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北京住宅产业化试点工程——首钢铸造村装配式高层钢结构住宅技术体系研究

2020-12-29 14:21:15 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读


 摘要 


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅工程总建筑面积为35164 平方米。在该住宅建筑设计中引入国际先进的SI(S为支撑体,I为填充体)设计理念;结构采用大空间框架-抗侧力结构体系;楼板采用叠合楼板,阳台、楼梯等水平构件均为预制构件;外墙采用200 mm厚新型加气条板+100 mm厚复合保温板;采用整体卫浴、整体橱柜、同层排水技术;全流程采用BIM信息化技术;防腐方面引入了耐候钢技术。



 引言 


首钢铸造村4号、7号钢结构住宅工程位于北京市石景山区铸造村,西五环以外西六环以内,距离市中心约21.8 km,距阜石路0.2 km,距五环主干路4.6 km。


4号、7号钢结构住宅总建筑面积为35 164 平方米,其中地上建筑面积为30 711 平方米,地下建筑面积为4 453 平方米。4号楼地上13层,地下2层;7号楼地上15层,地下2层。地上部分为住宅,住宅层高2.9 m;地下1层为自行车库;地下2层战时为人防掩蔽所,平时为办公用房。


该项目为绿色建筑三星,工业化评价为AA级标准,被北京市建委列为住宅产业化试点工程。


铸造村钢结构住宅具有绿色、高效、节能、环保的特点。建筑设计上引入SI(S为支撑体,I为填充体)设计理念,解决结构支撑体和填充体不同寿命的问题,在保证住宅建筑长久性和全生命周期的前提下,实现住宅设备设施和内装产品的检修和更新。


采用具有安全可靠的大空间框架-抗侧力结构体系;楼板采用叠合楼板,阳台、楼梯等水平构件均为预制构件,减少施工缺陷的同时,提升施工效率;外墙采用200 mm厚新型加气条板+100 mm厚复合保温板,实现墙板与结构主体的柔性连接,外立面平整,整体性好,不易发生漏雨问题;采用整体卫浴、整体橱柜、整体收纳、轻钢龙骨隔墙、同层排水技术实现内装技术的干式施工工艺,提高施工质量和住宅品质;全流程采用了BIM信息化技术,实现了国内首次在高层钢结构住宅中应用耐候钢,将钢材的耐腐蚀性能提升40%。



 建筑SI设计理念 


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅采用国际先进的SI技术体系,将S部分和I部分分离,减少设备、内装对结构主体的损害,延长房屋整体使用寿命,方便设备、内装的使用维护、更换,解决结构支撑体和填充体不同寿命的问题,保证住宅建筑长久性和全生命周期的前提下,方便地实现住宅设备设施和内装产品的检修和更新。


沿用SI理念,户型布局从模块化的设计方法入手,以由内而外、由上而下的思维方式实现建筑功能。将居室空间分解为功能子空间:厨房、卫生间、起居室、卧室、阳台、出入通道。以此为基础从模块化的层面系统研究,整合开发、设计、生产安装、后期维护各个环节然后形成全产业链的解决方案,尽可能实现标准化、系列化、模数化。


设计过程中,标准层建筑布局均相同,户型调整是从模块化的设计方法入手,即由内而外、由上而下地实现建筑功能。房间尺寸基本上为300 mm的模数,考虑钢结构的受力特点,主体结构布置简单、规整,平面凹凸变化不大。


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图1 SI理念在空间布局上的实现



 大空间+抗侧力结构体系 


钢结构住宅地下室采用现浇混凝土结构,地上主体结构采用钢框架-钢支撑结构体系。钢柱采用矩形钢管混凝土柱,内灌自密实混凝土,既有利于防火、隔声,又能把柱距做大,内部空间可以自由分割;钢柱基础采用埋入式柱脚;采用首钢自产的轧制H形窄梁,梁截面宽度不大于200 mm,解决了钢结构住宅露梁问题;梁柱连接采用栓焊连接,能有效减少节点连接用钢量。钢结构住宅计算模型见图2。


