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  绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用
  摘要:发展钢结构建筑,可化解钢铁产业过剩产能,推进建筑绿色化、工业化、信息化。在国家政策推动下,我国装配式钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代,发展了以传统钢结构形式为基础的改进型建筑体系,模块化新型建筑体系和工业化住宅建筑体系。新形势下,预制混凝土构件解决了钢结构的传统难题,不同墙体交叉应用发展了新型围护系统,信息化技术促进了建筑业跨越式发展。全装配钢框架和盒子型模块化装配体系是新型低、多层模块化建筑体系,其采用"建筑元器件"的设计概念,以结构构件或建筑功能单元为基本元件组合而成,具有构件装配化、围护一体化、生产工厂化等特点。新型MCFTS(Multi-coreConcreteFilledSteelTubeSystem)高层钢结构体系适用于住宅建筑和公共建筑,该体系分为组合多腔钢管混凝土框架—支撑住宅体系和组合多腔钢板墙核心筒—钢管混凝土框架公共建筑体系。MCFTS体系以组合多腔扁柱和双侧板连接节点为技术核心。研究结果表明,该体系具有优良的抗震性能和可修复性能。
  关键词:钢结构;装配式;体系创新;工业化;模块化;钢管混凝土;钢板剪力墙;钢连梁;
  1绿色装配式钢结构及产业政策
  在供给侧结构性改革大背景下,去产能、去库存、去杠杆成为了社会热词。通过大力推广、发展钢结构建筑,既可化解钢铁产业过剩产能,也可推进建筑绿色化、工业化、信息化,实现传统产业转型升级。
  装配式钢结构建筑是指:标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用,支持标准化部品部件的钢结构建筑。发展装配式钢结构建筑是建造方式的重大变革,是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措,有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平,有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。
  2016年是供给侧结构性改革的开官之年,装配式建筑和钢结构建筑产业政策密集出台,钢结构产业迎来发展前所未有的发展机遇。2016年2月1日,国务院发布《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》,其明确指出推广应用钢结构建筑,结合棚户区改造、危房改造和抗震安居工程实施,开展钢结构建筑推广应用试点,大幅提高钢结构应用比例;2016年2月6日,中共中央、国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》
  中指出,在发展新型建造方式方面加大政策支持力度,积极稳妥推广钢结构建筑;2016年3月5日,第十二届全国人民代表大会第四次会议上李克强总理《政府工作报告》提出积极推广绿色建筑和建材,大力发展钢结构和装配式建筑,提高建筑工程标准和质量。这是在国家政府工作报告中首次单独提出发展钢结构;2016年9月14日,李克强总理主持召开国务院常务会议,认为按照推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求,大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑,具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效。会议决定以京津冀、长三角、珠三角城市群和常住人口超过300万的其他城市为重点,加快提高装配式建筑占新建建筑面积的比例;2016年9月27日,国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》,要求按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求,推动建造方式创新,大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑,不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。
  2国内外装配式钢结构建筑体系
