冷彎薄壁型鋼住宅的模數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)想

馮佳玉 李會紅 劉 宏 江卓林

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

?

冷彎薄壁型鋼住宅的模數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)想

馮佳玉 李會紅 劉 宏 江卓林

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)的發(fā)展也由之前的粗放型逐漸轉(zhuǎn)向集約型，住宅產(chǎn)業(yè)化、綠色低碳節(jié)能建筑成為現(xiàn)在建筑行業(yè)的關(guān)鍵性要素.冷彎薄壁型鋼住宅因其自身的優(yōu)良性能，成為新一代的建筑業(yè)寵兒，結(jié)合目前我國冷彎薄壁型鋼住宅建設(shè)過程的問題，提出一套冷彎薄壁型鋼住宅模數(shù)設(shè)計(jì)的方案,并對未來的發(fā)展進(jìn)行了展望.

冷彎薄壁型鋼住宅；建筑模數(shù)化設(shè)計(jì)；工廠化生產(chǎn)

1 冷彎薄壁型鋼住宅簡介

低層冷彎薄壁型鋼住宅是由木結(jié)構(gòu)演化而來的一種輕鋼結(jié)構(gòu)體系，主要運(yùn)用在1～3層的獨(dú)立或聯(lián)排式住宅.其墻體骨架通過間距為400～600 mm的冷彎薄壁C型鋼立柱及U型鋼上下導(dǎo)軌經(jīng)自攻螺釘連接而成，墻體骨架兩側(cè)附有輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)面板，共同組成墻體承重的結(jié)構(gòu)形式.

較傳統(tǒng)建筑形式，冷彎薄壁型鋼住宅優(yōu)點(diǎn)突出，因此，在歐美、日本及澳大利亞等發(fā)達(dá)國家早已得到廣泛的應(yīng)用.而我國的發(fā)展相對滯后，其原因大致可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：需求量小，不能大量生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高；一些性能好的維護(hù)材料，國內(nèi)沒有生產(chǎn)廠家，需從國外進(jìn)口因而增加成本；專業(yè)技術(shù)人員稀少，人工費(fèi)用高；由于整個(gè)生產(chǎn)的系統(tǒng)及技術(shù)還不成熟，導(dǎo)致本不該有的材料、能源浪費(fèi).

2 冷彎薄壁型鋼住宅模數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)想

2.1 模數(shù)協(xié)調(diào)簡介

模數(shù)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)冷彎薄壁型鋼住宅標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ).模數(shù)是選定的尺寸單位，作為尺度協(xié)調(diào)中的增值單位，也是建筑設(shè)計(jì)、建筑施工、建筑材料與制品、建筑設(shè)備、建筑組合件等各部門、各環(huán)節(jié)進(jìn)行尺度協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)或規(guī)則.其目的是使構(gòu)配件安裝吻合，并有互換性.建筑基本模數(shù)為100 mm，用符號M表示，即1M=100 mm.模數(shù)協(xié)調(diào)是以建筑模數(shù)為基礎(chǔ)的尺度協(xié)調(diào).它能使建設(shè)活動中，各構(gòu)配件和設(shè)備無需修改沒有損耗的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的組合和互換，有利于穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化.[1]

2.2 我國冷彎薄壁型鋼住宅發(fā)展現(xiàn)狀

冷彎薄壁型鋼住宅在建設(shè)過程中的突出優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化安裝、施工周期短、符合節(jié)能環(huán)保及綠色施工等要求.但目前，我國的冷彎薄壁型鋼住宅建設(shè)，尚未實(shí)現(xiàn)模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及施工，施工現(xiàn)場的工作量仍然很大，建設(shè)周期的縮短也不理想.原因是國內(nèi)目前僅有輕鋼住宅標(biāo)準(zhǔn)化的綱領(lǐng)性文件，沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)范，在建設(shè)過程中沒有一個(gè)可以參考的標(biāo)準(zhǔn).

由于未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，冷彎薄壁型鋼住宅的墻體、樓板及其他構(gòu)件形狀、尺寸千差萬別，采用在工廠進(jìn)行半裝配式再運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行整體式拼裝，無疑會因?yàn)椴考叽绲牟唤y(tǒng)一，無法進(jìn)行歸類運(yùn)輸，需要占用大量的空間，增加運(yùn)輸次數(shù)，造成運(yùn)費(fèi)的不必要增加.因此，為了節(jié)約運(yùn)輸成本，施工單位更青睞于將加工好的鋼材成批運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，在現(xiàn)場進(jìn)行組裝.這樣不僅大大降低了冷彎薄壁型鋼住宅的建設(shè)速度，并且會影響建筑的質(zhì)量.不能充分發(fā)揮冷彎薄壁型鋼住宅在建設(shè)過程中的優(yōu)越性.

