二十二叶杯
2018年全国钢结构
装配式建筑设计
由唐山市政府、中国钢结构协会主办的“第二十二届冶建杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新大赛于2018年12月29日圆满落下帷幕。本次大赛以“创新、筑梦”为宗旨，以“绿色唐山·创意钢结构”为主题，旨在增强设计理念与钢结构建筑的融合互动，提升区域制造业供给能力，推动唐山工业提质增效转型发展。中国钢结构协会对参赛项目申报材料进行了初审，最终选出来自全国30余家单位的23件作品参加决赛。
钢结构微信公众号将对部分获奖作品进行报道，本期介绍“第二十二届冶金杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新大赛二等奖获得者，由重庆大学建筑规划设计研究院有限公司、浙江绿建集成科技有限公司联合打造的作品——《叠院叠榭·别院》。
1. 项目概念策略
1.1 概念化
用传统模式解决当前城市问题
借用传统北方四合院的形态与空间特征，以现代建筑语言诠释院落单元，连贯而又不断变化着的院落形态，体现出建筑空间在时间维度上的迭代。
垂直层层交错，结合交错桁架的空间特性，生成符合空间特征的空中花园社区。
二层露台利用奇偶楼层平面差异，使突出空间规则错落钢结构预埋件图片，形成错落有致的景观观感。
1.2 主要解读
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、平面桁架和楼板组成。沿建筑纵向外侧布置两柱，中间不设柱。桁架支承在纵向柱上，平面上间隔布置，竖向交错；桁架高度与楼板高度相同，跨度与建筑深度相近。楼板一端搁在桁架上弦杆上，另一端搁在相邻桁架下弦杆上。
垂直隔断，水平连通空间
主体结构由柱和桁架组成
楼板支撑在相邻桁架的上下弦上
空间隔行扫描
1.3 建筑与结构的相互适应
套房
公共空间被置于套房中部，作为悬挑空间与室内空间的连接部分；悬挑部分并不在主体结构中，而是通过桁架来保证其稳定性与空间的开放性，在一定意义上具有可变性，实现居住空间的多样性。
通过配置奇偶桁架，保证桁架不分割完整的建筑空间，并利用桁架节间孔连通桁架两侧空间，灵活利用纵向连续、层间交错的空间特点。
交通
交通体参与桁架交错
交通机构不参与桁架交错
交通体参与桁架错开，交通体空间在竖向应连续，在水平方向应位于错开桁架的经济柱距以内，因此桁架错开的位置（即立柱设置的位置）应在交通体的两侧，避免错开桁架在平面上跨越交通体。
增加交通主体的支撑。采用支撑钢框架体系，保证交通主体的结构稳定性，同时避免建筑洞口，达到结构加固和建筑空间适应的目的。
1.4 技术策略
管线整合及楼板
技术三明治图
下翼缘加宽的工字钢图示
管道穿过梁的区域示意图
为了减少管线模块对层高的占用，采用工字钢作为梁，与管线系统的关系如图所示，以腹板面积作为管线面积，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200mm厚ALC条板，ALC条板外墙施工速度快，不需要过多的辅助结构和装饰抹灰钢结构预埋件图片，抗震性能优良。
内墙采用200mm厚ALC条板，采用干装配施工，梁、柱采用防裂结构设计，提高装修改造的便捷性，隔音、防火性能优良。
内、外墙均具有施工速度快、性能优良的优点，满足了装配式建筑对围护结构的要求。
厨卫系统
厨卫系统采用一体化厨房、一体化卫生间，在保证精细化设计的同时，提高了建筑的装配率，满足绿色装配式建筑的设计要求。
悬垂和阳光
问题：
露台下的套房，朝南的房间无法满足大寒天2小时阳光充足、窗户全开的要求。
解决方案 1：
中间单元露台挖有洞，保证中央房间能满足日照要求。
在5米悬挑的露台上，沿建筑外墙挖出一个3.9米的洞，以保证下层窗户满足日照要求。
解决方案 2：
末端单元的山墙上开设窗户，以便末端房间通过侧面采光满足日照需求。
预制建筑评估
参照《装配式建筑评价标准》GB/T51129-2017中装配式建筑评价规则，保守估计该项目得分为82分，达到AA级装配式建筑的要求。
绿色建筑评估
本项目单体建筑参照绿色建筑评价标准GBT50378-2014，在节地、节电、节水、节材等方面采用了多项绿色建筑技术策略。
