寒冷地区装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房设计

蒙飞 刘旭峰 陈力

0 引言

随着城镇化进程的加快，房屋建设数量与规模不断增多，原有的砖混住房难以满足当前居住需求，针对这种情况，需要加强新建筑模式的推广与研究。其中，装配式房屋则是一种具有诸多优势的建筑模式。特别是寒冷地区的装配式房屋更是备受关注，多采用装配式轻钢承重保温一体化墙板结构进行房屋设计与建设，从而起到美观、耐用、保温，减少建设周期，降低全生命周期成本的综合效果。

1 装配式钢结构建筑发展背景

想要实现提高建筑建设水平，特别是高寒高海拔地区房屋建造，则需要从地区发展情况出发，着力于探索一条行之有效、满足可持续发展要求的发展道路。近年来，我国政府部门也一直都在大力推进绿色装配式房屋建设，相较于传统房屋建设，装配式房屋不仅能够更好地满足人们的居住需求、提高房屋建筑质量，降低全生命周期成本，实现可持续发展。装配式轻钢结构体系同一般的砖混结构相比，无论是结构自身抗震性能，还是建筑工程施工，都能够起到良好的施工作业效果，切实降低施工与时间成本。

事实上，钢结构建筑随着社会经济的发展，也经历了一个漫长的发展过程，现如今已经得到了更加广泛的应用。从世界范围来看，许多发达国家早已开始采用轻钢结构进行房屋设计与构造，现如今已经慢慢演变形成相对成熟且完善的钢结构住宅体系，特别是日本、美国等国家，在日本，钢结构高层住宅在整体房屋建筑中数量已经接近80%，成为主要的房屋建筑结构体系。从我国建筑领域来看，无论是建筑规模，还是行业钢材产量都较为突出，但是与大规模的房屋建筑相比，对钢结构建筑的研究还较为落后，近些年才开始慢慢采用装配式钢结构住宅建设，需要在今后的研究，不断推进对装配式轻钢结构、对轻钢承重保温一体化墙板结构房屋体系的研究，着力带动建筑行业的快速发展。在住房和城乡建设部发布的《“十四五”建筑业发展规划》中明确，“十四五”时期，我国要初步形成建筑业高质量发展体系框架，建筑市场运行机制更加完善，工程质量安全保障体系基本健全，建筑工业化、数字化、智能化水平大幅提升，建造方式绿色转型成效显著，加速建筑业由大向强转变。规划中指出，要大力发展装配式建筑。结构装配式建筑标准化设计和生产体系，推动生产和施工智能化升级，扩大标准化构件和部品部件是生产规模，提高装配式建筑综合效益。完善适用于不同建筑类型的装配式混凝土建筑结构体系，加大高性能混凝土，高强度钢筋和消能减震，预应力技术集成技术。

2 轻钢承重保温一体化墙板结构房屋构造

2.1 墙板构造

在寒冷地区的房屋建设，如果采用轻钢承重保温一体化墙板结构，则需要对多个部分进行规划设计，具体而言，则可以划分为三个部分，墙板结构设计的第一个部分则为楼面，需要相继对楼面板、楼层梁进行设计和施工；墙板结构设计的第二个部分则为屋面，需要相继对屋面板、屋架结构进行设计和施工；墙板结构设计的第三个部分则是墙体，在墙体中，不仅带有U 型槽钢，同时还有立柱、夹心保温层。在房屋构造中将会应用到多样化的钢结构，钢构件则多采用U 型钢，有些时候还会使用冷弯薄壁C 型钢。

对于轻钢承重保温一体化墙板，往往需要在工厂内完成生产与制造。当对一体化墙板进行构造时，往往都会运用薄壁钢板，促使薄壁钢板能够在冷弯作用下，构件形成一个C 型截面。通常来讲，为了尽可能消除热桥造成的诸多不良影响，还需要运用C 型钢，对立柱采用成对布置的方式。在立柱中部，则可以通过填充一定数量的聚苯乙烯，直接将热桥阻断，沿着墙板立柱高度方向，还需要相应设置两道缀板，促使两道缀板能够相互作用，最终构建形成组合受力柱的方式，立柱和缀板的连接，则可以直接使用自攻螺钉。

通常而言，为了提高建筑结构的稳定性和安全性，立柱应选用LQ550 级钢材进行工程施工。需要注意的是，在具体工程施工时，钢板厚度等数据信息则可以结合项目工程施工要求灵活调整，更好地满足建筑工程的施工要求。轻钢承重保温一体化墙板结构不仅需要满足基本的建筑结构设计要求，还需要强化自身的保温功能，聚苯乙烯保温材料则是一种较为常见的保温材料，保温材料自身化学性质稳定，能够起到绝缘隔热等多方面的作用效果。我国作为世界上生产聚苯乙烯保温材料、使用聚苯乙烯保温材料最多的国家，近年来，聚苯乙烯保温材料的使用规模也处于不断扩大趋势中。除了聚苯乙烯保温材料，还可以采用不燃性水泥聚苯乙烯作为基本的墙体保温层。需要注意的是，对于轻钢承重保温一体化墙板构造，选择使用不同类别的整合材料，最终形成的墙体结构也会存在明显差别。如果选择不燃性材料作为基本的外墙板内部填充物，例如水泥聚苯颗粒，难以起到外墙保温的作用效果，还需要相应添加A 级防火保温板，不断强化外墙结构的保温性能。当对内墙进行填充施工时，则可以将多种材料组合在一起，形成建筑结构的基本墙体。如果选择应用阻燃型聚苯颗粒作为基本的填充整合材料，还需要相应添加专用胶黏剂、进行钢丝网水泥抹面，不断强化墙体的防火性能和保温性能。在满足结构安全性能需求的同时，使建筑满足相应的节能要求。