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图2 计算模型


 2.1 节点设计


钢结构作为预制构件,核心是钢构件连接,结构主体连接包括柱脚设计、梁-柱连接、支撑连接、梁-梁连接以及钢柱现场拼装。


梁、柱连接采用栓焊刚接,钢柱连接处设横隔板,为提高外窗户顶净高,设置钢反梁,典型连接节点如图3所示。


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a—梁、柱节点平面;b—1—1剖面。
图3 梁-柱连接节点


支撑连接时,钢支撑强轴朝外,与主体结构刚接;钢柱拼接时,钢柱每3层一段运至现场,现场拼接,拼装完后切除耳板;柱脚设计时,采用外包柱脚,结构嵌固端在地下1层顶部,钢柱伸至地下1层底部;梁-梁连接采用铰接节点。


 2.2 抗震变形指标


在首钢铸造村装配式高层钢结构住宅设计工作中,通过采用PKPM系列结构设计程序、YJK结构设计程序对多遇地震和罕遇地震作用进行分析,同时采用大型有限元软件MIDAS进行复核,在综合考虑各种因素的基础上,将首钢铸造村装配式高层钢结构住宅钢框架-钢支撑体系的层间位移角控制在1/300以内,经过罕遇地震静力弹塑性分析,钢结构住宅层间位移角可控制在1/70以内,所有性能指标均满足现行相关规范要求。



 预制PC构件 


 3.1 预制混凝土叠合楼板


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的楼板可采用预制混凝土叠合楼板技术实现快速安装。尽管存在运输、堆放、吊装困难等缺点,但预制混凝土叠合楼板整体性好,刚度大,可节省模板,而且板的上下表面平整,便于饰面层装修,适用于对整体刚度要求较高的高层建筑和大开间建筑。预制混凝土叠合楼板由下部预制混凝土底板和上部现浇层组成。叠合楼板的预制部分的厚度为60 mm,现浇层厚度为70 mm;预制板表面做成凹凸差不小于4 mm的粗糙面并在预制板内设置桁架钢筋,以增加预制板的整体刚度和水平界面抗剪性能。


 3.2 预制楼梯


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅地下室部分采用现浇混凝土楼梯,地上部分每层层高相同,采用预制混凝土楼梯。楼梯梯段为全预制,见图4。楼梯在与钢梁连接处一端预留2个直径80 mm的孔,钢梁处焊槽钢,用细石混凝土灌实孔洞,另外一端可滑动。


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图4 楼梯实物


 3.3 预制阳台板、空调板


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅阳台板可实现外挑1 400 mm的长度,预制阳台板与主体结构采用三边支撑,空调板支撑于反梁上,这两块部件可指定工厂单独定制(图5)。


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图5 预制阳台板、空调板实际效果


 创新的墙板体系 


墙板体系,尤其是外墙板体系已经成为钢结构住宅的技术瓶颈,首钢在行业内首次提出的内嵌式外墙体系得到业内认可,已成为行业主流做法。


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅完全满足北京市地方标准DB 11/891—2012《居住建筑节能设计标准》中的各项规定,表1为部分重要节能指标的对比。


表1 外围护体系节能指标对比

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 4.1 外墙板


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅外墙体系为100 mm厚(岩棉板45 mm+OKS聚能(改性)挤塑板35 mm厚)AB型OKS复合保温板+200 mm厚加气混凝土条板墙(或100 mm厚钢筋混凝土预制板)。


该外墙体系的优点:实现了墙板与结构主体的抗震柔性连接,外立面平整,整体性好,不易发生漏雨问题。外墙与钢梁连接节点见图6。


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图6 外墙与钢梁连接节点


 4.2 内墙板


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅已拥有两套内墙体系:加气混凝土条板体系(200 mm厚或者100 mm厚)和钢带浮石板复合内隔墙体系。


加气混凝土条板体系相关连接节点参见13J104《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》采用。主要构造要求如下:


1)墙板平均平缝拼接时板缝缝宽不应大于5 mm,安装时应以缝隙间挤出砂浆为宜。


2)墙板侧边及顶部与钢筋混凝土墙、柱、梁、板等主体结构连接处应预留10~20 mm缝隙,缝宽需满足结构设计要求。墙板与主体结构之间宜采用柔性连接,宜用弹性材料填缝,有防火要求时应采用防火材料填缝(如岩棉、玻璃棉等)。墙面抹灰层应设分格缝。墙板板缝处、内外墙体与不同材料(如混凝土、钢结构、金属配件)交接处、外墙抹灰层如采用强度较高的抹灰层时应采取防裂措施,如采用耐碱玻纤网格布压入聚合物水泥砂浆层的做法。


