三种装配式钢结构住宅设计与软件应用

杨悠子，常丽娟，杨广剑，王 曦

（中国建筑科学研究院有限公司建研科技股份有限公司，北京 100013）

1 概述

近年来，国家大力推广装配式住宅建筑。装配式钢结构从住宅产业化、环保、抗震防灾、加速房屋建造周期等因素考虑，具有广阔的市场和前景。本文将介绍3 种装配式钢结构住宅的结构特点及设计方法等内容，并介绍PKPM 的这3 种装配式钢结构软件的应用。3 种装配式钢结构住宅分别为低层冷弯薄壁型钢住宅、钢管束剪力墙结构住宅、组合钢板剪力墙结构住宅。

2 低层冷弯薄壁型钢住宅

低层冷弯薄壁型钢结构主要用于3 层及以下的城镇住宅。房屋是全部由薄壁钢材在现场组装成的“盒子”式结构。其主要组成系统包括墙体系统、楼盖系统、屋盖系统（见图1）。

2.1 结构特点

2.1.1 墙体系统

结构的墙体由墙体骨架、内外墙板组成。墙体骨架由上、下导梁和立柱组成。立柱上、下分别插到上导梁和下导梁中。自攻螺钉连接着各构件，如图2所示。定向刨花板、纸面石膏板、水泥纤维板等为墙体骨架外包的常用面板。立柱和外包的墙体面板需要用自攻螺钉进行连接[1]。

2.1.2 楼盖系统

楼盖系统较为复杂，各种薄壁型钢构件组成其骨架。楼盖系统骨架上覆楼面结构板，同时支撑、加劲件、拉条等也必不可少，这些构件之间通过自攻螺钉连接。梁外面一圈为边梁，楼盖的密梁两端插在边梁内，同样用自攻螺钉连接。板和梁之间用自攻螺钉连接，如图3 所示。

2.1.3 屋盖系统

桁架或斜梁是本结构体系常见的屋面承重结构。在屋架上弦需要设置屋面钢拉带或者选择铺设结构板的方式。支撑和所有屋架的交点处应用自攻螺钉进行连接。屋脊处无集中荷载时，屋架的腹杆与弦杆可直接连接；有集中荷载时应通过连接板连接。

2.2 设计方法

低层冷弯薄壁型钢住宅设计建模时立柱的间距一般为0.4 m～0.6 m，边柱常采用双柱或多柱，多柱用钢拉带连接，常见的构件类型可选择薄壁槽型构件或者卷边槽型构件。楼盖系统的设计较为特殊，在楼盖梁上侧布置楼面结构板，常见用定向刨花板，也可用压型钢板上浇薄层混凝土。

低层冷弯薄壁型钢住宅设计计算时，要分别计算建筑结构的2 个主方向的水平荷载。水平风荷载需要按照荷载规范进行计算，地震荷载按照底部剪力法进行计算。每面墙承担的水平荷载需按照墙体抗剪刚度的大小按比例进行分配。某方向的抗剪墙体承担该方向的水平荷载，水平剪力产生的弯矩由墙的两边柱承担，如图4 所示。

边柱轴力计算公式：

式中：N 为拉拔力，kN；PS为水平剪力，kN；h 为墙体高度，m；b 为一对抗拔连接件之间的墙体实际宽度，m。

承重墙体和抗剪墙体的立柱独立承担竖向荷载。

由于实际工程中存在门窗洞口，它们会削弱墙体的抗剪刚度，所以结构计算时需要乘以相应的洞口折减系数。构件的承载力按薄壁规范进行计算。

2.3 软件介绍

PKPM 的V3.2 版本中正式推出了低层冷弯薄壁型钢结构设计软件CSHCAD。该软件可完成各种低层冷弯薄壁型钢结构的模型建立、结构分析、构件设计、特殊墙板设计及材料统计等。

2.3.1 软件截面库

CSHCAD 软件包含了低层冷弯薄壁型钢住宅常用的截面形式，包括薄壁槽、薄壁卷边槽钢、薄壁槽钢组合、薄壁角钢、薄壁角钢组合等。同时，软件提供自定义截面功能，设计人员可根据需要自定义截面尺寸。

2.3.2 建模方式

1）交互建模

软件三维空间结构模型输入界面（见图5）。软件提供传统的交互建模方式，可完成任意模型的建立。

2）快速建模

低层冷弯薄壁型钢结构的杆件截面小，间距近，杆件数量多。软件针对这种结构特点提供了2种快速建模方法。一种是直接导入标准户型库；另一种是针对墙柱等间隔且数量多的布置规律，提供快速布置整片墙的方法。

软件内部植入多个标准模型库，供设计人员直接选择载入并进行设计（见图6）。

针对低层冷弯薄壁型钢住宅“密柱密梁”的结构特点，软件提供了快速布墙、快速布梁、快速布置窗洞口功能，以此来提高建模的效率（见图7）。

3）结构分析功能

软件对于竖向荷载采用一般空间杆系有限元方法分析。主要抗侧力构件为墙面，墙体设计遵循“冷弯薄壁规程”的相关要求。

软件特别设计了适用于低层冷弯薄壁型钢结构的墙板类型选择框（见图8）。除规程中提到的3种常用墙板类型外，软件提供自定义墙板功能。采用自定义墙板时用户只需要输入墙板抗侧移刚度及单位长度抗侧承载力设计值即可。

