装配式钢结构高层住宅设计实践与思考

刘 华， 卢清刚， 苗启松， 李 源， 呼延辰昭

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

0 前言

19世纪40年代完成工业革命的西方国家已盛行钢结构建筑，美国在1931年就建成了381m高的钢结构建筑——纽约帝国大厦[1]。但是纵观我国的发展历程，由于中华人民共和国成立初期，钢材在很长一段时间内都属于“战略物资”，建筑用钢更是限制使用。然而，随着我国钢材年产量从1950年的61万t增长到2020年的10亿t[2]，建筑行业逐渐从产能不足、限制用钢向产能过剩、鼓励用钢的方向发展。在此背景下，建筑用钢逐渐从大型基础设施工程向普通民用建筑渗透，钢结构住宅建筑应运而生。在此基础上，由于环境、人力、产业结构等多方面因素的影响，国家政策也在积极地推动建筑产业转型升级，钢结构以其天然的装配优势，成为了推动装配式建筑发展的主力军之一。同时，鉴于我国的人居特点多以高层楼房为主，本文将以装配式钢结构高层住宅为研究对象，其他采用冷弯薄壁、密柱轻钢的别墅或多层建筑不在此赘述。

1 装配式钢结构住宅的特点

1.1 装配式与钢结构

钢结构本身就具有构件工厂生产，并在工地组装成型的特点，从广义上来说，主体结构采用钢结构的建筑均属于装配式建筑。计算装配率时，钢结构建筑在主体结构部分可以轻易得到满分[3]，这正是钢结构装配优势的直观体现。

然而，随着装配式概念的不断延伸和发展，逐渐出现了装配式钢结构这一新的定义。在原钢结构建筑工厂化生产的基础上，又增加了标准化设计、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用的特征，形成了一种区别与普通钢结构建筑的狭义上的装配式钢结构建筑。对于现阶段的装配式钢结构住宅来说，标准化设计、栓接装配化施工、一体化装修此三项为区别于普通钢结构建筑的主要特征。其中标准化设计应以建筑户型少模块多组合，结构构件少种类多重复，水暖电少定制多兼容为原则，才能推进各系统接口标准化，进而减少现场湿作业、焊接作业等，实现装配化施工和一体化装修。

根据项目参与方基本特征也可对传统钢结构与装配式钢结构进行区分，如表1所示。这两种钢结构最本质的区别在于传统钢结构项目各方利益是分散的，各自追求自己的效益；装配式钢结构项目各方则应以提供一个完整产品为目标，形成利益共同体，从而使项目整体的效益最大化。

表1 传统钢结构与装配式钢结构各方特征对比

1.2 装配式钢结构与住宅户型

当前我国高层住宅绝大部分采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，这种结构体系以其超强的适应能力几乎可以兼容所有的建筑户型，而在人们追求更高品质住宅户型和资本利益最大化的双重夹击下，剪力墙住宅结构的合理性、可靠性也几乎到达了极限。若在此基础上，以剪力墙结构的住宅户型去硬套装配式钢结构体系，结果往往是不尽如人意的。比如剪力墙结构体系原本平整的墙面和顶棚，改为钢结构后出现了露柱露梁，影响了室内空间。此外，里出外进的户型也严重影响了钢结构体系的效率，导致成本激增。此类案例屡见不鲜，让人们对装配式钢结构住宅留下了不好的印象，对装配式钢结构住宅的推广造成了不良影响。

由此可见，建筑住宅户型对装配式钢结构有着举足轻重的作用，一套合理、适用的户型不仅可以将装配式钢结构的弱点合理规避，同时将钢结构的优势更好地发挥。图1为笔者认为比较合理的建筑户型示例，从结构角度来看该户型具有如下特征：1)平面规则、对称，凹凸较少；2)户型方正，房间整跨布置，跨内直线分割房间；3)柱位基本对齐，跨度合理。

