装配式集装箱式房屋体系与屋架结构体系的设计优化

2021-10-15程美涛刘彦彬

建筑施工 2021年5期

程美涛章昊刘彦彬

上海建工五建集团有限公司上海 200063

在上海市公共卫生临床中心应急储备楼项目中，工期要求非常紧张，需要尽可能地采用高效便捷的方式来完成项目的设计和建造。为了能够更高效地完成施工任务，技术团队优化了北侧钢结构墙体的施工方案，简化施工工序，在减少对其他工种影响的同时，实现墙体快速施工。同时，在不改变安装节点、提高整体结构安全性的前提下，优化檩条用材，简化安装工序，大幅减重上部屋架，降低人力及机施资源投入，对项目进度起到极大的推进作用。

1 工程概况

上海市公共卫生临床中心应急储备楼项目为新建临时建筑，地上有5个建筑单体。其中，1号楼为主体医疗综合楼（应急储备楼），包含200床负压传染病房、医护工作区、医护宿舍及相关辅助功能区。

本项目1、2层为冷弯薄壁轻型钢结构，屋面为钢桁架结构体系[1]，整体结构上重下轻。经分析，若采用原檩条施工，下方集装箱框架有立柱失稳、框架梁挠度过大等隐患。为克服主体结构冷弯薄壁轻型钢结构[2-4]无法承受上部屋架质量的问题，拟将原设计中H型钢屋面檩条部分改用特制C形钢檩条，在满足结构安全的情况下，使屋面大幅减重。

在1号楼北侧钢结构施工过程中，原施工图纸中部分墙体采用蒸压加气混凝土砌块墙。构造柱、门窗过梁均需现场绑扎钢筋支模后现浇混凝土，施工速度缓慢，且施工时期正值春节假期，又是在新冠肺炎疫情触发重大突发公共卫生事件一级响应机制的背景下，在场熟练工较少，无法保证质量与速度兼顾。此外，由于多工种同时施工，现浇混凝土的湿作业对其他专业单位的工作有较大影响。

为保证更为环保、高效地完成施工任务，现场项目部与设计单位进行了沟通协商后，优化了北侧钢结构墙体的施工方案，优化后的墙体改为厚200 mm的保温岩棉板墙[5-8]。

2 优化方案

2.1 特制C形檩条

2.1.1 特制C形檩条方案设计

为解决檩条自重过大的问题，设计师在现场尝试对多种常规截面进行试算，计算类型包括高频焊接轻型H型钢、冷弯薄壁矩形管、冷弯薄壁卷边C型钢等国家型钢库已有截面，计算结果均无法均衡安装方式、计算安全、经济成本等多方面因素。为此，现场技术人员提出采用定制C形檩条代替部分H形截面檩条，在满足原设计功能及计算要求的前提下，计算出数种截面方案。在后续与材料供应单位协调，考虑型材定制单位的生产能力等多种因素后，在极短的时间内确定了特制冷弯薄壁卷边C形檩条方案。此方案具有加工更快速、质量更轻、造价更低等优点。考虑屋面桁架加工已基本完成，在设计截面时考虑了与原设计H形檩条相同的连接方式（图1），使得该方案不需要改变屋架的连接节点，确保安装进度。

图1 檩条安装方式优化

2.1.2 C形檩条方案理论依据

对于C形截面来说，它是一种单轴对称截面，其相对x轴是对称的，相对于y轴是非对称的。因此，相对于y轴，其两侧的抵抗矩是不同的，截面中位于y轴左侧部分对于y轴的抵抗矩记为W1，位于y轴右侧部分对于y轴的抵抗矩记为W2，W1＞W2，且一般W1是W2的3倍左右。

根据GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的要求：只有屋面板材与檩条有牢固的连接，即用自攻螺钉、螺栓、拉铆钉和射钉等与檩条牢固连接，且屋面板材有足够的刚度（例如压型钢板），才可认为能阻止檩条侧向失稳和扭转，可不验算其稳定性。此时可以认为屋面板能阻止檩条上翼缘侧向失稳，墙板能阻止墙梁外翼缘侧向失稳，无需验算该稳定应力。

对塑料瓦、彩钢板等刚度较弱的瓦材或屋面板材与檩条未牢固连接的情况，例如卡固在檩条支架上的压型钢板（扣板），板材在使用状态下可自由滑动，即屋面板材与檩条未牢固连接，连接片是可滑移的，扭转刚度没有保证，不能阻止檩条侧向失稳和扭转。此时不可以认为屋面板能阻止檩条上翼缘侧向失稳、墙板能阻止墙梁外翼缘侧向失稳，需要验算该稳定应力。计算中选择Q355B的C150 mm×75 mm×20 mm×3 mm卷边槽形冷弯型钢，设置2道拉条，因采用彩钢板屋面，故计算以屋面板不能阻止檩条侧向失稳，构造不能保证风吸力作用下翼缘受压的稳定性为前提条件，选择中间区域具有代表性的檩条进行计算，根据GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》，具体计算如下：

1）强度计算。根据规范对檩条的强度进行验算，在最不利情况下，檩条强度满足要求。

2）稳定性计算。根据规范对檩条的稳定性进行验算，在恒载＋1.5风载（压力）＋0.7活载＋0.9积灰的最不利情况下，檩条整体稳定性满足要求。

3）风吸作用下檩条的稳定性计算。在1.0恒载＋1.5风载（吸力）的风吸作用下，檩条的稳定性满足要求。

4）挠度验算。根据规范，檩条在荷载标准值作用下的挠度满足要求。

2.2 保温岩棉板墙

2.2.1 墙体材料优化

为更为高效地完成施工任务，在了解设计要求后，结合现场施工情况，向原设计提出将蒸压加气混凝土砌块墙体改为厚200 mm保温岩棉板墙（内外侧厚75 mm岩棉板＋中间40 mm×80 mm方钢构造）的方案（图2），保温岩棉板墙的保温、防火性能均能达到使用标准，对气密性、防潮等特殊要求经过特殊施工处理后，可达到更好的使用效果，经设计核算验证后，采用并实施了优化方案。

图2 保温岩棉板墙结构示意

2.2.2 墙体施工优化

原砌块墙圈梁砌筑施工10 d，构造柱、门窗过梁5 d，共计工期约15 d，采用岩棉板方案后，利用钢结构增加构造方钢，使保温岩棉板墙固定在构造方钢上，简化了施工工序，在减少对其他工种影响的同时，实现新型墙体快速施工，墙体施工节约工期10 d。

3 效益分析

3.1 檩条优化

特制C形檩条下料、轧制、冲孔一次成形，无需工厂二次加工，所使用的镀锌板基材无需涂防腐涂料，大大节约了工期和成本，每根长约6 m的檩条单重也由原来的186.60 kg变为46.32 kg，檩条成本相应降低约47万元。同时由借助机械安装变成普通人工即可安装，为现场节约大量施工机械资源。型材壁厚由10 mm变为3 mm，避免了预钻孔，使得现场屋面板施工变得简单，大大提高施工效率，为该项目提前竣工抢到宝贵时间，也提高了结构整体的安全度。

3.2 墙体优化

在1号楼北侧钢结构建筑中，墙体采用了优化后的岩棉板墙方案，可满足消防、保温等设计要求，在当前市场上是一种较好的替代方案。同时由于施工技术的优化，岩棉板墙方案有效避免了混凝土湿作业施工，减少了对相邻工种施工的影响。此外，在节省大量人力物力的情况下，将工期由约15 d缩短至5 d，提升了施工质量，且将墙体的总造价降低了50%，为项目顺利完工提供了有力保障。