多层装配式钢结构住宅设计的分析

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　　摘  要：作为一种工业化住宅类型，装配式住宅具有较高的空间灵活性，比较适用于多层装配式钢结构住宅体系。文章根据实际，主要就多层装配式钢结构住宅的设计问题进行分析，以供参考。
　　关键词：多层住宅;装配式;钢结构住宅;设计要点
　　中图分类号：TU391         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0090-02
　　Abstract： As a type of industrial housing， prefabricated housing has high space flexibility and is more suitable for multi-storey prefabricated steel structure housing system. According to the reality， this paper mainly analyzes the design problems of multi-storey prefabricated steel structure housing for reference.
　　Keywords： multi-storey housing; prefabricated; steel structure housing; design key points
　　當前，装配式钢结构住宅在国内外都有广泛应用。尤其是在国外，装配式钢结构住宅建筑中已经占据了较大比例，逐渐形成了完整配套的住宅产业化体系[1]。近年来我国多层装配式钢结构住宅也取得了较好发展，多层装配式钢结构住宅的系统化、系统化特征逐渐明显，但也存在一些问题。下面就多层装配式钢结构住宅的设计问题做具体分析。
　　1 多层装配式钢结构住宅的结构体系
　　与传统住宅项目相比，多层装配式钢结构的设计有诸多的不同点。如，在设计传统住宅项目时，设计人员需要考虑的是建筑单体的设计以及小区的规划设计等;而在设计多层装配式钢结构住宅时，设计人员需要综合考虑建筑构件的设计、生产、装配等问题。因此，在进行多层装配式钢结构住宅的设计时，设计人员需掌握多层装配式钢结构住宅的结构体系特征，在此基础上遵循一定原则，确保设计的系统性、科学性[2]。
　　以多层装配式钢结构住宅的构成为分类标准，可将整个建筑结构分为内装系统、外围护系统、模块化部品系统以及结构系统等。将建筑的结构系统进行细分，可将其划分为楼板、梁柱、楼梯等几大体系。在这几大体系中，梁柱体系又分为方钢管混凝土组合异柱性结构、矩形钢管混凝土柱、高频焊接矩形钢管柱等。楼板体系又分为全预制累、半现浇类两种。外围护系统可分为现场组装骨架类、预制墙板类、建筑幕墙类等[3]。在进行多层装配式钢结构的设计时，必须遵循一定的结构体系，以保证整个建筑结构的系统性。具体如，在设计卫生间时，设计人员应综合考虑到结构体系中各系统之间的组装，考虑卫生间的设计会对整个建筑产生怎样的影响。
　　2 多层装配式钢结构住宅的设计要点
　　2.1 模数化设计
　　在传统建筑的多个领域中，模数化设计已经取得了相对广泛的应用。如传统建筑中的门窗构件、开间进深、柱网、轴线等，多是采用模数化设计。与其他的设计技术相比，模数的设计要求更严格、更深入、更全面[4]。此外，在进行多层装配式钢结构住宅的设计时，设计人员需要掌握构件生产尺寸的模数，了解框架结构与其他建筑材料之间的适配性等，从而确保建筑设计质量。
　　2.2 户型设计
　　在进行住宅建筑的设计时，常规的户型设计无法满足装配式钢结构住宅对模数化以及生产施工的要求，因而需要设计出适宜的户型。随着社会经济以及建筑技术的发展，我国的建筑住宅类型也更加丰富多样，多层住宅的施工建设也越来越普遍。如与传统住宅相比，多层装配式钢结构住宅的建筑空间的可变性、自由度等较高。且装配式钢结构住宅的维护系统与结构支撑体系相互独立，建筑中隔墙的位置、模数等都可以根据实际情况做灵活设计与改变。除此之外，高层钢结构与多层钢结构的结构特征有所不同，两者间的差异性在交通核心筒方面体现的更为明显，在户型设计上也有很多不同。具体如，在进行户型设计时，建议设计人员注意以下几点：
　　2.2.1 户型的基准尺寸
　　各部分尺寸应以某个确定的模数为基准尺寸进行设计。在严格参照基准尺寸的基础上，户型中的卫生间、厨房、主卧、客厅等的进深尺寸、开间等必须合理控制。
　　2.2.2 组装灵活性
　　组装的灵活度高是多层装配式钢结构住宅的一大特征。在进行多层装配式钢结构住宅设计时，应当考虑到用户的需求以及后期组装对灵活性的要求。如有着用户初次购买住宅时，可能只有两人居室的要求，但随着家庭成员的增加，可能就会有三代同居的居住要求。因此在设计阶段就应当考虑到组装对灵活性的要求。此外，临时构件的拆装必须方便快捷，如外围构件、楼梯等要满足易安装、易拆卸的要求。这样不仅能有效满足用户的居住需要，也能有效延长户型的生命周期，提升户型的实用性、舒适性[5]。
　　2.2.3 空间利用率
