中高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐―武漢賽博園一期工程

中高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月武漢賽博園一期工程摘要：對(duì)已建成使用的武漢賽博園一期工程11層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。主要內(nèi)容：規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系選用、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，工程的經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況等。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月前言：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，以及人們對(duì)住宅的功能齊全、使用方便、居住舒適、安全節(jié)能、綠色環(huán)保、抗震性能優(yōu)越等方面的要求，使國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)住宅會(huì)逐步替代混凝土、砌體結(jié)構(gòu)的住宅，成為住宅產(chǎn)業(yè)的一支新生力量。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅，賽博思公司已有較多的工程實(shí)例，比如：福建師大學(xué)生公寓，建筑面積1.1萬(wàn)平米，7層，層高3.6m；北京水利基礎(chǔ)總隊(duì)3＃住宅樓，建筑面積2×0.6萬(wàn)平米，6層，層高2.9m；北京亦莊青年公寓，建筑面積10萬(wàn)平米，6層，層高2.9m；等工程。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月工程概況

武漢賽博園一期工程于2006年10月設(shè)計(jì)完成，目前已建成并交付使用，情況良好。該工程為板式中高層（地上11層）鋼結(jié)構(gòu)住宅樓，套型按經(jīng)濟(jì)適用房現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)控制；一期工程由獨(dú)立的6棟住宅樓組成，總建筑面積6.55萬(wàn)平米；工程照片：北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月工程概況結(jié)構(gòu)概況：結(jié)構(gòu)開(kāi)間為6.6m，跨度5.1m+6.3m，屬平面規(guī)則建筑體系；層高2.9m，室內(nèi)外高差0.6m，房屋高度32.5m；陽(yáng)臺(tái)為凹陽(yáng)臺(tái)，設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)體系內(nèi)?；撅L(fēng)壓w0=0.35kN/m2；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，建造于II類場(chǎng)地上，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月規(guī)劃與建筑設(shè)計(jì)

賽博園一期工程總用地面積2.46ha，一期住宅面積55364.4m2，容積率2.424，建筑密度29.3%，綠地率44.3%，各指標(biāo)均滿足規(guī)范及當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門的要求。規(guī)劃鳥瞰圖如圖1。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁(yè)賽博園一期工程鳥瞰圖返回鳥瞰圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月戶型設(shè)計(jì)：

在鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型設(shè)計(jì)中，除滿足規(guī)范要求外，建筑設(shè)計(jì)更多思考的方面是結(jié)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)的協(xié)同，使其有較好的通用性及經(jīng)濟(jì)性。鋼結(jié)構(gòu)住宅的戶型設(shè)計(jì)流程一般按照?qǐng)D2進(jìn)行。武漢賽博園工程的基本套型如圖3。

相關(guān)鏈接：《體系化鋼結(jié)構(gòu)住宅開(kāi)發(fā)模式的初步研究》北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回戶型設(shè)計(jì)流程北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回標(biāo)準(zhǔn)戶型圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構(gòu)造主要工程做法北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構(gòu)造典型墻身大樣圖

內(nèi)墻節(jié)點(diǎn)圖同層排水

柱、支撐、外墻的綜合解決北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月墻身大樣圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月分戶墻節(jié)點(diǎn)偏置內(nèi)隔墻節(jié)點(diǎn)內(nèi)墻節(jié)點(diǎn)圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月同層排水返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月柱、支撐、外墻的綜合解決鋼柱截面寬度為230mm，小于250mm外墻厚度，連同防熱橋措施，做到了外墻—柱等厚設(shè)計(jì)，室內(nèi)不露柱。返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑構(gòu)造由于鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕的特點(diǎn)，建筑設(shè)計(jì)在注意經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的同時(shí)，也盡量選用輕質(zhì)材料，本工程上結(jié)構(gòu)總恒載控制在8kN/m2以內(nèi)（含二次裝修荷載1kN/m2），僅為同類鋼筋混凝土住宅的58%左右。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除滿足安全、適用、受力合理外，還要同時(shí)兼顧發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，兼顧施工的可行性、材料供應(yīng)、安裝工效、可控操作、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等等要求，同時(shí)造價(jià)方面也是要重點(diǎn)考慮的因素，因此，鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)并不同于一般的住宅設(shè)計(jì)。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系

