改革开放以来,钢结构建设步伐加快,尤其在公共建筑领域,除厂房、多层住宅外,还拓展到超高层建筑、大跨度展览中心、体育场馆、大型交通枢纽等,在建或竣工200米以上的钢结构高层建筑已达千余座,钢结构正向更高、更宽、更轻的方向发展。
钢结构住宅发展有点慢,我国最早的钢结构住宅是1994年在上海北蔡建造的一栋8层钢结构住宅,此后20年建造的钢结构住宅数量远远少于钢结构公共建筑,目前占比不到5%。
近年来,我国在北京、杭州、合肥、湛江、蚌埠、济宁、淄博、沧州、包头等地开展了钢结构住宅的设计研究和工程实践,建设了一批多层钢结构住宅试点项目,其中杭州钱江世纪城、北京成寿寺安置房、沧州富康家园等试点项目起到了良好的示范作用。
《钢结构住宅建筑主要构件尺寸指南》于2020年8月20日正式发布,根据《住房和城乡建设部标准规范司关于编制《钢结构住宅建筑评定标准》的函》(住房城乡建设部标准规范司函[2020]77号)要求,成立了《钢结构住宅建筑评定标准》起草组并于2020年7月8日召开了第一次工作会议。
2020年12月21日召开的全国住房和城乡建设工作会议提出,加快发展“中国建筑”,推动建筑业转型升级。加快智能建造和新型建筑工业化协同发展,打造建筑业互联网平台;完善装配式建筑标准体系,大力推广钢结构建筑。
1、钢结构住宅技术体系分析
1.结构体系
1. 抗垂直和横向力体系
装配式钢结构住宅宜采用大开间、灵活的室内空间布置方式,应根据建筑功能、建筑高度、抗震设防烈度等选择以下结构体系(GB/T 51232):
(1)钢框架结构(适用于高度不超过30m的建筑)
(2)钢框架-支撑结构(支撑包括中心支撑、偏心支撑、屈曲约束支撑)
(3)钢框架—剪力墙(或延性墙板)结构(剪力墙可采用预制或现浇钢筋混凝土剪力墙,延性墙板包括钢板剪力墙、钢板组合剪力墙、钢框架内填充竖缝混凝土剪力墙等)
(4)交错桁架结构
(5)低层冷弯薄壁型钢结构(适用于层数不超过3层、檐高不超过12m的建筑)
2. 地板系统
钢结构房屋楼盖一般采用装配化程度较高的免模板楼盖体系,包括钢筋桁架楼板、预制组合楼板、预应力组合楼板(PK板)。
钢桁架楼承板具有安装方便、重量轻、运输费用低等优点,底模板可用金属板或非金属材料制作,如房间要做吊顶,底模板不用拆除;房屋内不做吊顶的区域,采用可拆除底模板的钢桁架楼承板。预制混凝土叠合楼板具有底面平整、跨度大等优点,根据周边板的支撑情况设计为单向板或双向板,板缝采用密缝、宽缝连接。
(二)外部保护体系
外防护体系包括外墙体系和屋面体系,外墙体系宜采用轻质材料和干式施工方法,外墙体系材料多种多样,施工工艺、节点构造也各有不同。
1.外墙板的主要类型
根据外部保护系统的结构,主要可分为以下四种类型:
(1)预制混凝土外墙板(简称大板)
包括预制混凝土外墙板、预制混凝土夹心保温外墙板等。
(2)轻质条带
包括加气混凝土板(ALC)、轻骨料混凝土板、复合夹芯板等。
(3)钢木结构复合外墙板
包括金属框架复合外墙板、木框架复合外墙板等。
(4)建筑幕墙
包括玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙、人造板幕墙等。
2.外墙板的性能要求
外墙板的性能要求主要有安全性、功能性和耐久性。
(1)安全要求(注意连接可靠、防止裂纹)
安全性能要求是指关系到人身安全的关键性能指标。对于钢结构住宅建筑外围护系统钢结构住宅系统,应满足基本承载力要求和防火要求,具体可分为抗风压、抗震、抗冲击等。应采用弹性法确定外墙板的承载力和变形,并明确规定荷载和作用效应的组合;在标准的荷载和作用组合下,外墙板不应因主体结构弹性夹层而产生变形或因位移而产生塑性变形、开裂和脱落;当主体结构层间位移角达到较大地震时,外墙板不应脱落。
抗冲击性能应根据外防护体系的组成确定,对于幕墙体系,可参考现行国家标准《建筑幕墙》GB/T 21086中的相关规定,最大冲击能量为900J,最大跌落高度为2m,试验次数不少于10次,且试件跨度、边界条件须与实际工程相一致。
除幕墙系统外,外围护系统也应对其抗冲击性能有更高的要求,外围护系统的室内外装饰面,特别是类似薄抹灰工法的外墙保温饰面层,也应明确规定抗冲击性能要求。
(2)功能要求(必须强调防水、节能)
功能要求是指外围护系统应满足的住宅使用的基本要求,包括水密性、气密性、隔声性、热工性能等。
防水性能包括基板的抗渗性能和接缝的止水排水性能,具体措施为结构防水+材料防水(企口、高低缝、排水孔、专用胶)。气密性能要求装饰板接缝的隔声性能应符合现行国家标准《民用建筑隔声设计规范》GB 50118的有关规定,要求基板致密性高、气孔少。热工性能应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189和《严寒及寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26的有关规定。轻质混凝土板条保温性能好,具体措施为板条+保温层(岩棉、EPS、石墨EPS等)。
