装配式轻钢轻混房屋及智慧建造技术体系研究*

谢轶莎，彭 雄，李 颖，张建军，胡鹏飞，任 凭，纪永逸，梁桂民

(1.中国电建集团建筑规划设计研究有限公司，北京 100024；2.中科建(北京)工程技术研究院有限公司，北京 100103)

0 引言

到2020年，我国建筑工业化已进入规模化发展阶段，作为建筑工业化的一倡议大发展方向，钢结构特别是轻钢结构成为国内研究和发展的热点。随着国家“一带一路”倡议的深入推进和“乡村振兴”战略的持续实施，为量大面广的乡村地区低层房屋装配式轻钢结构提供了更加广阔的市场空间。

本文通过调研既有低层装配式建筑技术体系，选择冷弯薄壁型钢结构体系，结合其优越的抗震性能与成熟的工业化、自动化建造体系，利用轻质混凝土进行墙体填充，有效解决墙体空洞问题；再结合预制工艺，解决现场质量、成本控制与工期问题，提出一种新型的预制轻钢轻混墙板节点连接构造形式与工法体系。

1 工程概况

为研究新型装配式钢结构建筑体系，以山西长治山西建投晋东南园区别墅项目为例，在传统冷弯薄壁型钢结构体系的基础上，基于质量优、工期短、成本可控的目的，进行装配式轻钢轻混房屋及其智慧建造技术体系的相关开发研究。

该别墅项目为2层建筑，建筑面积为261.84m2，平面尺寸为13.80m×10.45m(长×宽)，总高度为8.5m。

传统的冷弯薄壁型钢结构体系虽有工业化、自动化及便捷施工的优势，但存在空鼓感、刚度低，从而影响舒适度，市场接受度低。采用轻钢龙骨灌浆墙体系，湿作业较多，现场施工质量难以控制；钢框架结构外围护墙体技术不够完善，易开裂；采用干挂幕墙系统，造价较高；预制混凝土品质和精度较高，市场接受度高，但对工厂配套及现场施工条件有要求，且标准化和规模化对造价的影响巨大，现阶段造价过高。最终选择预制轻钢轻混结构体系，集成了轻钢结构和预制混凝土结构的优势，弥补了各自短板，具有造价可控、质量可控、生产和安装便捷、市场接受度高的优势。

2 装配式轻钢轻混房屋体系集成

基于产品思维，在传统冷弯薄壁型钢结构的基础上进行工法创新，融合轻质混凝土墙体结构及面层装饰技术，通过标准化装配式节点构造，结合新型墙体材料技术、配套自动化生产和安装工艺及基于BIM技术的智慧建造信息化系统，形成装配式轻钢轻混房屋及智慧建造技术体系。

该体系仍采用冷弯薄壁型钢结构，墙板和楼板在工厂预制成型，运到现场直接进行拼装，轻质混凝土墙体起保温和围护作用，密度约为400kg/m3，强度约为1.4MPa；采用标准化节点构造和连接方式，按开间和轴线进行拆分，考虑运输和吊装要求，构件宽度不宜超过2.5m，不应超过3m。装配式轻钢轻混房屋骨架与部件拆分如图1所示。新型装配式轻钢轻混房屋体系既发挥了冷弯薄壁型钢结构体系节能抗震、工业化程度高、质量好、建造周期短且施工便捷的优势，又可满足多样化的建筑立面与造型要求。

图1 装配式轻钢轻混房屋骨架与部件拆分示意

2.1 预制墙板构造

该体系预制轻钢轻混墙板主要由轻钢龙骨、轻质混凝土、硅酸钙板及饰面层组成，如图2所示。轻钢龙骨作为主要受力构件，轻质混凝土起保温和围护作用，龙骨两侧加硅酸钙板或镀锌抗裂铁丝网作面层。轻质混凝土凸出龙骨边框10～20mm，墙体四周龙骨外露40mm，由连接件连接。采用抗裂网时，可在龙骨翼缘上加工挂板连接件，钢筋网无需焊接，直接挂装在连接片上即可；通过采用挂板形式，可在干式结构节点的基础上，有效满足建筑防水的要求，且具有较好的隔热性能。

图2 冷弯薄壁型钢墙体构造

2.2 预制楼板构造

该体系轻钢轻混楼盖由双向龙骨、轻质混凝土及面板或抗裂网组成，如图3所示。楼盖在工厂预制成楼板构件，运到现场后安装在轻钢梁上。墙体与梁在工厂独立预制，考虑安装和运输的便捷性，管线可在桁架梁空间内敷设。楼板与梁由桁架梁顶部的自攻钉连接。由于整个楼盖中间填充了轻质混凝土，隔声效果较好，但需注意处理好楼板拼缝的声桥问题，一般可通过发泡聚氨酯封堵和打胶处理。

图3 预制楼板构造

2.3 主要节点构造

1)墙体与基础连接节点 预制墙体与基础通过在墙体钢边框部位布置角钢连接(见图4a)，角钢尺寸和螺栓构造根据结构受力进行设计，角钢端部应布置抗拔件。由于墙体已预制成型，不能采用传统轻钢龙骨抗拔件的布置形式，可在裸露边框部分的龙骨两侧布置抗拔件，实现同等效果。

2)墙体连接节点 墙体间通过2个异形卷边角钢进行连接(见图4b)。连接设计应考虑方便自攻钉的施工操作，自攻钉搭设完毕后，在2个卷边角钢开口处补充布置铁片，实现组合柱加强的节点设计。组合柱钢结构施工完成后，中间灌注轻质混凝土或填充发泡聚氨酯进行封闭，最后进行墙体饰面层施工。

