裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的深化設(shè)計(jì)探討
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
曹 楊 陳沸鑌 龍 也
（中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司，上海201900）
摘 要：探索裝配式鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。首先，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)述，闡明裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)用性。其次，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)、管線綜合設(shè)計(jì)等方面的特性和要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的論述。
1概述
隨著制造業(yè)水平的不斷進(jìn)步和建筑行業(yè)對(duì)新型建筑形式的迫切需求，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)運(yùn)而生。這種新型的建筑形式的特點(diǎn)是采用裝配化的生產(chǎn)工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作和生產(chǎn)，用工業(yè)化制造的生產(chǎn)方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)的施工方法。從而縮短整體建設(shè)進(jìn)度，降低材料浪費(fèi)和工程造價(jià)，保障施工質(zhì)量安全。
裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑通過工廠化的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)，因此能夠涵蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工安裝的全部周期，而且通過工程信息化平臺(tái)進(jìn)行建造設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的“現(xiàn)場(chǎng)建造”形式轉(zhuǎn)變?yōu)?#8220;工廠制造”形式，這種建筑形式充分體現(xiàn)了“綠色建筑”的概念。
本文以裝配式鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際工程，探索裝配式鋼建筑在施工過程中深化的技術(shù)應(yīng)用。對(duì)裝配式建筑在深化設(shè)計(jì)中的建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備等方面進(jìn)行了應(yīng)用探索。
2 相關(guān)工作
國(guó)外在20世紀(jì)50年代后期開始出現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。在英國(guó)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系是將構(gòu)件預(yù)制單元的工廠化程度從構(gòu)件到整體單元的不同劃分為三個(gè)等級(jí)：1）“Stick”結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件在工廠進(jìn)行加工制作后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)再用螺栓或自攻螺栓進(jìn)行連接；2）“Panel”結(jié)構(gòu)，將鋼構(gòu)件的主體結(jié)構(gòu)、墻屋面板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝；3）“Modular”結(jié)構(gòu)，將整個(gè)房間設(shè)計(jì)為一個(gè)預(yù)制單元進(jìn)行生產(chǎn)，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。在法國(guó)，住房部于1978年提出鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化住宅體系的概念，經(jīng)歷了30年的發(fā)展目前已經(jīng)成功過渡至鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用體系。
在國(guó)內(nèi)，最早的鋼結(jié)構(gòu)建筑是二十世紀(jì)二三十年代出現(xiàn)的，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣和應(yīng)用卻是在20世紀(jì)90年代才開始，早期的裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在民用住宅方面。住宅的結(jié)構(gòu)形式可分為低層輕鋼住宅、多高層輕鋼住宅兩類。在多高層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系方面，結(jié)構(gòu)形式較為多樣，按照受力體系進(jìn)行劃分的主要形式有：框架一支撐體系、純框架體系、交錯(cuò)桁架體系、框架一核心簡(jiǎn)體系、框架剪力墻體系等。按照型鋼截面形式又可劃分為：H型鋼柱體系、鋼管混凝土柱體系、內(nèi)藏加勁肋C型鋼柱體系等。
3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要特點(diǎn)
1)可以借助工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模和分析，合理縮短設(shè)計(jì)周期。由于可以借助工程建模軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力分析和幾何尺寸沒計(jì)，這種信息化設(shè)計(jì)技術(shù)有利于修改（變更）的快速實(shí)現(xiàn)。在構(gòu)件制作時(shí)，通過三維模型和數(shù)控機(jī)床結(jié)合，使得設(shè)計(jì)完成后可以直接投入到生產(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)品制作，具有極高的效率和精確度，可以大大縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。
