装配式钢结构住宅的设计实践

陈 叶 银

(上海宝钢建筑工程设计有限公司，上海 201900)

1 装配式钢结构住宅现状

近年来，发展装配式钢结构住宅是建造方式的重大变革，自2016年以来国务院和住建委多次发布指导文件和工作报告，大力推动了装配式钢结构住宅的发展。2019年，住建部发布了行业标准《装配式钢结构住宅建筑技术标准》，该标准在适用范围、材料与构件类型、结构体系、结构位移控制等结构设计部分都有了详细的要求。同年，住建部相继批复山东、湖南、四川、浙江、河南、江西、青海等七个省份开展钢结构装配式住宅建设试点，以推动建立成熟的钢结构装配式住宅建设体系。据国家统计局最新数据，2020年新开工装配式钢结构建筑1.9亿m2，较2019年增长46%，占新开工装配式建筑的比例为30.2%，其中，新开工装配式钢结构住宅1 206万m2，较2019年增长33%。而目前装配式钢结构住宅在我国民用建筑住宅中占比仅为5%，因此装配式钢结构住宅未来发展空间广阔。近几年来各省市装配式钢结构住宅项目一览表见表1(未列全)。

表1 各省装配式钢结构住宅项目列表 万m2

2 装配式钢结构住宅的技术组成

JGJ/T 469—2019装配式钢结构住宅技术标准比较详细给出了装配式钢结构住宅几大系统技术组成，主要包括：结构系统、外围护系统、设备与管线系统以及内装系统。结构系统是由结构构件通过可靠连接方式装配而成，用以承受或传递荷载作用的部件的整体，所以合理的结构体系是结构安全的首要保障。外围护系统是由建筑外墙、屋面、外门窗及其他部品部件等组合而成，用于分隔住宅建筑室内外环境的部品的整体[1]，外围护系统对外观效果、防火、防水、保温隔热等有较高要求，是钢结构住宅的一项关键构成部分和重要集成技术，而外墙围护体系又是其中的重中之重。文章结合工程项目简单介绍目前常用的结构体系和外墙围护体系两方面技术发展情况。

3 钢结构住宅常用的结构体系

多高层装配式钢结构住宅结构体系传统的主要有纯框架体系和框架—支撑体系两种，新型的有集装箱、钢管束、钢异形柱等结构体系，结合项目实践主要介绍传统的两种结构体系。

1)对于不超过12层的钢结构住宅，我们常采用纯钢框架体系。甘肃省兰州市某保障性住房1号楼，房屋层数11层，房屋高度33 m，最大柱距7.6 m，建筑标准层户型如图1所示，该房屋抗震设防烈度为7度，钢管混凝土柱抗震等级为二级，钢梁抗震等级为四级，结构标准层体系布置如图2所示,经过PKPM计算，标准层冷弯矩形柱截面做到350 mm，地震作用下最大层间位移角为1/350，满足国家规范规定的限值1/300。

该体系主要优点：梁柱布置灵活，可增加建筑使用空间的利用率；自重较轻，材料延性好，有利于抗震；梁柱受力构件的生产、运输和现场的安装快速。主要不足之处：钢框架属于有侧移结构，因此较难满足高烈度地区对建筑抗震性能的要求，建筑层数及高度[2]。

2)对于超过12层的钢结构住宅，我们采用了钢框架—支撑体系。安徽省某地安置房，房屋层数27层，房屋高度78.6 m，最大柱距7.6 m，建筑标准层户型如图3所示，该房屋抗震设防烈度为7度，钢管混凝土柱抗震等级为二级，钢梁抗震等级为三级，结构标准层体系布置如图4所示，经过PKPM计算，标准层冷弯矩形柱截面为400 mm，支撑采用矩形截面钢管，截面宽度150 mm～160 mm，长度150 mm～250 mm，截面地震作用下最大层间位移角为1/590，满足国家规范规定的限值1/300。

这种结构体系的主要优点如下：由于支撑的存在，与纯钢框架建筑相比，钢框架—支撑体系抗侧力能力有显著增加，截面尺寸可有效减小，建筑层数和建造高度有较大提升[2]。 框架和支撑形成了两道抗震防线，该结构具有较好的延性。该体系的缺点主要是：支撑的存在会影响建筑门、窗等洞口的布置，建筑方案确定需提前考虑支撑位置。支撑节点连接相对较复杂，如图5所示。在支撑处的墙板施工较繁琐，影响建筑在施工时的美观性，如图6所示。

4 装配式钢结构住宅常用的外墙围护体系

装配式钢结构住宅除了结构体系是非常重要的一个方面以外，外墙围护体系也是钢结构住宅的一项关键技术，目前钢结构住宅常用的外墙围护体系有ALC条板+保温装饰一体板和夹芯保温PC外挂板两种外墙围护体系，按与主体钢结构的连接形式即为内嵌式和外挂式。

1)ALC条板结合保温装饰一体板的外墙围护系统，具备保温性能优、装饰丰富耐久、防开裂及防水效果好、施工速度快等突出优势，是装配式钢结构住宅外围护系统应用最广泛的一种，ALC条板与主体结构的连接构造在规范《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》有详细节点，此处不再赘述，工程应用实拍见图7。常见的保温装饰一体板主要是硅酸钙板一体板，它以黏为主、粘锚结合的方式固定在条板上，并采用保温嵌缝材料缝填板缝，工程应用实拍如图8所示。

2)另一种比较常用的外墙体系即夹芯保温PC外挂板，它由内外叶墙板、夹心保温层、连接件及饰面层组成，保温提前集成在外墙板中，在工厂进行预制完成，它对主体结构的安装精度要求比较高，对施工吊装设备要求也较高，PC外挂板工程实拍见图9。外挂板与主体结构采用柔性连接，连接节点具有足够的承载力和适应主体结构变形的能力，以50厚钢筋混凝土(C30)+50厚挤塑聚苯板+50厚钢筋混凝土(C30)外挂板为例，与主体结构的连接构造做法详见图10。

5 展望

装配式钢结构住宅建筑的性能不同于其他结构体系住宅的性能，外墙系统应根据不同的结构体系选择适宜类型，同时也要求采用的外墙系统要耐久耐腐蚀，要与主体钢结构使用寿命相协调，所以两者之间的技术发展是一个协同化发展的过程。因此未来我们要 结合近几年装配式钢结构住宅的研究结果和工程实践经验，努力去实现装配式钢结构住宅高效率高质量的工业化生产目标。