2. 建筑设计
2.1 效果图
2.2 平面图
2.3 海拔
2.4 剖面图
2.5 桁架结构图
奇偶层建筑与桁架关系示意图
奇数层
偶数层
单体建筑与桁架关系
3.结构设计
3.1 设计依据
设计条件
1）结构设计使用年限：50年；
2）设计烈度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Ⅱ组；
3）建筑抗震设防类别：标准设防类别（丙类）；
4）大气环境腐蚀等级C3；
5）地面粗糙度B级，基本风压0.35kN/m2，基本雪压0.4kN/m2。
设计材料和强度
本次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。
负载值
1）墙体荷载
结构初步设计时，墙体按外墙考虑（300mm厚加气混凝土砌块），折算线荷载为5kN/m
2）楼面荷载
3.2 结构布局
结构体系
本设计为装配式高层住宅建筑，采用交错桁架体系，其优点是抗侧刚度大。另外，由于桁架和钢框架梁均可在工厂预制，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；特别是通过悬挑桁架实现“叠院、叠别墅”的概念。
抗侧力系统
水平：交错桁架系统
纵向：框架梁连接框架柱，框架梁与框架柱刚性连接，组成钢框架；电梯框架结构内设置十字形侧向支撑，加强结构的纵向侧向刚度。
典型桁架设置
1）节间采用不等距布置（1.9m+2.8m+2.6m+2.8m+1.9m），满足建筑内部布置要求；
2）取消特定位置的斜撑：厨房门、悬臂式阳台通道。
3.3 结构布置图
结构平面布置
英建科结构模型
桁架立面
相邻两桁架立面布置图（①轴、②轴）
3.4 计算结果
周期和振动模式
振动周期（秒）、X 和 Y 方向的平移系数以及考虑扭转耦合时的扭转系数（强制刚性地板模型）
周期比：
第 1 个扭转周期 (2.7630)/第 1 个平动周期 (3.8708) = 0.71
此外，剪重比、层间位移角等总体指标均满足规范的要求。
3.5 施工说明
楼板及屋面板选择：PK预应力组合楼板
1）质量轻、刚度大、承载力高、抗裂性好；
2）整体性好，带肋、穿孔结构增加了新老混凝土的粘结面积，增大了机械咬合力，保证了组合结构接头工作性能；
3）板肋底部预留方孔，可根据设计要求穿插横向钢筋，实现楼板双向受力，力的传递更加合理；
4）综合经济效益高。施工方便快捷，工期短，效率高。
弦杆下缘加宽，方便楼板搭接
考虑下翼缘与楼板搭接，弦杆下翼缘加宽加厚
GKL1、GKL3：山墙桁架弦杆；GKL2：其他桁架弦杆
主要结构件截面尺寸表
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方向楼面剪力及位移角曲线
Y方向楼面剪力及位移角曲线
X 方向推覆过程
Y 方向推覆过程
综上所述
综上所述，该结构具有良好的耗能机制和可控的地震反应，有效地保证了结构“小震不破坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计目标。
4 典型结构节点设计
4.1 楼板与弦杆连接节点
删除节点的优点
1、弦杆无需防火：弦杆可完全包裹在楼板厚度范围内（预制+叠合）
2. 平整空间：楼板与弦杆下翼缘齐平，室内整洁，无梁
板底与下法兰齐平
工厂预制开槽
层压板的优点
1、施工速度快：无需模板体系和支撑体系，可连续施工多层
2.现场湿工程量小：减少现场混凝土湿工程量一半左右
3.预制板底面平整：避免现场在板底抹灰
4. 保证质量：工厂自动化，精准保证楼板质量
无支撑钢筋桁架组合板
板的底部是平的，以避免抹灰
多层连续施工
4.2 柱桁连接节点
全螺栓连接的优点
1、所有节点采用螺栓连接，现场无需焊接，施工快捷
2.节点结构简单，力传递明确
柱子和桁架之间采用全螺栓连接
上弦与柱连接节点
下弦与柱连接节点
快速装配式施工
4.3 节点处理
节点连接
连接可靠，结构完整性好
部件在工厂预制，质量更好
施工简便、效率高
柱边切割角度
Web 连接节点
板面粗化处理对比
预埋件焊接
侧接
4.4 施工技术措施
施工技术
1.减少工程工作量，加快施工速度
2.构件工厂预制，整体布置，缩短工期
