新型建筑工业化实践中适宜结构体系分析.pdf

浙江建筑，第 31 卷，第 11 期，2014 年 11 月Zhejiang Construction，Vol 31，No 11，Nov 2014收稿日期:2014 07 15作者简介:李志飚(1969)，男，江苏扬州人，教授级高级工程师，从事建筑结构设计工作。新型建筑工业化实践中适宜结构体系分析Analysis on the Appropriate Structure System in theNew Building Industrial Practice李志飚，李晓良LI Zhibiao，LI Xiaoliang(浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006)摘要:在新型建筑工业化实践中，结构体系的确定是一项重要工作。今基于新型建筑工业化的内涵，给出了适合新型建筑工业化的四大类结构，提出了适宜结构体系的基本要求;现结合浙江省实际，对浙江省新型建筑工业化实践中适宜的装配整体式钢筋混凝土结构体系、钢结构体系、钢与混凝土混合结构体系进行了分析，希望为推进浙江省新型建筑工业化实践提供技术支撑。关键词:新型建筑工业化;适宜结构体系;装配整体式混凝土结构;钢结构中图分类号:TU318文献标志码:B文章编号:1008 3707(2014)11 0015 05建筑工业化，一般包含设计标准化、构件生产工厂化、施工机械化和组织管理科学化等四方面的内容1。基于建筑工业化所指范围不同，可分为传统和新型建筑工业化。传统建筑工业化仅指主体结构工业化建造;新型建筑工业化除要求主体结构工业化建造外，还包括建筑装修、建筑设备体系和信息化与工业化深度融合等。只有实现了主体结构、设备体系、建筑装修和建筑部品的有机集成，才是新型的建筑工业化建造。综合国内的实践，“新型建筑工业化”2 以设计标准化，部品部(构)件模数化、系列化，部品部(构)件生产工厂化，施工装配化、机械化，土建装修一体化，管理信息化为主要特征，在建设、设计、生产、施工等环节形成完整的产业链，实现建筑物工业化、集约化和社会化建造的建造活动。新型建筑工业化的核心是形成产业链和建立成熟适用的技术体系，当前应着力“五化合一”，即标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化交付和信息化管理，其中装配化施工应是以建造工法为核心的现场施工装配，一体化交付应同时具备主体结构合格、包括智能化在内的建筑设备体系安装到位、室内装修基本满足用户需求等基本条件，信息化不仅指设计、生产和建造过程的信息化，还包括建筑全寿命周期的信息化。推进新型建筑工业化，对于保障结构安全和工程质量具有重要意义，可实现建筑全寿命周期内的节能、节地、节水、节材，保护环境。本文通过分析适合新型建筑工业化的结构类型，提出新型建筑工业化实践中适宜结构体系的基本要求，并且结合浙江省地域条件和经济社会发展水平，对新型建筑工业化实践中适宜的装配整体式钢筋混凝土结构体系、钢结构体系、钢与混凝土混合结构体系进行了分析，明确了主要技术要求。这对指导浙江省新型建筑工业化实践具有积极意义。1适宜结构体系及基本要求采用新型建筑工业化建造，建筑的主要结构构件应能工厂化生产，根据适合工厂生产的主要受力构件的材料，将适合新型建筑工业化的结构类型分为四大类，即木结构、装配整体式混凝土结构、钢结构以及钢与混凝土混合结构，每类结构还可根据结构受力特点和所采用主要受力构件的差异进一步细分。适合新型建筑工业化的木结构包括轻型木结构和胶合木结构。轻型木结构建筑层数一般不超过 3层，通过主要结构构件(墙骨柱、格栅等骨架构件)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)共同作用提供结构的承载能力、刚度和整体性，在北美和日本被广泛应用于别墅建筑，已形成较成熟的成套技术。装配整体式混凝土结构是相对现浇混凝土结构而言，实际工程可采用全装配的装配整体式混凝土结构，也可采用部分现浇部分预制的装配整体式混凝土结构。