2.2 墙板立柱竖向连接构造

为了保证装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房屋的稳定性和安全性，促使上部荷载能够稳定进行传输，则需要合理调控楼面主梁、C 型钢槽、墙体立柱，促使其能够保持在同一位置上。

2.3 墙体立柱与楼盖连接构造

对寒冷地区装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房屋进行设计与施工，往往会采用厚度保持在1.5～3mm 范围内的薄钢板，将薄钢板直接进行冷弯处理、制备形成C 型槽钢。对于C型槽钢，长度则需要结合建筑工程施工要求和建筑结构进行分析，合理把控长度大小，促使C型槽钢能够更好地发挥自身功效。对于墙板立柱和楼盖的连接工作，通常都会准备角形连接件，完成整体连接工作，促使各个连接节点都能够连接稳定可靠。

2.4 墙体立柱与屋面檩条连接构造

在轻钢承重结构房屋进行工程设计时，往往需要按照房屋实际跨度大小，确定屋面檩条截面大小。轻钢结构房屋不同于一般的建筑工程，屋盖类别多样，能够基于建筑外形，不断调整屋盖形式，除了基本的双坡屋面、四坡屋面，还可以采用屋顶梁、人字形屋面等多种形式。在建筑工程施工中，通过钢檩条能够在一定程度上强化屋盖结构的承重性能，能够直接将屋面荷载进行传递，结构刚度高、稳定性强，能够更好地满足建筑工程的施工要求。屋面檩条成型方式也较为简单，只需要在室内空间环境便能够直接促使冷弯薄壁型钢冷弯成型。屋面檩条截面形式类别多样，除了基本的H 型、C 型，此外还有Z 型，通过屋面檩条的作用，能够进一步强化屋面板，切实减少屋面板的跨度大小。当对屋面檩条、墙体立柱进行安装施工时，则需要结合建筑工程项目施工要求，基于不同部件的应用特点，灵活调整建筑施工方式。需要注意的是，对于建筑工程轻钢结构，当对檩条体系和墙梁进行工程施工，通常都会直接运用冷弯薄壁型钢构件，虽然承重效果较好，但很容易由于安装不当，造成构件侧向弯曲变形的问题，由此可见，当对轻钢结构强梁、檩条进行安装时，需要相应准备好临时木撑等连接件，促使冷弯薄壁型钢构件能够保持平整顺直的状态，临时木撑同时还可以稳定墙架安装，促使墙架能够保持竖向平面的平直状态，避免出现积水渗透等问题。

2.5 房屋外墙热桥阻断构造

在寒冷地区，采用装配式轻钢承重保温一体化墙板结构能够更好地满足建筑住宅的需求。U 型槽钢是建筑工程中的重要连接件，往往将其设置在外墙板顶部和底部位置，能够直接连接上下多个连接件，还能够将屋盖檩条和楼面进行连接处理，不用多余设置缀板、承重构件，便能够起到良好的施工效果。但是正是由于这样的建造方式，促使外墙热桥现象十分突出，需要及时采取措施，有效阻断外墙热桥。应用较为广泛有效的阻断方法主要有两种，分别是墙板预留保温层、外贴保温层。其中，对于墙板预留保温层，需要结合建筑工程施工要求进行分析，预留好阻燃型聚苯乙烯和U 型槽钢等材料，促使墙板外侧能够带有阻燃型聚苯乙烯泡沫塑料层，厚度控制在40mm 左右。对于外贴保温层，则需要在墙板外侧加贴A 级防火板，厚度控制在50mm 左右，当加贴完成后，还需要继续施工面层。建筑工程保温墙板施工是一个重要环节，无论是材料选择还是保温墙板施工，都需要进行系统分析和研究，将墙板材料质量、墙板材料放置、墙板缝隙等因素进行综合考量。

2.6 房屋防火构造

相较于传统钢筋混凝土结构为主的建筑，对于钢结构为主体的建筑其防火设计是建筑工程设计的重要环节。在对寒冷地区装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房进行设计时，基于《建筑设计防火规范（2018 版）》（GB 50016-2014），不仅需要对房屋墙体进行防火构造处理，还需要特别重视重点防火区域，其中包括厨房，锅炉间，甲乙丙类储物间。特别是在冬季取暖时期，任何一个环节疏漏和不当，都有可能造成火灾事故，轻则导致财产损失，重则引发人员伤亡。为此，一定要重点关注家庭用火问题。事实上，对装配式轻钢承重保温一体化墙板结构、进行整体房屋结构设计，需要结合墙板构造、耐火性能、燃烧性能等因素进行综合分析，更好地满足建筑工程的防火隔热要求，同时对与建筑配套的消防设备设施包括消火栓、喷淋、火灾自动报警、烟雾感应系统等都应统一纳入设计考虑。