图1 建筑户型示例

此类户型为典型装配式钢结构住宅，整个建筑仅由两种户型模块和一种交通模块组合而成。柱位对齐、平面规则对结构效率有利，户型方正、房间整跨布置、跨内直线分割房间可以最大限度地避免室内露柱露梁。跨度为6～7m，框架梁高度控制在400～500mm，次梁高度考虑组合梁可控制在300～400mm，满足室内净高。综上，笔者认为建筑户型是决定装配式钢结构住宅好坏的首要因素，在装配式钢结构住宅的设计流程(图2)中应放在首位。

图2 装配式钢结构住宅的设计流程

1.3 建筑需求与结构体系

装配式钢结构住宅建筑的好坏除了与户型紧密相关外，结构体系的选择也起着重要作用。从结构的角度来看钢结构住宅，除了安全性这一最根本的要求之外，笔者认为经济性、建筑品质和装配程度为钢结构住宅的三大主要需求(图3)。

图3 三大需求

钢结构住宅发展初期，钢材紧缺，钢材价格较高，经济性是发展钢结构住宅的首要关注点。如何保证经济性？笔者认为结构受力合理、高效，自然能实现经济性。因此，出现了钢框架、钢框架-混凝土剪力墙、钢框架-中心支撑等第一代钢结构住宅结构体系，以结构的合理布置，高效受力，实现用钢量的经济性。

随着人们对建筑品质越来越高的要求，第一代钢结构住宅体系暴露出越来越多的缺点，如室内露柱，抗侧力构件影响建筑功能等。如何保证建筑品质？笔者认为建筑功能合理、灵活，自然能实现建筑的高品质。因此，为了平衡经济性和建筑品质，出现了钢框架-偏心支撑、异形柱框架-支撑、钢管束剪力墙等第二代钢结构住宅体系，通过多个小柱截面联肢(图4(a))，或大高宽比隐式框架柱(图4(b))减小柱截面，避免室内露柱，以及通过不用整跨布置的偏心支撑来达到抗侧力构件适应建筑户型的要求。

图4 减小露柱的方法

如今，装配式成为了建筑行业的发展趋势，装配式钢结构住宅的需求也与日俱增。第一代和第二代钢结构住宅目前还可以定义为广义上的装配式建筑，然而未来如何实现狭义上真正的装配式钢结构住宅呢？笔者认为在兼顾经济性和建筑品质的基础上，施工安装合理、绿色，就可以实现真正的装配式钢结构住宅。未来的发展方向为第三代结构体系，即全栓接隐式框架[4](图5(a))-干式连接延性墙板体系(图5(b))，通过高效抗侧并可以灵活布置的延性墙板和不露柱的隐式框架保证钢结构住宅安全性、经济性和建筑品质，通过全栓接和干式连接保证装配程度，减少施工现场的湿作业和焊接工作。

图5 结构体系发展方向

2 设计要点与实践

2.1 抗侧力构件与围护系统

对于高层钢结构住宅，抗侧力构件一般为支撑或延性墙板，其布置的方式和方位直接影响着整个结构的抗侧刚度和效率。从结构本身来说，抗侧力构件平面上应对称布置，使结构沿两个主轴方向的刚度相近。抗侧构件宜上下对齐，也可间隔布置，不过间隔布置抗侧力构件时计算、构造均比较复杂，国内应用较少。钢结构住宅设计时应综合考虑建筑布局，将支撑设置在分户墙或者次要的功能空间中。除了以上比较基本的要求外，在设计装配式高层钢结构住宅时，支撑的布置还应注意考虑围护系统的要求。

装配式高层钢结构住宅的围护体系多为墙板体系，较少的高端住宅会采用幕墙体系。墙板体系中蒸压加气混凝土墙板(AAC)与钢结构的适配程度较好，其轻质、保温、防火的特性较为突出，但墙板体系围护系统适应结构变形的能力相对较弱。因此，对于装配式高层钢结构住宅，布置抗侧力构件时，不应只考虑结构本身按照风荷载下层间位移角1/400进行设计，宜布置足够的抗侧力构件，使层间位移角至少达到1/550[5]，这一方面是为了兼容墙板体系围护系统的变形能力，另一方面对于提高住宅建筑的舒适度也有一定效果。

