近年来, 部分企业在装配式钢结构住宅方面进行了相应的技术研发和产业布局, 完成了一些示范工程, 推进了行业进步, 然而, 钢结构住宅应用技术仍面临着诸多难题, 其中制约钢结构住宅发展的首要因素是结构体系与住宅户型平面布局的矛盾。简单套用钢筋混凝土剪力墙结构住宅户型进行设计是导致钢结构住宅建设中诸多问题的根源。只有转变户型设计优先于结构设计的思路, 遵循钢结构体系的力学逻辑, 减少平面凸凹, 形成规则的框架柱网才能充分发挥钢结构的优势, 发展出顺应装配式钢结构体系的建筑产品。

　　 此外, 钢结构住宅工程和设计案例较少, 设计人员对于标准化和模数化设计方法认识不足, 仍旧沿袭传统设计方法, 制约了装配式钢结构住宅的应用推广。因此, 深入了解装配式钢结构住宅体系, 加深对结构体系、三板体系及内装体系的理解 (图1) , 总结标准化和模数化设计方法, 对装配式钢结构住宅的应用和发展具有重要意义。

　　 天成装配式住宅项目部分住宅为政府安置房, 按照政策规定需采用装配式建筑。项目位于河北省沧州市, 由于沧州市附近没有大型混凝土预制构件厂, 若采用装配式混凝土建筑, 存在构件异地加工、运输的不利影响, 此外该项目预制构件种类多, 但批量小, 无法形成大规模批量生产, 因此在生产、运输、安装上会导致该项目成本大幅度提高。通过装配式建筑技术调研和方案比较, 业主最终确定采用装配式钢结构建筑。

　　 装配式钢结构住宅建筑方案形成是一个系统的推敲过程, 规则化、标准化、模块化是控制成本、减小施工难度、形成批量效应的关键设计原则, 结构方案与建筑户型的充分融合是规避缺陷的关键设计思想, 遵循钢结构体系力学逻辑, 发挥钢结构大空间优势, 扬长避短, 实现钢结构住宅户型布局的多样性和可组合性是其不同于传统住宅的重要特点。

　　 从项目具体定位角度出发, 建筑布局是关键, 合理选择相对应的结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装修系统至关重要, 基于系统协调的设计是装配式钢结构住宅建筑设计的灵魂, 从而实现装配式钢结构住宅建筑的功能完整、性能优良。

　　 天成装配式住宅项目建筑功能为政府安置类住房, 地下3层、地上27层, 最大建筑高度80m (图2) , 设计基准期为50年, 安全等级为二级, 抗震设防类别为丙类, 抗震设防烈度为7度 (0.15g) , 建筑场地类别为Ⅲ类场地, 设计地震分组为第二组, 基本风压为0.40kN/m² (50年一遇) 。结构体系采用矩形钢管混凝土柱框架-中心支撑体系;楼盖采用可拆底模钢筋桁架楼承板;外墙系统采用300mm厚蒸压加气混凝土墙板 (简称ALC墙板) 系统, 节能标准75%, 隔声要求50DB;分户墙采用150mm厚ALC墙板系统, 隔声要求45DB;户内隔墙采用轻钢龙骨石膏板隔断内嵌岩棉。

　　 该项目前期方案由其他公司完成, 平面布局按照传统剪力墙结构思路设计, 不适宜于钢结构住宅产业化。我公司承担该项目后, 基于装配式钢结构设计思路进行了优化, 遵循钢结构特点, 按照模块化组合、模数协调原则进行户型调整, 优化后建筑平面布置见图3。方案优化途径如下:1) 模块组合化:按照不同使用功能进行合理划分, 确定户型模块, 采用户型模块多样化组合形式;2) 模数协调化:实现部件和内装部品的标准化、系列化、通用化;3) 结构规整化:根据钢结构特点设计模块, 结构布置规整、方正、轴线对位, 减少柱数量以实现大空间, 充分发挥钢结构优势。

　　 该项目定位为政府安置类住房, 结构体系选择力求技术成熟、效率高、造价优、符合装配式建筑技术发展。经过多年发展, 现阶段可选择的结构体系如表1所示。其中钢框架-混凝土剪力墙体系仍然需要现场绑扎钢筋、浇筑混凝土, 并且与钢结构施工存在工序交叉, 与装配式技术发展有悖;钢框架-延性墙板体系需通过结构变形发挥耗能机制优势, 对围护结构适应变形能力有较高要求, 适宜于幕墙围护体系的住宅;Y形柱钢框架体系用于住宅的案例较少, 且Y形柱对于建筑立面影响较大;钢框架-内灌混凝土的钢板组合剪力墙体系构造复杂, 施工难度大。综上, 该项目选择钢管混凝土柱框架-支撑体系、钢框架-支撑体系、异形柱框架-支撑体系进行比选, 对比数据见表2。

　　 经分析比较, 钢管混凝土柱框架-支撑体系用钢量最优, 刚度适宜, 且隔声防火性能较好, 适宜用于本项目, 标准层结构布置及用钢量分布见图4、图5。

　　 《装配式钢结构建筑技术标准》 (GB/T 51232—2016) ^[1]规定高度小于80m的钢结构建筑不需要验算舒适度, 但是鉴于钢结构体系刚度相对较小, 并且住宅类建筑对舒适度比较敏感, 尤其对于沿海地区以及风荷载较大地区的高层钢结构住宅, 应控制结构顶点风振加速度小于0.20m/s²。分别采用《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) (简称高钢规) 和《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) (简称荷载规范) 对本工程顶点风振加速度进行计算, 结果如表3所示, 满足舒适度限值0.20m/s²要求。