在房屋建筑设计时期，也需要将房屋防火构造考虑在内，就厨房，烟道，锅炉间的防火做法进行系统分析，切实降低火灾发生的可能，基于国家建筑行业领域相关技术要求，灵活展开防火设计工作，合理把控消防设施空间，促使建筑空间利用价值能够不断提高，避免出现建筑防火设计不够合理规范的问题。具体而言，对于烟道，往往可以运用实心砖砌筑实现防火作用。砖墙厚度保持在120mm，砖墙和墙板中还需要相应设置金属内衬，一般选用2mm 钢板。对于厨房，日常使用频率高，可燃物也较多，属于火灾重点防护区域。为了保证厨房防火的要求，将使用防火砖砌成的防火墙，防火窗（对于厨房上方有房间的情况，设置防火挑檐），防火门等防火结构与构件，保证火灾发生时，亦不会快速扩散，降低损失。对于锅炉间，则需要将轻钢承重保温一体化墙板设计在周边位置，通过实心耐火砌块的砌筑，强化墙板的防火作用，同时也可以满足保温的需求。

2.7 房屋抗寒构造

在严寒地区，因低温影响，房屋建筑的受冻问题也是不可忽视的问题。特别是卫生间等涉及水管的房间，在长期低温环境下，使管道极易冻坏，卫生间也难以正常使用。针对上述种种问题，则应当更加重视房屋冬季防冻构造，合理把控卫生间室内温度和室外管线温度（设置低温采暖设备或管道电伴热），避免出现温度过低、管道冻裂的问题。对于金属管道，在安装时应提前考虑因温差导致的形变量，通过设置自然补偿器或波纹补偿器解决。具体而言，则可以通过卫生间保温处理、增设防火墙、管道深埋等多种方式，尽可能减少卫生间内部的热量散失，避免卫生间受冻风险。

3 房屋承载力分析

3.1 房屋竖向承力体系

对于房屋建筑施工，装配式轻钢承重保温一体化墙板结构是否能够稳定发挥设计效果，与建筑结构承载力脱不开关系，本文则基于《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），充分利用各种不燃性材料，构建形成整体式墙板，促使墙板结构体系能够直接在施工现场完成拼装，并不需要耗费大量的时间，极大提高施工作业效率。房屋竖向承载力体系，往往需要就门窗洞口上部过梁、屋顶支撑点加强立柱等构件进行设计。其中，屋顶支承点加强立柱、洞口边加强立柱都不需要在施工现场加工，在工厂内便能够完成初步制作，然后再将其预制在墙板内部。

3.2 房屋水平承力体系

对于房屋水平承力体系，则需要使用抗剪墙板。基于建筑工程施工要求和墙体面层做法，灵活选择多种不同的抗剪墙板。需要注意的是，如果建筑工程墙体面层运用耐碱玻纤网格布水泥砂浆抹面，则可以直接将轻钢龙骨作为基本的建筑工程剪力墙结构，并不需要额外设置交叉钢带。如果建筑工程墙体面层运用双层纸面石膏板，房屋水平承力体系往往可以划分为两个部分，第一个部分则为抗剪墙板，第二个部分则为蒙皮材料，还需要专门设置交叉钢带，促使交叉钢带能够起到一定的水平荷载，强化墙体结构稳定性。

3.3 房屋楼盖承力体系

在寒冷地区，当对装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房屋楼盖承力体系进行设计时，通常都会将冷弯薄壁C 型槽钢融入其中，促使槽钢中距和墙板立柱能够保持相互协调的状态，尽可能保证墙柱均匀受力的状态。

4 结论

相较于传统钢筋混凝土现浇建筑，装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房具有如下的优点：（1）适用范围更为灵活，特别是对于高抗震烈度地区，对于传统钢筋混凝土建筑有诸多限制；（2）施工周期较短，相较一般建筑钢筋混凝土建筑，装配式建筑能够节省40%的建造周期；（3）减少碳排放，降低全生命周期成本，在运输过程，建造过程阶段乃至于拆除阶段的碳排放，装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房，具有更少的碳排放。

在十四五规划当中，节能减排，碳中和均纳入了规划目标。在最新推出的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021 ）中也对碳排放做出了如下规定，新建的居住和公共建筑碳排放强度应分别在2016 年执行的节能设计标准的基础上平均降低40%，碳排放强度平均降低7kg CO（/m·a）以上。

综上所述，对寒冷地区装配式轻钢承重保温一体化墙板结构房设计展开分析具有至关重要的意义。采用轻钢结构作为整体框架，不仅能够起到抗震节能等多重作用，其推广能够更大范围地起到实现节能减排，碳中和的目标。