装配式钢结构高层住宅设计与施工

施 亮

上海建工汇福置业有限公司 上海 201318

1 工程概况

上海市某高层住宅项目，共16幢14层高层，其中1幢为装配式钢结构试点项目。该单体建筑高度43.6 m，层高3 m，建筑面积近6 000 m2（地上约5 500 m2，地下约500 m2）。出于小区整体规划及外立面统一性的考虑，该号房除了结构体系与其他单体不同外，建筑平面及立面造型力求与小区其余高层一致。

该小区住宅外立面层间采用贯通的水平线条，外挑阳台、飘窗，除了转角带有圆弧以外，沿水平向也设计了与外墙面水平线条拉通的线条，窗间墙之间的竖向线条与水平线条形成鲜明对比，使整个建筑立面显得十分华丽、气派、雅致，体现出海派风格。

2 工程重要特点和难点

1）缺乏设计经验。目前，我国装配式钢结构高层住宅建设开发还处在起步阶段，已建成的项目数量很少。在发达国家，钢结构住宅比较普及，但仅限于低层住宅。所以一方面缺乏设计经验，另一方面可供借鉴的案例少。

2）受限于现有设计条件。建筑设计定型前，没考虑钢结构设计因素。为最大限度保持与小区其他高层住宅建筑风格统一，要求钢结构尽可能按报规条件设计。同时需重点解决钢结构住宅建筑防水、防火、保温隔声、防开裂等方面的问题。

3）外墙立面线条多，细部节点复杂多样。与小区其他预制装配式混凝土结构住宅相比，难度不仅表现为装饰线条多，几何形状复杂，相互拼接精度要求高，且要根据钢结构自身特点，对结构受力、预制构件制作和吊装、建筑装饰效果等方面做全方位分析，从中选取较为理想的技术方案。

4）兼顾室内精装修，合理布置钢结构。钢结构住宅通常为钢架体系，套内空间出现钢梁、柱情况难以避免，机电管线布置难度大，钢材与其他材料接触面易开裂。

5）无外脚手架施工要求高。在无外脚手架的条件下完成外墙，特别是阳台、飘窗施工，难度较大，施工安全措施要求更高。

3 装配式钢结构高层住宅设计

3.1 钢结构布置与分析

本项目对钢结构布置不利的因素有：平面凹进凸出；外立面线条较多，南北卧室为飘窗，还有外挑阳台，结构受力复杂；多轴线错位，增加了钢结构柱网布置的难度[1]。

通过反复研究，确定主体结构采用框架梁-中心支撑结构体系。针对南北卧室飘窗、外挑阳台自重较大及中心外挑等问题，选用箱型梁作为对应支承边梁，以提高钢梁抗扭稳定性能。通过宽扁柱和小截面柱的合理布置，解决了轴线错位问题，并适度减少了室内凸柱数量。最大宽扁柱截面尺寸为450 mm×180 mm，最小为180 mm×180 mm。电梯井四角钢柱尺寸为180 mm×180 mm和350 mm×180 mm，钢柱布置时，充分考虑电梯井道的净空尺寸。

3.2 外墙板形式的选择

通过对各种材料性能、优缺点进行分析比较，确定采用预制夹心保温外挂板技术。其优点是围护结构荷载传递路径简洁清晰，能与钢结构标准化连接，全程干作业施工，便利快捷。同时满足了防水、防火、保温等要求，其基本构造为厚60 mm配筋混凝土＋厚40 mm保温层＋厚60 mm配筋混凝土（图1）。

图1 外墙板示意

3.3 内墙形式的选择

室内分户墙选用了一种轻钢龙骨灌浆墙，即轻钢龙骨＋双面纤维水泥板，中间现浇密度为400 kg/m3的轻质高强无收缩灌浆料。该墙体的优点是自重轻、易安装，具有隔声防火等效果（图2）。

图2 轻钢龙骨灌浆墙构造

3.4 楼板选择

楼板采用预制混凝土叠合板，即60 mm厚预制＋70 mm厚现浇，楼板与钢梁通过梁顶栓钉固定，连成整体，共同受力（图3）。

图3 叠合楼板与钢梁连接节点

3.5 外墙装饰线条的技术处理

外立面装饰线条包括外挂墙板的水平线条和竖向线条，阳台外侧线条作为水平线条的延伸。水平线条的截面呈上宽下窄，层层内收。竖向线条恰好处在相邻飘窗之间，呈凹凸形状（图4）。

