浅谈低多层装配式钢结构设计

关坤华

（广东天元建筑设计有限公司）

0 引言

我国住建部颁布的《“十二五”绿色建筑和绿色生态区域发展规划》中指出，为了加速我国绿色建筑的发展，我国需要加快构筑形成装配式混凝土、钢结构等工业化的建筑体系[1]。作为推进我国绿色建筑大力发展的重要一环，装配式建筑迎来了迅速发展的机会。近十年来，我国的住宅产业一直占据着国内建筑业的60%以上，而且，低多层装配式钢结构住宅具有适应性和经济性的优势，已成为较为普及的装配式住宅种类。部分地方政府（例如佛山住房和城乡建设局）更是印发了关于低多层装配式建筑的技术指引。因此，进行低多层装配式钢结构住宅的设计研究，具有重要的意义。

1 低多层装配式钢结构住宅的结构体系组成

1.1 结构系统

低多层装配式钢结构住宅的结构组成主要包含框架结构、楼板结构、楼梯结构等。

⑴框架结构。

目前适合低多层装配式钢结构住宅的钢框架结构体系主要有轻钢龙骨结构、分层装配式钢结构、多层轻钢框架结构及矩形钢管混凝土组合异形柱框架结构等[2]。

轻钢龙骨结构主要是由天龙骨、地龙骨、钢柱、钢梁、中间腰支撑及其配套的加劲件、扣件、连接板、通用自攻螺钉连接而形成，如图1所示。轻钢龙骨结构体系根据主受力构件的截面类型，可分为以冷弯薄壁型钢组成的龙骨体系及以小型热轧型钢组成的龙骨体系。钢柱及钢梁等构件的板件厚度为1～3mm，钢柱间的距离约为400～600mm。

图1 轻钢龙骨结构体系

轻钢龙骨结构的主要传力原理为：钢柱和天龙骨、地龙骨、中间腰支撑或隔板组成受力墙壁，水平力由受力墙壁传到基础，竖向力由楼面钢梁传到天龙骨，再通过钢柱传到基础。在水平荷载作用下，墙面板需要抵抗一定的剪力，并且需提供必要的抗侧刚度。

分层装配式钢结构的主要抗侧力构件是支撑[3]，分层装配式钢结构突破了钢梁连接与柱侧、柱构件上下贯穿的传统钢框架结构形式，创造性地采用强刚度和抗弯性能的钢梁构件贯通，柱构件分层的结构形式；梁柱采用端板螺栓的形式连接，分层装配建造而成；并且采用交叉柔性支撑抵抗水平力。如图2所示。

图2 分层装配式钢结构

分层装配式钢结构的优点主要有：①传力路径清晰，具有优越的抗震性能；②柱截面小，可藏于墙体内，变相地增加建筑使用面积；③免现场焊接，建筑效率高；④标准化程度高。

多层轻钢框架结构是采用宽厚比较大的构件作为钢框架梁柱构件。钢柱截面为H型钢或冷弯方钢管，钢梁截面主要为H型钢，如图3所示。

图3 多层轻钢框架结构

轻钢结构低多层建筑具有较多的优点，如地震力反应小、轻质高强、工厂加工制作精度高，且便于根据业主使用需求进行空间的布局和分隔，主体结构属于可回收利用的绿色建材[4]。

矩形钢管混凝土组合异形柱框架结构由多个型钢构件（方钢管、C型钢）拼接形成异形柱。此结构体系的优点是容易标准化生产、制作方便、避免室内梁柱凸出，便于住宅建筑使用。

⑵楼板结构。

楼板既是水平传力构件，同时也是楼层水平方向的抗侧力构件。目前，适合于装配式钢结构住宅的预制楼板主要有混凝土叠合板、钢筋桁架模板、预应力SP板、楼承板等[5]。

混凝土叠合板主要有预制叠合板、PK叠合板，如图4、图5所示。与传统预制叠合板相比，PK预应力叠合板是通过改进预制叠合构件而成，其底板为倒“T”型预应力混凝土预制带肋薄板，完成浇筑后整板厚度可控制在120mm，最大无支模距离可达到3.0m。

图4 预制叠合板

图5 PK叠合板

钢筋桁架模板主要有普通钢筋桁架模板及可拆卸钢筋桁架模板，如图6、图7所示。由于普通钢筋桁架模板在混凝土成型后脱模困难，且脱模后底面不平整，因而改进形成了可拆卸钢筋桁架模板。可拆卸钢筋桁架模板脱模后底面平整，适合用于住宅建筑，但造价偏高。

图6 普通钢筋桁架模板

图7 可拆卸钢筋桁架模板

SP预应力板（图8）能实现的跨度大，且能节省次梁的布置；但缺点在于，浇筑上部的现浇混凝土层后，板厚及自重较大。

图8 SP预应力板

最早应用于钢结构的楼承板是开口板，只能作为底模板，因为底部不平整，因此用作住宅楼面板时观感较差；采用闭口板后，闭口板相对开口板较为平整（如图9所示），可以应用在住宅当中。