(3)耐久性要求
耐久性要求直接影响外防护体系的使用寿命和维护时限,不同的材料对耐久性有不同的性能指标要求,在耐久性试验后需再进行相关力学性能的检测,以保证使用中的稳定性。对于以水泥基板为基板的外墙板,应符合现行行业标准《外墙用非承重纤维增强水泥板》JG/T 396的有关规定,并满足抗冻、抗热、抗雨、抗热水、抗干湿性要求。
3.外墙板与主体结构连接
根据外墙板与主体结构的连接形式可分为外挂式、内嵌式和嵌挂结合安装式。
(1)外部安装
外墙安装具有施工速度快的优点,能很好的克服钢结构构件挠度变形对墙体造成破坏的缺陷,同时墙板包裹钢结构构件,便于装饰,不易形成冷桥。但是外墙安装也存在一些缺点:对墙板的结构材料要求较高,导致墙体的造价比较高;墙体厚度及自重较大,专用金属连接件的费用会比较高;由于墙板在结构构件的外侧,梁、柱暴露在室内。
(2)嵌入式安装
预埋安装需要现场大量的施工工作,而且无法对钢结构梁柱体系进行完全包裹,容易形成热桥、冷桥,所以需要进行二次包裹,而钢结构构件在承受荷载时,挠度变形较大,会影响到内嵌墙体的损坏,容易造成楼板、墙板接缝处雨水渗漏、渗水,影响居民使用。
1、合肥下堂松林园三期效果图
2.长春润德双丰装配式钢结构住宅项目效果图
(三)内饰系统
装配式钢结构建筑的室内装饰体系宜采用轻质材料、预制化装修;厨房、卫生间宜采用一体化构件。室内装饰构件主要包括以下三个方面:隔墙宜采用预制轻质隔墙,包括龙骨隔墙、轻质水泥基隔墙、轻质复合板隔墙等;吊顶宜采用装配式构件,厨房、卫生间吊顶在管线集中处宜设检查口;地板宜采用装配式构件,宜采用可布设管线的架空地板系统等一体化构件,方便管线检查、维护。
内隔墙
钢结构房屋内墙板为非承重构件,应采用轻质高强材料,宜采用免抹灰隔墙板,主要有分户隔断和室内隔断。
(1)内隔墙的主要类型
包括框架隔墙、轻质水泥基隔墙、轻质复合隔墙等。
(2)内墙板的性能要求(注意隔音、防裂)
家庭隔断墙的性能要求主要有安全性、功能性和耐久性,安全性能包括抗震、抗冲击、防火三个方面;功能性能包括隔音性能(>35dB);耐久性要求则包括指室内隔断墙的使用寿命和维护期限。
内隔墙根据具体位置和性能要求采用不同的墙体类型,一般户间隔墙厚度为200mm,内隔墙厚度为90mm或100mm。
快装隔断系统是在轻钢龙骨隔断系统的基础上,饰面板为硅酸钙板,饰面材料可以是UV涂料或传统墙面壁纸等装饰材料,在工厂加工成型。对于有防水要求的卫生间墙面,在龙骨内侧加设PE防水层,面板采用防水涂装板,保证空间的防水要求。
(3)内墙板与主体结构连接处
内墙板应与主体结构可靠连接,避免地震时倒塌造成生命财产损失,同时满足吊重(>100kg)和抗冲击的要求。高度应均匀一致。内墙板应适应钢结构变形,板长应预留5mm至10mm的安装间隙。安装后应用柔性材料填充,避免影响隔声性能。
(四)设备及管路系统
装配式钢结构建筑的设备、管线系统应便于维修、更换;管线应与结构体系分离,维修、更换管线时不影响主体结构,各类设备、管线应综合设计,平面交叉点少,合理利用空间。
1.给排水系统
给水分水器与用水器具之间的管道应一一对应连接,管道中间不应有连接附件;排水管道应采用同级排水工艺。
2.暖通空调和燃气系统
当室内供暖系统采用低温地板辐射供暖时,宜采用干式施工。
3.电气及智能系统
电气及智能化设备与管线应采用管线隔离。
2、钢结构住宅的发展趋势
1、钢结构住宅应向大跨度、大进深、灵活空间方向发展。
目前许多钢结构住宅的布局和布置仍采用剪力墙结构的小开间布置,不仅结构设置不合理,而且严重影响房间的使用功能。为达到室内空间灵活多变的目的,应充分利用钢结构。利用跨度优势,钢结构住宅应向大跨度、大进深方向发展,在外墙、隔墙优先布置钢框架。
(二)钢结构住宅健康发展需要钢结构、外防护、内装饰体系的协同作用
近年来,钢结构行业过于注重主体钢结构的研发钢结构住宅系统,而忽视了与之配套的外防护和内装饰部分的研究开发,在一定程度上制约了钢结构住宅的发展。国外很多项目都是采用合理的建筑布局+内装饰的方式来解决问题。随着全装修、装配式装修的推进,钢结构住宅外防护和内装饰体系的研发和应用将会取得重大进展。
(三)钢结构房屋应充分发挥抗震性好、建设工期短的优势
钢结构构件制造方便,加工精度高,现场施工精度高,为外墙、内隔墙的安装、装修提供了方便,能有效提高房屋品质。钢结构房屋自重轻,抗震性能好。施工速度快,现场2~3天即可建成一层。结合装配式装修穿插施工,可大大缩短施工工期。