装配式钢结构住宅标准化设计与应用*

苏 磊，曹计栓，冯仕章

(1.北京建谊投资发展(集团)有限公司，北京 100068；2.住房和城乡建设部科技与产业化发展中心，北京 100044)

0 引言

“十三五”期间，国家相关部委陆续出台了20多项发展装配式建筑的相关政策，其中重点提到了大力发展装配式钢结构建筑，发展装配式钢结构建筑是建筑业推进“供给侧改革”的重要举措，是“藏钢于民”、完善战略储备、拉动经济发展的重要抓手，是推进建筑业转型升级发展的有效路径。钢结构建筑具有安全、高效、绿色、可重复利用的特点，是当前装配式建筑“三足鼎立”发展的重要支撑。目前,我国各地积极参与装配式钢结构住宅体系的研究和实践,并取得相关建设经验和科技成果,但在建设实践中也发现大量制约钢结构住宅发展的问题，主要为钢结构住宅建筑产品户型尺寸模数与结构、部品构件模数不协调，标准化、系列化的推进不够，设计集成化程度低。本文通过探索装配式钢结构住宅的设计思路及流程，在模数化的基础上实现了标准化，通过组合标准部品部件实现多样化，总结得到标准化装配式钢结构住宅体系，并在北京市首钢二通厂南区(1615-681地块)棚改定向安置房项目进行实践应用。

1 设计思路

1.1 指导思想

钢结构住宅标准化设计的关键是要实现参数化、模数化与数据流转，设计的中心思想是实现标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用，各系统间要满足模数协调、专业设计协同、标准化接口的要求。

1.2 设计流程

装配式钢结构住宅标准化设计基本流程为：功能模块居住空间设计(起居室、卧室、厨卫等)→在假定柱网中组合居住单元→形成柱网模块→形成结构构件标准化数据库→项目实践(模块化组合+非标准设计)，具体要点如下。

1)功能模块居住空间设计首先要考虑部品部件及墙板模数协调，其次与假定柱网居住单元组合之间进行初级组合、交互调整。

2)假定柱网居住单元组合与形成的柱网模块间进行结构初算、交互调整。

3) 确定柱网下的柱网模块，为各种模块组合输入提供依据，结构组合计算形成结构构件标准化数据库，最后进行多种数据组合、大量计算、包络分析等。

2 标准化设计

2.1 建筑产品标准化设计

装配式钢结构住宅建筑产品的设计核心是户型的标准化与模数化，户型设计的模数化主要包括基本开间和进深的尺寸设计、各功能空间尺寸划分两方面。在此基础上，依据住宅内不同功能空间建立不同的标准化独立模块，以实现钢结构住宅建筑设计的标准化与模数化；从标准化的小模块入手，通过合理组合匹配出多样化住宅，解决钢结构住宅标准化与住宅市场需求多样化的矛盾。通过模块化、标准化、多样化的设计手法，可打造出安全、环保、舒适的装配式钢结构建筑产品，按产品的不同系列可分为多高层产品和低层产品。

模数协调是钢结构住宅部品部件标准化设计的基础，实现钢结构住宅产业化要以模数化构建标准化，以标准化推动工业化，最终实现住宅产业化。因此，进行钢结构住宅户型设计时，首先应注重各尺寸的模数协调，实现钢结构住宅平面设计的模数化。

2.2 结构部件标准化设计

结构部件标准化设计即实现型钢构件标准化，型钢构件标准化按受力体系考虑以下方面：①竖向作用 考虑建筑的高度、柱网大小、建筑做法、围护做法、楼板做法等；②横向作用 考虑风作用(风压、建筑外形)、地震作用(烈度、场地土类别、特征周期)。

通过研究结构体系，得出型钢构件标准化的设计产品，即H型钢框架+防屈曲钢板剪力墙产品(见图1)，竖向构件钢柱采用定制矩形钢柱，抗侧力体系采用防屈曲钢板剪力墙；水平构件钢梁采用定制窄翼缘H型钢梁，框架梁柱连接节点采用梯形全栓接装配式节点；楼板采用可拆模钢筋桁架楼承板，满足装配化施工要求的同时，降低成本。

图1 H型钢框架+防屈曲钢板剪力墙

1)标准化定制型钢

通过前期计算，匹配多种经典户型，归纳出多种定制型钢，可用于6～8度区的多高层住宅。全楼框架钢厂轧制，焊接量减少70%以上；全楼钢柱、钢梁轮廓统一；部品部件种类减小，使全楼内、外墙高度统一，墙体材料用量降低20%以上，墙体安装人工用量降低20%以上；定制窄翼缘钢梁，使钢梁隐藏在墙体内，电管顺利通过钢梁翼缘；100%工厂轧制，加工工艺简单形成统一的标准化节点。优化前、后的钢梁翼缘如图2所示。

