新型装配整体式空间钢网格结构住宅研究

张鹏

【摘要】目前我国钢结构住宅结构多为钢框架结构，但它存在造价高、构件大而重，运输、安装难度大，施工现场需电焊和房间划分不灵活等问题。针对以上问题，本文介绍了一种新型的装配整体式空间钢网格结构体系——装配整体式空间钢网格盒式结构。它具有构件截面较小自重较轻、受力好，室内无梁无柱、自由划分居室，使用方便、美观、节约层高，经济效益好等特点，可以解决运输、安装难度大等问题。

【关键词】装配整体式、空间钢网格、盒式结构

中图分类号：TU241文献标识码： A

随着我国钢产量的迅速增长，钢结构的发展进入了飞速发展阶段，钢结构的住宅迎来了广阔的发展前景。但是我国没有一套高品质、配套完整的适合市场推广的钢结构住宅体系，这是我国钢结构住宅产业亟需解决的问题。目前钢结构住宅所采用的体系比较单一，一般仍采用钢框架结构体系；屋面和墙体材料等配套的围护系统不完善，无法解决传统的墙体开裂问题，外墙一般仍采用传统的板材挂板和砌块砌筑的方式，维护费用高；另外防腐和防火依旧是限制钢结构住宅发展的重要关键因素。

空间钢网格力学效应等效为空间的网格板，横向和竖向的空间网格板组成了网格盒式结构，它具有“板”的力学效应。其空间刚度和空间整体性优于钢框架结构。

1、概念

装配整体式空间钢网格结构体系由马克俭教授提出，并已经申请为国家发明专利，目前已在国内多层大跨度工程中得到了运用。装配整体式空间钢网格结构是由平面钢空腹梁正交组成，与传统的H型钢正交组成的密肋井字楼盖相比较，该结构体系去掉了传递剪力的腹板，而在交叉结点处用钢管取而代之。两者比较，前者线刚度有限，必须考虑结构剪切变形的影响，而后者线刚度趋近无穷大，只需考虑结构弯曲变形的影响。

在条件相同的荷载和条件相同的跨度下，由于装配整体式空间钢网格结构自身重量比传统结构轻三分之一左右，因此其用钢量也相应下降。同时，空腹部位是楼盖水平管线布置的理想位置。楼板采用协同钢网格空腹夹层板，因此大幅度减轻该结构本身的重量。利用此技术，可以克服框架梁板结构“有墙就有梁”的常规做法，适用于灵活划分空间，有效降低结构的层高。

2、装配整体式空间钢网格盒式结构

竖向网格式墙架和横向网格式楼板组合形成“装配整体式空间钢网格盒式结构”，如图所示。

网格盒式结构

密肋网格板

装配整体式空间钢网格盒式结构由钢-混凝土协同式组合空腹夹层楼盖以及钢网格式承重外墙组成。空腹楼盖由交叉梁组成正交斜放或正交正放网格，承重外墙由横梁与密肋柱形成钢网格后，他们具有与平板同样的空间三维受力特性。

3 钢-混凝土协同式组合空腹夹层楼盖

钢-混凝土协同式组合空腹夹层楼盖由T型钢上肋和下肋组成的双层井字拼装单元在拼装点处通过高强度螺栓连接，然后在楼盖上面浇筑一层钢筋混凝土板，通过栓钉与上肋T型钢梁连接。这种楼盖可以在多层和高层的大跨度屋盖结构以及大柱网结构中得到应用。

4 钢网格式承重外墙

由H型钢密柱（间距a=1.5m，2m）与H型钢楼层网格横梁组成单层钢网格板墙架，在网格中央采用高强度螺栓连接形成竖向空间钢网格墙架，与空腹楼盖组成装配整体式的空间钢网格盒式结构。装配整体式的空间钢网格盒式结构的特性与水平板的受力特性相同，这种与盒式结构的竖向结构体系相当。采用这种竖向结构体系可以明显提高其抗剪刚度，并可以解决传统抗弯钢框架结构抗侧移刚度弱的缺点。钢网格式承重墙架组装时，也是采用工厂焊接形成若干个单元构件，运往现场，采用高强螺栓等强连接。该墙架与钢空腹夹层板楼盖连接形成盒式结构，如图所示。

墙架单元与楼盖单元的拼接示意图

盒式结构将常规框架结构改变为小截面立柱与层间横梁及钢空腹楼盖 T 型梁组成的网格式框架，外墙在填充适量苯板后可采用现浇工业石膏填充网格空隙。这样既能充分利用钢结构高强度、抗震性能优异的特点，又能利用石膏来解决钢构件的防腐蚀、防火及外墙保温，施工、维护费用低廉，使用的工业石膏废渣起到了保护环境的作用。

相对于钢框架结构，盒式结构受力比较均匀，使构件内力值大幅度减小，相应的构件截面也减小，而且截面也比较均匀。在处理防锈和防火方面也比较方便，钢框架结构有时会因为构件尺寸不合适，容易造成接缝不严，无法满足防锈和防火的要求。由于盒式结构的构件比较均匀，而钢柱可以直接采用DQ墙板包裹，墙面平整无突出，且完全被封闭，能够达到防锈防火和保温隔热的双重效果。

