2016年2月, 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》 (中发[2016]6号) ^[1]提出发展新型建造方式, 指出大力推广装配式建筑, 积极稳妥推广钢结构建筑, 钢结构住宅是装配式建筑发展的重要组成部分。钢结构具有诸多的优势, 如自重轻、抗震性能良好、施工工期短、工业化生产程度高、预制率高等优点, 在装配式建筑发展中具有天然的优势。

　　 随着城市建设步伐的不断加快, 建设用地越来越紧张, 特别是以北上广为首的一线城市, 超高层建筑愈来愈多, 发展迅速^[2]。基于国家政策的引导、装配式钢结构的优势以及超高层建筑的快速发展, 装配式钢结构在超高层住宅项目中的应用成为重要的发展方向之一。目前我国钢结构住宅应用较少, 且主要集中于多高层建筑中, 如武汉赛博园一期^[3]、武汉世纪家园^[4]、上海中福城^[5]等项目。

　　 本文以某实际超高层住宅项目为背景, 对混凝土结构和装配式钢结构进行综合比较;从建筑方面对装配式钢结构体系与建筑功能的配合程度进行分析, 并对三板体系 (楼板、外墙、内墙) 进行选型对比;从结构方面对装配式钢结构体系及风振舒适性进行初步设计;综合探究了装配式钢结构在超高层住宅中应用的可行性。

　　 某超高层住宅建筑位于深圳市, 抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期T_g为0.35s。10年一遇风荷载为0.45k N/m², 50年一遇风荷载为0.75k N/m², 100年一遇风荷载为0.9k N/m²。结构高度为179.6m, 地下3层, 地上55层, 层高3.1m (避难层4.0m) 。平面尺寸的投影尺寸为23.1m×42.1m, 其中标准层面积约710m², 每层6户 (3种户型) , 地上总面积约40 000m²。建筑平面图及立面图见图1, 2。

　　 由于标准层平面形状不规则, 该项目结构高宽比采用《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[6]最小宽度计算结构高宽比的方法较不合理, 计算结果偏大;广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》 (DBJ 15-92—2013) ^[7]规定:当建筑平面非矩形时, 可取平面的等效宽度计算高宽比, 等效宽度B计算公式为:

　　 式中R为建筑平面最小回转半径。

　　 采用该公式计算塔楼高宽比为8.8, 已超过规范限值6.5。

　　 该项目具有以下特点:1) 结构高宽比较大, 达到8.8;2) 建筑所在地理位置水平风荷载较大, 结构侧向刚度由风荷载控制;3) 建筑品质要求高, 可布置抗侧构件的位置不多, 需满足室内户型可任意分割、外立面视觉通透的要求;4) 建筑使用功能为高档住宅, 对舒适度要求高;5) 需缩短施工工期, 满足业主对项目进度的要求。

　　 根据该项目特点, 同时响应国家政策, 提出混凝土结构和装配式钢结构两种方案进行选型对比。

　　 两种方案分别为:1) 混凝土方案。设计思路为:增加结构的抗侧构件数量和构件截面尺寸, 提高结构刚度, 使结构的侧向变形和风振舒适度满足规范要求。2) 钢结构方案。设计思路为:合理布置钢支撑, 满足结构的基本刚度需求 (刚重比、剪重比等) , 并通过有效地布置黏滞阻尼装置, 增加结构阻尼比, 改善建筑物的风振舒适度, 满足规范要求。

　　 混凝土方案采用钢筋混凝土剪力墙+钢筋混凝土梁结构体系, 结构体系的组成和标准层的结构布置如图3, 4所示。

　　 钢结构方案采用CFT柱型钢框架+钢支撑+黏滞阻尼墙结构体系, 结构体系的组成和标准层的结构布置如图5, 6所示。

　　 为满足该项目对建筑功能、项目进度的要求, 从结构布置、构件截面、结构自重、施工及预售期等多方面对以上两种方案进行综合对比。

　　 两种方案的标准层结构布置见图4, 6。混凝土方案为满足结构的刚度需求, 剪力墙布置密集, 对室内空间影响较大, 难以实现室内户型任意分割, 且对外立面视觉通透具有一定的影响;钢结构方案支撑布置较少, 主要集中于交通区域, 室内空间布置灵活, 满足户型变动需求, 同时可保证外立面视觉的通透性。

　　 两种方案构件截面如表1, 2所示, 与混凝土方案相比, 钢结构构件尺寸较小, 低区建筑墙厚可由700mm减小到400mm (减小36%) 。混凝土方案抗侧构件截面所占建筑面积比为9.9%, 钢结构方案为6.5%, 与混凝土方案相比降低了3.4%, 钢结构方案提高了建筑使用面积。

　　 两种方案上部结构自重 (1.0恒荷载+0.5活荷载) 如表3所示。与混凝土方案相比, 钢结构方案上部结构重量约降低34%。上部结构自重的降低有助于降低基础造价, 同时有利于减小结构的地震作用。

