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探索未来建筑产业化的新模式,钢结构装配式住宅是趋势!

【发布时间:2020-05-18】


来源:铁建地产营造社

 导 读 

我国的住宅建设已经进入装配化时代,作为装配式住宅家族的后起之秀,钢结构住宅在我国新建房屋中所占的比例不断提高。为了让大家对钢结构住宅有一个初步的了解,本文从结构专业的角度,对这种住宅体系做一个简单的介绍,并解答地产人普遍关心的几个问题。


 钢结构住宅的现状和发展前景 

二战后随着人口大量增加和由此导致的能源危机,各国都在寻求既节能环保,又能快速批量建造的建筑形式。钢结构既符合绿色环保的理念,又具有模块化和标准化的特点,符合建筑工业化的需求,因此在欧美国家得到长足的发展。我国虽然人口众多,但鉴于工业基础薄弱,因此钢结构住宅起步较晚,只是近几年才开始进行系统的研究和设计建造。下面从建造规模和发展阶段两个方面对国内外钢结构住宅的现状做一个比较:

 1 建造规模

据统计,美国在1965年时钢结构房屋所占比例尚不足15%,目前已增至50%以上;日本的钢结构房屋所占比例也接近40%。相比之下,虽然我国的粗钢产量占世界总产量的50%左右,是名副其实的钢铁大国,但钢结构建筑发展水平较低,钢结构房屋占比不足5%(图1)。每年新建住宅中,美国有35%是钢结构住宅,日本约20%。我国每年竣工住宅面积12~14亿平米,其中只有不到1%是钢结构住宅。

▲ 图1 各国民用建筑结构体系情况对比

 2 发展阶段

根据岳清瑞院士的观点,钢结构建筑产业化必然要经历四个发展阶段:

■ 初级阶段——建立工业化生产体系,实现工厂化生产;
■ 专用体系——形成建筑工业化专用体系,实现装配式建造;
■ 通用体系——建立产业链,形成规模通用体系,实现产业化;
■ 绿色发展——节能、降耗、先进技术融合,实现可持续发展。

我国目前处于初级阶段向专用体系发展过程中,特征是实现了钢结构工厂化生产。而欧美日本等发达国家处于通用体系向绿色发展阶段推进过程中,特征是规模化通用体系成为主流,以绿色节能环保为目标,最终实现可持续发展。总体上,我国处于跟跑阶段,与世界先进水平还有较大差距。

▲ 图2 全球建筑产业化发展进程

通过对比可以看出,我国钢结构住宅无论规模还是发展程度,与世界第一钢产量大国的地位很不相称,钢结构住宅在我国有巨大的市场潜力,发展前景广阔。近年来,随着建筑行业劳动力短缺推动人工费持续上涨,和钢材价格的持续低迷,钢结构住宅将会进入快速发展期。

对于钢结构住宅的市场定位,目前在我国还是以灾后重建住房、定向安置房等政府主导的项目为主。相信随着装配化理念的普及和民众认识程度的提高,会有越来越多的商品房项目采用钢结构。

欧美和日本等国的钢结构住宅以低层的轻钢结构为主(图3)。在我国,考虑到人口密度和居住习惯等因素,所建钢结构住宅以高层建筑为主,主体结构为钢框架+支撑(或剪力墙),称为普通钢结构(图4)。本文主要介绍普通钢结构住宅。

▲ 图3 轻型钢结构住宅

▲ 图4 普通钢结构住宅


 普通钢结构住宅的分类 

普通钢结构住宅按抗侧力体系可分为纯框架、框架-支撑、框架-剪力墙等类型,各种类型简单示意如下:


▲ 图5 纯框架体系


▲ 图6 框架-支撑体系


▲ 图7 框架-剪力墙体系

 1 纯框架体系

这种体系的受力构件只有钢梁和钢柱,钢梁钢柱之间设刚性节点,抵抗竖向和水平荷载。

优点是平面布置灵活,可为建筑设计提供较大的室内空间,与建筑外立面也比较容易协调。缺点是侧向承载力和抗侧刚度比较差,只适用于低层和多层住宅楼,不能在高层住宅中使用,因此采用纯框架的住宅项目较少,代表性的有济南艾菲尔花园,曾获中国建筑钢结构金奖。



 2 框架-支撑体系

为提高框架的抗侧刚度,可在钢框架中增设柱间斜支撑,就构成了框架-支撑体系。

框架-支撑结构的抗震性能优于纯框架结构,但是平面布置不灵活,斜支撑会占用一部分室内空间。

常用的支撑形式按有无耗能梁段可分为中心支撑和偏心支撑,按形状分有“X”形支撑、“人”形支撑、“K”形支撑等。


偏心支撑的抗侧刚度虽不如中心支撑,但强震作用下的延性较好。中心支撑多用于多层和小高层建筑,偏心支撑多用于高层和超高层建筑。采用钢框架-支撑体系比较有代表性的有北京朝阳区黑庄户定向安置房项目、宝钢都江堰幸福家园项目等。