图2 优化前、后的钢梁翼缘

2)标准化抗侧力构件

抗侧力构件设计为防屈曲钢板剪力墙，在内嵌钢板外设置刚性约束构件以抑制平面外屈曲，使内嵌钢板充分耗能。钢框架-防屈曲钢板剪力墙体系是融合钢框架、防屈曲钢板剪力墙两种结构优点的新型结构体系。防屈曲钢板与框架构成双重抗侧力体系，该新型结构耗能能力更优，初始抗侧刚度更大，且平面布置灵活、施工方便，能解决传统钢框架-混凝土剪力墙结构现场湿作业多、施工速度慢、工业化程度低等问题。其具体优势为：①结构体系刚度大、延性好、承载力高，是优秀的抗震结构，特别适合用于高烈度地区；②构件尺寸较小，结构布置灵活，可避开建筑门窗在柱间的任意位置自由布置，减小对建筑使用功能的影响；③防屈曲钢板剪力墙构造简单、安装方便，可完全实现工厂加工、现场拼装，工业化程度高。

防屈曲钢板剪力墙主要由内填钢板和外侧混凝土板组成，如图3所示。外侧盖板用于约束内嵌钢板平面外变形，采用预制钢筋混凝土板，在两侧盖板和内嵌钢板的相同位置开孔以便螺栓穿过。

图3 防屈曲钢板剪力墙

3)可拆卸的桁架楼承板标准化设计

将楼板中的钢筋在工厂制作为钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌板底模焊接为一体，形成桁架楼承板，钢筋桁架直接作为板底、板面受力钢筋。钢筋桁架楼承板计算时与普通现浇混凝土设计理论等同，而其钢筋桁架三角受力模式能提供更大的刚度，且双向刚度一致，具有更好的抗震性能。施工时，可将钢筋桁架楼承板直接铺设在钢梁上，然后进行简单的钢筋工程施工，便可浇筑混凝土，镀锌板底模起模板作用，可提高楼板施工效率，实现底模回收再利用。

4)楼梯设计

楼梯采用预制混凝土楼梯，现场免去湿作业，提高整体装配率，安装便捷，缩短施工工期。

2.3 外围护标准化设计

装配式钢结构住宅产品的标准化围护体系采用蒸压加气混凝土外墙板+保温装饰一体板替代传统砌块墙，如图4所示。保温装饰一体板由4mm背板+80mm岩棉保温+8mm面板组成，防火等级为A级。加气混凝土外墙板热工性能好、强度低；外墙板拼装单元体与主体结构间采用自复位摇摆减震连接节点连接，包含2个相互垂直的长圆孔供连接螺栓滑动，释放传递至节点的地震力，确保加气混凝土条板连接节点受力较小，在多遇地震时不被破坏。主体结构变形较大时，加气混凝土条板受节点约束较小，可随主体结构共同变形，保证其在设防地震和罕遇地震下起到减小震害的作用，且不会严重破坏。加气混凝土外墙板材拼装单元体技术可极大地提高生产效率，减少现场作业，节能、降耗、减少污染。

图4 保温装饰一体板

2.4 内装系统标准化设计

装配式钢结构住宅的室内装修由隔墙模块和各部品装修模块组成(见图5a)，卧室隔墙和厨房内墙采用100mm厚轻集料轻质混凝土板，分户墙、电梯井周围墙体、楼梯隔墙采用200mm厚蒸压轻质砂加气混凝土条板，内墙饰面(除厨卫间)均为石膏打底、面层涂料饰面，解决了进户电箱安装、管线穿插、墙面抗裂等一系列问题。通过采用集成化、模块化的部品形成标准化内装系统。

要做到部品设计前置，在方案设计阶段就应考虑到集成化部品的预制和应用。采用地面架空(见图5b)、整体厨卫(见图5c，5d)、集成机电、模块收纳等全装配式做法，现场拼装干式作业。设计选型过程中，可参照成品吊顶的厂家标准尺寸进行内装设计，参照标准化整体卫浴模块尺寸进行隔墙定位，按整体厨房的管井设计匹配机电管线、墙体预留洞口等。

图5 内装系统标准化设计

内装设计应与建筑、结构、外围护、设备与管线系统协同设计。内装与建筑的协同，主要体现在功能空间尺寸和隔墙定位；内装与结构的协同，主要体现在装配式隔墙与上、下楼板或梁柱的拉结固定与变形空间及对钢构件的隔声措施；内装与外围护的协同，主要体现在门窗洞口收口、墙体缝隙处的防火隔声处理；内装与设备管线的协同，主要体现在连接接口的通用性、管线敷设和维修改造的灵活性(如检修口的设置)。

