装配式钢结构建筑围护结构体系设计

装配式钢结构建筑围护 结构体系设计

王品啸 1 战美秋 1 吴立志 2 唐文坚 1 张晶 1 牛广野 1

（ 1 吉林建筑大学 吉林 长春， 130118;2 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 , 广东，广州 510663)

摘要：装配式围护是装配式建筑的主要组成部分，是装配式建筑结构真正实现设计、生产、施工一体化成为装配式建筑的问题关键。本文有针对性的论述了钢结构装配式建筑配套围护结构的研发应用问题与发展关键，旨在揭示设计技术对产品技术体系的引领作用，为钢结构装配式建筑工业化、绿色化、信息化发展提供有效的的解决方案。

关键词：装配式钢结构；一体化；围护结构体系

前言

装配式建筑技术体系设计也是装配式建筑从整体设计、施工图设计、构件和配套部品部件设计的不断精细化的过程，以建筑对标工业产品，实现类似生产汽车流程的设计、分批生产、装配一体化的装配式建筑产品，则需要不同生产线应对应生产不同的产品，每种不同的产品对应不同的技术体系，不同的技术体系对应有完善的标准化构件和配套的部品部件及生产工艺。装配式钢结构具有先天的装配属性优势，其配套的部品部件设计包括建筑楼面、屋面、内外墙板在内围护结构体系的设计，对其结构体系的安全稳定性、保温隔热性、隔声防火性、封闭防湿性等功能有至关重要的作用。

1.钢结构装配式建筑围护结构体系设计规范要求

围护结构系统的材料种类、节点构造、施工工艺种类较多，根据不同材料特性、节点构造特点与施工工艺明确具体的性能要求。具体性能要求主要包括安全性能、功能性能和耐久性能等，同时屋面系统还应增加结构性能要求。随着装配式钢结构建筑的发展与普遍应用，对其围护结构体系的设计也提出了更高的要求。

安全性能要求关系到人身安全的关键性能指标，装配式建筑外围护系统除满足安全性能要求，还应满足承载力及防火要求，具体包括抗风性能、抗震性能、耐撞击性能及防火性能四个方面。抗风性能计算的风荷载标准值取值应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009中关于外围护系统风荷载的规定。抗震性能应满足现行行业标准《非结构构件抗震设计规范》JGJ339中的相关规定。防火性能应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016中的相关规定，检测方法可遵循《建筑构件耐火试验方法第8部分：非承重垂直分隔构件的特殊要求GB/T9978.8相关规定及《建筑构件耐火试验方法第1部分：通用要求》GB/T9978.1。耐撞击性能可参考《GBT14153-1993硬质塑料落锤冲击试验方法通则》。

功能性能是围护系统满足居住使用功能的主要指标，具体包括气密性能、水密性能、隔声性能及热工性能四个方面，气密性能、水密性能主要包括外围护系统基层板的不透水性能及外墙或屋面板接缝处的止水、排水性能。隔声性能应符合现行国家标准《民用建筑隔声设计规范》GB50118的相关规定。热工性能应符合国家现行标准《公共建筑节能设计标准》GB50189、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134的相关规定。

耐久性要求直接影响到围护系统的使用寿命的维护保养时限。不同材料耐久性能指标要求也不尽相同，主要指标包括耐太阳辐射、耐冻融性能。水泥基类板材基层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/T396的相关规定。

2.装配式钢结构围护体系设计要求

墙体与屋面设计的材料选择应轻质高强并适于工厂化生产，墙体与屋面的节点构造须采用装配化程度高，符合结构构构件标准化、工厂化、经济化等要求。墙体与屋面主要承受和传递竖向荷载、风及地震水平荷载，楼板除应具有足够的强度、刚度、安全稳定外，还应具有良好的隔声、防火潮、防渗等性能；屋面板除此之外还要附加保温隔热、防水防渗漏及环保节能等功能。楼板承担的竖向荷载主要由楼板自重和楼面活载组成，是装配式钢结构主要结构构件，降低楼板的自重对降低荷载及造价有着直接影响。

2.1楼（屋）面板

装配式钢结构建筑的楼（屋）面板类型主要有现浇钢筋混凝土板、预混凝土叠合楼板、压型钢板混凝土组合板、钢筋桁架组合板及轻质板等。目前采用压型钢板混凝土组合板和钢筋桁架组合板居多，主要是其与竖向承重构件连接设计较为方便。

抗震设防烈度为8度以下（不含8度）且建筑高度不超过50m时，可采用全预制楼板并增设带有钢筋网片的混凝土后浇层等增强整体性能，同时保证楼板与钢结构的可靠连接，在楼板与钢梁之间设置抗剪连接件等与钢梁焊接保证全预制装配式楼板的整体性能。

（1）现浇钢筋混凝土楼板

现浇钢筋混凝土楼板取材方便，技术成熟，可与钢梁形成组合梁，整体性较好，不受施工平面形状限制，防火性较好、无须吊顶，造价较低，但湿作业量大，施工效率低，施工工期长，自重大且跨度受限。

（2）压型钢板—混凝土组合楼板

压型型钢板—混凝土组合楼板是以凹凸薄钢板为衬板，然后在钢板上现浇混凝土，薄钢板焊接栓钉增强与混凝土整体性，其部分装配化，施工较快，但需要吊顶装饰，需防火防腐蚀设计。压型钢板—混凝土组合楼板有两种设计形式：作为永久性模板设计使用，现浇混凝土板底配置受拉钢筋；作为永久性模板设计使用同时替代或部分替代底板受拉钢筋，压型钢板与现浇混凝土的可靠连接设计尤为重要。

