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装配式钢结构交错绗架高层住宅助力绿色未来空中花园

395 2020-08-20 11:42:57


由唐山市政府、中国钢结构协会主办的“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛于2018年12月29日圆满结束。此次竞赛以“创新、梦想”为宗旨,以“绿色唐山•创意钢构”为主题,旨在通过加强设计理念与钢结构建筑的融合互动,提高区域制造业的供给能力,推动唐山市工业提质增效,转型发展。中国钢结构协会对参赛项目的申报材料进行了初评,最终产生了来自全国30多个单位的23个作品参加决赛。


钢结构公众号将对部分获奖作品进行报道,本期为大家介绍的是荣获“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛二等奖,来自重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司、浙江绿筑集成科技有限公司代表队的作品——“迭院叠墅”。



项目概念策略


 1.1概念构思



以传统模式解决当下的城市问题


借用传统北方院落的形式与空间特征,以现代建筑语言将院落单元作解读,一脉相承而又变化的院落形式体现建筑空间在时间维度的迭代。


竖向上层叠错落,并与交错桁架的空间特征结合,生成符合空间特点的空中花园群落。


利用奇偶层的平面差异布置两层高的露台,使外挑的空间有规律的相互错落,形成错动的景观观感。




 1.2关键解读




 1.3建筑与结构的相互适应


结构特点


交错桁架结构体系由柱子、平面桁架和楼板组成。两列柱子沿建筑纵向外侧布置,中间无柱。桁架支承在纵向柱列上,平面上间隔布置,竖向上交错布置;桁架高度与层高相同,跨度与建筑进深相近。楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦。


纵向隔断 横向拉通 空间交错



柱与桁架组成的主体结构

楼板搁置在相邻桁架上下弦杆


空间交错




 1.3建筑与结构的相互适应


套 型



采用方正的套型平面。公共空间置于套型中部,作为外挑空间与室内空间的联结部分;外挑部分不在结构主体中,利用桁架保证其稳定性和空间开放性,在一定程度上形式多变,实现居住空间多样性。



通过奇偶层桁架配置,保证桁架不分割完整的建筑空间,且利用桁架的节间孔洞联系桁架两侧空间,灵活运用纵向连续、隔层交错的空间特征。


交通体



交通体参与桁架交错



交通体不参与桁架交错


交通体参与桁架交错。交通体空间在竖向上应连续贯通、在水平方向上交通体应位于交错桁架的经济柱距之内,故桁架交错的位置(即柱设置的位置)应在交通体的两侧外部,避免交错桁架在平面上横断交通体。



交通体增加支撑。采用支撑钢框架体系,保证交通体部分的结构稳定性,同时避让建筑孔洞,达到结构加强与建筑空间适应的目的。


 1.4技术策略


管线综合与楼板



技术夹层图示



下翼缘加宽工字钢图示



 穿梁管线区域图示


为减少管线模块对层高的占用,采用工字型钢作梁,与管线系统的关系如图所示,腹板部分的区域作为管道区,使管线模块层减少对空间净高的影响,保持其经济性。


内外墙板



ALC板外墙



ALC板内墙


外墙采用200厚ALC条板外墙。ALC条板外墙施工速度快,不需过多辅助结构和装饰抹灰,抗震性能优。


内墙采用200厚ALC条板,干法装配施工、梁柱防开裂构造设计、装饰装修便捷性提升、隔声防火性能优越。


内外墙均有施工快、性能优的优势,符合装配式建筑对围隔结构的要求。


厨卫系统



厨卫系统采用集成厨房、集成卫生间,保证设计精细化的同时,提高建筑的装配率,符合绿色装配式建筑的设计要求。

外挑与日照



常见问题


问题:


露台下的套型内,在南向无法满足至少一居室满窗日照大寒日2小时的要求。



解决方式1:

中间单元露台挖洞,使中部居室满足日照要求。



在外挑5m的露台上沿建筑外墙向外挖出3.9m的洞口,以保证下层窗口满足日照要求。



解决方式2:

端部单元山墙开窗,使端部居室通过侧向采光满足日照要求。




装配式建筑评价


参考《装配式建筑评价标准》GB/T51129-2017中关于装配式建筑评价的规则,保守预估,本项目评分82,能满足AA级装配式建筑要求。




绿色建筑评价


参考《绿色建筑评价标准》GBT50378-2014,本项目单体建筑在节地、节能、节水、节材方面采用了各项绿色建筑技术策略。




建筑方案设计


 2.1 效果图




 2.2平面图




 2.3立面图



 2.4剖面图




 2.5桁架结构示意


奇偶层建筑与桁架关系示意



奇数层



偶数层



单体建筑与桁架关系




结构方案设计


 3.1设计依据


设计条件


1)结构设计使用年限:50年;


2)设防烈度8度,设计基本地震加速度0.2g,场地类别Ⅱ类,设计地震分组为第二组;


3)建筑抗震设防类别:标准设防类(丙类);


4)大气环境腐蚀程度等级C3;


5)地面粗糙度B类、基本风压0.35kN/m2,基本雪压0.4kN/m2.