此外，目前装配式围护系统外墙部分对于支撑构件的处理还存在很多缺陷和隐患，很难同时满足围护、防水、隔声、保温和容纳支撑构件的要求(图6)。因此为了保证外围护系统的闭合性和可操作性，抗侧力构件在满足合理、安全的前提下，宜尽量布置在建筑内部。

图6 围护系统与支撑布置

2.2 矩形钢管混凝土柱

对于装配式高层钢结构住宅，纯钢管柱很难满足轴压比的要求，因此大多采用矩形钢管混凝土柱。此类组合截面在公共建筑和桥梁工程中应用广泛，利用钢管的套箍作用，使内部混凝土处于三向受压状态，提高了柱截面整体的受力性能。此外，内灌混凝土对于钢柱的防火性能也有极大的提升。

然而，当矩形钢管混凝土柱应用在装配式钢结构住宅中，却遇到了问题。由于住宅建筑柱截面普遍较小，一般钢柱最小截面边长为300mm，为了避免露柱，采用隐式框架时，钢柱最小截面边长更是达到了200mm。对于此类小截面的钢柱，灌注混凝土的难度较大。一般要求采用小粒径自密实无收缩混凝土进行灌注，优先采用顶升灌注，采用高抛灌注时严格控制高度、速度等工艺(图7)。

图7 钢管混凝土灌注

但是，有时即便采用了多种措施，仍然不能完全避免小管径钢柱灌注混凝土的问题，采用敲击法检测时仍有局部异常。根据《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344—2019)[6]要求，“钢管混凝土受压构件内混凝土脱粘率大于20%或脱粘空隙厚度大于3mm时，不宜考虑钢管对混凝土的约束作用”。此时，应采用超声波进行检测，确定脱粘范围，并采用钻孔检测，判断脱粘率和脱粘空隙厚度(图8)。当不能满足规范要求时，应按不考虑钢管约束作用复核柱截面的承载力。

图8 钻孔检测脱粘空隙厚度

2.3 梁柱节点

目前，由于装配精度、成本等多方面的原因，全螺栓连接的梁柱连接节点在国内应用较少，绝大部分钢结构项目仍然使用栓焊节点，即钢梁翼缘焊接连接，腹板螺栓连接。此类节点计算理论成熟、施工安装方便，应用案例丰富。

钢结构最早多用于公共建筑，梁柱连接节点多采用柱贯通内隔板式(图9)。由于公共建筑钢柱截面尺寸相对较大，并多采用焊接箱形截面，在工厂组装时可以比较方便地设置内隔板。钢柱在连接节点处保持贯通，受力性能良好。

图9 柱贯通内隔板式梁柱节点

如今，在装配式钢结构住宅的应用中反映出了一些柱贯通内隔板式梁柱节点的问题。由于住宅建筑钢柱截面尺寸普遍较小，多采用成品的冷弯高频焊接矩形钢管，一般3层一对接，因此很难设置内隔板。钢结构住宅框架柱外轮廓尺寸通常全柱上下一致，通过逐渐减小壁厚来调整柱截面，达到一定高度后通常会出现柱壁板厚度小于梁翼缘厚度的情况，此时厚板与薄板T形焊接，焊接质量和变形很难控制。因此，笔者建议装配式钢结构住宅宜采用隔板贯通式梁柱节点(图10)。

图10 隔板贯通式梁柱节点

隔板贯通式梁柱节点使柱中断，设置通长隔板，柱可直接采用成品钢管，为将薄板焊在厚板上，节点位置焊接质量和变形可控。贯通隔板与梁端悬挑段合并，可以采用较大板厚，直接满足“强节点”抗震要求，无须再设置盖板加强或削弱梁翼缘的骨式连接。此外，贯通隔板突出柱边的部分，还可以作为组合楼板在柱边的支撑点，可以省去组合楼板柱边角钢的构造。然而，由于柱不贯通，对于底层柱存在拉力的情况，应严格控制柱拼接处的焊接质量。当隔板厚度超过40mm时，应采用抗层状撕裂的Z向性能钢。