　　受结构等因素影响，传统住宅的空间利用率较低。但多层装配式钢结构住宅有效弥补了这一不足，大大提升了住宅的空间利用率。在进行多层装配式钢结构住宅的设计时，设计人员应当延续建筑的这一优势，充分发挥建筑在构造、结构等方面的优势，提升空间利用率。如在设计时，对住宅中的“副空间”做合理利用，对住宅中的储藏室、走廊等进行改造利用等，最大程度扩大住宅中的可用面积。
　　2.3 节点设计
　　在设计节点时，应保证构件截面承载力小于节点连接的承载力，并满足各种不同结构体系相应的刚度、强度以及延性等的要求。多层钢结构住宅系统中，节点设计主要涉及到以下工作：梁梁连接的节点设计、柱脚节点设计、柱柱拼接节点设计、梁柱连接节点设计等。 　　在梁柱连接部位，一般常见以下三种设计方法：全螺栓节点，栓焊混合节点以及全焊接节点。上述三种连接节点，在抗震性等方面有所不同。如全焊接节点的节点刚度以及延性较好。全栓焊连接节点整体上呈现出一种滞回曲线，该种节点的延性较差，抗震性能也较差，当受到地震的影响时，建筑节点的承载力将受到影响而降低，因此该种节点形式一般用于非地震区多层框架。而栓焊混合节点，在衍生性、抗震性等方面较好，因此目前应用的较为广泛[6]。在具体设计工作中，设计人员可根据实际情况做合理选择。
　　2.4 楼板设计
　　多层钢结构住宅的楼板，可采用钢筋混凝土楼板和压型铜板组合楼板。
　　这一类型的楼板不仅造价低，而且施工过程简单，整体性能优良，在建筑工程中比钢筋混凝土楼板更为适用[7]。
　　2.5 柱脚设计
　　钢结构的柱脚，主要是指钢结构最下层柱构件的下端和基础混凝土连接部分。柱脚是将最下层柱下端所受的轴力、剪力、弯矩等有效传递给基础[6]。在整个钢结构建筑中，钢结构柱脚发挥着重要作用，因此需高度重视钢结构柱脚的设计工作。当前，常见的钢结构柱脚主要有以下类型：外露式柱脚、埋入式柱脚以及外包式柱脚。其中，外露式柱脚施工简便，施工效率高，但是其的刚度、承载力、抗震性等较低，因此外露式柱脚在高层建筑、小规模钢结构建筑中都有应用，但在多层钢结构住宅中应用的较少。埋入式钢结构柱脚与外露式柱脚有所不同，埋入式柱脚的承载力、抗震性等更为良好。埋入式柱脚的轴力主要是通过钢柱脚部的底板进行传递;埋于混凝土中的钢柱与混凝土间的承压则主要传递剪力与弯矩。在设计时，要将钢柱埋入基础混凝土中的深入控制在钢柱截面高度的2.5倍以上。为保证钢柱结构的稳固性，在设计时应使用一定数量的钢筋配置在钢柱周围，尤其是在边柱的周围配置钢筋，并適当增加混凝土的保护层厚度，以防工程在后续施工或使用过程中出现相关质量问题或安全问题。对于多层钢结构建筑，选用埋入式柱脚最为适宜。为保证整个建筑结构的稳定性，在选择并应用埋入式柱脚时，设计人员应根据建筑物的类型来选择相应的柱脚连接形式，从而提升整体的设计质量[8]。在设计外包式柱脚时，主要通过钢柱脚部的底板将轴力传递给基础，同时通过外包式构件混凝土部分来传递剪切力与弯矩，以此保证整个建筑结构的稳固性。同时设计人员在设计柱脚时首先需要计算出柱脚的最大弯矩承载力以及钢柱脚部的负担承载力，在明确上述重要数据的基础上再进行设计，更有利于提升柱脚设计方案的科学性与合理性。
　　2.6 节能设计
　　要想提升多层装配式钢结构住宅的节能性，在设计时就应做好住宅的朝向设计，而南北向设计最为适宜。在南北向房间中，冬暖夏凉，冬天有阳光射入室内，可提升室内温度并因此减少对空调、煤炭等的使用;夏季可最大程度减少太阳对墙面以及室内空间的照射，并保持通风的顺畅，确保室内温度适宜。另外，在多层装配式钢结构的节能设计中，设计人员还应做好围护结构设计，有效提升围护结构的热工性能，减少房间热量的散失，以此达到节能目的。具体如，设计人员可通过控制窗墙比来改善屋面、楼地面、楼梯间、门窗等建筑围护结构的热工性能，以此实现建筑节能目标[9]。
　　3 结束语
　　综上所述，随着我国建筑行业的发展，多层装配式钢结构住宅取得了良好发展，多层装配式钢结构住宅的系统化、系统化特征逐渐明显，住宅设计水平也逐步提升。但要想进一步推升多层装配式钢结构住宅产品品质，相关单位、人员还应立足实际，继续推进对多层装配式钢结构住宅的研究与探索，不断优化多层装配式钢结构住宅设计，有效提升住宅的实用性、舒适性以及绿色节能性。
　　参考文献：
　　[1]常威，陈涛.多层装配式钢结构住宅设计研究[J].住宅与房地产，2019（22）：71.
　　[2]汪平平.高层装配式钢结构住宅立面设计研究[D].北京交通大学，2019.
　　[3]李永健.基于IFD理论的钢结构住宅设计研究[D].北京交通大学，2018.
　　[4]柴庆霖.低多层装配式钢结构住宅户型设计研究[D].中国矿业大学，2018.
　　[5]李文翰.新型墙板装配式钢结构住宅体系及其关键技术的研究[D].西安建筑科技大学，2014.
　　[6]黄现宁.新疆地区钢结构装配式节能住宅优化设计研究[D].石河子大学，2013.
　　[7]叶之皓.我国装配式钢结构住宅现状及对策研究[D].南昌大学，2012.
　　[8]郭冬梅，王元清，伊永成.装配式多层钢结构柱-柱连接的研究与展望[J].交通科技与经济，2019，21（06）：64-68+73.
　　[9]杜爽.钢结构住宅的技术性研究[D].清华大学，2003.
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