　　 外围护系统一直是装配式钢结构住宅发展的技术难点。现阶段可选用的典型外墙系统有:ALC外墙板系统、轻质PC外墙板系统、轻钢龙骨复合外墙系统、幕墙系统。轻钢龙骨复合外墙系统造价较高, 龙骨耐久性难以保证, 且隔声性能相对偏弱, 在住宅建筑中应用较少;幕墙系统性能优越、造价高, 多用于超高层高档住宅;轻质PC外墙板系统在中国台湾钢结构住宅应用较多, 其造价高、性能好, 适用于风雨较大的沿海地区, 但是其自重较大的特点与钢结构轻质高强的特点有些背离, 对用钢量的影响较大。ALC外墙板系统具有自重轻、导热系数低、耐火极限长、隔声性能好、耐久性高的特点, 性价比较高, 目前国内钢构住宅中应用比例达到80%左右, 该体系已经成为了钢结构装配式住宅建筑的主流选择。ALC外墙板系统技术存在诸多优点, 也存在技术短板, 尚需在设计、施工方面持续改进, 实现系统化设计、全产业链全过程施工控制。根据天成装配式钢结构住宅的特点, 选取了4种符合该项目特点和定位, 同时满足75%节能标准的外墙做法 (表4) 。

　　 该项目所在地气候分区属寒冷B区, 执行《河北省居住建筑节能设计标准》 (DB13 (J) 185—2015) 节能75%的要求。该项目为27层板式建筑, 朝向为南北向, 体型系数S为0.239。建筑外墙采用300mm厚ALC墙板 (表5) 自保温体系, 设计传热系数K为0.44W/ (m²·K) , 建筑涂料为真石漆;外窗选用平开铝合金断热窗 (5mm玻璃+12mm空气隔热层+5mm低辐射玻璃) , 设计传热系数K为2.0W/ (m²·K) , 气密性不低于7级。外门、窗框或附框与墙体之间的缝隙采用岩棉类高效保温材料填实, 其洞口周边缝隙的内、外两侧采用专用硅烷改性聚醚胶密封。图6为ALC墙板与主体结构连接构造及板缝处理构造。

　　 (1) 相比钢筋混凝土结构, 钢结构体系容许层间位移角限值较大, 围护结构的连接构造需采用柔性节点做法, 以适应主体结构变形影响。

　　 (2) 风荷载为多遇荷载, 应保证风荷载作用下围护系统的性能。试验数据表明ALC墙板系统采用专用砂浆处理板缝时, 板缝间出现可见细微裂缝的层间位移角限值为1/550。因此, 采用ALC墙板的钢结构建筑应控制风荷载作用下的层间位移角不宜超过限值1/550。

　　 (3) 为保证外围护系统的完整性、闭合性, 采用框架-支撑体系时, 支撑宜布置在建筑内部, 尽量布置在公共部位及分户墙内, 见图7。

　　 (4) 为避免露梁露柱, 钢柱宜偏向阳台、厨房、卫生间等附属功能空间;结构布置应与内装修、外墙系统协调, 设计时应采取大柱网, 柱外偏的设计原则, 见图8。

　　 (5) 钢管混凝土柱的工作条件是管内混凝土处于受压状态, 地震作用组合下与支撑相连的框架柱或角柱可能出现拉应力。该情况应验算不考虑混凝土作用的当前荷载组合下钢柱构件承载力是否满足要求。

　　 (6) ALC墙板良好的性价比使其成为钢结构住宅围护系统的主流选择之一, 由于该材料自身的特殊性, 应严格控制其设计、生产制造、运输、安装、防护各环节。鉴于该产品表面强度低, 设计上应扬长避短, 建议采用纸面石膏板进行防护处理, 这样工程造价提高约20元/m², 但对表观品质的提升较大, 见图9。

　　 (1) 装配式钢结构住宅应区分不同定位档次, 合理选择围护系统、结构体系、内装系统;其设计思

　　 路不同于传统混凝土住宅, 应遵循钢结构的特点, 按照模块化组合、模数协调原则进行统筹设计。

　　 (2) 装配式钢结构住宅是闭合的系统产品, 强调设计、施工、装修一体化, 提倡全装修交房;现阶段, 装配式钢结构住宅尚处于一个发展过程中, 伴随着围护系统技术的逐步成熟, 出现了多种适合装配式钢结构住宅的外墙围护系统产品, ALC外墙板是其中一种相对成熟且性价比较高的外墙板。

　　 (3) 《装配式建筑评价标准》 (GB/T 51129—2017) 规定所有组合楼板均属于装配式构件, 可计入装配率。因此本工程楼板选择了可拆底膜的钢筋桁架楼承板, 相比叠合预制楼板其施工更方便、整体性更好。现阶段由于施工现场还存在大量的钢结构焊接作业, 防火涂料仍然需要现场喷涂和修补, 该问题需要进一步的研究和探讨。

　　 (4) 与传统建筑相比, 装配式钢结构建筑更加强调精细化、系统化、标准化设计及设计与施工、生产的紧密性;发展装配式建筑需要全产业链各个环节都建立“装配式”的思维模式, 构建专业化的产业工人队伍, 从设计、生产、运输、安装、运维等多方面实现技术进步, 并且应遵循客观、科学的发展规律, 避免盲目推崇装配式建筑而造成的安全隐患。