图9 闭口型楼承板

⑶楼梯结构。

楼梯结构主要有预制砼楼梯、钢楼梯、钢楼梯+预制踏步等。适用于低多层装配式钢结构住宅的主要是预制混凝土楼梯，预制砼楼梯的产品质量较高，但制作工艺和养护成本也要求更高。

1.2 外围护系统

装配式建筑的外围结构种类众多，例如有预制墙板、骨架组合外墙、建筑幕墙等等；但适合用于低多层装配式钢结构住宅的当属预制墙板中的条板体系，其中包括有预制混凝土外墙板、蒸压加气混凝土板、复合夹芯条板等[6]。在条板体系中，蒸压加气混凝土板更为经济实用。其优点在于轻质，比重只有混凝土的1/5、空心砖的1/3，减轻外墙自重有利于减小钢构件的截面；并且隔热性、耐火性、隔音性、承载能力与抗震性能均较好；现场可以以600mm宽度为模数根据现场需求进行拼装及切割，灵活性高，符合装配式建筑的需求。

2 低多层装配式钢结构住宅的结构优势

低多层装配式钢结构住宅有明显区别于传统结构住宅的特征，主要体现在以下几方面：

⑴提高住宅建筑面积的有效使用率

一般来说，低多层装配式钢结构相比普通钢筋混凝土结构，墙柱截面较小，且户型平整，凹凸变化较少，进而增加了建筑面积的有效使用率。跟据统计，采用装配式钢结构的住宅建筑可增加4%～8%的有效使用面积。在寸金寸土的现代，无疑是一大优势。

⑵提高抗震性能。

在地震作用下，传统的低多层砌体结构住宅无法产生有效的变形来抵消地震能量；而低多层装配式钢结构住宅由于所用的钢构件具有很好的延展性及变形能力，在地震作用下能通过自身良好的变形能力来有效抵消地震能量，从而提高房屋的抗震性能[7]。

⑶钢结构跨度大，空间可灵活布置。

传统的混凝土、砖混结构由于材料的特性，空间布局的灵活度受到了限制，大跨度会增加柱截面、梁高、板厚等，影响观感及使用。而装配式钢结构则体现了空间布置灵活的优势，由于钢结构构件长细比远高于混凝土构件，从而可形成较大的跨距，业主可自行根据自身的使用需求灵活布置使用空间。

⑷钢结构构件精度高。

装配式钢结构构件可在工厂内加工生产，相比传统的混凝土、砖混结构，工业化流水线生产的构件精度更高，工程质量更容易保证。

⑸建筑材料可回收。

装配式钢结构住宅还有一个明显的优势在于，其建筑材料可进行回收。不同于传统的混凝土、砖混结构的施工不可逆，即浇筑后会恒定地黏结，拆除后回收可用的建筑材料十分困难，装配式钢结构更易实现后期的拆除，构件回收率极高，符合社会的可持续发展。

3 装配式钢结构住宅户型的现状及解决方法

⑴模数化设计不足。

目前装配式住宅的户型设计和常规的住宅并没有太大的区别，因此没有发挥出装配式住宅的空间可灵活布置的优势；而且模数化设计不足，导致增加生产工序，降低生产构件的效率[8]。因此，对于装配式钢结构住宅，应该更深入全面地贯彻模数化设计，在方案阶段充分考虑构件生产尺寸模数的统一。同一层中尽量统一梁柱截面，这样既可以提高构件的生产效率，也能减少装配式连接节点的种类，从而提高装配式钢结构住宅的标准化程度。提高装配式钢结构住宅的标准化程度，可令生产建造流程系统化和标准化，建立一条装配式钢结构住宅设计、制作、安装一体化的产业链[9]。

⑵缺少空间灵活性。

目前多数的装配式钢结构住宅中，户型设计多数只是把传统的混凝土梁柱替换成钢梁和钢柱，没有体现出钢结构的空间灵活性。因此，为体现钢结构可更适合大跨度设计的技术特点，并满足不同家庭对空间布置的需求，装配式钢结构住宅可进行大跨度设计，内部使用临时隔墙组装；或者由业主自理后期内部布局及装潢。可随着家庭组成的变化而改变内部空间的布置，延长户型的生命周期，增强户型的灵活性和实用性。

⑶忽略了户型朝向，保温效果差。

钢结构存在保温效果差及特有的冷桥问题，为解决保温问题，可先从户型的朝向入手。在南北朝向的户型中，冬天有阳光照射，提升室内温度，可减少对空调、暖炉的使用；夏季则可最大程度地减少太阳对墙面以及室内空间的照射，户型南北对流适当降低室内温度。另外，合理的围护结构设计能有效地提升围护结构的热工性能，减少室内热量的散失，从而达到节能的目的[10]。比如，设计人员可合理选择内外砌墙的类型、隔热断桥窗框、中空双层玻璃，控制窗墙比等来改善围护结构的热工性能，以达到节能的目的。

4 结语

低多层装配式钢结构住宅具有抗震性能好、轻质高强、使用空间灵活可变及绿色环保等优点，是未来装配式建筑产业化的一个发展方向。目前低多层装配式钢结构住宅的结构体系已有一定的研究和应用，但如何合理地因地制宜地进行户型设计，选择适当的梁柱体系、楼板体系、楼梯体系，并进行模数化设计，大量地推广，是我们值得思考的问题。