改革開放以來,鋼結構建筑推廣步伐加快,尤其在公共建筑領域的應用“風生水起”。除了廠房、多層房屋領域,還擴展至超高層建筑、大跨度會展中心、體育場館、大型交通建筑等,目前在建和已建成的 200m 以上鋼結構超高層已達千余座,鋼結構正向著更高、更廣、更輕的方向發展。
鋼結構住宅發展稍顯緩慢,我國最早的鋼結構住宅是 1994 年建于上海北蔡的 8 層鋼結構住宅,其后 20 余年內建成的鋼結構住宅數量與鋼結構公建的數量相差甚遠,目前占比不足 5%。
近年來,在我國北京、杭州、合肥、湛江、蚌埠、濟寧、淄博、滄州、包頭等地開展了鋼結構住宅的設計研究和工程實踐工作,相繼建成一批多高層鋼結構住宅的試點工程,如杭州錢江世紀城、北京成壽寺安置房、滄州??导覉@等,這些試點工程發揮了很好的示范作用。
《鋼結構住宅主要構件尺寸指南》已于2020年8月20日正式發布。根據《住房和城鄉建設部標準定額司關于開展〈鋼結構住宅評價標準〉編制工作的函》(建司局函標〔2020〕77號)的要求,《鋼結構住宅評價標準》編制組成立暨第一次工作會議于2020年7月8日舉行。
2020年12月21日召開的全國住房和城鄉建設工作會議提出,加快發展“中國建造”,推動建筑產業轉型升級。加快推動智能建造與新型建筑工業化協同發展,建設建筑產業互聯網平臺;完善裝配式建筑標準體系,大力推廣鋼結構建筑。
一、鋼結構住宅的技術體系分析
(一)結構系統
1.豎向及抗側力體系
裝配式鋼結構住宅應采用大開間、戶內空間靈活可變的結構布置形式,根據建筑功能、建筑物高度以及抗震設防烈度等條件選擇下列結構體系(GB/T 51232):
(1)鋼框架結構(適用于建筑高度30m以下的建筑)
(2)鋼框架-支撐結構(支撐包括中心支撐、偏心支撐和屈曲約束支撐)
(3)鋼框架-剪力墻(或延性墻板)結構(剪力墻可以采用預制或現澆鋼筋混凝土剪力墻,延性墻板包括鋼板剪力墻、鋼板組合剪力墻、鋼框架內填豎縫混凝土剪力墻等)
(4)交錯桁架結構
(5)低層冷彎薄壁型鋼結構(適用于不大于3層且檐口高度不大于12m的建筑)
2.樓板體系
鋼結構住宅的樓板和屋面板一般采用裝配化程度較高的免支模的樓蓋和屋蓋體系,包括鋼筋桁架樓承板、預制疊合樓板及預應力疊合樓板(PK板)等。
鋼筋桁架樓承板具有安裝方便、質量輕、運輸成本低等優點,底??刹捎媒饘俦“?,也可采用非金屬材料。如果房間做吊頂時,底模不用拆除;住宅中不做吊頂的區域采用可拆底模的鋼筋桁架樓承板。預制混凝土疊合樓板具有底面平整、跨度大等優點,根據四周板支承條件設計為單向板或雙向板,板縫做密縫拼接和寬縫拼接連接。
(二)外圍護系統
外圍護系統包括外墻系統和屋面系統。外墻系統宜采用輕質材料,并宜采用干式工法。外墻系統的材料種類多種多樣,施工工藝和節點構造也不盡相同。
1.外墻板的主要類型
按照外圍護系統構造情況,可主要分為以下四種:
(1)預制混凝土外掛墻板(簡稱大板)
包括預制混凝土外墻板、預制混凝土夾心保溫外墻板等。
(2)輕質條板
包括蒸壓加氣混凝土板(ALC)、輕集料混凝土板、復合夾心條板等。
(3)鋼木骨架組合外墻板
包括金屬骨架組合外墻板、木骨架組合外墻板等。
(4)建筑幕墻
包括玻璃幕墻、金屬幕墻、石材幕墻、人造板幕墻等。
2.外墻板的性能要求