图4 外立面装饰线条SU模型示意

1）外挂预制墙板水平装饰线条。从图4看出，水平线条位于上下层飘窗之间，考虑到小业主擦窗时会踩踏在装饰线条上，故确定把线条作为外挂墙板一部分，整体加工制作。转角圆弧飘窗由于质量太大，加工构件采用轻质混凝土。

2）阳台外侧线条。因阳台采用箱形钢梁、整体预制阳台的结构受力体系，难以将装饰线条与阳台合成一体。加工制作时只能分2次施工。线条采用轻钢龙骨外挂GRC装饰材料，降低了现场施工的难度，提高了结构连接的安全性，保证了建筑立面效果（图5）。

图5 阳台墙身示意

3）飘窗间的竖向线条。竖向线体依附于2块预制外墙板上，如想与预制板一起加工，须把线条分成2块，分别依附在2块预制板上，这样在立面上不但多出一条竖向缝，而且增加了预制构件制作、安装的难度。而将它们分开制作安装，则简化了构件节点计算模型，确保了竖向线条的安装难度。线条基本构造是：轻钢龙骨外挂GRC材料。

3.6 关键部位节点处理

1）外挂墙板与钢框架交接处的封堵处理。外挂墙板与钢框架之间设有40 mm间隙，空隙在层间、户间、套内各房间之间均需做防火设计，防火设计需满足住宅建筑空间特点和各房间使用要求，并减少后期维护。上述部位防火构造采用A级防火材料封堵（防火材料选用玻璃棉卷毡和无机灌浆料）；层间封堵保证建筑主体结构（钢框架与楼面结构板）与外挂墙板自由变形，以符合结构计算模型要求，但需保持房间地面层与外挂墙板贴合以使房间空间完整，满足建筑使用要求。墙柱封堵结合室内装修统一考虑防火材料表层覆盖构造（图6）。

图6 外挂板与钢柱的封堵处理

2）卫生间楼地面防水处理。主体结构与外挂墙板相接处防水构造主要是通过合理设置现浇混凝土挡墙，使地面防水层与墙面防水层衔接紧密，避免防水层基层变形开裂导致防水层拉裂失效（图7）。

图7 卫生间外墙节点大样

4 主体结构吊装

本项目所有钢结构、外墙板、楼梯板和大部分楼板均为工厂预制成形，现场通过吊机进行安装作业，安装工序严格按照“钢结构先行、楼（梯）板紧跟”的原则进行。为减少吊装构件数量，钢柱以2层为1节进行制作，对布设有支撑的钢柱，将2层钢柱、2层钢梁和1层支撑制作成片状桁架进行整体吊装。

内、外墙板均在主体结构封顶后安装，外墙板采用吊机自下而上逐层依序安装，内墙板按类型分区域安装。

为方便外墙板与梁之间连接，采用了下承上拉式连接节点构造（图8）。预制外挂板通过点支承式连接节点外挂于相应钢结构边梁。单块板上部2个为面外约束，下部2个为承重铰支座，其中1个可水平滑动（图9）。

图8 外墙板与钢梁连接节点构造

图9 平移式外挂墙板支座示意

阳台安装受限于无外脚手架施工，阳台梁（钢梁）与预制阳台在预制夹心保温外挂墙板吊装完成后，从低楼层向高楼层顺次安装。

5 室内精装修施工

相较于毛坯房交付，精装修商品房交付有着更精细的要求。原本结构设计时允许出现的不影响结构安全性的小裂缝，在精装交付时是不允许出现的。因此精装修施工过程中需要解决更多的细节问题。

5.1 墙体有拼缝，套内墙面需特殊处理

1）由于结构形式的客观原因，外立面上预制板的拼缝不可避免。墙体外侧拼缝，上文已经介绍过，而在套内的外挂板拼缝，无法纯用乳胶漆遮盖，因为温度产生的热胀冷缩会使墙面有开裂隐患。考虑到施工成本，且此房间并非主卧，这面墙不设背景墙，最终在此位置加了一个与衣柜等厚度的假柱，待小业主入住放置衣柜后，此处能与衣柜形成整体（图10）。