　　 根据对大型施工单位的调研, 混凝土结构受施工过程中各因素的制约, 工期较长, 地上主体结构标准层施工速度约为6d/层。钢结构大部分构件在工厂生产, 运往现场后整体组装, 施工工期短, 地上主体结构标准层施工速度约为4d/层。

　　 与混凝土方案相比, 该项目钢结构方案施工工期可缩短110d, 如表4所示。根据深圳市关于商品房预售期的政策^[8], 采用混凝土结构的住宅建筑施工到2/3楼层可开始预售, 钢结构住宅建筑施工到1/3楼层可开始预售。该项目钢结构方案预售期可提前145d, 有助于业主的资金回笼, 提高综合效益。

　　 综合比较混凝土方案和钢结构方案, 钢结构方案可有效提高建筑使用面积, 降低基础造价, 满足该项目的高品质要求, 实现室内户型的任意分割, 且在施工工期和住宅预售期方面具有较大的优势。钢结构方案综合经济效益更好, 更能满足该项目的设计要求。因此该项目最终采用CFT柱型钢框架+钢支撑+黏滞阻尼墙结构体系进行初步设计。

　　 由于该项目为高档住宅, 对建筑品质要求高, 通过采用装配式钢结构体系, 提高了建筑使用品质, 满足项目建筑功能的高标准要求, 主要体现于以下3点:1) 外立面通透性。支撑、黏滞阻尼墙主要布置于公共交通区域的隔墙位置, 以保证建筑外立面视觉通透, 见图7 (a) , (b) 。2) 户型灵活划分。在各户型整个室内空间中, 框架柱极少, 户型划分灵活, 见图7 (c) ~ (h) 。3) 露梁露柱问题。结构设计中通过将钢管混凝土柱扁长化, 减小隔墙厚度, 同时借助内部装修技术, 可有效解决室内露梁露柱的问题。

　　 在装配式钢结构建筑中, 为满足住宅的使用功能要求, 符合人们的居住体验, 楼板体系及维护体系的选择极为重要。基于调研和分析对比, 对该项目三板体系 (楼板、外墙、内墙) 的选型提出建议。

　　 装配式建筑中通常采用的楼承板主要有压型钢板组合楼板和钢筋桁架楼承板、叠合楼板, 共3种, 如图8所示。对以上3种楼承板从受力性能、施工速度、管线穿越、二次装修等方面进行综合对比, 结果见表5。压型钢板组合楼板施工中需设置临时支撑, 且板底需做吊顶;叠合楼板目前主要应用于装配式混凝土建筑中;针对项目特点, 建议采用钢筋桁架楼承板。

　　 目前外墙体系主要有ALC板、PC板、金属幕墙、内嵌式窗系统。根据调研分析, 从施工难度、墙体自身性能、立面造型等方面对以上外墙体系进行对比分析, 结果见表6。由于该项目为超高层高档住宅, 而ALC板建筑造型较单一, 美观度较差;PC板自重较大, 对结构受力不利;同时内嵌式窗系统主要应用于办公建筑。综合比较, 建议采用金属幕墙。

　　 常用内墙体系主要有砌块墙、ALC板、轻钢龙骨隔墙3种。调研分析以上3种内墙体系的各自优点和存在的主要问题如表7所示。由于超高层钢结构在水平荷载下侧向变形较大, 采用砌块墙易产生裂缝;轻钢龙骨隔墙舒适性较差, 不符合人们常规的居住体验;而ALC板内墙与传统砖墙相似, 整体性好, 在钢结构住宅中应用广泛。针对该项目, 建议选用ALC板。

　　 装配式钢结构建筑可基于信息化的BIM技术有效实现其全生命周期的管理和控制, 包括设计优化、建筑结构匹配、建筑部品选型、建筑使用中的运营维护等等。BIM技术的应用可有效提高装配式建筑的设计、生产及施工的效率, 实现建筑工业化。

　　 该项目在前期可行性分析中运用BIM技术辅助装配式钢结构建筑初步设计, 有效提高了设计效率。其中包括结构布置优化 (图6) ;建筑与结构匹配分析 (图7) ;楼板体系选型 (图8) ;建筑节点构造细化等工作 (图9) 。采用BIM技术, 实现结构与建筑设计可视化, 满足该项目建筑功能高标准的要求。

　　 采用ETABS软件对钢结构方案进行建模分析, 梁、柱、支撑采用杆单元, 楼板采用膜单元。对该超高层钢结构体系的周期比、层间位移角、扭转位移比、层间刚度比等整体指标进行了分析验算, 振型结果见图10, 结构前两阶振型为平动, 第三阶振型为扭转, 塔楼整体指标如表8所示, 侧向变形由风荷载控制, 结构整体指标均能满足规范要求, 具有良好的整体性能。