适合新型建筑工业化的装配整体式混凝土结构有装配整体式混凝土框架结构、装配整体式混凝土框架剪力墙结构、装配整体式混凝土剪力墙结构、预制预应力混凝土装配整体式框架结构等，其中柱可采用预制或现浇混凝土柱，梁板一般采用叠合梁板，混凝土剪力墙可采用现浇剪力墙、半预制剪力墙(预制叠合剪力墙、叠合板式剪力墙)，也可采用全预制剪力墙。钢结构的柱、梁和支撑等主要受力构件在工厂加工制作，即将构件运至施工现场采用螺栓或焊接进行连接，钢结构是适合建筑工业化的重要结构类型，在工业与民用建筑中有广泛应用。门式钢架轻型房屋钢结构在单层工业厂房、库房建筑中普遍采用。在民用建筑中钢结构的应用主要有四方面:大跨度屋盖钢结构，钢结构公共建筑，轻钢龙骨低层住宅和高层钢结构住宅。钢与混凝土混合结构中构件的组合方式较多，认为所有钢与混凝土混合结构都属于建筑工业化建造是不合适的。实际工程中应用较多的以下两类钢与混凝土混合结构，即由钢框架、钢支撑框架或钢管混凝土框架与钢筋混凝土核心筒(剪力墙)组成的框架核心筒(剪力墙)结构，以及由外围钢框筒或钢管混凝土筒与钢筋混凝土核心筒组成的筒中筒结构。由于上述两类结构中梁柱等主要受力构件由工厂加工制作、现场装配施工，因此属于适合建筑工业化的结构类型。各地地域条件不同，经济社会发展水平存在差异，在新型建筑工业化实践中采用的适宜结构体系也有区别。一般认为，新型建筑工业化实践中适宜结构体系应满足主体结构安全，构件便于工厂生产，节点连接可靠，施工方便，经济合理，配套技术成熟，配套产品丰富等基本要求，并应适合当地地域条件，符合当地经济社会发展水平。应妥善处理装配化率与结构安全以及装配化率与建造增量成本的关系，经济发展水平、抗震设防烈度、自然条件不同的地区，装配化率要求存在一定差异也是合理的。基于浙江省人多地少，特别是建设用地紧张的现状和节约、集约利用土地的理念，主要适合于低层建筑的木结构不宜作为浙江省新型建筑工业化的适宜结构。结合浙江省的地域条件和经济社会发展水平，考虑不同结构的特点，梳理装配整体式混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合结构等三大类结构中哪些结构类型是当前浙江省新型建筑工业化实践中的适宜结构体系，规范基本要求，对推进浙江省新型建筑工业化实践十分必要。2适宜的装配整体式混凝土结构装配整体式混凝土结构可采用全装配的装配整体式混凝土结构，也可采用现浇部分预制的装配整体式混凝土结构。在结构布置和节点连接构造满足规范要求的条件下，装配整体式混凝土结构可按等同现浇混凝土结构进行设计。下面基于安全、经济和适用的原则，分析浙江省新型建筑工业化实践中适宜的装配整体式混凝土结构体系，并梳理主要技术要求。装配整体式混凝土框架结构适合于多层、高层公共建筑，也可用于使用条件与民用建筑相似的多层轻工业建筑，当前较少在居住建筑中应用。在上述建筑中，当柱距较大或使用荷载较大时，可采用装配式预制预应力混凝土框架结构。装配整体式混凝土框架结构可采用预制或现浇混凝土柱，当采用预制混凝土柱时，常采用在节点区现浇混凝土进行梁柱连接，也可在预制梁端预留键槽，即钢筋在键槽搭接的构造。随着钢筋套筒灌浆连接技术的发展，装配整体式混凝土框架结构的上层柱与下层柱钢筋也可采用钢筋套筒灌浆连接。装配整体式混凝土框架结构节点的承载力和延性不能低于现浇节点，承载力不应低于相邻的梁端和柱端承载力，节点的破坏模式应为延性破坏。装配整体式混凝土剪力墙结构较适合于建筑高度较高的居住建筑，设计中可结合楼梯间、电梯井道以及分户墙和房间隔墙等位置布置剪力墙，对建筑功能和室内平面布置影响较小，装配整体式混凝土剪力墙结构也可用于宾馆等高层公共建筑。鉴于浙江省总体抗震设防烈度不高，采用剪力墙结构时，结构设计需要布置的剪力墙数量不多，从经济性考虑并减轻上部重量，设计中常布置一定数量的短肢剪力墙，必须设置的普通剪力墙可布置在楼梯间、电梯井道以及分户墙处，短肢剪力墙常采用 L 型、T 型，也有采用 Z 型和“”字型。