设计材料及强度


本结构设计以钢结构设计为主,采用钢管混凝土柱。

钢材强度:Q345B;混凝土强度:C50。

荷载取值

1)墙体荷载

结构初步设计时,墙体统一按外墙(300mm厚加气混凝土砌块)考虑,折算线荷载:5kN/m

2)楼板荷载



 3.2结构布置


结构体系


本设计为装配式高层住宅,采用交错桁架体系,具有抗侧刚度大的优点,另外由于桁架、钢框梁均可以在工厂预制,大大节省了施工时间,提高了装配率。


主体结构采用交错桁架体系;局部交通体采用支撑钢框架体系;特别地,通过悬挑桁架实现“迭院叠墅”理念。



抗侧力体系


横向:交错桁架体系

纵向:框架梁将各框架柱连接起来,框架梁与框架柱刚接形成钢框架;在电梯框架结构内设置十字型侧向支撑,以加强结构纵向的抗侧刚度。


典型桁架设置


1)节间不等距布置( 1.9m+2.8m+2.6m+2.8m+1.9m ),满足内部建筑布置要求;

2)特定位置取消斜腹杆:厨房设门处、悬挑阳台通道处。


 3.3结构布置图


结构平面布置图


盈建科结构模型


桁架立面图


相邻两榀(①轴、②轴)桁架立面布置图


 3.4计算结果


周期与振型


考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数(强制刚性楼板模型)



周期比:


第1扭转周期(2.7630)/第1平动周期(3.8708)= 0.71

此外,剪重比、层间位移角等整体指标均满足规范要求。


 3.5构造说明


楼屋面板选取:PK预应力叠合楼板


1)质量轻、刚度大、承载力高、抗裂性能好;

2)整体性好,带肋及穿孔构造增大新老混凝土粘结面积、增加机械咬合力,保证叠合结构的共同工作性能;

3)板肋底部预留方形孔,可根据设计需要穿置横向钢筋,实现楼板双向受力,传力更合理;

4)综合经济效益高。施工方便快捷,工期短,效率高。



弦杆下翼缘加宽,便于楼板搭接


考虑下翼缘搭接楼板,对弦杆下翼缘进行加宽加厚处理

GKL1、GKL3:山墙榀桁架弦杆;GKL2:其他榀桁架弦杆


结构主要构件截面尺寸表



 3.6推覆分析


计算结果



X方向能力谱与需求谱曲线(Sa-Sd)


Y方向能力谱与需求谱曲线(Sa-Sd)


X方向楼层剪力和位移角曲线


Y方向楼层剪力和位移角曲线 


X向推覆过程



Y向推覆过程



结  论


综上,本结构耗能机制良好,地震响应可控,有效确保结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设计目标。



结构典型节点设计


 4.1楼板与弦杆连接节点


降板节点优势


1.弦杆免防火:弦杆可完全包在楼板厚度内(预制+叠合)

2.空间平直:楼板与弦杆下翼缘齐平,房间清爽无梁


板底与下翼缘平齐



工厂预制开槽


叠合板优势


1.施工速度快:无模板系统以及支撑系统,可多层楼板连续施工


2.现场湿作业量小:减少约一半现场混凝土湿作业


3.平整的预制板底面:避免现场板底抹灰


4.品质有保证:工厂自动化,精准保障楼板品质



无支撑钢筋桁架叠合板



板底平整避免抹灰



多层连续施工



 4.2柱与桁架连接节点


全螺栓连接优势


1.节点全螺栓连接,现场无需焊接,快速施工

2.节点构造简洁、传力明确



柱-桁架的全螺栓连接节点



上弦杆与柱连接节点



下弦杆与柱连接节点



快速装配化施工


 4.3节点处理


节点连接

连接可靠,结构整体性好

构件工厂预制,质量更优

施工简便,效率高



柱边切角



腹杆连接节点



板面拉毛处理对比



预埋件焊接



板侧勾缝


 4.4施工技术措施


施工技术


1.工程量减少,施工速度更快

2.构件工厂预制,统筹安排,工期缩短

3.现场装配率高,安装更快捷



工厂化制作



运输方便



现场占地面积少



柱外围布置,数量少



施工快速



围隔体系选型与施工


 5.1住宅围隔墙体的设计策略


设计原则


1.外墙采用200厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)