3)预制梁与墙体连接节点 由于梁与吊顶连接，梁的空洞感不影响别墅居住品质，因此梁内无需灌注轻质混凝土或填充发泡聚氨酯。节点设计时，在梁底部直接布置自攻钉与墙体天龙骨连接即可。为保证上、下墙体连接紧密，应布置补充连接件，连接下部墙体、梁和上部墙体(见图4c)。

图4 主要节点构造

3 节点有限元计算分析

装配式轻钢轻混结构体系采用轻质混凝土墙体，与传统冷弯薄壁型钢体系相比增加了墙体刚度，需进一步进行节点构造计算，确保墙体先于节点破坏。采用有限元分析软件ABAQUS对一字形连接节点、L形连接节点和T形连接节点的连接构造进行计算。

计算时，轻钢龙骨、连接缀板、连接件龙骨等采用壳体(S4R)单元，钢丝网采用线单元进行模拟。钢材均采用理想弹塑性模型，其材料特性按材性试验实测值输入，取弹性模量E=2.0×105N/mm2，泊松比υ=0.3，屈服强度qu=303.7MPa；钢丝网E=1.9×105N/mm2，υ=0.3，qu=210.0MPa。轻质混凝土采用ABAQUS自带的混凝土损伤(C3D8R)单元，由于未进行试验，其抗压强度取1.4MPa，受拉曲线参考受压曲线，受拉应力取受压应力的1/10，泊松比近似取0.3。底部固接，顶部施加水平位移荷载。

3.1 墙体一字形连接节点计算分析

一字形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力如图5所示。由图5可知，施加的横向位移达到12mm时，即层间位移角为1/250前，轻质混凝土有轻微破坏，但一字形连接节点的整体刚度没有本质改变，整体呈弹性状态；随着位移的继续增加，墙体龙骨框架中部混凝土逐步退出工作，当横向位移达到27mm时，边柱龙骨下部腹板开始出现局部屈曲；位移达到70mm时，轻钢龙骨立柱上、下端腹板屈服，混凝土破坏严重。在整个破坏过程中，墙与墙之间的连接缀板均未出现屈服，满足“强节点，弱构件”的抗震设计要求。

图5 一字形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力云图(单位：Pa)

3.2 墙体L形连接节点计算分析

L形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力如图6所示。由图6可知，施加的横向位移达到12mm时，即层间位移角为1/250前，由于轻钢龙骨呈弹性状态，此时整体仍然呈弹性状态；位移达到70mm时，墙体框架立柱龙骨的腹板螺栓连接区域屈服，轻钢龙骨边柱上、下端腹板屈服，混凝土退出工作。

3.3 墙体T形连接节点计算分析

T形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力如图7所示。由图7可知，对于墙体T形连接节点，施加的横向位移达到12mm时，墙体框架立柱龙骨腹板螺栓连接区域附近的轻钢发生局部屈服；位移达到70mm时，墙体框架立柱龙骨腹板螺栓连接区域附近的轻钢屈服，轻钢龙骨边柱上、下端腹板屈服，混凝土破坏严重。与一字形节点破坏形态类似，在整个过程中，墙体连接缀板均未屈服，符合“强节点，弱构件”的抗震设计原则，节点强度满足要求。

图6 L形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力云图(单位：Pa)

图7 T形连接轻钢轻混大板结构Von Mises应力云图(单位：Pa)

4 智慧建造平台开发

4.1 基于BIM的正向设计

本项目基于BIM的正向设计与项目管理信息平台主要包括标准化部品部件库、设计软件、工厂生产管理系统、现场建造管理系统(见图8)。与传统的建设方式不同，该装配式轻钢轻混房屋基于标准化部品部件库组装成建筑整体模型，然后进行各专业验算；验算通过后，直接将所选择的部品部件信息传递至生产管理系统进行生产；最后在工地结合设计信息与生产信息，进行安装。

4.2 自动化生产设备

基于房屋智慧建造信息平台，集成技术成熟的轻钢龙骨型材设计生产一体化设备、龙骨型材自动化设备和轻质混凝土制备自动化设备，创新开发打通平台和设备之间的信息化系统接口，改造升级传统PC生产线或自主创新组成立模，集成装配式轻钢轻混结构体系智慧建造系统。自主创新立模系统考虑了轻钢龙骨与轻质混凝土的特点，创新性地将立打工艺与ALC墙板生产工艺相结合，具备更高效、成本更低的优势。

5 示范工程建设效果

经项目实践测算，该2层别墅项目采用装配式轻钢轻混体系，实现了基于BIM技术的智慧建造平台的有效管控，实现了建设单位、设计院、施工单位及工厂多方协调的信息化管理，达到了项目所用构件工厂生产周期仅1个月，现场安装施工工期仅7d的效果。经测算，项目中应用综合造价约为1 500元/m2，与传统的冷弯薄壁型钢相比，造价基本持平，相当于用轻质混凝土替换了原有的岩棉填充，填充保温材料更经济，但安装措施费略高。与轻钢龙骨灌浆墙相比，造价略高(后者约1 300元/m2)，但预制轻钢轻混墙板结构质量和品质更好，现场工期更短，当项目规模较大时，可体现出更显著的优势。

6 结语

装配式轻钢轻混房屋智慧建造技术体系基于产品思维，以冷弯薄壁型钢结构为结构体系、研发了标准化的装配式节点构造，结合新型墙体材料技术、配套自动化生产和安装工艺及基于BIM技术的智慧建造信息化系统，最终实现房屋的成品交付与造价、质量可控。通过研究与示范，该体系具有造价、质量与性能优势，适用于冬暖夏热地区的低层房屋建设，可解决项目规模大、造价低、工期短等难点，通过测算，该体系具有显著的社会经济效益，具有广阔的市场前景。

图8 基于BIM的正向设计管理平台