賽博思公司通過(guò)大量鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，以安全、適用、經(jīng)濟(jì)為設(shè)計(jì)方針，一般采用的結(jié)構(gòu)體系為：1）鋼框架—混凝土抗震墻：利用樓電梯間、衛(wèi)生間做組成抗側(cè)力單元，承擔(dān)了大部分的水平力，減小了鋼框架的負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低了用鋼量；2）鋼框架—支撐：利用支撐做為抗側(cè)力體系，施工速度快；3）純鋼框架結(jié)構(gòu)：適合多層建筑，用鋼量偏高。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系結(jié)合本工程的具體情況和以往的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可能的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了一系列的探討，發(fā)現(xiàn)有如下一些規(guī)律：小柱網(wǎng)：該體系一般開(kāi)間3.0~3.9m，跨度4~6m，因單柱負(fù)荷面積較小，梁柱截面亦較小，使得建筑處理十分方便，但同時(shí)該體系過(guò)分依賴于建筑師的戶型設(shè)計(jì)，或者說(shuō)只有當(dāng)戶型方案與結(jié)構(gòu)計(jì)算密切配合時(shí)方可得出一個(gè)使用與結(jié)構(gòu)都比較合理的方案。另外，當(dāng)采用梁柱全栓連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，較小的開(kāi)間使梁柱節(jié)點(diǎn)過(guò)多，增加了高強(qiáng)螺栓數(shù)量降低了安裝效率，但在多層住宅中有較優(yōu)的用鋼量。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系大柱網(wǎng)：該體系一般開(kāi)間和跨度均在6.0~7.2m之間，梁柱負(fù)荷面積的增大導(dǎo)致梁柱的截面增大，這需要建筑師巧妙的戶型設(shè)計(jì)才能取得較好的使用空間。其平米用鋼量在多層時(shí)與小柱網(wǎng)基本持平，在小高層時(shí)優(yōu)于小柱網(wǎng)。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系鋼框架－混凝土核心筒：該體系一般利用樓、電梯間，衛(wèi)生間的墻體構(gòu)成抗側(cè)力的筒體，剛度很大，可以承擔(dān)大部分的水平力，鋼結(jié)構(gòu)部分基本由豎向荷載控制，與純框架結(jié)構(gòu)相比可以明顯減少鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量。但工期不是它的優(yōu)勢(shì)。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系鋼框架－支撐：與框架－混凝土核心筒體系類似，只是用鋼支撐代替了混凝土墻，可以取得工期上的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)住宅結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，橫向支撐（進(jìn)深方向）的設(shè)置較為方便，縱向支撐（開(kāi)間方向）基本沒(méi)有可能。如何協(xié)調(diào)縱橫向的剛度是這種體系要考慮的重要問(wèn)題。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系純鋼框架：小柱網(wǎng)的純框架體系，當(dāng)采用H型鋼柱時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多層住宅結(jié)構(gòu)。當(dāng)小高層時(shí)，需用方矩管柱。不論何種情況，其用鋼量比框－撐（或混凝土墻）體系提高20％～30％，同時(shí)柱子截面的增大使建筑處理帶來(lái)麻煩。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系本工程若沿用小柱網(wǎng)—混凝土核心筒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題，但開(kāi)發(fā)商對(duì)工期要求嚴(yán)格，混凝土核心筒顯然無(wú)法保證工期。經(jīng)過(guò)多次結(jié)構(gòu)試算及與建筑師反復(fù)溝通，最終確定了采用鋼框架－支撐體系。型材選擇：根據(jù)市場(chǎng)供貨能力及經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)比較，柱子采用冷彎矩形空心型鋼，梁和支撐用熱軋H型鋼。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系標(biāo)準(zhǔn)單元的建筑戶型和結(jié)構(gòu)布置（下圖）。從圖中可以看出支撐僅橫向布置，建筑戶型決定了無(wú)法布置縱向支撐，為保證縱向剛度，柱子長(zhǎng)邊沿縱向布置，這種布置方式同時(shí)滿足了建筑師隱藏柱子的要求，除底部三層的中柱外，其他柱子均隱藏于墻體之中。主要梁柱截面（下頁(yè)）。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回柱截面表主要梁柱截面梁截面表北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系關(guān)于支撐型式：關(guān)于支撐型式可選擇“人”及“×”型式，若采用“人”型式，為保證橫梁穩(wěn)定需在人字交點(diǎn)處設(shè)置隅撐等措施，這樣會(huì)嚴(yán)重影響使用，所以采用“×”型支撐；采用拉桿支撐會(huì)造成框架梁受壓，對(duì)結(jié)構(gòu)不利，因此選用壓桿支撐。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)體系關(guān)于設(shè)置水平隅撐的討論：《高鋼規(guī)》要求設(shè)置框架梁柱節(jié)點(diǎn)水平隅撐，而水平隅撐是為了防止框架橫梁在大震下側(cè)向屈曲而設(shè)置的，但在抗震設(shè)防為6度時(shí)可不考慮大震，因此可不設(shè)置此水平隅撐。根據(jù)抗震規(guī)范要求，有地下室鋼結(jié)構(gòu)住宅，框架-支撐結(jié)構(gòu)中豎向連續(xù)布置的支撐、鋼柱延伸至地下一層。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)分析計(jì)算參數(shù)：全部鋼梁采用焊釘與樓板固定，并不考慮組合作用，栓釘按照構(gòu)造設(shè)置，鋼框架與鋼支撐通過(guò)樓板傳遞剪力，在水平力作用下實(shí)現(xiàn)空間協(xié)同工作；結(jié)構(gòu)分析可采用剛性樓板假定。當(dāng)鋼梁兩側(cè)或一側(cè)有混凝土板時(shí)，鋼梁的截面慣性矩分別乘以1.5或1.2的增大系數(shù)。當(dāng)?shù)叵率覙菍拥膫?cè)移剛度不小于相鄰地上結(jié)構(gòu)樓層側(cè)移剛度的2倍時(shí)，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返首頁(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算：采用建研院STS、SATWE軟件。取3個(gè)戶型組成的結(jié)構(gòu)（無(wú)地下室）進(jìn)行有限元分析計(jì)算，總的結(jié)構(gòu)外圍面積為7645m2（含屋頂塔樓），主要結(jié)果如下：北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月計(jì)算模型消隱圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司2008年11月返回結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－計(jì)算結(jié)果北京賽博