2)將設(shè)計(jì)和施工緊密結(jié)合，提高生產(chǎn)率。由于鋼構(gòu)件和預(yù)制墻板能夠在工廠進(jìn)行制作、在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，因此可以將設(shè)計(jì)和安裝緊密結(jié)合起來，合理協(xié)調(diào)各工序之間搭接，提高整體工作效率。
3)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可以提供施工的工業(yè)化程度。采用構(gòu)件工廠化生產(chǎn)的制作方式比傳統(tǒng)工藝更為先進(jìn)，更能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。生產(chǎn)后鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件可以直接運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)通過焊接或螺栓進(jìn)行配套安裝，對(duì)于天氣的敏感度不高，更容易實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。
4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用
本節(jié)以某擬建裝配式鋼結(jié)構(gòu)停車場(chǎng)和鋼結(jié)構(gòu)大廈為實(shí)例，對(duì)工程的設(shè)計(jì)、施工、安裝各過程技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探索研究。
在進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的事項(xiàng)有：
1)在深化設(shè)計(jì)前，首先須將各專業(yè)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行整合并交由深化設(shè)計(jì)人員，資料應(yīng)完整可靠。
2)由于深化設(shè)計(jì)的要求較高，涉及專業(yè)知識(shí)面較廣，對(duì)于設(shè)計(jì)人員專業(yè)要求的程度較高，而且設(shè)計(jì)過程所要求的專業(yè)協(xié)調(diào)工作較多。因此，設(shè)計(jì)資料以及需求整合的工作應(yīng)具備較強(qiáng)專業(yè)綜合能力的總承包單位來承擔(dān)。
3)深化設(shè)計(jì)成果應(yīng)由總承包方來進(jìn)行整合與集成，盡可能避免各方可能存在的矛盾，這樣可以顯著地提高深化設(shè)計(jì)的集合度。
圖1為深化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)參照內(nèi)容。
4.1 建筑設(shè)計(jì)
建筑設(shè)計(jì)應(yīng)滿足建筑功能要求，講究經(jīng)濟(jì)效果，考慮美觀要求。在深化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮主體建筑結(jié)構(gòu)與機(jī)電安裝工程的集成，保證工廠化制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
4.1.1平面設(shè)計(jì)
豎向承重構(gòu)件如墻、柱等宜上、下連續(xù)。建筑門窗洞口宜成列布置、上下對(duì)齊，其平面位置和幾何尺寸應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力及預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。廚房和衛(wèi)生間的平面布置應(yīng)合理，其平面尺寸宜滿足標(biāo)準(zhǔn)化整體櫥柜及整體衛(wèi)浴的要求。
4.1.2立面、外墻設(shè)計(jì)
建筑外墻設(shè)計(jì)應(yīng)滿足外立面多樣化以及整體建筑美觀經(jīng)濟(jì)的要求。內(nèi)外墻板的接縫應(yīng)滿足防水、防火、保溫、隔聲的要求，內(nèi)外墻板接縫及門窗洞口等部位宜采用材料和構(gòu)造雙重防水相結(jié)合的設(shè)計(jì)。
4.1.3 門窗安裝節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在工廠制作的預(yù)制內(nèi)外墻板，其幾何尺寸可以達(dá)到很高的精度，進(jìn)行門窗設(shè)計(jì)時(shí)可充分利用此特點(diǎn)，選擇無門窗副框的安裝方式，在制作時(shí)宜直接將門窗與預(yù)制墻板進(jìn)行連接，從建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)上來解決外墻和外窗洞口的接縫防滲問題。
4.1.4小型金屬構(gòu)件設(shè)計(jì)
小型金屬構(gòu)件主要包括空調(diào)板、室內(nèi)外欄桿、裝飾裝修的構(gòu)件中的金屬連接件等。在深化設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的方面有：預(yù)埋件的定位是否精確、與其他專業(yè)構(gòu)件是否有沖突，錨固長(zhǎng)度是否滿足要求等。
4.1.5細(xì)部構(gòu)造深化設(shè)計(jì)
主要需要考慮的要點(diǎn)有：接縫、防水、防滲漏等方面。如上下層相鄰墻板的拼接設(shè)計(jì)，墻板上下側(cè)的接縫設(shè)計(jì)，墻板的空腔構(gòu)造及導(dǎo)水管措施設(shè)計(jì)等。
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要涉及到主體結(jié)構(gòu)和附屬加強(qiáng)結(jié)構(gòu)兩部分。主體結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件主要包括鋼梁、鋼柱以及鋼節(jié)點(diǎn)等；附屬加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)件主要有加勁肋、加強(qiáng)板、連接板等。主要設(shè)計(jì)原則如下：
