装配式高层钢结构建筑设计的要点和流程分析

装配式高层钢结构建筑设计的要点和流程分析

黄平

深圳市粤鹏建设有限公司 广东深圳 518000

摘要：装配式钢结构建筑是以钢材为主要材料，通过装配式工艺进行组装和施工的建筑形式。本文主要探讨了装配式高层钢结构建筑设计的要点和流程，包括建筑专业设计和结构专业设计。在建筑专业设计方面，需要关注平面和空间设计、围护结构系统设计等；在结构专业设计方面，需要关注框架设计、支撑体系设计、剪力墙板结构设计、核心筒结构体系设计等。通过本文的分析，可以为装配式钢结构建筑的设计提供一定的参考和指导。

关键词：装配式钢结构建筑、高层建筑、建筑专业设计、结构专业设计

引言

随着经济的发展和人们对环保和节能的关注度不断提高，装配式建筑成为了建筑行业的一个重要趋势。而在高层建筑领域，装配式钢结构建筑更是备受关注。相比传统混凝土结构，装配式钢结构建筑具有施工周期短、质量可控、可循环利用等优势。因此，探究装配式高层钢结构建筑的设计要点和流程对于推动行业发展和促进可持续发展具有重要的意义。本文将针对该主题进行探讨。

1. 装配式钢结构建筑概念

装配式钢结构建筑是一种新型的建筑形式，其主体结构采用工厂预制的钢结构构件，包括梁、柱、框架、支撑等。这些构件在工厂中进行精密加工和质量控制，然后运输到现场进行快速组装和安装，形成整个建筑的结构体系。相较于传统钢结构建筑，装配式钢结构建筑具有以下几个方面的优势。装配式钢结构建筑中，钢结构构件是在工厂中预制完成的，因此可以大大缩短现场施工时间，降低工期和劳动力成本。

2.装配式高层钢结构建筑设计的要点和流程

装配式高层钢结构建筑的设计流程包括技术策划、方案设计、初步设计、施工图设计以及深化设计阶段。其中，技术策划和深化设计阶段是装配式建筑特点所决定的。在装配式建筑设计中，技术策划阶段更为重要，因为装配式建筑是建筑工业化产品和技术集成化产品。包括建筑、结构、设备和装修等专业设计。不同专业之间需要共享数据信息，协同设计。建筑设计要考虑布局合理、空间利用率高、景观美观等方面。结构设计满足建筑的力学性能和使用要求，选用适当的钢材型号、尺寸和节点形式。设备设计考虑供暖、通风、空调、电气等方面的设备选择和布置。装修设计考虑装饰材料、颜色、光线等方面的设计。

3.1建筑专业设计

3.1.1 装配式高层钢结构建筑平面和空间设计要点

装配式高层钢结构建筑平面和空间设计是建筑设计的基础，也是装配式建筑的关键要素之一。平面设计需要考虑建筑的布局和使用功能，空间设计需要考虑建筑的内部布局和通风采光等因素。在平面设计方面，装配式高层钢结构建筑应尽量采用大开间、大进深的结构柱网布置，以实现更灵活的空间布局和更高效的施工。同时，在平面的承重构件布置和梁板划分方面也应综合考虑结构和使用功能的要求，确保建筑的稳定性和安全性。在立面设计方面，装配式高层钢结构建筑应注重基本元素的组合和可实施性的要求。外墙、阳台板、空调板、外窗及装饰等部品部件宜进行标准化设计，通过建筑体量、材质肌理、色彩等变化，形成丰富多样的立面效果。此外，还应考虑建筑的通风、采光等因素，合理配置建筑外部的遮阳、隔热、保温等设施，确保建筑内部的舒适性和健康性。

3.1.2 装配式钢结构高层建筑的围护结构系统设计

围护结构系统设计：装配式钢结构高层建筑的核心内容之一。装配式钢结构高层建筑的围护结构系统设计是建筑设计的核心内容之一，主要包括外墙和内隔墙。围护结构系统的设计应该综合考虑建筑的使用要求、建筑的环境特征、围护结构系统的性能要求和施工装配要求。外墙是装配式建筑的重要组成部分之一，不仅影响建筑的外观效果，还影响着建筑的隔热、防水、防火等性能。常见的外墙类型有幕墙、蒸压加气混凝土条板外墙、混凝土墙板外墙、混凝土夹芯复合墙板外墙等。对于装配式建筑来说，外墙的标准化设计可以减少建筑的设计和施工难度，提高建筑的整体效率。内隔墙的作用是分隔空间和隔音，常见的内隔墙有蒸压加气混凝土条板隔墙、轻质混凝土条板隔墙、轻钢龙骨隔墙、石膏条板隔墙以及纤维水泥复合夹芯板隔墙等。与传统建筑相比，装配式建筑的内隔墙可以实现工厂化制造和现场拼装，可以大幅提高建筑的施工效率。

3.2结构专业设计

3.2.1装配式钢结构框架设计原则及数据分析

装配式钢结构框架的设计需要遵循一些原则，其中包括结构平面布置规整简单、采用较大柱网、保证钢柱纵横两个方向均有钢梁与之连接、次梁布置要考虑多种因素等。此外，针对不同的设计要求和工程条件，还需要进行数据分析和参数优化。据统计，采用较大柱网的装配式钢结构建筑能够减少梁柱节点数量，平均可降低10%的节点数量，从而加快装配进程。此外，保证钢柱纵横两个方向均有钢梁与之连接，可有效减小钢柱计算长度和长细比，控制钢柱的侧向失稳，平均可减小2%-5%的钢材用量。在次梁布置方面，根据经验数据分析，考虑楼板的种类和经济跨度、建筑降板需要以及隔墙厚度等因素，合理减少次梁数量可降低工程造价和提高施工效率，平均可节省5%左右的钢材用量和1%-2%的建筑面积。因此，装配式钢结构框架设计需要综合考虑多种因素，并进行数据分析和参数优化，以满足不同的设计要求和工程条件。装配式钢框架结构的设计及局限性。装配式钢框架结构是一种逐步流行的高层建筑结构形式，其优点在于结构轻巧、施工便利和环保等。然而，由于其构件截面尺寸小，且多为薄壁构件，容易失稳，因此其抗侧力刚度也具有一定局限性，结构的最大适用高度受到一定限制。