钢带浮石板复合内隔墙组成及特点如下:


钢防火(耐火)极限不小于3 h;隔声强,空气隔声值为52 dB;墙体刚度大,门框安装牢固;防潮,可用于潮湿房间。



 装饰装修一体化 


设计标准化是实现内装工业化的前提,通过部品标准化的设计来实现内装的产业化。通过标准化的厨卫系统、标准化的收纳系统等来提高产业化效率。同时,采用整体卫浴、整体橱柜、整体收纳、轻钢龙骨隔墙、同层排水及单立管排水、管道检修口、局部架空地板、适老化设计及部品、负压式新风换气、烟气直排等优良部品实现内装技术的干式施工工艺,大大提高施工质量和住宅品质。


 5.1 架空地板及同层排水


相比较传统湿作业铺装地板,架空地板全部干法作业施工简单;重量轻、荷载小从而降低了楼板的承载力要求;传统做法中水、暖、电的管线均穿行在楼板中,水专业有些管线还要穿行在下层住户家中,一旦有问题维修很麻烦,架空地板后管线布置在架空层中,维修简单方便。


相对于传统的隔层排水处理方式,同层排水方案最根本的改变是通过本层内的管道合理布局,彻底摆脱了相邻楼层间的束缚,避免了由于排水横管侵占下层空间而造成的一系列麻烦和隐患,包括产权不明晰、噪声干扰、渗漏隐患、空间局限等,同时采用壁挂式卫生器具,地面上不再有任何卫生死角,清洁打扫变得格外方便。


 5.2 集成厨房、卫生间


传统的整体橱柜只是简单地将洗、切、烧、存储的功能集合在整体橱柜系统中完成,它只是厨房中的一个整体部件,没有从根本上解决厨房的装修问题。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的整体厨房则通过整合“墙面、台面、地面、集成吊顶、整体橱柜”五大系统,使问题得到完美解决。对于卫生间,首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的整体卫生间通过运用整体压膜底盘,使卫生间具备防水防漏功能。


首钢铸造村装配式高层钢结构住宅集成厨房既包含墙体、墙顶、墙地、门窗、灯光等环境因素,又将更多的电器、厨具炊具等厨房用品也融入了进去,整合空间更大,是全方位的厨房解决方案。


集成卫生间主要特点在于它的整体模压底盘。这种先进的工艺取代传统泥水匠贴瓷片做浴室的方式。在有限空间内实现洗漱、沐浴、梳妆、如厕等多种功能。采用一体化防水底盘、壁板、顶盖构成整体框架,并将卫浴洁具、浴室家具、浴屏、浴缸、龙头、花洒、电器配件等都融入到一个整体环境中。在有限的空间内完美布局,整体浴室提高了住宅品质。整体厨卫将原有的卫生间和厨房的现场手工作业改为在工厂精准预制,到现场精细装配。


 5.3 精装修


钢梁、钢柱在房间内有阳角是不能回避的问题,住建部于2015年10月下发《关于在本市保障性住房中实施全装修成品交房有关意见的通知》(京建法〔2015〕17号),要求本市公共租赁住房、经济适用住房、限价商品住房、棚户区改造安置房及自住型商品住房全面实施全装修成品交房。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅依照产业化要求一次精装到位,通过建筑、结构专业密切配合,达到了精装修后将梁柱隐藏的效果。



 BIM信息化技术 


 6.1 BIM设计


装配式钢结构住宅是对以往传统设计中大量的现场施工过程的重大改进,是以工装模块化组件辅以少量的现场施工作业方法进行建筑生产的施工技术。这项技术不仅对传统施工流程顺序和工法进行了大量的调整,也对设计、材料、设备、设施、采购、供应以及安装和施工技术提出了更高的要求。从设计角度上传统现场作业中实现的大量建筑元素,要重新改成以施工定货图为标准的单体化设计,并且要求在设计之初就充分考虑到安装和施工可能面临的各项问题。从材料和设施配套以及供应的角度讲,对整个供应环节提出了严格执行工厂化产品级的采购和检验要求,从施工角度上看传统施工过程中的临时场地布置等将面临更多的高精度产品的出入库管理,存放安全性、破损防护与修复等要求。