图10 套内外挂板拼缝位置以及处理

2）防火涂料喷涂厚度不均。设计施工图上防火涂料厚度为30 mm，涂料完成面与二结构墙体齐平（图11）。实际大面施工下来，最终喷涂完成面精度较差，不同的钢柱防火涂料厚度不同，同一个柱子上部和根部的防火涂料厚度也不同，相邻的砌块墙面需要粉更厚的砂浆来借平整个墙面。这次试点为今后的施工提供了宝贵经验，将来或可采用涂抹式的防火涂料，提高钢柱最终完成面的精度，从而为后续施工提供良好的基层条件。

图11 防火涂料完成面与二结构墙体齐平

3）钢柱与其他墙体的接缝处理。钢结构住宅与钢筋混凝土住宅最大的区别在于主体结构与二结构墙体材料刚度的差异性。现浇混凝土与砌块在面层粉上水泥砂浆后，墙面基本不会开裂，钢结构则不然。本项目中钢柱与相邻墙体平接有2种情况。一是钢柱与砌块墙平接，二是钢柱与灌浆墙平接。最理想的处理方法是在2种材料交界处外附石膏板或者用木饰面装饰。但是该方法成本过高，且同样户型与别的楼栋装修标准不一致，最终解决方法为接缝处贴钢丝网片，再用水泥砂浆抹平。

5.2 外挂板连接件影响吊顶高度、宽度

钢结构住宅除了墙面连接上的问题，使用空间上与钢筋混凝土住宅也有略有不同。

由于外挂板与钢梁是侧向连接，图12中的上节点支座在套内空间明露。因此室内精装修吊顶设计时需要降低客厅、卧室等周围一圈低顶的高度，同时加大这圈低顶的宽度，以遮盖此支座。而在小空间如厨房、卫生间等区域，则整体降低吊顶高度。这样与同层高的钢筋混凝土装修房相比，就体现不出它的优势。

图12 上节点支座在套内空间明露

5.3 楼梯间裸露钢梁钢柱需装饰处理

楼梯间墙面除了正常粉刷外，裸露钢梁、钢柱需要额外封板处理，避免产生视觉上的突兀感（图13）。现场用TK板包覆，外刷白色涂料。

图13 楼梯间裸露钢梁钢柱封板前与封板后

5.4 装配式钢结构对机电安装的影响

由于钢梁钢柱的特殊性，只能在前期设计阶段事先在钢梁上预留穿线洞口位置。另外，项目是精装修交付，相对于毛坯房交付增加了许多机电设备，如中央空调、燃气排烟、浴室排气以及冷热水管等。因此对前期设计的周密性、整体性提出了很高的要求。尤其外墙留洞，钢梁和外挂板需同步预留，一旦两者发生错位，只能在外墙板上重新打洞，这对于无脚手架体系来说，无法在外侧高空作业，只能从内部穿过钢梁上的洞口进行作业，施工非常不便。

在套内，精装修布置点位时需要结合钢结构图纸和PC深化图，插座开关需避开钢柱位置和现浇预制的交界处。若遇到插座无法避免钢柱位置时，则需对钢柱进行外包处理。

6 结语

装配式钢结构住宅在土建施工时，有显著优势：钢结构构件、混凝土构件适合工厂化、标准化生产，且钢构件自动化组装焊接大部分可在工厂完成，减少了现场工作量；设计、生产一体化，制作工厂化，吊装机械化，减少了现场湿作业量，施工周期明显缩短。

装配式钢结构带精装交付的高层住宅在国内尚在探索阶段。笔者认为未来需要优化改进的部分在精装修阶段。首先，在设计初期就必须考虑精装修的设计内容，装修标准和定位都应事先明确，否则一旦后期调整，会大大增加现场作业量，既增加人力成本，又延长工期，削弱了预制装配式的优势。其次，提高土建施工的精度和毛坯房的质量，避免在精装阶段因墙地面平整度不好、开裂以及管线排布不合理的原因，从而产生二次成本。

本项目由于小区整体立面与房型考虑在先，确定该项目采用钢结构在后，所以未能充分发掘钢结构大空间的优势。希望今后有机会能研发一些基于钢结构特性的户型。在装修风格上也可以尝试表现出钢结构固有特色，发掘应用适合于钢结构的新型装修材料。预制装配式钢结构住宅是一种值得推广的产品，只有多元化的住宅产品才能让房地产市场更有活力。