装配整体式混凝土剪力墙结构中的剪力墙宜采用现浇混凝土剪力墙，也可采用部分现浇剪力墙和部分预制剪力墙相结合的61浙江建筑2014 年第 31 卷剪力墙布置方案，其中预制剪力墙可采用叠合板式混凝土剪力墙，预制叠合剪力墙和全预制剪力墙。叠合板式混凝土剪力墙，预制叠合剪力墙的设计和施工应满足相关标准的要求。当采用全预制剪力墙结构时，应根据工程特点进行技术和经济比较，论证其经济性、可行性与合理性。全预制混凝土剪力墙和装配整体式全预制混凝土剪力墙结构的设计、施工应符合现行行业标准装配式混凝土结构技术规程(JGJ 12014)的要求，预制剪力墙的竖向钢筋可采用浆锚套筒连接或浆锚搭接连接。由于兼顾了使用功能和经济性，装配整体式混凝土框架剪力墙结构适合于浙江省建筑高度较高的民用建筑。实践中，基于建筑使用功能和经济性的考虑，对建筑高度不超过 60 m 的高层居住建筑，采用框架剪力墙结构较剪力墙结构更普遍。装配整体式混凝土框架剪力墙结构可采用预制或现浇混凝土柱，剪力墙宜采用现浇混凝土墙，当确实需要采用部分现浇剪力墙和部分预制剪力墙相结合的剪力墙布置方案时，应结合具体工程进行技术和经济比较。装配整体式混凝土框架剪力墙结构中预制柱的设计、连接构造和施工等应符合装配整体式混凝土框架结构中预制混凝土柱的要求，预制剪力墙的设计、连接构造和施工等，应符合装配整体式混凝土剪力墙结构中预制混凝土剪力墙的要求。装配整体式混凝土结构中楼盖应采用混凝土叠合梁板楼盖。按预制和现浇部分混凝土组合的方式不同，叠合梁截面主要形式见图1。叠合板可采用叠合平板、钢筋桁架叠合板、预应力叠合平板和 PK 预应力混凝土叠合板。设计中应采取措施确保叠合梁板中预制部分和现浇混凝土共同工作，防止相互分离。图 1叠合梁截面形式叠合楼板可采用单向板或双向板的形式，按单向板考虑时，板侧的拼缝应配置附加钢筋;按双向板考虑时，可在板侧设置现浇段，拼缝两侧的预制板侧伸出受力钢筋并锚入现浇层内，见图 2。叠合板内的电气水平管线等建筑设备管线的布置应结合现浇层或建筑垫层统一考虑。楼板的预留洞口和预埋件应在工厂预留预埋。图 2双向叠合板整体式拼缝构造综上所述，浙江省新型建筑工业化实践中，适宜的装配整体式混凝土结构及基本要求见表 1。表 1适宜的装配整体式混凝土结构及基本要求注建筑类型适宜结构体系基本要求和特征说明工业建筑装配整体式混凝土框架结构柱采用预制或现浇混凝土柱。多层轻工业建筑民用建筑居住建筑装配整体式混凝土框架剪力墙结构(建筑高度不大于 60 m)柱采用预制或现浇混凝土柱，墙应采用现浇混凝土墙。装配整体式混凝土剪力墙结构墙应采用现浇混凝土墙，也可采用部分现浇部分预制剪力墙布置方案。公共建筑装配整体式混凝土框架结构柱采用预制或现浇混凝土柱。装配整体式混凝土框架剪力墙结构柱采用预制或现浇混凝土柱，墙应采用现浇混凝土墙。装配整体式混凝土剪力墙结构(宾馆建筑)墙应采用现浇混凝土墙，也可采用部分现浇部分预制剪力墙布置方案。注:(1)装配整体式混凝土结构楼盖应采用混凝土叠合梁板楼盖;(2)对于装配整体式混凝土框架结构，当柱距较大或使用荷载较大时，可采用装配整体式预制预应力混凝土框架结构;(3)预制混凝土剪力墙可采用叠合板式混凝土剪力墙，预制叠合剪力墙和全预制剪力墙;当采用全预制混凝土剪力墙结构时，应根据工程特点进行技术和经济比较，论证其经济性、可行性与合理性。71第 11 期李志飚等:新型建筑工业化实践中适宜结构体系分析3适宜的钢结构体系浙江省钢结构企业钢结构加工、制作和安装的能力和总量位居全国前列，经过多年发展，积累了丰富的工程经验，并开展了与钢结构建筑配套的钢筋桁架自承式模板楼板和轻质墙板等建筑构件的研发和生产，为浙江发展钢结构建筑打下了良好的产业基础。浙江省东部沿海广泛分布着深厚的淤泥和淤泥质土软土层，地基承载力比较低，采用钢结构，并配套使用轻质墙体材料可减轻上部结构自重，降低基础工程投资。在浙江省新型建筑工业化实践中，发展钢结构建筑既十分必要，也有很好的产业基础。轻钢龙骨钢结构主要适用于低层住宅(一般为独户住宅或排屋)，鉴于浙江省人多地少，城镇建设用地紧张的实际，轻钢龙骨钢结构不宜在浙江省城镇建设中推广应用，基于建筑文化、居住习惯和建造成本较高等多方面原因，当前也较难在浙江省农村住房建设中应用。