黑庄户项目是北京市第一个超高层钢结构住宅项目,采用中心支撑和偏心支撑混合的抗侧力体系。


 3 框架-剪力墙体系

为了进一步提高结构的抗侧刚度,可在钢框架中用剪力墙替代斜支撑,就构成了框架-剪力墙体系。

适用于钢结构的剪力墙形式是钢板剪力墙。钢板剪力墙分为纯钢板剪力墙和钢板-混凝土组合剪力墙:

纯钢板剪力墙—为防止钢板过早屈曲,可在钢板中开竖缝,把墙板的变形由剪切转化为弯曲,以提高墙板的延性。目前这种剪力墙形式已成功应用于多个住宅项目。

提高钢板剪力墙延性的另一条途径是利用混凝土来约束钢板的屈曲变形,这就是钢板-混凝土组合剪力墙。


▲ 图17 双层钢板内填混凝土组合剪力墙

钢板剪力墙用钢量较大,一般用于公建。住宅钢结构出于成本考虑,通常采用框架-支撑体系。但是与钢支撑相比,钢板剪力墙刚度大、延性好,且与建筑设计较容易协调,因此在高抗震设防烈度区,已经有住宅项目开始尝试采用钢板剪力墙作为抗侧构件,例如2017年主体结构封顶的北京丰台区成寿寺B5地块定向安置房项目,就采用了钢板组合剪力墙。


 普通钢结构住宅的组成 

作为钢结构金奖项目和北京首个装配式钢结构住宅示范工程,成寿寺B5项目采用了诸多新技术,例如:钢板剪力墙,墙板阻尼器,加气PC外挂墙板,基于BIM的虚拟建造技术等。下面将结合该项目,对钢结构住宅的各组成部分做一个系统的展示。

 1 钢板剪力墙

成寿寺B5项目2#和3#楼采用双层钢板组合剪力墙作为抗侧力构件,主要设计参数如下:

墙厚:150mm
钢板厚:6~12mm
钢板材质:Q345B
内填材料:C50自密实混凝土

 2 结构框架

为增加使用面积,高层住宅的框架柱常采用钢管混凝土柱以减小柱截面,框架梁的跨度一般为6~9米,宜采用热轧H型钢或焊接H型钢。成寿寺B5项目采用如下的结构框架:

地上部分
钢柱:□400或□350箱型柱,内填C50自密实混凝土;
钢梁:主要采用H350X150焊接H型钢。

地下部分
根据结构设计规范,地上钢结构与混凝土基础之间应设置劲性混凝土结构层作为过渡。成寿寺B5项目地下室采用劲性混凝土框架柱以满足规范要求。

梁柱节点
《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159)推荐了四种梁柱节点形式。从受力的合理性和成本方面考虑,成寿寺B5项目采用外伸内隔板刚性连接。


柱  脚
成寿寺B5项目采用埋入式柱脚。
将钢柱或钢骨埋入钢筋混凝土独立基础或基础梁或筏板基础中就构成埋入式柱脚。我国的钢结构设计规范建议在高抗震烈度区采用埋入式柱脚。



 3 墙板阻尼器

经论证,成寿寺B5项目采用了墙板阻尼器技术。该技术主要用于减震设计,在日本已得到广泛的应用。上海宝钢2014年从日本引进,其工作原理是通过竖向钢管束之间的摩擦增大阻尼,减小地震作用。该产品有以下特点:

减震效果较明显

经对比计算,成寿寺3#楼(高度16层49米,8度抗震,III类场地)如果采用该技术,最大水平位移可减少约20%。

体积小,施工安装方便

因为宽度较小,如果应用于住宅建筑中,与建筑立面较容易协调。

缺点是部分材料需要国外进口,价格较高。


综合来看,该产品要在我国未来的高层建筑市场中占有一席之地,还需要做到以下三方面:

■ 设计理论和计算软件应尽快完善;
■ 生产标准和施工验收规范应尽快配套;
■ 实现完全国产化,降低成本。

 4 楼  板

成寿寺B5项目同时采用了钢筋桁架楼承板和混凝土叠合板,以便于进行比对分析。


 5 预制外挂墙板

成寿寺B5项目以轻质混凝土外墙板为外墙围护结构,在外墙挂板室内侧后做轻钢龙骨内装修系统。外墙挂板与主体结构采用转动滑移节点,消除地震应力对外墙挂板的作用,保证建筑外围护系统不受破坏。


 地产人关注的问题 

对于一直从事混凝土结构住宅开发的地产人来说,钢结构住宅是个新生事物,难免会产生这样那样的疑虑,比如:这种住宅体系有哪些优缺点,能不能推广,成本是否可控,等等。下面对地产人普遍关心的几个问题做一下解答。

