分层装配式钢结构工业化住宅体系研发与应用pdf

杨建行：分层装配式钢结构工业化住宅体系研发与应用分层装配式钢结构工业化住宅体系研发与应用杨建行（宝业集团浙江建设产业研究院有限公司，浙江绍兴３１２０００）摘要：分层装配式钢结构工业化住宅体系是一种新型低层工业化住宅结构体系，其主要特点为密柱、梁贯通、柱梁铰接、水平力主要由柱间支撑承担、模数化集成设计及标准化生产和装配式施工安装。从体系研发背景、体系组成及设计原理与主要构造、各种主要性能试验研究、工程应用实例等几方面对该产品的特点、性能和产品推广应用前景进行了分析和介绍。关键词：分层装配式；钢结构；梁贯通；工业化住宅ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＮＴＨＥＨＩＥＲＡＲＣＨＩＣＡＬＡＳＳＥＭＢＬＹＯＦＳＴＥＥＬＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬＩＺＥＤＨＯＵＳＩＮＧＳＹＳＴＥＭＹａｎｇＪｉａｎｘｉｎｇ（ＺｈｅｊｉａｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＢａｏｙｅＧｒｏｕｐ，Ｓｈａｏｘｉｎｇ３１２０００，Ｃｈｉｎａ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄｈｏｕｓｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｌｏｓｅ－ｃｏｌｕｍｎ，ｂｅａｍｔｈｒｏｕｇｈ，ｃｏｌｕｍｎａｎｄｂｅａｍｈｉｎｇｅｄ，ｂｅａｒｉｎｇｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｆｏｒｃｅｓｂｙｔｈｅｃｏｌｕｍｎａｎｄｂｒａｃｅ，ｍｏｄｕｌｕｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｄｅｓｉｇｎ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔａｌａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎｒｕｌｅａｎｄｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｖａｒｉｏｕｓｍａｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｓ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｐｒｏｄｕｃｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌａｓｓｅｍｂｌｙ；ｓｔｅｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｂｅａｍｐａｓｓ－ｔｈｒｏｕｇｈｊｏｉｎｔ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄｈｏｕｓｅ钢结构是一种特别适合工业化住宅的结构体系，具有建筑、结构和施工等诸方面的优势［１］。分层装配式钢结构工业化住宅体系是一种在参考日本先进住宅结构体系基础上结合国情研发的新型低层工业化住宅产品。体系先后经过二次改进和系统试验研究以及近５年的工程实践，具有建筑质量轻、施工快捷、工业化程度高、节能节地、绿色环保以及良好的抗震、防水和耐久性能等特点，已被授予国家发明专利并通过国家级技术成果评估。梁贯通式节点、梁柱螺栓铰接、水平力主要由柱间支撑承担、模数化集成设计等成为该结构体系的主要创新点。表１为日本近年竣工住宅统计户数，其中低层工业化住宅约占总量的１５％。表１日本近年竣工住宅统计户数低层住宅／户多高层住竣工宅／户合计／年份普通工业化２×４薄壁轻混凝土户住宅住宅住宅钢结构结构２００８６３８３９２１５４２７１１０７７０７１０５４３１８２５７２１０９３４８５２００９４９５０７５１２５２６３９１３９４未统计７６６７８７８８４１０注：表中数据来源于日本国土交通省钢房屋协会。１部品体系组成、设计原理及构造１．