下面基于安全、经济和适用的原则，分析浙江省新型建筑工业化实践中适宜的钢结构体系，并梳理主要技术要求。门式刚架轻型房屋钢结构适合于单层工业厂房、库房建筑。该结构具有安全可靠、技术先进、经济合理的特点，其设计和施工技术较为成熟，已在浙江省工业建筑和仓储物流建筑中得到广泛应用。轻型钢框架和钢框架支撑结构，配套使用轻质墙体、轻质楼面和屋面，适合层数不超过 6 层的轻型钢结构住宅建筑。轻型钢结构住宅应采用建筑、结构、设备与装修一体化设计，承包商应提供包括结构布置、连接构造、墙体和楼屋面在内的成套技术。轻质围护材料应采用以普通水泥为主要原料的复合型多功能预制轻质条形板材、轻质块体或轻钢龙骨等满足保温要求墙体材料。楼板应采用轻质板材，也可部分或全部采用现浇轻骨料钢筋混凝土板。钢框架和钢框架支撑结构适合多层和高层民用建筑，也可用于多层工业建筑，其中框架柱可采用钢柱，也可采用钢管混凝土柱;支撑可采用普通钢支撑，也可采用屈曲约束支撑。钢框架和钢框架支撑结构的外墙和内隔墙应采用轻质墙板，也可采用轻质块体材料砌筑，外墙与梁、柱交接面应采取防止开裂的构造。钢框架和钢框架支撑结构中梁柱可采用刚性连接、半刚性连接或铰接，柱在互相垂直的两个方向都与梁刚接时，应采用箱形截面(矩形(方)钢管)，框架梁与柱的连接节点应采用柱贯通型，也可采用梁贯通型和隔板贯通型。在钢结构住宅建筑中，柱采用矩形(方)钢管柱时，梁柱刚接节点应采用隔板贯通构造。矩形(方)钢管可采用四块钢板焊接成型的矩形管，也可采用冷弯成型的直缝焊接管。使用矩形(方)钢管的钢结构住宅中，当钢管壁厚不大于 20 mm 时，宜采用冷弯成型的矩形(方)钢管。圆形钢管可采用冷弯成型的直缝焊接管或无缝管。高层钢框架和钢框架支撑结构可采用一阶弹性分析或二阶弹性分析方法进行变形和内力计算。当采用一阶弹性分析方法计算杆件内力时，框架柱设计应采用计算长度法。二阶分析可采用假想荷载法，框架柱设计时计算长度系数取 1 0。阻尼比是钢框架和钢框架支撑结构抗震设计时的重要参数。现行国家标准建筑抗震设计规范(GB 500112010)规定阻尼比取值为 0 02 0.04，阻尼取值与建筑高度相关，当建筑高度不小于200 m 时取 0 023。在罕遇地震下进行弹塑性分析时，阻尼比取 0 05。钢框架和钢框架支撑结构的层间位移应符合相关标准的规定。在风荷载标准值作用下，按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比不应超过 1/4004，在多遇地震标准值作用下，按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比不应大于1/2503。钢框架和钢框架支撑结构抗震设计应符合现行国家标准建筑抗震设计规范(GB 500112010)的规定。抗震设计时，钢框架支撑结构的框架部分按抗侧刚度分配的各楼层总地震剪力标准值需进行调整，并应满足不小于结构底部总地震剪力的 25%和框架部分楼层地震剪力标准值中最大值的 1 8 倍两者的较小值。钢框架和钢框架支撑结构的楼板可采用压型钢板组合楼板、钢筋桁架组合楼板、混凝土叠合板和现浇板。压型钢板组合楼板的压型钢板可采用开口型、缩口型和闭口型，钢结构住宅宜采用闭口型压型钢板。钢结构应进行防腐蚀和防火设计。钢结构应综合考虑结构所处介质环境，涂装涂层使用年限要求和维护条件等因素，采用性价比良好的长效防腐蚀涂装措施。钢结构防火保护可采取浇筑混凝土(水泥砂浆)、涂敷防火涂料、轻质防火厚板包覆和复合防火保护等措施，当采用涂敷防火涂料保护方案时，防火涂料应在防腐中涂层外侧施工，与中涂层应互相兼容且有良好的附着力。81浙江建筑2014 年第 31 卷综上所述，浙江省新型建筑工业化实践中，适宜的钢结构体系及基本要求见表 2。表 2适宜的钢结构体系及基本要求注建筑类型适宜结构体系基本要求和特征备注工业建筑门式刚架轻型房屋钢结构横向为承重的 H 型钢截面门式刚架，纵向设置檩条和支撑配套屋面板和墙面板民用建筑居住建筑轻型钢框架、钢框架支撑结构(建筑层数不超过6 层)钢框架、钢框架支撑结构(多层、高层)配套采用轻质墙体、楼面和屋面。