  装配式建筑一般从结构材料上分为:预制装配式混凝土结构体系、装配式钢结构体系、装配式混合结构体系。钢结构具有良好的机械加工性能,易拼装,轻质高强,适合建筑的模块化、标准化、工厂化、装配化和信息化,符合创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念[1]。
  2.1国外装配式钢结构建筑国外的钢结构建筑产业化主要集中在低层装配式钢结构[2―3]。澳大利亚冷弯薄壁轻钢结构体系应用广泛,如图1所示。该体系主要由博思格公司开发成功并制定相关企业标准,具有环保和施工速度快,抗震性能好等显著优点。意大利BSAIS工业化建筑体系适用建造1层~8层钢结构住宅,具有造型新颖、结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便,在欧洲、非洲、中东等国家(地区)大量推广应用。
  瑞典是世界上建筑工业化最发达的国家,其轻钢结构建筑预制构件达到95%。此外,较为典型的装配式建筑体系还有:美国的LSFB轻型钢框架建筑体系、日本给水住宅株式会社的Sekisui和ToyotaHomes住宅体系等。
  国外装配式多高层钢结构建筑比较具有代表性的结构体系是美国《钢结构抗震设计规范》中规定的KaiserBoltedBracket和ConXtechConX体系[4],其使用范围一般局限于多层建筑,如图2、图3所示。另外一种是日本提出的高层巨型钢结构建筑体系[5],该建筑将结构构件与各房间的建筑构成分离开,结构主体为由钢柱、钢梁及支撑构成的纯钢框架。
  图2Kaiser支托螺栓连接节点Fig.2Kaiserboltedbracketconnection图3ConXtechConXR和ConXL型连接节点Fig.3ConXtechConXRandConXLsystems国外装配式复合墙板主要是在1970年以后发展起来的,美国的轻质墙板以各种石膏板为主,以品种多、规格全、生产机械化程度高而著称;日本石棉水泥板、蒸压硅钙板、玻璃纤维增强水泥板的生产居世界领先水平[6];英国以无石棉硅钙板为主;德国、芬兰以空心轻质混凝土墙板生产为主。
  2.2国内装配式钢结构建筑我国装配式钢结构建筑起步较晚,但在国家政策的大力推动下,钢构企业和科研院所投入大量精力研发新型装配式钢结构体系,钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代。1.0钢结构建筑仅是结构形式由混凝土结构改为钢结构,建筑布局、围护体系等一般采用传统做法。2.0钢结构建筑实现了建筑布局、结构体系、围护体系、内装和机电设备的融合统一,从单一结构形式向专用建筑体系发展,呈现出体系化、系统化的特点。目前,国内钢结构建筑体系主要分为三类。
  1)以传统钢结构形式为基础,开发新型围护体系,改进型建筑体系。
  设计阶段摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的错误概念,实行结构、围护和内装三大系统协同设计。以建筑功能为核心,主体以框架为单元展开,尽量统一柱网尺寸,户型设计及功能布局与抗侧力构件协同设置;以结构布置为基础,在满足建筑功能的前提下优化钢结构布置,满足工业化内装所提倡的大空间布置要求,同时严格控制造价,降低施工难度;以工业化围护和内装部品为支撑,通过内装设计隐藏室内的梁、柱、支撑,保证安全、耐久、防火、保温和隔声等性能要求,如图4所示。国外装配式复合墙板主要是在1970年以后发展起来的,美国的轻质墙板以各种石膏板为主,以品种多、规格全、生产机械化程度高而著称;日本石棉水泥板、蒸压硅钙板、玻璃纤维增强水泥板的生产居世界领先水平[6];英国以无石棉硅钙板为主;德国、芬兰以空心轻质混凝土墙板生产为主。
  2.2国内装配式钢结构建筑我国装配式钢结构建筑起步较晚,但在国家政策的大力推动下,钢构企业和科研院所投入大量精力研发新型装配式钢结构体系,钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代。1.0钢结构建筑仅是结构形式由混凝土结构改为钢结构,建筑布局、围护体系等一般采用传统做法。2.0钢结构建筑实现了建筑布局、结构体系、围护体系、内装和机电设备的融合统一,从单一结构形式向专用建筑体系发展,呈现出体系化、系统化的特点。目前,国内钢结构建筑体系主要分为三类。
  1)以传统钢结构形式为基础,开发新型围护体系,改进型建筑体系。