１住宅部品体系组成本住宅体系由支撑结构部品（承重结构系统、屋面系统、外墙体围护系统）、内装部品（隔墙吊顶系统、内饰系统、厨卫系统）和设备部品（供暖系统、给排水系统、燃气设备系统、电气及照明系统和智能化系统）三大体系组成。图１为本住宅体系整体结构组成示意。１．２体系设计原理与构造住宅平面以１Ｐ（１２００ｍｍ）为基本模数，竖向以４４５ｍｍ为基本模数，外墙柱间距及支撑为１Ｐ、１．５Ｐ和２Ｐ。图２为模数化住宅单元合成图，图３、图４和图５分别为结构计算模型、柱间支撑布置基本规则和结构分层安装示意。本住宅结构件由轻质型钢组成。表２为结构主要材料表，图６为结构主要构造大样。作者：杨建行，男，１９６７年出生，高级工程师。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]收稿日期：２０１２－０１－０９ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（５），Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１５９１５科研开发表２结构主要材料表名称规格材质备注钢柱（）电泳涂装□８０×４５Ｑ２３５－Ｂ楼层钢梁（）电泳涂装Ｈ３００２００×１５０Ｑ２３５－Ｂ支撑ＦＢ－４×５０Ｑ２３５－Ｂ专用张紧螺栓墙框、屋架Ｃ型钢Ｑ２３５－Ｂ冷镀锌楼面Ｃ２５钢筋混凝土厚１２０ｍｍ柱脚镙栓Ｍ１６Ｑ２３５－Ｂ８．８级梁梁、梁柱镙栓Ｍ１６／Ｍ１２Ｑ２３５－Ｂ８．８级１－屋面瓦；２－屋架；３－屋面板框架；４－梁；５－外墙面板；６－外墙板框架；７－柔性支撑；８－柱；９－基础图１住宅体系整体结构组成图２模数化住宅单元合成ａ－基本计算模型；ｂ－弹性计算模型；ｃ－塑性计算模型图３结构设计各阶段计算模型ａ－外墙阳角布置；ｂ－外墙中间布置；ｃ－内隔墙布置图４支撑设置基本规则图５结构分层安装示意ａ－各种柱脚；ｂ－梁－柱连接；ｃ－梁－梁连接；ｄ－梁－屋架连接图６结构主要构造２体系主要性能研究和试验２．１主要力学性能研究和试验为在地震区推广应用本体系，需解决如下关键问题：１）ＧＢ５００１１－２０１０《建筑抗震设计规范》［２］有关“概念设计”和“抗震构造措施”要求结构须有多重抗震防线。该体系梁贯通式节点一般认为是铰接连接，结构的水平抗侧力完全由支撑提供，一旦支撑失效结构即丧失承载能力，为此需要验证钢柱（按模数密排布置）具备一定的抗弯刚度和延性，即能起到第二道抗震防线的作用；２）目前国内外缺乏对梁贯通式节点的研究和工程实践，节点的传力机制、破坏模式、刚度、承载力、延性等各项性能指标及相应设计需要深入研究；３）柔性支撑是该结构抗侧力的关键构件，需要研制能在往复大变形下可靠工作的延性支撑，保证体系的抗震安全性能。图７为梁柱节点力学性能试验装置。试验研究得出：１）梁柱节点区钢梁设两道加劲肋的为刚性节点，其余为半刚性；２）节点破坏主要为方钢管柱鼓曲、梁翼缘和柱端板过大塑性变形３种模式；３）所有节点均具有较好的延性和一定的抗弯刚度。图８为柔性支撑力学性能试验装置。试验在设计研发出专用张紧螺栓的基础上对不同支撑型号钢结构２０１２年第５期第２７卷总第１５９期１６杨建行：分层装配式钢结构工业化住宅体系研发与应用；ａ－试件１ｂ－试件２图７梁柱节点力学性能试验图９足尺模型抗震性能试验，：）（、，外墙体系在节地节材的前提下（外墙体厚度为进行对比试验得出１４种支撑１Ｐ２Ｐ标准支撑、）“”，），“工业化住宅复合外墙板节能热工性能检１Ｐ２Ｐ高强支撑在遵循强节点弱构件原则下２１０ｍｍ／，测试验报告”传热系数／（２·）；“工１Ｐ支撑的最大弹性层间位移角为１３００２Ｐ支撑的Ｋ＝０．４１ＷｍＫ／；）业化复合外墙体（非承重）耐火性能检验报告”达到最大弹性层间位移角为１４００２平面内抗侧刚度与承载力设计值均取试验结果并小于理论计算值，（），５７ｍｉｎ中国建筑科学研究院检测均达到并超过正式计算采用修正设计值。同类国家相关标准要求。图１０为工业化集成复合外墙体的节能和防火试验装置。图８柔性支撑力学性能试验装置图１０复合外墙板节能和防火试验装置图９为足尺模型抗震性能试验装置。本试验是在完成“梁柱节点力学性能试验研究”和“柔性支撑力学性能试验研究”的基础上，在国家建筑工程技术研究中心建筑工程与住宅产业化研究院实验检测中心进行。