1)在持久設(shè)計(jì)工況，應(yīng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行承載力、變形、裂縫控制驗(yàn)算。
2)在地震設(shè)計(jì)工況，應(yīng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算。
3)在制作、運(yùn)輸和堆放、安裝等短暫設(shè)計(jì)工況，預(yù)制構(gòu)件的驗(yàn)算應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有關(guān)規(guī)定。
4)用于固定連接件的預(yù)埋件和預(yù)埋吊件、臨時(shí)支撐用預(yù)埋件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量不選用；如特殊情況必須選時(shí)應(yīng)滿足各種沒計(jì)工況的要求。
4. 2.1 梁一柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
以某鋼結(jié)構(gòu)大廈為例（圖2），其梁柱節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容如下。
1)梁翼緣與柱的連接。采用焊接形式時(shí)應(yīng)采用全熔透坡口焊縫，在焊縫連接處加沒襯板。在翼緣坡口兩側(cè)應(yīng)設(shè)引弧板，在梁腹板上下端作扇形切角，鋼梁翼緣與扇形切角端部連接處，應(yīng)采用圓弧過渡，鋼柱翼緣與襯板反面相接處宜適當(dāng)點(diǎn)焊固定。所有規(guī)定應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。
2)梁腹部與鋼的連接。當(dāng)采用焊接時(shí)，應(yīng)采用全熔透的坡口焊縫，板厚小于16 mm時(shí)應(yīng)采用雙面角焊縫，焊縫有效厚度應(yīng)不小于5 mm且滿足等強(qiáng)要求；板厚不小于16 mm時(shí)應(yīng)采用K字形坡口對(duì)接焊縫。
3)在節(jié)點(diǎn)區(qū)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度不小于30 mm時(shí)，焊接時(shí)要求進(jìn)行預(yù)熱處理和后熱處理。
4.2.2連接深化設(shè)計(jì)
1)梁一梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
裝配式鋼結(jié)構(gòu)的梁截面形式一般設(shè)計(jì)為工字形或H形，梁一梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為剛性連接時(shí)所采用的連接設(shè)計(jì)形式主要有：
a．翼緣和腹板連接采用摩擦型連接高強(qiáng)螺栓。
b．翼緣采用全焊透的坡口對(duì)接焊縫連接，腹板采用摩擦型連接高強(qiáng)螺栓連接。
c．翼緣和腹板均用全焊透的坡口對(duì)接焊縫連接。
以某鋼結(jié)構(gòu)大廈的梁梁節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)為例，其深化設(shè)計(jì)模型見圖3。
2)柱一柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
常見的柱一柱連接類型有：
a．柱截面采用H形時(shí)，腹板間的連接采用高強(qiáng)螺栓，翼緣間的連接采用全焊透的坡口對(duì)接焊縫。
b．柱截面采用H形時(shí)，腹板和翼緣全部采用高強(qiáng)螺栓連接。
c．柱截面采用箱形截面或圓管形截面時(shí)，截面間采用全焊接的坡口對(duì)接焊縫連接。
以某鋼結(jié)構(gòu)大廈為例（圖4），其柱一柱連接深化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容有：
a．將箱形截面的鋼柱的拼接位置設(shè)置于柱腳處承臺(tái)面以上1.5 m附近。
b．鋼柱的側(cè)板與節(jié)點(diǎn)板的連接設(shè)計(jì)為坡口全焊透對(duì)接焊縫。
c．鋼柱的連接設(shè)計(jì)為全熔透焊縫的全焊連接或者栓焊連接。栓焊連接的翼緣接頭采用坡口全熔透焊縫。鋼柱的腹板采用高強(qiáng)螺栓連接。
3)樓板、墻板與主體連接節(jié)點(diǎn)。
以裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻為例，目前大部分使用的預(yù)制墻板主要是輕質(zhì)均質(zhì)墻板，如ALC板（蒸壓加氣混凝土板），樓板則是使用預(yù)制混凝土疊合樓板。預(yù)制墻板與主體框架一般通過拉結(jié)筋、螺栓、連接件等進(jìn)行連接。預(yù)制樓板與主體結(jié)構(gòu)的連接件以抗剪連接件（栓釘、四角彎筋）為主。預(yù)制墻板與傳統(tǒng)現(xiàn)澆和砌筑墻體的不同之處在于其是以連接的形式與主體結(jié)構(gòu)搭接在一起的。由于預(yù)制墻板連接部位是結(jié)構(gòu)傳力的關(guān)鍵部位，對(duì)圍護(hù)體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有著重要影響。在高烈度地震區(qū)如果節(jié)點(diǎn)受力過大產(chǎn)生破壞，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制墻板脫落從而引起嚴(yán)重的次生災(zāi)害，因此在深化設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮預(yù)制墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接形式。
在采用輕質(zhì)均質(zhì)墻板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造的深化設(shè)計(jì)主要考慮的原則是在確保節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的條件下保證連接節(jié)點(diǎn)的延性和變形，確保圍護(hù)體系能與主體受力體系在不同方位產(chǎn)生的層間位移相協(xié)調(diào)，滿足在抗震設(shè)防烈度下主體結(jié)構(gòu)層間變形的要求。圖5-圖8是內(nèi)外墻板與主體結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的三維圖。