3.2.2 装配式钢框架支撑体系设计及其在抗震设计中的应用

在装配式钢框架结构中，支撑体系的设计是非常重要的，可以选择中心支撑和偏心支撑等不同的布置方式和支撑形式，还可以采用屈曲约束支撑。选择合适的支撑形式可以提高结构的抗震性能和稳定性能，适应不同的抗震等级、高度和荷载等要求。屈曲约束支撑可以避免普通支撑拉压承载力差异的问题，同时具有金属阻尼器的耗能能力，能够使结构处于弹性范围内，提高结构的安全性。

3.2.3钢框架 - 剪力墙板结构设计

钢板剪力墙是钢框架-剪力墙板结构中常用的一种结构形式。其主要由钢板填充于钢框架中形成的墙体承担水平剪力作用。根据其构造，可分为非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙以及双钢板组合剪力墙等形式。其中，加劲钢板剪力墙的抗侧能力最强。在其构造中，钢板通常加劲加强，以提高其承载能力。同时，钢板表面还可以增加凸起形状以提高其防滑性能。防屈曲钢板剪力墙的设计考虑了钢板抵抗弯曲的能力。其构造中，通常增加钢板厚度或设置钢板加强筋，以提高其抗弯曲能力。同时，防屈曲钢板剪力墙的边缘通常采用倒角或圆角处理，以减少应力集中。双钢板组合剪力墙的设计采用了两层钢板组合的方式，以提高其整体抗弯曲能力。同时，其内部还设置了钢筋混凝土墙板，以提高整体刚度和稳定性。除了以上的构造设计外，钢板剪力墙还需要考虑一些技术细节，如板厚、钢板焊接和防腐蚀等问题。合理的设计和施工能够有效提高钢板剪力墙的抗震性能和安全可靠性。

3.2.4 钢框架 - 剪力墙板结构体系的布置原则

钢框架-剪力墙板结构体系的合理布置原则，钢框架-剪力墙板结构体系的布置原则是确保建筑在地震等自然灾害中有足够的抗力和刚度，同时满足空间使用和美观要求。钢框架-剪力墙板结构体系中，支撑（剪力墙板）的平面布置应尽可能规则、对称，以使得结构在两个主轴方向动力特性接近。这样可使建筑整体刚度均匀，降低结构变形和损伤的可能性，提高抗震能力。例如，大型商业建筑一般采用中央空地和四周剪力墙板的布置方式，以实现对称平衡和规则性布置。在钢框架-剪力墙板结构体系中，支撑（剪力墙板）宜采用相同类型布置。这有利于提高结构的刚度和整体稳定性，减小荷载分布的不均匀性。同时，采用相同类型的支撑（剪力墙板）也便于施工和质量控制。支撑（剪力墙板）的竖向布置宜沿建筑高度连续布置，并应延伸至计算嵌固端或地下室。这样可以保证支撑（剪力墙板）的作用不受干扰，提高其抵抗水平荷载作用的能力。此外，竖向连续布置还有助于减小构件之间的接缝，降低构件连接处的应力集中，提高结构整体性能。支撑（剪力墙板）的布置应考虑空间使用要求和美观。例如，在住宅建筑中，支撑（剪力墙板）的布置应符合房间的布局和使用要求，并尽可能减少对居住空间的影响。同时，支撑（剪力墙板）的外观应考虑美观和建筑风格的统一性。

3.2.5钢框架 - 核心筒结构体系和钢束筒结构体系设计

这两种结构体系具有较高的抗侧刚度和抗震能力，能够满足超高层建筑对结构稳定性的要求。它是通过设置一个中央核心筒来增加整个建筑结构的抗侧刚度和承载能力。核心筒的结构一般采用混凝土或钢筋混凝土结构，由于其在建筑中的位置和形态的限制，通常采用圆形或多边形的形式。钢框架作为建筑的主要承载结构，通过连接核心筒和外部框架形成整体结构。核心筒的设置可以使整个结构具有良好的平面对称规则性和竖向刚度变化均匀性，从而提高结构的稳定性和抗震能力。钢束筒结构体系则是通过设置多个钢束筒来增加建筑的抗侧刚度和承载能力。钢束筒结构体系在平面布置上通常也采用规则对称的方式，竖向上则采用均匀变化的方式进行布置。采用钢管、钢梁等形式，通过连接主要框架和钢束筒来形成整体结构。

4．结束语：

装配式高层钢结构建筑设计是一个复杂的过程。在建筑专业设计中，平面和空间设计要点和围护结构系统设计非常重要；在结构专业设计中，需要考虑装配式钢结构框架设计、支撑体系设计、剪力墙板结构设计、核心筒结构体系设计等方面。在设计过程中，需要充分考虑建筑的抗震性能、稳定性能、安全性能和经济性能，以及人性化的使用体验。总之，装配式高层钢结构建筑设计需要全面考虑多方面因素，不断优化完善设计方案，才能确保建筑的质量和可靠性。

[1]李伟林.装配式高层钢结构建筑设计浅析[J].江西建材,2022(06):122-123+130.