整体分析可采用一阶或二阶弹性分析，梁与柱连接需符合强连接弱构件的设计原则，应验算风振舒适度。可采用钢管混凝土柱，且宜采用钢筋桁架组合楼板公共建筑钢框架、钢框架支撑结构(多层、高层)整体分析可采用一阶或二阶弹性分析，梁与柱连接需符合强连接弱构件的设计原则，应验算风振舒适度。可 采 用 钢 管 混 凝土柱注:(1)大跨空间钢网格结构可用于建筑的屋盖，也可用于大跨度楼面;(2)钢结构的构件应进行防腐蚀和防火设计;(3)钢框架支撑结构中支撑可采用中心支撑、偏心支撑和屈曲约束(防屈曲)支撑;(4)采用计算长度法时，对框架支撑结构，应根据支撑框架的抗侧刚度大小，按强支撑框架或弱支撑框架确定框架柱的计算长度系数。4适宜的钢与混凝土混合结构钢与混凝土混合结构中构件的组合方式较多，以下两类钢与混凝土混合结构，即由钢框架、钢支撑框架或钢管混凝土框架与钢筋混凝土核心筒(剪力墙)组成的框架核心筒(剪力墙)结构，以及由外围钢框筒或钢管混凝土筒与钢筋混凝土核心筒组成筒中筒结构，属于适合建筑工业化建造的结构类型。在钢与混凝土混合结构中，框架核心筒(剪力墙)结构适合于高层民用建筑，筒中筒结构适合于高层公共建筑。当框架剪力墙结构用于高层住宅建筑时，柱常采用矩形钢管混凝土柱。在计算地震作用时，钢与混凝土混合结构的阻尼比可取 0 04，罕遇地震下弹塑性分析时，阻尼比可用 0 05。在风荷载作用下，楼层位移验算和构件设计时，阻尼比可取 0 02 0 04，结构顶部加速度验算时的阻尼比可取为 0 01 0 0155。钢与混凝土结构中框架核心筒(剪力墙)结构、筒中筒结构在风荷载或多遇地震标准值作用下，按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高的比值要求与钢筋混凝土框架核心筒(剪力墙)结构、筒中筒结构相同，并应符合行业标准 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)的规定。抗震设计时，钢与混凝土结构中框架部分按抗侧刚度分配的楼层地震剪力标准值应符合现行行业标准 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)的规定。钢梁与混凝土墙的连接可采用铰接，并应能传递竖向剪力和水平力。当钢梁通过预埋件与混凝土墙相连时，预埋件锚筋应有足够的锚固长度，预埋件的设计计算可参考中国工程建设标准高层建筑钢混凝土混合结构设计规程(CECS 2302008)。钢与混凝土混合结构的楼板可采用压型钢板组合楼板、钢筋桁架组合楼板、混凝土叠合板和现浇板。钢与混凝土混合结构中钢结构构件应进行防腐蚀和防火设计，设计要求同钢结构中钢构件的防腐蚀和防火设计要求。5结语推进新型建筑工业化是实现建筑产业现代化的重要举措。结合浙江省地域条件和经济社会发展水平，确定适宜的结构体系，明确基本要求，是开展新型建筑工业化的基础工作，事关建筑工程的结构安全和经济合理。文中提出了浙江省新型建筑工业化实践中适宜结构体系的基本要求，并对浙江省新型建筑工业化实践中适宜的装配整体式钢筋混凝土结构体系、钢结构体系、钢与混凝土混合结构体系进行了分析。这对规范和指导浙江省新型建筑工业化实践有积极意义。参 考 文 献 1刘燕辉 住宅科技 M 北京:中国建筑工业出版社，2008:36 52 2李志飚 推进新型建筑工业化的几个问题J 浙江建筑，2014，31(3):49 51 3中国建筑科学研究院 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，2010 4中国建筑技术研究院 JGJ9998 高层民用建筑钢结构技术规程 S 北京:中国建筑工业出版社，1998 5中国建筑科学研究院 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北京:中国建筑工业出版社，201191第 11 期李志飚等:新型建筑工业化实践中适宜结构体系分析