当前, 尽管国家推广工业化住宅的力度空前, 成效还是甚微, 结果与目标存在巨大反差:目标是发挥工业化生产高效率、低成本优势, 提高施工效率, 降低材料消耗和建造成本;结果是建造环节明显增加、构件制作机械化程度不高、材料消耗不降反增, 建造成本显著增加。就目前装配式居住建筑发展现状来看, 还存在以下几个问题:1) 设计还未能形成标准化、模数化, 只有设计标准化、模数化发展, 才能带动构件标准化和生产产业化发展;2) 装配式建筑体系比较多, 还未形成较为完善统一的标准体系;3) 构件未形成工业化生产, 构件制作并未实现大批量、流水线、机械化生产, 只是将现场的人工作业转化为工厂的人工作业, 劳动密集型的生产特征并未得到显著改善, 反而因为增加了制作、运输、安装环节, 显著增加了建造成本, 产生了不可克服的矛盾;4) 预制构件产能不足, 尤其是瞬时产能不足, 我国的房地产市场没有标准化的产品, 属于私人定制, 构件瞬时产能不足;5) 施工机械化水平不够, 目前的装配式结构大部分为部分装配式, 避免不了预制与现浇相结合的工艺, 仍然要提高施工机械化水平, 减少干湿交叉作业引起的现场施工工艺复杂及施工质量问题;6) 造价高, 目前的装配式建筑造价比现浇结构要高。

　　 我国现有住宅多采用剪力墙结构体系, 符合当前我国居民生活需要。但此类结构体系 (尤其是高层住宅) 往往建筑开间小, 不利于建筑后期改造等可持续利用, 不能满足住宅使用的个性化需求。此外, 当采用工业化方式设计和建造高层剪力墙结构住宅时, 常常遇到预制构件标准化程度低 (建筑平面、立面类型多) 、构件生产成本高 (模具利用率低) 、安装难度大 (套筒连接数量远大于框架结构) 等问题, 因此, 有必要开发一种新型装配式住宅体系, 解决以上问题。通过创新装配式结构体系, 实现大批量、流水线、标准化生产及机械化安装, 降低构件制作成本, 实现工程应用, 促进我国装配式住宅进程。

　　 预制装配式钢结构住宅结构体系具有工业化程度高、施工周期短、施工不受季节限制、现场湿作业少、材料利用率高、绿色环保、建筑节能性能好等优点, 是中国推进住宅现代化的理想住宅结构体系。在钢结构诸多类型中, 钢框架结构具有建筑空间大、布置灵活、易于标准化、定型化等优点, 目前在多、高层建筑中应用最为广泛, 但钢框架结构的抗侧刚度小, 需要与其他抗侧力体系结合才能满足工程应用的要求, 常见的结构体系有钢框架-支撑、钢框架-钢筋混凝土核心筒、钢框架-钢板剪力墙等^[1]。上述抗侧力体系均能增加结构抗侧刚度, 但存在构造复杂、装配化施工不便、维护成本高等缺点。宝钢Living Steel项目组、同济大学等对钢框架-带缝钢板剪力墙结构体系在钢结构住宅中的应用开展了专题研究^[2,3,4,5], 并将该体系较大规模地应用于四川都江堰灾后重建重点项目“兴堰·逸苑”全钢结构安居房中^[6], 然而材料本身造价较高, 加工工艺复杂, 同时存在防火、防腐、外围护、后期装修等一系列问题。

　　 研发构造简单、成本低、综合性能好的完全装配式钢结构多、高层住宅结构体系是目前中国时代发展需要。在此背景之下, 提出一种适用于高层大空间住宅的新型工业化建筑体系:斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系。这种新型住宅体系突破了传统装配式剪力墙结构房型固定的缺点, 只保留楼梯间、电梯间的核心筒剪力墙以及部分分户剪力墙, 内部形成可变房型的大空间, 大大减少了混凝土构件 (剪力墙和梁) 的数量, 便于预制构件的标准化设计、生产和施工。

　　 斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系的基本构成为:现浇剪力墙和带斜撑的钢框架组成的竖向受力体系、改进型的SPD板 (SPD板为带现浇层的预制预应力空心板) 组成的水平受力体系以及结构-保温-装饰一体化的外围护体系三个部分。

　　 竖向受力体系的现浇剪力墙利用建筑楼电梯间以及分户墙位置进行布置, 其余位置不设剪力墙。建筑外围护墙由带斜撑的钢框架构成, 从而使得整个建筑内部形成了大空间。同时, 外围护体系采用钢结构设计, 相比混凝土结构, 进一步提高了体系的安全性能。而斜撑的设置进一步改善了结构的抗震性能和提高了材料的利用率, 同时也简化了节点的连接构造, 如图1、图2所示。

　　 水平受力体系采用SPD板, 不但实现了楼板的大跨度, 提高了楼板的标准化程度, 而且SPD板的使用降低了楼板的结构层厚度 (预制楼板厚度为150~180mm, 叠合层厚度为60~80mm) 、减轻了结构自重、同时又保证了楼面的整体刚度。改进型的SPD板是在预制板加工过程中, 在板上表面印模制作可以铺设管线的凹槽, 从而解决管线交叉重叠布置超出叠合层的问题。