  设计阶段摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的错误概念,实行结构、围护和内装三大系统协同设计。以建筑功能为核心,主体以框架为单元展开,尽量统一柱网尺寸,户型设计及功能布局与抗侧力构件协同设置;以结构布置为基础,在满足建筑功能的前提下优化钢结构布置,满足工业化内装所提倡的大空间布置要求,同时严格控制造价,降低施工难度;以工业化围护和内装部品为支撑,通过内装设计隐藏室内的梁、柱、支撑,保证安全、耐久、防火、保温和隔声等性能要求,如图4所示。
  图4工业化围护和内装部品Fig.4Industrializationenvelopeandinfillcomponents2)“模块化、工厂化”新型建筑体系。
  模块化建筑体系可以做到现场无湿作业,全工厂化生产[7],较有代表性的体系包括拆装式活动房和模块化箱型房。其中,拆装式活动房以轻钢结构为骨架,彩钢夹芯板为围护材料,标准模数进行空间组合,主要构件采用螺栓连接,可方便快捷地进行组装和拆卸;箱型房以箱体为基本单元,主体框架由型钢或薄壁型钢构成,围护材料全部采用不燃材料,箱房室内外装修全部在工厂加工完成,不需要二次装修,如图5所示。
  工厂化钢结构建筑体系从结构、外墙、门窗,到内部装修、机电,工厂化预制率达到90%,颠覆了传统建筑模式[8]。工厂化钢结构采用制造业质量管理体系,所有部品设计经过工厂试验验证后定型,部品生产经过品管流程检验后出厂,安装工序经过品管流工验收零缺安装、物流人近零,总成业研发的工F图Fig.6Indus3)“工国内一钢结构建筑应用在住宅住宅体系有组合结构体模数化的钢部浇筑混凝承重和抗侧配式钢筋桁Fig.7Bun轻质防火保温板轻质内隔墙防腐层防火保温隔热层CCA板外墙装饰面外墙涂料程检验才允陷。由于采工效率提高本比传统建筑厂化钢框架和图5ig.5Contain6工厂化钢框trializationstee业化住宅”建些企业、科专用体系,时凸出梁柱杭萧钢构股系[9],如图管部件并排土形成钢管力构件;钢梁架楼承板。
  图7钢管束dledlippedchas许进入下一道用工厂化技术6倍~10倍低20%~40墙板装配式箱型房erassembling架和墙板装配lframeandenv筑体系。
  研院所开发了解决了传统钢的问题。较为份有限公司7所示。该体连接在一起形束组合结构采用H型组合结构体系nnel—concretystem工序,确保,使得生产,材料浪费率%。图6为某建筑体系。
  3)“工国内一钢结构建筑应用在住宅住宅体系有组合结构体模数化的钢部浇筑混凝承重和抗侧配式钢筋桁Fig.7Bun轻质防火保温板轻质内隔墙防腐层防火保温隔热层CCA板外墙装饰面外墙涂料程检验才允陷。由于采工效率提高本比传统建筑厂化钢框架和图5ig.5Contain6工厂化钢框trializationstee业化住宅”建些企业、科专用体系,时凸出梁柱杭萧钢构股系[9],如图管部件并排土形成钢管力构件;钢梁架楼承板。
  图7钢管束dledlippedchas许进入下一道用工厂化技术6倍~10倍低20%~40墙板装配式箱型房erassembling架和墙板装配lframeandenv筑体系。
  研院所开发了解决了传统钢的问题。较为份有限公司7所示。该体连接在一起形束组合结构采用东南网架股以适应复杂提出了箱型统以组合箱布局方便,箱型钢板剪露柱问题;力高,有效图Fig.8Steel陈志华、周构体系适用用面积、方9所示。
  图9钢g.9Special-s此外,郝际究,并对传新型钢板剪灵活,能提用钢量经济撑,以实现。
  绿色装配装配式钢结PC(Precast外墙涂料模+桁架内隔墙筋桁架承板份有限公司平面户型、钢板剪力墙型钢板剪力可满足各种力墙与墙体箱形钢板与降低用钢量8箱型钢板剪力tube—concrete婷等[11]研发于多高层住便房间的布管混凝土组合hapedcolumnsteeltubes平等[12―14]针统钢板剪力力墙结构具供更大的使等优点。在更好的建筑式钢结构构体系+PCConcrete,[10]针对传露梁露柱和结构体系,如墙替代钢复杂户型平厚度相同,腔内混凝土。
  陈志华、周构体系适用用面积、方9所示。
  此外,郝际究,并对传新型钢板剪灵活,能提用钢量经济撑,以实现。
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  墙结构体系compositewa的钢管混凝宅建筑,其置,且抗震异形柱结构体composedofcosystem对钢板剪力墙进行了有自重轻,地用空间;结住宅结构中使用效果,新发展构件预制混凝土)型箱型统钢结构体造价偏高的图8所示。
  框架和钢支面与立面需解决钢结构共同受力,llsystem土组合异形增大了房间性能良好,系ncretefilled墙进行了深创新性的改震作用小;构水平刚度可用于代替提高结构安全。

本文由 安徽钢结构厂家 整理编辑。