2.5 设备与管线系统标准化设计

装配式钢结构住宅由传统思维的机电设计演变为通过新的设计理念、技术手段等总结研究出新型装配式体系设备与管线集成模块化、一体化、装配化的设计。

装配式钢结构住宅室内设备与管线应与结构主体分离，所有公共管线系统设在公共空间，选用集成化、标准化、装配化高的设备管线材料，设计时应充分考虑专用部品可满足可逆安装，选用质量好、使用时间长的部品。室内设备及管线设计与整体厨房、整体卫浴、架空地板等设计协同，使机电管线与结构主体分离，避免湿作业、提高装配率，实现管线预制化、设备标准化采购。

设备与管线模块化是将建筑项目中整个机电系统拆分，由构配件组合形成最小的、独立的、系统的设计单元，即模块。通过对模块按设计、安装等要求进行优化，实现设计、安装、厂商数据信息的集成，以保证模块可进行快速的设计选用、提资、精确化预制安装，实现标准化模块重复使用。

3 工程实践

3.1 设计实施

装配式钢结构住宅在北京市首钢二通厂南区(1615-681地块)棚改定向安置房项目进行推广应用，通过各专业相互协同进行标准化设计，其中建筑与结构、外围护间紧密协同，标准层外围护如图6所示。通过调整结构布置，外围钢梁与钢柱内侧齐平，钢柱露在外侧，尽量保证中柱偏向次要空间，增加室内空间利用率，得房率提升10%～12%。柱网横平竖直，简洁合理，减少构件数量种类，预制构件规格统一，提高标准化水平，降低用钢量，同时降低加工和安装成本，为解决钢结构建筑“窗上口受钢梁制约，窗下口受安全高度制约”的问题，外圈优化设计为“王”字形梁，有效增大外窗高度。“王”字形钢梁节点如图7所示。

图6 标准层外围护

图7 “王”字形钢梁节点

3.2 结构部件快速装配

通过优化构件拆分，施工过程采用一柱四层，每8个工作时可完成全部22根钢柱的安装。钢梁采用串吊法，一次性吊装4根梁，每8个工作时能完成60根钢梁的安装，如图8所示。防屈曲钢板墙在现场预拼装，与钢梁焊接成整体吊装(见图9)。上述施工安装过程均减少了塔式起重机吊次，节省安装时间，提高工作效率，缩短工期，充分发挥了装配式钢结构住宅标准化建造高效的特点。

图8 钢梁串吊法

图9 防屈曲钢板墙吊装

3.3 外围护部品装配

外围护板与钢梁间采用自复位摇摆减震连接，提高安装过程中配合精度的兼容性，安装就位后，有较大调整范围，降低安装难度。加气混凝土外墙板拼装单元体间的竖缝为子母槽拼缝，采用加气混凝土专用砂浆挤浆施工，保证板缝密闭且有一定变形能力，避免单元体间相互挤压破坏。

保温装饰一体板采用粘锚结合方式固定，锚固件由塑料胀栓+卡扣式组合扣件组成，由专业施工队伍安装。

3.4 外墙防水控制

装配式钢结构建筑外墙防水决定整个外墙质量和后期运营维护成本，因此控制好外墙ALC条板间拼缝、防屈曲钢板剪力墙对拉螺栓孔、钢柱与ALC条板防水和外墙保温装饰一体板的缝隙防水尤为重要。

外墙ALC条板间拼缝、防屈曲钢板剪力墙对拉螺栓孔、钢柱与ALC条板间先用密封胶及砂浆封堵，然后用聚合物抗裂砂浆找平，最后以板缝或螺栓孔为中心，涂刷100mm宽聚氨酯防水涂料，涂刷均匀无露底，厚1mm。

保温装饰一体板切割后需使用专用封边漆进行封闭渗透处理，以提高耐候胶与硅酸钙板间的黏结力。外墙保温装饰板面板采用高密度硅酸钙板，该材料具有较高的强度及柔韧性，但硅酸钙板裁割后的断面与硅酮耐候胶相容性不够，需用专用渗透封边漆在板材切割后用辊筒(或毛刷)均匀涂刷在饰面板四周(保温层除外)。渗透封边漆渗入饰面板2～3mm，起到牢固的、微观尺度的物理化学互锁咬合作用，避免保温装饰板因四周未封闭处理而产生黏结力差、易吸水、易翘曲变形等严重质量问题，保证整个保温装饰板外墙外保温系统具有可靠的耐候性和防水性。

3.5 内装、设备与管线装配

架空地板、整体厨卫、设备与管线等内装部品在装配前制定了集成化材料部品的生产加工、包装运输、安装验收等工艺标准，在部品生产、运输、安装等环节控制质量、进度和成本。

4 结语

对装配式钢结构住宅产品标准化进行设计探索与实践应用，通过设计与施工的紧密协同、创新优化部品部件安装工艺，探索装配式钢结构外围护体系的防水质量控制，总结出一套可推广复制的装配式钢结构住宅产品体系及建造方案，可为今后装配式钢结构住宅的大面积推广提供参考。