　　 主要预制构件适合于进行标准化设计, 标准化生产、机械化施工便于实现大批量流水线加工, 同时可以最大程度地减少建筑预制构件种类, 提高设计标准化和模数化程度, 降低构件制作和工程建造成本, 提高了市场竞争力。

　　 斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系中, 集成式外墙、预制大跨度SPD楼板均可进行工业化生产、现场安装, 具有施工周期短、不受季节限制、现场湿作业少等优点, 有利于实现标准化设计、工厂化生产、一体化施工, 从而能够促进住宅产业化的发展。

　　 斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系是一种双重抗侧力结构体系, 在风荷载及多遇地震作用下, 钢框架和现浇剪力墙提供结构处于弹性阶段所需的承载力和刚度;在罕遇地震作用下, 剪力墙作为第一道防线, 通过自身的开裂实现能量耗散, 对钢框架提供保护, 当其退出工作后, 钢框架仍具有一定的承载能力, 且结构体系延性好, 可实现两道设防, 避免在罕遇地震作用下结构发生严重破坏甚至倒塌。主体钢结构与围护体系集成形成单元式外墙, 一旦围护墙体在地震中受损, 可以在灾后进行维修和更换。

　　 由钢框架柱、钢框架梁、钢斜支撑组成的钢框架结构与内外叶墙板、夹心保温层和装饰层进行集成, 形成集结构-保温-装饰一体化的集成式外围护系统。该系统集围护、保温、防水、隔声、防火、装饰、管线设备等因素为一体, 形成模块化单元, 在工厂加工制作, 集各道工序为一身, 到施工现场进行吊装装配, 板材安装完成后, 除嵌缝处理外, 所有的工序皆已全部完成, 大大缩短了工期, 减少了人工成本。墙板、构件工厂标准化生产和现场装配施工可降低施工现场的污染、减少施工垃圾, 符合绿色建筑标准中节能、节材、环保的要求。集成式外墙技术在降低经济成本的同时能满足绿色建筑设计要求, 符合未来装配建筑墙体的发展趋势。图3为集成式外墙示意图, 细部构造见图4, 集成式外墙主要分为四种类型:门、窗、柱、墙。

　　 墙体材料采用真空高压挤出成型工艺制作, 其强度、导热系数、耐候性、抗震性、耐火性等性能更高于一般建材, 在满足建造工期快速完成的同时又兼顾建筑质量, 简易不简单。

　　 方钢管柱和H型钢梁传统连接节点一般为全螺栓连接和栓焊连接两种方式, 前者对构件加工精度要求很高, 成本较高, 且由于螺栓突出H型钢上翼缘而影响楼面结构的施工安装;后者节点处H型钢的上下翼缘为现场焊接, 受到操作工自身条件和天气状况影响, 施工质量和工期很难得到有效保证。如图5所示, 本型钢梁柱节点采用上下贯通式隔板和钢柱焊接, H型钢放置于下端板上, H型钢下翼缘、腹板分别与下端板和竖板用螺栓紧固, H型钢上翼缘则与上端板现场焊接。这种连接方式既方便构件吊装就位, 又可加快后续施工速度 (焊接工作可以等到天气好的时候进行) , 且站立焊接可以保证焊接质量, 因此可以避免传统连接形式的诸多弊端。

　　 SPD板技术起源于20世纪50年代的美国 (SPANCRETE机械制造公司) , 现已在德国、日本等发达国家得到普及, 目前中国也已引进此项技术。SPD板技术是一项非常成熟的工业化预制混凝土构件技术, 但又不同于传统预制空心板, SPD板非常适合与钢结构的配合应用, 可实现住宅大跨度空间, 减少钢梁品种, 并大大加快现场施工速度。经过日本阪神和美国北岭等超大地震的考验, 证明SPD板具有良好的抗震性能。

　　 在SPD板加工过程中, 在板上表面印模制作可以铺设管线的凹槽, 从而解决管线交叉重叠布置超出叠合层的问题, 如图6所示。SPD板板端预埋钢件, 待吊装完成后, 将预埋件与钢梁焊接为一体, 保证焊接质量。焊接完成后, 布置缝间钢筋, 然后清理板缝中的杂物, 浇筑板缝细石混凝土。

　　 本算例为一栋20层高层住宅, 标准层层高为2.9m, 总高度58m。该结构抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 场地类别为Ⅲ类, 设计地震分组为第一组。采用斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系, 采用PKPM软件建立三维有限元模型, 如图7所示。

　　 采用Lanczos法分析并提取结构前六阶振型和对应的周期, 见表1, 其中扭转周期与第1阶平动周期之比为0.693, 满足《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) ^[7]的要求。对结构进行弹性振型分解反应谱法分析, 图8为在水平地震作用下结构的层间位移角曲线, 最大层间位移角为1/914 (出现在第9层) , 满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 的限值 (1/800) 要求。

　　 本文提出一种适用于高层大空间住宅的新型工业化建筑体系:斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系, 从基本构成、体系特点、关键技术等方面对该体系进行全面的介绍, 并对一栋20层该体系高层住宅进行设计实例分析, 验证了该结构体系的可行性。斜撑增强型钢框架-剪力墙装配式住宅体系是一种构造简单、成本低、综合性能较好的装配式钢结构高层住宅结构体系, 符合装配式结构体系的发展和建筑产业化的进程。