基于这些特点,首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的BIM设计摒弃了传统BIM设计以设计成果模型化和设计过程质量检验为核心的技术思路,强调包括设计、产品、采购、装配、施工、业主等全流程化的组织和协同思想,强调设计图纸与工厂化产品间的逻辑组织,强调以装配思想为核心的约束控制,强调产品的标准化和采购及备品备件的控制技术,强调模块化产品对建筑整体的影响效果。采用了更为广泛的协同角色设置,允许不同级别的不同用户,按照不同的角色定义和对应权限进行相关应用。采用目前国内主流的协同管理平台技术实现上述协同技术思想。


在模型化和信息化方面,首钢铸造村装配式高层钢结构住宅强调以标准的参数化方法进行模块化产品设计以及产品的参数化检验,通过关联技术及时了解不同规格产品以及产品的尺寸误差对整个建筑体系的综合影响。通过对产品的高精度模型化和连接、节点等的处理技术,使产品的设计尺寸、安装要求更好地反馈于制造单位,同时制造单位的产品控制结果也可以更直接地作用于设计模拟。

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的BIM设计水平基本上达到了DB 11/T 1069—2014《民用建筑信息模型设计标准》中BIM4.0的水平。


 6.2 BIM施工集成


通过搭建PKPM-BIM施工协同管理平台(图7),进行碰撞检查,实现各专业之间的协同工作,将深化设计问题消化在了初步设计阶段,为后续施工的顺利进行奠定了基础。


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图7 BIM集成模型


该项目作为钢结构产业化住宅的试点项目,不仅没有经验可依,而且预制装配化率高,导致各专业之间衔接困难,在施工过程中碰撞、衔接问题时有发生。在该项目中通过将Revit模型导入Navisworks进行碰撞检查测试,在施工前就解决了现场可能出现的冲突和碰撞,避免人力、物力以及时间上的损失,而在4D模拟施工阶段,可以把整个工程现场在虚拟模型中描述出来并进行分析,减少了返工。BIM最直观的特点在于三维可视化,利用BIM的三维技术在前期可以进行碰撞检查,优化工程设计,减少在建筑施工阶段存在的错误损失和返工的可能性。施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线方案,进行施工交底、施工模拟,提高施工质量,同时也提高了与业主沟通的能力。BIM技术的应用还可以提早发现设计中钢梁、钢柱与楼板碰撞,电气管线穿钢梁,钢梁、墙板、板的连接等问题。


 6.3 BIM运维管理


建筑工程运营管理中应用模拟性强、数据优化、兼具可视性和可出图性的BIM,能够保障建筑各项信息的完整度,有效提高信息传递的效率,为管理者决策提供科学依据,并减少不必要的人力成本投入和资源消耗,使建筑工程运营阶段的管理工作能够更加智能化和人性化,最终获得良好的经济效益和社会效益。



 耐候钢技术应用 


该项目实现了国内首次在高层钢结构住宅中应用耐候钢,将钢材的耐腐蚀性能提升了40%。同时,所有主要钢结构及其配件均必须经喷珠(砂)抛丸处理,不得以手工除锈(除镀锌铁件外),除锈等级须达到Sa2.5级及以上。凡暴露钢构件分段制作连接处,焊缝要求打磨齐平,涂刷面层涂料后不得有明显焊接痕迹。


钢结构除锈后刷漆要求:底漆采用环氧富锌漆1道,漆膜厚60 μm;中间漆采用环氧底漆1道,漆膜厚度70 μm;钢柱防火涂料采用25 mm厚型防火涂料,满足钢柱2.5 h耐火极限要求;钢梁防火涂料采用15 mm厚型防火涂料,满足钢梁1.5 h耐火极限要求。增加火克板对梁、柱进行保护。



 结束语 


铸造村装配式高层钢结构住宅具有绿色、高效、节能、环保的特点。该项目是在模块化的基础上整合开发、设计、生产安装、后期维护各个环节的形成的全产业链解决方案,尽可能标准化和系列化,是一套成熟完整的技术体系。




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