4.2.3附屬部分設(shè)計(jì)
1)加勁肋、補(bǔ)強(qiáng)板的設(shè)計(jì)。
裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域不滿足結(jié)構(gòu)抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求時(shí)，應(yīng)將柱腹板在梁柱節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行局部加厚設(shè)計(jì)。對(duì)于H形截面的鋼柱，可在節(jié)點(diǎn)域處加焊貼板，貼板上下邊緣應(yīng)伸出加勁肋以外不小于150 mm，并用大于5 mm的角焊縫連接貼板，加焊貼板與柱翼緣采用角焊縫或?qū)雍缚p連接。
以某鋼結(jié)構(gòu)停車場(chǎng)為例，其加勁肋和補(bǔ)強(qiáng)板的沒計(jì)主要在梁變坡處和洞口處向加勁肋，如圖9所示，圖中加勁肋外伸寬bs≥hw/30+40，肋厚ts≥b./15。
4.3 機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)
4.3.1 給排水管道預(yù)留預(yù)埋
給排水專業(yè)管道預(yù)留預(yù)埋主要是在廚衛(wèi)的預(yù)制墻體設(shè)計(jì)中進(jìn)行的，一般來說，采用預(yù)埋管線和預(yù)留管道槽兩種形式，在深化設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮以下內(nèi)容：
1)將預(yù)留管道槽的絕對(duì)位置根據(jù)其管線和型號(hào)正確地在構(gòu)件生產(chǎn)圖紙中表達(dá)。
2)預(yù)留管道槽設(shè)計(jì)時(shí)要考慮管道正常安裝與調(diào)試所需要的空間，如在管道彎頭處的局部增加預(yù)留槽的深度，保證后裝管道彎頭與預(yù)留槽的正確匹配。
3)預(yù)留管道槽的深度應(yīng)與預(yù)埋管道幾何尺寸相匹配，避免由于預(yù)留空間過淺而發(fā)生完工后產(chǎn)生管道外露的現(xiàn)象。
4.3.2燃?xì)鈱I(yè)預(yù)留預(yù)埋
燃?xì)鈱I(yè)預(yù)留預(yù)埋的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中在入戶管道在外墻板上預(yù)留的設(shè)計(jì)上，在燃?xì)鈱I(yè)管道預(yù)留深化設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮燃?xì)夤軓降拇笮∨c空間定位問題。
4.3.3 電氣管線預(yù)留預(yù)埋
電氣管線的深化設(shè)計(jì)主要是預(yù)制墻板內(nèi)的電氣管線的預(yù)留（預(yù)埋），一般主要考慮以下方面：
1)墻板上不同材質(zhì)線管線盒與強(qiáng)弱電專業(yè)相配合的要求。
2)后續(xù)施工如管線穿線的專業(yè)和數(shù)量及線徑對(duì)線管材質(zhì)的要求。
3)電氣管線預(yù)埋預(yù)留與后續(xù)施工進(jìn)行接駁的可行性。
4.4 管線綜合深化設(shè)計(jì)
裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行管線綜合深化設(shè)計(jì)主要考慮的是裝修層與預(yù)制構(gòu)件間的管線深化，涉及的要點(diǎn)有：
1)小管徑管線避讓大管徑管線。先布置管徑大的管線，后布置管徑小的管線。
2)壓力管線避讓重力管線。由于重力管線是依靠重力進(jìn)行流體輸送的，因此當(dāng)壓力管線與重力管線布置發(fā)生交叉時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮重力管線的設(shè)計(jì)標(biāo)高要求。
3)冷水管線避讓熱水管線，由于熱水管道的安裝施工需要進(jìn)行保溫層的施工，因此比冷水管道造價(jià)高，因此需優(yōu)先布置熱水管道。
4)分開布置電纜橋架和流體管道，當(dāng)條件不允許分開布置時(shí)，應(yīng)將電纜橋架優(yōu)先布置在流體管道的上方，以免流體管道破損時(shí)發(fā)生滲漏損壞電線電纜，同時(shí)電纜應(yīng)采取設(shè)套管等保護(hù)措施進(jìn)行敷設(shè)。
5)管路附件少的管道應(yīng)避讓管路附件多的管道，這樣有利于施工安裝的操作和管道附件的維護(hù)、維修。
6)曲線型管道應(yīng)避讓直線型管道。
7)當(dāng)需要在同一水平位置的垂直方向布置各種管道時(shí)，一般的布線標(biāo)準(zhǔn)是：線槽或電纜橋架在上、水管在下；熱水管在上、冷水管在下；風(fēng)管在上、水管在下。盡可能將各類管道設(shè)計(jì)為直線型走向，做到管線間相互平行不交叉，便于前期的施工安裝和后期的檢修維護(hù)，合理降低工程造價(jià)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文以某裝配式鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，首先對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史進(jìn)行了闡述，再對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了分析，參照實(shí)際工程應(yīng)用，初步研究了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深化設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、管線綜合等方面的原則和應(yīng)注意的要點(diǎn)。通過工程實(shí)例，對(duì)深化設(shè)計(jì)中各方面涉及的具體內(nèi)容進(jìn)行了探討，可供后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)施工參考借鑒。