2.分户墙、楼电梯井道采用200厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)


3.卫生间,厨房采用100厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)


4.卫生间采用集成卫浴(提高装配率)


5.管井采用100厚蒸压加气混凝土砌块(对于有水房间,砌块防水性能及措施更有效)


6.交错桁架两侧内墙采用75厚ALC条板(条板间空腔可作为管线空间,提高整体装配率)


7.采用装配式内装系统,便于管线分离。


隔墙布置



 5.2ALC条板作围护墙体的设计与施工


ALC条板的优势


1.安装便利ALC板根据图纸及现场尺寸实测实量,定尺加工生产,精度高,因此到达施工现场的是可以直接进行现场组装拼接的成品,故工人安装施工速度很快;加气砌块为固定尺寸,不能定尺生产,且需准备砌筑砂浆等,故与ALC板比较,施工速度明显要慢很多。


2.辅助结构少,ALC板不需要构造柱和圈梁、配筋带辅助,因此缩短了工期;加气砌块需要增构造住、圈梁等故施工速度受到制约。


3.装饰简便,ALC板不用抹灰而直接批刮薄层砂浆或腻子,故施工速度再次大大提高;加气块需要挂钢丝网进行双面抹灰且湿法施工,速度慢;


4.抗震性能好,ALC条板外墙具有较好的抗震性能,在8度地震作用下保持完好。墙板本身具有较大的整体刚度和足够的强度储备,墙板与结构的连接处构造合理,连接性能较好,节点在振动过程中连接牢固。


ALC条板复合层示意


ALC条板的设计要点


1.选板:200厚ALC条板和型号;


2.方案:节点(钩头螺栓)、安装方式(外平)、缝隙处理、留设变形缝等;


3.洞口加固;


4.装饰处理。

ALC条板的连接


ALC条板的施工要点


1.施工前准备


排版—现场复核尺寸—确定施工方案—材料准备


2.施工注意事项


a.施工时不得随意切割外墙板的长度,外墙板宽度≥ 300m。


b.堆板场地应坚实、平整、干燥,板宜侧放(屋面板和楼板可平放),高度不宜超过2米。


c.管线开槽宜在墙体验收后进行,作业时宜用小型切割机配合镂槽器开槽,严禁对穿开洞或随意切断板内纵筋,开槽应沿板长度方向(若有宽度方向开槽可向厂家定做保护层较厚的板材)或设在板与板拼缝之间,深度不大于1/3板厚,槽口可用1:3水泥砂浆略低板面修补,表面用专用修补材补平,装饰前此处应用玻璃纤维网格布增强。


d.对于较大的门窗洞口周边应做好型钢加固框架。


e.装饰前板面潮湿时不宜立即施工,等表面干燥含水率较低时(一般<15%)再进行下一道工序。



 5.3ALC条板作分隔墙体的设计与施工


ALC条板隔墙的优势


1.干法装配施工

2.梁柱防开裂构造设计

3.装饰装修便捷性提升

4.隔声防火性能优越


ALC条板隔墙的设计要点


1.选板:200厚ALC条板和型号;

2.方案:节点(管板/U型槽)、安装方式(外平)、缝隙处理、留设变形缝等;

3.洞口加固;

4.装饰处理;

5.交错桁架两侧内墙采用75厚ALC条板。


施工注意事项


a.复核:墙板竖向安装前复核墙体净高尺寸,板材实际长度比墙体净高短20—40mm。

b.弹线:按设计要求在楼地面、柱或墙标明安装位置及标高。

c.找平:支座宜用DP15干粉砂浆或1:3水泥砂浆找平,支座若为钢结构可用加强型界面剂或其它措施加强表面粘结力。

d.安装:安装顺序宜从洞口边向两侧依次安装,洞口边板、阳角处板宜用整板,无洞口墙体从一端顺序安装。

e.切割:切割板材宜放在阴角或近阴角整板之间,拼板宽度一般≥200mm。


ALC条板隔墙示意


ALC条板隔墙的节点



管卡


空心钉打入距板边≥80mm位置,铁板用射钉或M8膨胀螺栓与砼梁或板固定(钢结构与梁点焊两边各三点),对于装修要求较高工程铁板可隐憋板中。高度≥ 4m的墙体板端上下应各设置一只管卡。



U形卡槽


间距为板宽或600mm,卡件中心位置在板与板拼缝,用射钉或M8膨胀螺栓与砼梁或板固定(钢结构与梁点焊两边各三点),卡入板深度不小于20mm,对于装修要求较高工程铁板可平于板面。高度 ≥ 4m的墙体板端上下应各设置一只管卡。