4）计算结果

软件可以输出住宅整体计算书和各层信息计算书。整体计算书包含：设计依据、风荷载作用信息、地震荷载作用信息、墙板抗剪信息、材料统计信息。各层计算书包含：楼层信息、墙基本信息、柱单工况内力、梁单工况内力、柱构件验算结果、梁构件验算结果。

3 钢管束剪力墙结构住宅

3.1 结构特点

钢管束混凝土组合是由杭萧钢构股份有限公司自主研发的新型钢结构住宅体系。

钢管束混凝土剪力墙是由中间部分的方矩形钢管和多个U 型钢组成，它们是在工厂进行拼接组装而形成的多个竖向空腔的结构单元。

在施工现场将混凝土灌注到钢管束内，从而形成了钢管束混凝土组合剪力墙，如图9 所示。钢管束剪力墙不仅是主要承重构件，还是抗侧力构件。钢管束分段长度可达3 层，可同时多层浇筑混凝土，实现立体交叉作业。大大缩短建造周期。

钢管束剪力墙结构的柱、楼板、屋面与普通混凝土结构相同。

3.2 软件应用

PKPM 钢管束混凝土剪力墙结构设计软件为杭萧钢构的定制软件。软件按PKPM 主程序所执行的现行国家、行业标准规范及杭萧钢构提供的企业标准《钢管束混凝土剪力墙结构技术规定》QB/HX 109—2015 进行研发[2-3]。

3.2.1 建模方式

软件整体建模采用PMSAP 建模方式，即采用层建模形式，与普通混凝土结构三维建模方式相同，此处不再赘述。但是，钢管束混凝土剪力墙与普通剪力墙操作不同，SETWE 中新加“钢管束”剪力墙布置功能，在布置构件菜单下选择“钢墙板”中的“钢管束墙”，可在模型中布置钢管束混凝土剪力墙（见图10）。

软件可布置一字型墙肢，其他形式（T 型、一字型、工字型等）可用一字型组合（见图11）。

3.2.2 结构分析

软件采用SATWE 程序进行结构整体分析与设计。分析方法及相关内力调整等同剪力墙结构，同样执行现行国家及行业标准规范相关部分的要求，并给出分析结果与总体指标。

墙肢按杭萧钢构技术文件验算承载力。结果包含图形文件、文本文件。所有混凝土剪力墙的输出图形文件和文本信息包括用钢量统计信息、轴压比、墙体设计结果。

3.2.3 连接节点设计

连接节点采用连接设计工具完成节点设计。提供连接设计计算书，不提供施工图功能。

4 组合钢板剪力墙结构住宅

4.1 结构特点

外包钢板、内填混凝土及若干栓钉共同组成钢板混凝土组合剪力墙。外包钢板和内填混凝土之间通过栓钉进行连接，如图12 所示。

如果把这类墙体和钢筋混凝土剪力墙进行比较，相同尺寸下，钢板混凝土组合剪力墙凭借抗剪刚度大、延性好、极限承载力强等优势，克服了纯钢板剪力墙刚度小、稳定性和防火性差、建成后维护成本高等弊病。

4.2 设计方法

组合钢板剪力墙结构住宅设计应依据《钢板剪力墙技术规程》JGJ/T 380—2015（以下称为“规程”）。墙体承载力计算按规程第7 章方法进行验算，即先计算出塑性中和轴高度，然后按规程中公式验算墙肢的受弯承载力，如图13 所示[4-5]。

4.3 软件应用

软件按PKPM 主程序所执行的现行国家及行业标准规范进行设计。钢板剪力墙面外稳定验算按照《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS 159：2004方法进行计算。

4.3.1 结构建模

整体部分采用PMSAP 建模方式，即采用层建模形式，与普通混凝土结构三维建模方式相同。

剪力墙部分与普通剪力墙操作不同，SETWE 中新加“钢板剪力墙”布置功能，在布置构件菜单下选择“钢墙板”中的“外包钢板”，选择布置位置，即可布置端钢板与墙身钢板厚度不相等的组合钢板剪力墙。模型中的组合钢板剪力墙会标记“外包”字样（见图 14）。

组合钢板剪力墙布置对话框（见图15），用户需要输入墙端钢板厚度、墙身钢板厚度及钢板钢号。

4.3.2 结构分析

整体部分采用SATWE 程序进行结构整体分析与设计。分析方法及相关内力调整等同剪力墙结构。

墙肢按《钢板剪力墙技术规程》JGJ/T 380—2015 规定验算承载力。钢板剪力墙面外稳定验算按照《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS 159：2004方法进行计算[6]。

4.3.3 构件设计与设计结果查看

结果包含图形文件、文本文件。所有混凝土剪力墙的输出图形文件和文本信息包括用钢量统计信息、轴压比、墙体设计结果。

5 结语

3 种装配式钢结构住宅除了具备普通钢结构住宅抗震性能好、重量轻等优势，专业工厂标准化生产构件，构件工业化生产和现场施工安装同步开展，工程建造的工业化程度和施工速度大幅提高，作业速度快，受气候条件影响小。预制构件进场后，采用干作业方式施工，环境污染小，环保效益显著。旧建筑拆除后材料的再回收和再利用率高于传统混凝土建筑，实现建筑全寿命期的资源节约利用。

国内针对这3 种结构的专业设计软件极少。导致多家冷弯薄壁型钢住宅设计单位出现使用国外软件设计工程，从而无法满足国内审图部门要求的情况。PKPM 软件遵循国内专业设计人员使用习惯，严格执行国内设计标准，满足装配式钢结构建筑快速发展的需要，显著提高了设计效率和质量。