试验研究得出：１）在弹性阶段整体侧向刚度基本由支撑提供，梁柱节点可假定铰接，在罕遇地震下梁柱节点为刚接，地震剪力由支撑和柱子共同承担，柱子可作为第２道抗震防线；２）试件１、试件２初期刚度及后期刚度变化基本相同，结构破坏模式基本相同，说明梁柱节点处梁腹板加劲肋数量对结构刚度的影响可以忽略；３）该结构具有良好的延性，至试验加载结束，底层层间位移角达到１／１０，试１、试件２水平荷载仅降低到极限荷载的８８％和７７％；４）新型专用延性抗拉支撑具有良好的工作性能，完全满足使用要求；５）混凝土楼板对钢梁上翼缘变形有较好的约束作用，可以有效避免梁翼缘变形和梁翼缘被螺栓拉起。２．２复合外墙板节能和防火试验研究节能和防火是工业化住宅的重要性能指标，本２．３复合外墙板（含窗）四性试验研究［３－５］建筑复合外墙体四性，特别是墙体和门窗为工厂集成化生产组装下，外墙体整体防水、抗变形（平面内外）性能比传统建筑要求更高。经试验检测，外墙气密性能为４级、水密度性能为４级、抗风压性能为５级、平面内变形性能为４级。图１１为工业化集成复合外墙体四性试验装置。图１１复合外墙体（窗）四性试验装置３体系工程推广应用分层装配式钢结构工业化住宅体系具有设计模ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（５），Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１５９１７科研开发数化、生产标准化、品质稳定、施工周期短、技术集成度高等优势，以及抗震、耐久、保温、隔热、防火、隔音、防水防潮等良好力学性能和物理性能，已成功应用于低层高端商品住宅、新农村住宅和国外住宅项目。３．１低层高端住宅图１２为采用本体系开发建设的高端住宅外观。该项目为一大型城市休闲旅游渡假区高档酒店、高尔夫球场和高端住宅三大项目之一，容积率０．５，总体要求满足绿色低炭、节能环保和长寿命等要求，对其中的部分住宅采用了工业化方式开发建造，外墙采用了集结构装饰为一体的水泥纤维板和外挂石材两种工业化轻钢复合墙体（已获省级重大科技专项验收和省级工法及相关专利），工程所有的结构构件、外围护墙体（含门、窗）都在工厂生产组装，产品性能、质量、开发工期、环境保护、资源节约和经济效益等方面均得到了良好体现。ａ－水泥纤维板外墙面；ｂ－石材外墙面图１２高端住宅外观３．２新农村住宅和国外住宅本工业化住宅体系在结构、建筑功能和材料选用等方面经过专门调研和村镇工业化住宅示范工程建设，不仅能满足村镇居民对住宅多样化的需求；而且内装设计与工业化住宅的结合、健康绿色建材的使用、新技术的运用和生活配套设施的系统整合，大大提高了农村土地集约水平和现代农民生活品质。通过与地方村镇规划建设联动，先后建设的样板房和新农村住宅总建筑面积达２．３万ｍ２。图１３和图１４为采用本体系开发建造的新农村科技住宅项目和国外住宅项目。出口住宅的工业化装配水平要求更高，主体结构和内装部件全部在工厂预制，更体现出施工的快捷性。图１３新农村科技住宅项目图１４国外住宅项目４结语本工业化住宅体系在借鉴日本先进工业化住宅体系技术的基础上，通过多年的系统化设计、试验研究和试验检测，以及国内外大量的工程实践，体系的结构合理性、抗震性能和工业化技术集成度等方面得到不断完善并达到国际先进水平，充分体现出工业化住宅在设计、生产、施工以及住宅性能和节能环保等方面的极大优势，为国内低层工业化住宅发展做了深入探索和实践。但由于国内工业化住宅水平还相当低，各种配套材料、相关设计规范标准缺乏，特别是到目前为止还没有出台相关法律意义上的真正工业化住宅法规，而国内少数几家工业化住宅集成制造商也只是在各自开发领域探索实践，因此工业化住宅的综合建设成本与传统建筑相比没有较大优势，开发量还相当少，推广应用急需得到国家各级政府的大力扶持，更期盼国家住宅产业化创新联盟能为全国住宅产业化的发展走合作研发、产业联盟和共同发展之路，并愿本工业化住宅体系能为行业发展提供有益参考。参考文献［１］蔡益燕．钢结构住宅设计与施工技术［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００３．［２］ＧＢ５００１１－２０１０建筑抗震设计规范［Ｓ］．［３］ＧＢ／Ｔ２１０８６－２０００建筑幕墙［Ｓ］．［４］ＧＢ／Ｔ１８２５０－２００７建筑幕墙平面内变形性能检测方法［Ｓ］．［５］ＧＢ／Ｔ１５２２７－２００７建筑幕墙气密、水