　　 超高层结构随高度的增加, 水平方向抗侧刚度相对较小, 对风荷载作用比较敏感^[9]。本项目高宽比较大, 建筑所处地理位置风荷载较大, 风振舒适度是该项目设计的关键要点之一。

　　 为改善超高层建筑的风振舒适性, 通常采用的解决方案主要有3种^[10]:1) 方案1:通过增加结构抗侧构件截面尺寸, 调整结构的自身刚度, 以达到设计要求;2) 方案2:通过合理地布置黏滞阻尼装置, 增加结构阻尼比, 吸收能量, 降低结构加速度反应;3) 方案3:布置调谐质量阻尼器 (TMD) 进行减振。

　　 针对该项目, 对3种方案进行对比, 结果表明:方案1增加构件截面不仅会大幅度增加造价, 同时对建筑使用产生不利影响;方案2在公共交通区域设置黏滞阻尼墙装置, 对结构布置和建筑功能基本无影响;方案3布置TMD需占用较大使用空间, 对结构竖向承重构件产生不利影响, 且造价较高。考虑到该项目为住宅建筑, 因此采用方案2。

　　 黏滞阻尼墙主要由内钢板、外钢板及位于内外钢板之间的黏滞液体组成, 如图11所示。黏滞阻尼墙是一种速度性阻尼器, 其工作原理为:在水平荷载作用下, 上、下楼面的运动速度不同, 导致内钢板和外钢板之间产生相对速度, 内外钢板之间的速度梯度引起黏滞液体的剪切滞回耗能, 从而降低结构的动力响应^[11]。为提高阻尼墙耗能效率, 一般将阻尼墙安装在相对变形较大的楼层, 固定于上下梁之间, 利用结构的层间剪切变形来发挥阻尼墙的作用。

　　 采用ETABS对结构进行顶点加速度验算, 分析模型中黏滞阻尼墙采用基于Maxwell模型的Damper单元模拟。

　　 根据结构在水平荷载下的变形特点和建筑平面布置, 该项目黏滞阻尼墙主要参数为:阻尼系数为4 000 k N/ (m/s) ^0.45, 阻尼指数为0.45。黏滞阻尼墙布置位置见图12。17~26层和29~40层连续布置黏滞阻尼墙, X, Y向每层各布置2个。

　　 由于该项目对建筑品质要求高, 按照国内规范《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[12]和国际化标准组织 (ISO 10137) ^[13]相关规定对塔楼进行10年和1年一遇风时程的结构顶点加速度验算, 10年一遇风荷载的结构顶点加速度规范限值为0.2m/s², 1年一遇风荷载的结构顶点加速度规范限值为0.09m/s²。

　　 分析采用的10年一遇风时程数据根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[14] (简称荷载规范) 规定的深圳地区10年一遇风荷载标准值 (w₀=0.45k N/m²) 以及相应的地面粗糙度 (C类) 计算生成, 如图13 (a) 所示。1年一遇风荷载标准值由于荷载规范未作出规定, 该项目参考文献[15], 取1年期风速为18.2m/s, 计算生成1年一遇风时程数据, 如图13 (b) 所示。

　　 对无控结构 (无黏滞阻尼墙) 和有控结构 (有黏滞阻尼墙) 的结构顶点加速度进行时程验算。

　　 (1) 10年一遇风荷载

　　 10年一遇风时程分析结果如图14和表9所示。无控结构的X, Y向顶点最大加速度分别为0.23, 0.29m/s², 均超规范限值。有控结构布置黏滞阻尼墙, 结构顶点最大加速度均小于0.2m/s², 满足舒适度要求。

　　 (2) 1年一遇风荷载

　　 1年一遇风时程分析结果如图15和表10所示。无控结构的X, Y向顶点加速度分别为0.12, 0.16 m/s², 均大于限值0.09m/s²;有控结构X, Y向的结构顶点最大加速度均小于0.09m/s², 满足舒适度要求。

　　 (3) 黏滞阻尼墙滞回曲线

　　 黏滞阻尼墙在风荷载时程分析中的滞回曲线如图16所示。由图可见, 阻尼墙滞回曲线饱满, 能够发挥良好的耗能减振作用, 有效减小结构风振响应, 改善结构的舒适性。

　　 通过布置黏滞阻尼墙, 在不影响建筑功能的前提下, 利用黏滞阻尼墙在脉动风荷载作用下的滞回耗能, 减小结构的风振响应, 有效改善了建筑物的舒适性。

　　 本文以某超高层住宅项目为背景, 综合对比了装配式钢结构与混凝土结构, 结果表明, 装配式钢结构体系具有施工速度快、自重轻、构件尺寸较小等优势, 有较好的综合经济效益。并从结构布置与建筑功能的配合程度, 三板体系分析选型、结构整体性能、风振舒适性等方面说明了装配式钢结构体系在超高层住宅项目中应用是可行的。相信随着国家政策的推动, 人们对钢结构认识的加深, 装配式钢结构体系在超高层住宅建筑中的应用将会愈来愈多。