3.现场组装率高，安装速度更快
工厂生产
方便运输
占地面积小
柱子排列在外围，少数
施工快捷
5.围护系统的选择与施工
5.1 住宅围护墙体设计策略
设计原则
1、外墙采用200mm厚ALC条板（快速安装，满足防火、防水、隔音、装配式要求）
2、隔墙及电梯井采用200mm厚ALC条板（快速安装，满足防火、防水、隔音、装配式要求）
3、卫生间、厨房采用100mm厚ALC条（安装快捷，满足防火、防水、隔音、装配要求）
4、卫生间采用整体卫浴（增加组装率）
5、管井采用100厚加气混凝土砌块（对于有水的房间，砌块的防水性能和措施更为有效）
6、交错桁架两侧内壁采用75mm厚ALC条板（条板间的空腔可作为管线空间，提高整体装配率）
7、采用组装式内部系统，方便管线分离。
隔断墙布局
5.2 ALC 条带作为围护墙的设计与施工
ALC 条的优势
1、安装方便 ALC板是根据图纸和现场尺寸制作的，精度较高，因此，到达施工现场的成品，可直接在现场组装拼接，工人安装非常快；加气砌块由于尺寸固定，不能定尺生产，还需配制砌筑砂浆，因此与ALC板相比，施工速度明显慢很多。
2、辅助结构少。ALC板不需要构造柱、圈梁、加强带等，缩短了施工工期。加气砌块由于需要另外设置构造柱、圈梁等，限制了施工速度。
3、装修简单，ALC板不用抹灰，直接刮薄层砂浆或腻子，施工速度又大大提高；加气块需挂钢丝网双面抹灰，湿法施工，速度慢；
4、抗震性能好。ALC条板外墙抗震性能好，在8度地震下仍保持完好，墙板本身整体刚度较大，有足够的强度储备，墙板与结构连接合理，连接性能好，振动时节点连接牢固。
ALC条带复合层示意图
ALC条带设计要点
1、板材选择：200厚ALC条板及型号；
2、平面图：节点（勾螺栓）、安装方式（外平）、缝隙处理、伸缩缝的设置等；
3.洞口加固；
4、装饰处理。
ALC 条带连接
ALC胶条施工要点
1、施工前准备
布局—现场尺寸核实—施工方案确认—材料准备
2.施工注意事项
a.施工时不得任意切割外墙板的长度，外墙板的宽度应≥300m。
b.板材堆放场地应坚实、平整、干燥，板材应侧放（屋面板、楼面板可平放），高度不宜超过2米。
c.管道开槽应在墙体验收合格后进行，操作时宜用带有开槽机的小型切割机开槽，严禁随意打孔或切断板内纵筋，开槽应沿板长方向（如有宽度可向厂家定制凹槽（适用于保护层较厚的板）或设置在板缝之间），深度不宜超过板厚的1/3，凹槽可在板面稍下方用1：3水泥砂浆修补，表面可用专用修补材料填补缝隙，装饰前用玻纤网格布对此区域进行加固。
d. 较大的门窗开口周围应建造钢筋框架。
e. 如果装饰前板面潮湿，不宜立即施工。应等到表面干燥，含水率较低时（一般
5.3 ALC 条带隔墙设计与施工
ALC条形隔断墙的优点
1.干装配施工
2.梁、柱抗裂结构设计
3.提高装修便利性
4.隔音、防火性能优良
ALC条形隔墙设计要点
1、板材选择：200厚ALC条板及型号；
2、平面图：节点（管板/U型槽）、安装方式（外平）、缝隙处理、变形缝的设置等；
3.洞口加固；
4.装饰处理；
5、交错桁架两侧内墙采用75mm厚ALC条板。
施工说明
a. 审核：墙板垂直安装前，需审核墙体的净高，板的实际长度应比墙体的净高短20-40mm。
b.标线：按设计要求在楼面、柱子或墙面上标出安装位置及标高。
c.找平：支座应采用DP15干砂浆或1：3水泥砂浆找平，若支座为钢结构可采用增强界面剂或其他措施加强表面附着力。
d.安装：安装顺序应从洞口边缘向两侧依次安装，洞口边缘板及外角板应为整块板，无洞口的墙体应从一端依次安装。
e.下料：切割好的板应放置在整块板之间或靠近内角的位置，板的宽度一般应≥200mm。
ALC条形隔断墙示意图
ALC条形隔墙节点
管夹
在距板边≥80mm的位置打入空心钉，用钉子或M8膨胀螺栓将铁板固定在混凝土梁或板上（钢结构与梁各三点点焊），对于装饰要求较高的工程，铁板可采用隐蔽式安装。墙板高度≥4m的顶部和底部应安装管夹。
U型卡槽
间距为板宽或600mm，夹子中心位于板间接缝处，用射钉或M8膨胀螺栓固定在混凝土梁或板上（钢结构与梁各三点点焊）。夹子插入板内的深度不小于20mm，对于装饰要求较高的工程，可将铁板平放在板面上。高度≥4m的墙板上下端应设置管夹。