2.4 钢梁下翼缘稳定

对于钢结构框架梁，当梁端翼缘受压时，可能会发生畸变屈曲。对于上翼缘有楼板约束的钢梁，则会在下翼缘发生约束畸变屈曲(图11)。对于工业建筑或公共建筑，可采用下翼缘设置隅撑的方式来提供侧向支撑，避免畸变屈曲的发生。然而，对于钢结构住宅，隅撑的设置会侵占室内空间，严重影响建筑品质(图12)。

图11 约束畸变屈曲

图12 隅撑的影响

根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[7](简称钢结构标准)的算法和要求可知，截面正则化长细比λn.b小于等于0.45时，可不计算框架梁下翼缘的稳定性。截面的正则化长细比主要与截面尺寸及框架梁侧向无支撑长度Lc有关(图13)。以钢结结构住宅中框架梁常用截面HN400×200×8×13为例，同时以H400×150×8×13和H500×200×8×13截面作为对照，分析翼缘宽度、腹板高度及无支撑长度对下翼缘稳定性的影响，正则化长细比-侧向无支撑长度曲线如图14所示。

图13 框架梁侧向无支撑长度示意

图14 正则化长细比-侧向无支撑长度曲线

由图14可知，对于一般钢结构住宅，钢梁无支撑长度较小时，翼缘越窄、腹板越高，正则化长细比越大，说明下翼缘稳定性越差。以HN400×200×8×13截面的框架梁为例，当侧向无支撑长度小于3m或大于6.3m时，可以不验算下翼缘稳定性，这一点对于钢结构住宅设置次梁后很容易达成。当正则化长细比大于0.45时，需按照钢结构标准验算下翼缘稳定性。

(1)

(2)

R1≤φd

(3)

式中：Mx为绕强轴作用的最大弯矩设计值；φd为根据正则化长细比计算的稳定系数；W1x为弯矩作用平面内对受压最大纤维的毛截面模量；f为钢材的抗压强度设计值；R1为截面的抗弯强度应力比。

根据正则化长细比与抗弯应力比的关系，可绘制图15所示曲线。由图15可知，对于典型截面HN400×200×8×13，当正则化长细比大于0.45，验算稳定性时，只要控制梁端的抗弯应力比小于0.8，则可满足下翼缘稳定性要求，无须采取任何措施。

图15 抗弯应力比-正则化长细比曲线

当特殊情况下正则化长细比大于0.45，且稳定性验算无法满足时，可采用在梁端侧向未受约束的受压翼缘区段内设置间距不大于2倍梁高并与梁等宽的横向加劲肋的做法来替代隅撑[7]，避免影响住宅室内空间。

3 结语与展望

钢结构的发展已逾百年，钢结构住宅的发展却还没有多长的历史，很多棘手的问题还待解决。而装配式高层钢结构住宅目前的发展还属于研究阶段，很多技术、构造、措施还在不断的探索中。但有一点是可以肯定的，装配式高层钢结构住宅是一个系统工程，需要建筑、结构、机电、设备、材料、加工、安装等多专业多学科的密切配合才能完成。这是一个各专业学科不断突破、创新，并不断相互碰撞、妥协的过程。

在人力成本激增、环保压力加剧的大背景下，建筑产业的装配化要求在不断提高，广义上的装配式钢结构空间不断被压缩，亟需研发新型装配化程度更高的钢结构体系。未来随着加工和安装精度的提高，采用全栓接内法兰连接的铰接框架+消能减震抗侧力装置的结构体系会有较大的发展前景，真正意义上实现工厂生产、现场组装的装配式高层钢结构住宅。