5 特点

（1）盒式结构的抗侧移刚度优越，结构顶部位移小，抗震性能好。

（2）钢结构部分维护简单。横向钢网格外墙采用现浇填充石膏墙体，墙体施工简单，保温性能好且不易开裂，钢构件完全包裹在石膏墙体内，无需再做防锈和防火处理。

（3）居室内可以做到无柱无梁，使用美观、方便，有效节约层高。

（4）绿色建筑，施工文明程度大幅度提高；盒式结构的网格均分成每件重量不超过 500 kg 的拼装单元，加工厂制作，构件运输方便；施工现场采用高强螺栓连接，消除了常规结构梁柱仍需的焊接工序，避免了火患，是一种适合市场推广的钢结构住宅体系。

6 经济性分析

钢网格盒式结构应用于小高层住宅结构可以很好的满足规范对结构设计的要求。相比常规的钢框架-剪力墙结构，在某些指标上有着比较大的优势，克服了普通钢框架刚度弱的劣势，是一种力学性能更好的体系。当进行结构类型的选择时，在都能满足结构设计要求时，其建筑的综合造价和功能要求的综合效益也是至关重要的。钢网格盒式结构体系的明显优势在于其跨度可以做的很大，可以保证保证住宅的户型内没有柱子，做到房间分割灵活。

（1）钢网格盒式结构的楼盖采用钢空腹夹层板网格结构，采用其特有的双层T型空腹梁高度为 320 mm，混凝土面板的厚度为 80 mm；而常规钢框架结构的框架梁最小高度为 400 mm，混凝土面板的最小厚度为 100 mm，钢网格盒式结构每层要比常规钢框架结构节约层高 100 mm，同时降低了楼板的自重，也减小了混凝土面板的浇筑量。若层数较多时，其经济效益将更加明显。采用钢网格盒式结构的楼盖，混凝土面板比普通框架结构的楼板薄，既减轻了自重又减少了配筋及混凝土用量。

（2）钢网格盒式结构的外墙采用300厚的现浇脱硫石膏，是高的保温系数为，比普通砖或混凝土都高，房屋外墙的保温性能将大大提高，基本可以满足国家或地方要求的节能65%的要求。相对普通的陶粒或加气混凝土砌块外墙，可以不用另外做外保温材料，减少了施工工序、节省了工成造价。

（3）钢构件的防火处理，钢网格式框架墙可以采用现浇填充石膏墙体，石膏给竖向钢构件两侧形成大于25mm的保护层，既解决了外墙围护功能，又解决了钢构件的防火问题。

（4）钢网格盒式结构受力比较均匀，使得其构件截面较小、自重轻，可在工厂车间焊接成单元式构架，运往现场，用高强螺栓拼接，这样解决了常规钢架结构构件大而重，运输过程和安装过程的难度比较大。同时钢网格盒式结构基本上不需要进行现场施焊，因此可以加快施工的速度。

7 结 论

（1）与普通钢框架结构相比，钢网格盒式结构可以节约层高，可以保证室内无柱无梁，居室的划分不受梁柱的限制，打破传统钢框架结构 “有墙必有梁”的作法。

（2）钢网格盒式结构的构件截面较小、较均匀、自重较轻，可以先在加工厂车间焊接拼装成单元构件，运输至施工现场后采用高强螺栓拼接，解决了常规钢架结构构件大而重，运输过程和安装过程的难度比较大，施工现场需电焊的问题；同时也加快了施工速度。

（3）钢网格盒式结构重量轻，因此层间弯矩和层间剪力与普通钢框架相比要小很多，其抗侧移性能、抵抗地震力的能力、抗扭性能以及整体稳定性方面都要优于普通钢框架结构。

（4）钢网格盒式结构采用 DQ 轻质墙板包裹，其防锈防火性能与保温隔热性能优良，能节省大量的防水防火材料和保温材料；用钢量钢网格盒式结构比普通钢框架结构可以节约 17%左右，能有效地降低工程造价。

（5）钢网格盒式结构承担了结构40%以上的倾覆弯矩，比钢框架-剪力墙的比率高近10%；承担了结构20%以上的基底剪力，比钢框架-剪力墙的比率略高。这说明与钢框架结构相比，钢网格盒式结构能够更有效分担结构的内力，它是更好的第二道抗震防线。

（6）钢网格盒式结构采用现浇石膏外墙，其保温节能性能更好；其工业石膏用量大，每平米可达0.36t，环保优势明显。同时由于外墙现浇石膏代替了大量的防火措施，可以节约40%的防火造价。

参考文献

[1]彭登，马克俭. 新型装配整体式空间钢网格“筒中筒”盒式结构在超高层结构的研究与应用. 空间结构. 2012年12月. 第18卷第4期.

[2]谭增辉，马克俭，梁颖. 装配整体式空间钢网格盒式结构高层节能住宅建筑的研究与应用. 贵州大学学报（自然科学版）. 2012年12月. 第29卷第6期.

[3]姜豪，陈靖，薛守宝. 装配整体式空间钢网格盒式结构小高层住宅的经济性分析.四川建材.2013年2月.第39卷总第171期.

[4]孙涛. 现浇石膏外墙多高层钢网格盒式节能住宅结构体系研究. 天津大学博士论文. 2012年5月.