外墻板的性能要求主要包括安全性、功能性和耐久性等。
(1)安全性要求(須關注可靠連接和防裂)
安全性能要求是指關系到人身安全的關鍵性能指標,對于鋼結構住宅外圍護體系而言,應符合基本的承載力要求以及防火要求,具體可以分為抗風壓性能、抗震性能、耐撞擊性能以及防火性能四個方面。外墻板應采用彈性方法確定承載力與變形,并明確荷載及作用效應組合;在荷載及作用的標準組合作用下,外墻板不能因主體結構的彈性層間位移而發生塑性變形、開裂及脫落;當主體結構層間位移角達到大震時,外墻板不應發生掉落。
耐撞擊性能應根據外圍護系統的構成確定。對于幕墻體系,可參照現行國家標準《建筑幕墻》GB/T 21086中的相關規定,撞擊能量最高為900J,降落高度最高為2m,試驗次數不小于10次,同時試件的跨度及邊界條件必須與實際工程相符。
除幕墻體系外的外圍護系統,應提高耐撞擊的性能要求。外圍護系統的室內外兩側裝飾面,尤其是類似薄抹灰做法的外墻保溫飾面層,還應明確抗沖擊性能要求。
(2)功能性要求(須關注防水和節能)
功能性要求是指作為外圍護體系應該滿足居住使用功能的基本要求。具體包括水密性能、氣密性能、隔聲性能、熱工性能四個方面。
水密性能包括基層板的不透水性以及接縫處的止水、排水性能,具體措施是構造防水+材料防水(企口、高低縫、排水孔、專用膠)。氣密性能要求裝飾板接縫少,接縫處采用氣密材料封堵。隔聲性能應符合現行國家標準《民用建筑隔聲設計規范》GB 50118的相關規定,要求基層板密度大、少孔隙。熱工性能應符合國家現行標準《公共建筑節能設計標準》GB 50189、《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 26的相關規定。輕質混凝土條板均具有良好的保溫性能,具體措施是條板+保溫層(巖棉、EPS、石墨EPS等)。
(3)耐久性要求
耐久性要求直接影響到外圍護系統使用壽命和維護保養時限。不同的材料對耐久性的性能指標要求也不盡相同。經耐久性試驗后,還需對相關力學性能進行復測,以保證使用的穩定性。對于以水泥基類板材作為基層板的外墻板,應符合現行行業標準《外墻用非承重纖維增強水泥板》JG/T 396的相關規定,滿足抗凍性、耐熱雨性能、耐熱水性能以及耐干濕性能的要求。
3.外墻板與主體結構的連接
按照外墻板與主體結構的連接形式可分為外掛式、內嵌式及嵌掛結合式安裝。
(1)外掛式安裝
外掛式安裝具有施工速度快,能夠很好克服鋼結構構件撓度變形對墻體造成破壞的缺陷。同時墻板包裹鋼結構構件,易于裝飾且不易形成冷橋。但是外掛式墻體安裝也存在一些缺點:對于墻板的構造材料要求較高,導致墻體造價相對較高;墻體厚度及自重較大,專用金屬連接件造價會比較高;由于墻板在結構構件外側,室內露梁露柱。
(2)內嵌式安裝
內嵌式安裝現場施工量較大,無法完全包裹住鋼結構梁柱系統,易形成冷熱橋,因此要進行二次包裹。但是,鋼結構構件在承受荷載時撓度變形較大,會對內嵌式墻體產生破壞,易造成樓板與墻板的接縫處漏雨和滲水,影響居民使用。
(三)內裝系統
裝配式鋼結構建筑的內裝系統應采用輕質材料,宜采用裝配式裝修;廚房和衛生間宜采用集成式部品。內裝部品主要包括以下三個方面:隔墻應采用裝配式輕質隔墻,包括龍骨類隔墻、輕質水泥基板類隔墻、輕質復合板類隔墻等;吊頂應采用裝配式部品,廚房、衛生間的吊頂在管線集中部位應設置檢修口;地面宜采用裝配式部品,宜采用可敷設管線的架空地板系統等集成化部品,以方便管線檢查和維修。
