点考虑地下车库和地面建筑之间的节点以及地面建筑之间的节点。主要包含钢框架之间的节点、钢框架和模块单元之间的节点、模块单元之间的节点。首先是钢框架之间的节点采用特制铆钉与螺栓拉杆连接组合模式，以保障地下车库和地面首层钢框架之间连接节点刚度和强度，提升抗震防灾能力。该结构形式设计合理，但施工难度较大，通过组合来连接节点，确保连接节点强度与刚度符合刚性节点需求。其次是钢框架和模块单元之间连接节点，在首层钢框架和地下车库的钢框架之间需要采用高强度和高刚度的节点，在首层钢框架的顶部放置模块单元，连接节点采用插销连接，对于节点连接部分先行固定，然后在梁截面与模板连接处采用十字肋板焊接相连，对节点进行加强。钢框架与模板单元之间的连接节点能够有效提升公寓稳定性，避免建筑物出现具备节点连接不当问题。三是模块单元之间连接节点。模块单元之间连接比较简单，并且不同模块因大小不一而采用不同的连接方式。常见的节点连接为专用节点模式，通常有插销连接及螺栓连接等形式，以保障模块角部连接节点强度和刚度。专用节点连接形式简单、高效、稳定性好、便于施工，普遍用于模块单元结构连接，适用该公寓项目地面六层建筑之间的模块连接。

3、多层钢结构模块及钢框架复合建筑结构和传统钢框架结构之间的对比

传统钢框架结构属于简单梁柱连接体系，只是通过简单连接手段把钢框架用节点连接起来，由于个体体量较大，使得刚度与强度都有所欠缺，稳定性不足，施工难度较高。采取多层钢结构模块与钢框架复合结构后，其形成一个有机整体，形式简单、刚度与强度均得到提升，稳定性好，施工难度较低，适合多种施工条件。

结语：

现代建筑设计施工过程中，多层钢结构与钢框架复合建筑权重越来越大，该类建筑具有成本低、施工操作简单、整体质量较高等优势，而且污染较小，符合当前生态建设发展理念需求。我们应当充分发挥其优势特点，为建设和谐社会奠定基础。