 1 优缺点

优 点

■ 自重轻,可减轻建筑物的重量约30%。这对于高层住宅,地质条件较差或设防烈度较高的项目,优势更为明显;

■ 布置灵活,开间大,使房型丰富,约可提高建筑面积3%~5%;

■ 装配化程度高,目前装配式混凝土住宅的构件预制率普遍在50%左右或更低,而钢结构住宅的预制率可以轻松达到90%以上;

■ 施工周期大大缩短。钢结构建筑施工周期比混凝土建筑可缩短一半,减少湿作业量,而且其节能指标可达50%,属环保型绿色建筑体系;

■ 便于改造和加固。因为装配化程度较高,钢结构房屋的改造、加固、拆除都比钢筋混凝土房屋和砖混房屋方便且费用低;

■ 回收率高。钢结构房屋拆除后,钢材回收率可达90%以上,远高于钢筋混凝土房屋和砖混房屋,且产生的建筑垃圾较少。

缺 点

■ 用钢量较大,造价较高;

■ 钢构件需要做防火和防锈处理,进一步增加了成本;

■ 缺乏相配套的围护体系和高效的装配化连接等;

■ 缺乏与钢结构住宅相关的设计、施工和验收规范规程,另外设计和计算理论还需要补充完善。

 2 民众认可度

据有关地产开发企业的问卷调查,国内普通民众对钢结构住宅仍存在一定的偏见,如担心结构是否安全、保温和隔音性能如何、墙板和楼板是否会开裂和漏水等,针对这个问题,小铁匠咨询了有关专家,得到建议如下:

■ 作为地产企业,应积极做好引导,例如在样板间或售楼处设置一些钢结构住宅部品部件的展示,通过科普的形式,让买房人了解装配式住宅,了解钢结构,并逐步接受,进而喜欢上钢结构住宅。无论在西方发达国家还是在我国,推广普及钢结构住宅,都必然会经历这样一个循序渐进的过程。

■ 钢构件较为细长,毛坯房容易让住户产生不安全的错觉,因此建议钢结构住宅应精装交房。正在编写中的北京市钢结构住宅设计规程也有相关规定。

 3 对平面功能和立面效果的影响

住宅的平面和立面设计是地产人关注的重点。与混凝土住宅相比,钢结构住宅的平面和立面设计有其特殊性,应注意以下两点:

■ 对框架-支撑结构来说,斜支撑最好是布置在外墙,因此在建筑立面设计中,应在条件允许的情况下,为布置斜支撑留出足够的空间。如果无法布置于外墙,则分户墙、电梯井和楼梯间应平面内对称布置,以便于布置支撑或剪力墙;

■ 建筑平面应尽量方正、规整,凹凸变化少,轴线不宜错开较多;不宜为追求标新立异而采用不规则的平面设计。从目前已建成的钢结构住宅项目来看,大部分采用板楼式平面设计,少量高层和超高层虽然采用塔楼式平面设计,但是平面形状较为规整(图33)。


钢结构住宅户型设计难度大于混凝土剪力墙住宅,难点之一是框架柱对室内空间的影响比较大。下面结合成寿寺B5项目谈谈钢结构住宅建筑立面和平面设计的一些特点:

■ 柱网设计和柱距选取应考虑预制楼承板的设计跨度,如果柱距超过楼承板的规格跨度,则需要构件厂进行特别的研发和定制,增加供货成本,延长供货周期。同时为便于标准化预制加工和安装,两个方向的柱距宜一致。以成寿寺项目为例,所选用的钢筋桁架楼承板最大跨度为6.6m,因此采用6.6mx6.6m标准柱网(图34、35);



■ 边柱布置在室外,边梁偏心布置,以减少梁和边柱对室内空间的影响(图34、35);

■ 为减少中柱对使用功能的影响,中柱应尽量布置在厨房、卫生间、储藏间等次要功能区。

 4 建造成本

如果仅考虑材料和人工成本,目前比较一致的看法是在同等条件下,钢结构住宅的造价比混凝土住宅高10~15%。但是考虑到钢结构住宅施工周期较短这个因素,钢结构住宅的建造成本与混凝土住宅相差不大。以成寿寺B5项目为例,下面两个表格对钢结构住宅的成本增量和单位面积材料消耗进行了简单的对比分析:


钢结构住宅是我国建筑市场上一支新生力量,虽然目前处在试验和探索阶段,还存在不少问题,但是作为建筑产业化的一个新模式,钢结构住宅代表了未来住宅发展的方向,标志着从传统住宅向环保住宅的转变。它将改变中国传统的高能耗的建造模式,真正实现“像造汽车一样盖房子”。凭借我们中国人的聪明才智,相信在不远的将来,钢结构住宅将为我们带来真正的绿色家园。