內隔墻
鋼結構住宅的內墻板屬于非承重構件,應采用輕質高強材料,宜采用免抹灰的隔墻板,主要包括分戶隔墻和戶內隔墻。
(1)內隔墻的主要類型
包括龍骨類隔墻、輕質水泥基隔墻、輕質復合隔墻等。
(2)內墻板的性能要求(須關注隔音和防裂)
分戶隔墻的性能要求主要包括安全性、功能性和耐久性等,安全性能包括抗震性能、抗沖擊性能以及防火性能三個方面;功能性能包括隔聲性能等(>35dB);耐久性要求是指內隔墻的使用壽命和維護保養時限。
內隔墻根據具體位置和性能要求,選用不同的墻體類型。一般情況下,分戶隔墻厚度為200mm,戶內隔墻厚度為90mm、100mm。
快裝隔墻系統是以輕鋼龍骨隔墻體系為基礎,飾面板為硅酸鈣板,飾面材料可以是UV涂層也可以是傳統的墻面壁紙等裝飾材料,在工廠加工成型。針對有防水要求的衛生間墻面,在龍骨內側加裝PE防水層,面層板使用防水涂裝板,保證空間的防水要求。
(3)內墻板與主體結構的連接
內墻板應與主體結構可靠連接,在滿足吊掛荷載 (>100kg)和抗沖擊性能的前提下,避免地震作用下倒塌,造成生命和財產的損失。為了減少內墻板的種類,鋼梁高度宜統一。內墻板應適應鋼結構的變形,板長應預留5mm~10mm安裝縫隙。安裝完成后采用柔性材料填實,避免影響隔聲性能。
(四)設備與管線系統
裝配式鋼結構建筑的設備與管線系統應以易檢修、可更換為原則;管線與結構系統分離,維修更換管線時不應影響主體結構。各類設備與管線應綜合設計、減少平面交叉、合理利用空間。
1.給水排水系統
給水分水器與用水器具的管道應一對一連接,管道中間不得有連接配件;排水管道宜采用同層排水技術。
2.暖通空調與燃氣系統
室內供暖系統采用低溫地板輻射供暖時,宜采用干法施工。
3.電氣與智能化系統
電氣和智能化的設備與管線宜采用管線分離的方式。
二、鋼結構住宅的發展趨勢
(一)鋼結構住宅應向大開間大進深、空間靈活可變方向發展
目前,許多鋼結構住宅的平面和戶型仍沿用剪力墻結構小開間布置,不僅結構設置不合理,而且嚴重影響了房間的使用功能。為了實現戶內空間靈活可變目標,充分發揮鋼結構大跨度的優勢,鋼結構住宅應向大開間大進深方向發展,鋼框架優先布置于外墻和分戶墻。
(二)鋼結構住宅的健康發展需要鋼結構、外圍護及內裝系統協同發力
近些年,鋼結構行業過于重視鋼結構主體的研發,忽視與之匹配的外圍護和內裝部品的研發,這在一定程度上制約了鋼結構住宅的發展。針對鋼結構住宅的露梁露柱問題,國外許多項目采用合理的建筑布置+內裝的方法來解決。隨著全裝修和裝配化裝修的推進,鋼結構住宅的外圍護和內裝系統的研發和應用將取得重大進展。
(三)鋼結構住宅應充分發揮其抗震性能佳和施工工期短的優勢
鋼結構構件制作簡便、加工精度高,現場施工精度高,為外圍護墻和內隔墻的安裝及裝飾裝修提供了方便,并且能有效提升住宅品質。鋼結構住宅重量輕、抗震性能好,施工速度快,現場施工2~3天建設一層,結合裝配化裝修的穿插施工可以極大地縮短施工工期。
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