（3）钢筋桁架混凝土组合楼板

钢筋桁架混凝土组合楼板施工事先将钢筋桁架模板支承在钢梁上，然后绑扎桁架连接

钢筋、支座附加钢筋及分布钢筋，最后浇筑混凝土形成钢筋桁架混凝土楼板。钢筋桁架由工厂预制完成后运输到施工现场，装配施工现场钢筋绑扎工作量减少70%左右，钢模板拆卸后不需考虑防火喷涂及防腐维护，但总体造价偏高。
（4）预制（预应力）叠合楼板

预制（预应力）叠合板是先在工厂生产（预应力）混凝土底板后运至现场装配好之后在其上现浇混凝土叠合顶板（面层）形成整体楼板形式。叠合板可分为平板型叠合板、带肋底板型叠合板、空心底板型叠合板和夹芯板型叠合板四大类。平板型叠合板是应用最早也最广泛的叠合板形式之，底板一般为（预应力）混凝土实心板，装配过程中浇筑上层混凝土，施工方便、缩短工期。

2.2外墙板围护系统

外墙板围护系统是装配式钢结构建筑的重要组成部分，其性能直接影响装配式钢结构住宅的推广与发展，是实现高度工业化生产和装配化安装的关键。钢结构的外墙板设计要与钢结构体系相匹配，须具备轻质高强特质，过重墙体会增加钢结构在地震作用下的荷载作用，丧失自身结构优势。外墙技术研究相对滞后是装配式钢结构住宅目前只试点工程而推广受制约的原因之一，新型墙体材料墙板的设计包括新材料使用革新与连接方式研究两个方面，墙体设计与装配钢结构主体的配合，使之具备高度工业化为设计重点。外墙围护系统中外墙板部品可采用内嵌式、外挂式、嵌挂结合三种形式。主要类型有以下几种：

（1）预制砌块

预制砌块造价低，防火性能好但保温隔热性能差，外保温做法需要在其砌筑后额外施工，轻质加气混凝土砌块、混凝土小型空心砌块、粉煤灰砌块等应用较多。

（2）预制条板

根据应用材料的组成类型分为单一材质墙板，如NALC板、秸秆复合板、石膏空心板纸面石膏板、玻璃纤维增强水泥板等；另一类是复合材质墙板，如钢丝网架岩棉板、轻质复合墙板、金属面夹芯板等。预制条板可实现装配式钢结构整体的标准化设计和工厂化生产，但前国内预制条板的设计与预制技术较落后。

（3）轻钢龙骨大板

以轻钢龙骨支撑骨架，外侧设水泥刨花板、石膏板或混凝土薄板，一种是中间填充轻质聚合物或无机材料，如聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酷泡洙塑料、珍珠岩、玻璃棉、矿棉等，另一种为非填充空芯，如波纹夹芯或蜂窝夹芯。其中承重型墙板主要有混凝土灌芯纤维增强石膏板和密助复合墙板等。复合墙板具有优越的强重比，管道线路等可在龙骨墙体内行走，施工周期短，环保节能，可实现工厂化和模数化生产。

（4）轻质蒸压加气混凝土板（NALC板）

水泥、石灰、砂等无机硅酸盐材料为主要原材料，高温高压蒸汽养护，内部复合钢筋网片加工而成，具有良好的保温隔声性能。NALC板自重轻，层间角位移适应性强，耐火性能和抗老化性能好，板材寿命可与建筑使用寿命相匹配，被列为“国家住宅建设推荐产品”。轻质蒸压加气混凝土板（NALC板）与钢结构配套的设计是目前研发重点。目前主要有内嵌式、外挂式和内嵌外挂组合式等连接方式。

（5）轻质水泥发泡夹心板

轻质水泥发泡夹心板板材的外圈为钢骨架，内部加副肋筋，板层内部铺设钢丝网，发泡混凝土填充内部。轻质、防火、防水，保温隔热、隔声优势突出，但其材料本身吸水性较差。

3.装配式钢结构围护体系设计主要指标与原则

（1）侧向荷载标准值不宜小于1.5kN/m²；

（2）弹性方法计算承载力与刚度，风荷载标准值作用下挠度不应大于板跨的1/200，并验算墙板构件在运输吊装等各阶段的承载力；

（3）连接节点设计计算应考虑地震作用效应与风荷载效应的组合，应根据可能出现相对位移与变形确定设计连接方法，保证连接结构的延性与结构主体应协调一致，同时考虑更换便捷、安装方法等问题；

（4）外墙采用大板时，构件与主体钢结构之间分离缝宽度宜取30m，墙板构件之间的横向和纵向分离缝宽度宜取25mm；

（5）7度以上抗震设防地区，内墙与钢框架结构的梁、柱构件之间应设置变形缝隙；无设计资料时内隔墙的墙面均布荷载值可取0.3kN/m²；

6. 内隔墙最大水平变形应不大于单片墙高度1/240，设置相应的竖向电气管线等。

结语

钢结构装配式围护体系是真正实现设计、生产、施工一体化成为装配式建筑的问题关键。配套的围护结构的研发与应用是钢结构装配式建筑工业化、绿色化、信息化发展提供有效的的解决方案。不同的装配体系需要匹配不同的产品，才能发挥装配式钢结构先天的装配属性优势。

参考文献

[1]装配式建筑围护系统设计指南，叶浩文，中国建筑工业出版社，2019.12

[2]JG/T 169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》[S].

[3]JG/T2356-2016，混凝土外墙挂板 [S].

[3] GB15762-2008，蒸压加气混凝土板 [S].

[4] JGJ/T458-2018，预制混凝土外挂墙板应用技术标准 [S].

基金项目：

1.2020年度吉林省科技厅咨询研究项目《装配式混凝土结构可视化正向设计与建造》2.2020年度吉林省大学生创新创业项目《房屋建筑装配化施工技术研究》（项目编号：202010191026）