解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是要對冷彎薄壁型鋼住宅實(shí)現(xiàn)模數(shù)化設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化拆分.將體系的墻體、樓板、屋面拆分為幾種標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)尺寸.在生產(chǎn)過程中，根據(jù)模數(shù)拆分圖紙，在工廠將墻體、樓板等拼接成標(biāo)準(zhǔn)的小塊.以此減少現(xiàn)場施工的工作量，又可以方便運(yùn)輸，有利于構(gòu)件的分類堆放，井然有序.

2.3 冷彎薄壁型鋼住宅模數(shù)化設(shè)計(jì)

模數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程的簡單方便，同時(shí)也要表現(xiàn)出建筑的多樣性.結(jié)合上述所提到的問題，根據(jù)《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ2-86)中的規(guī)定,對冷彎薄壁型鋼住宅進(jìn)行模數(shù)設(shè)計(jì).

模數(shù)設(shè)計(jì)中墻體及樓板模塊的寬度擴(kuò)大模數(shù)采用3 M,墻體中門窗洞口的擴(kuò)大模數(shù)也采用3M,墻體豎向采用1 M.

2.3.1 墻體的模數(shù)化拆分

根據(jù)《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》(JGJ-227-2011)墻體立柱間距設(shè)為600 mm，根據(jù)采用的3 M的擴(kuò)大模數(shù)，將墻體劃分為300 mm、600 mm、1200 mm、1800 mm這幾種規(guī)格，墻體構(gòu)造簡圖如圖1.

圖1 模數(shù)化墻體構(gòu)造簡圖

當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)的需要需在墻體中增設(shè)支撐時(shí)，其模數(shù)化設(shè)計(jì)簡圖如圖2所示.

圖2 加設(shè)支撐的模數(shù)化墻體構(gòu)造簡圖

當(dāng)墻體設(shè)有窗洞時(shí)，窗洞的擴(kuò)大模數(shù)也采用3 M，窗戶寬度采用600 mm、900 mm、1200 mm、1800 mm，高度為1200 mm.將墻體劃分為1800 mm、2100 mm、2400 mm、3000 mm等幾種規(guī)格，采用這幾種尺寸的窗戶只是滿足一般住宅的需求，如有特殊需求可單獨(dú)設(shè)計(jì).帶窗洞的模數(shù)化墻構(gòu)造簡圖如圖3所示.

圖3 帶窗洞的模數(shù)化墻體構(gòu)造簡圖

當(dāng)墻體設(shè)有門洞時(shí)，門洞的擴(kuò)大模數(shù)也采用3 M，設(shè)計(jì)滿足常用的門洞的寬度為900 mm、1500 mm、1800 mm、2400 mm，門洞高均采用2100 mm.將墻體劃分為1500 mm、1800 mm、2100 mm、2400 mm、3600 mm幾種規(guī)格，帶門洞的模數(shù)化墻體構(gòu)造簡圖如圖4所示.

圖4 帶門洞的模數(shù)化墻體構(gòu)造簡圖

2.3.2 縱橫墻體連接

為保證墻體模塊在連接中的方便及尺寸的規(guī)范化，在縱橫墻體連接的部位設(shè)置寬度同墻體骨架腹板高度的方鋼管，以此將各墻體通過自攻螺釘連接成整體.同時(shí)方鋼管可類似看作墻體的構(gòu)造柱，提高建筑的整體性.方鋼管與墻體連接平面構(gòu)造如圖5所示.

(a)墻體十字形連接(b)墻體T形連接(c)墻體L形連接(d)墻體一字形連接圖5 方鋼管與墻體連接平面構(gòu)造簡圖

2.3.3 樓板的模數(shù)化拆分

樓板通過托梁與托梁導(dǎo)軌連接而成，樓板搭接在墻體之上，樓板托梁形心要和墻體立柱形心保持在同一平面內(nèi)，當(dāng)有偏差時(shí)，偏移量不能大于20 mm，否則，應(yīng)當(dāng)考慮附加偏心距對構(gòu)件的影響.樓板骨架的模數(shù)化拆分按照樓板的寬度進(jìn)行拆分，將樓板拆分為寬度為1800 mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊，另外設(shè)計(jì)有寬度為300 mm、600 mm的模塊作為邊緣部分的補(bǔ)充模塊.樓板模塊的跨度根據(jù)房間的尺寸制定，可用公式3Mn+am表示(解釋在本文2.4-1)).如圖6所示.

2.4 模數(shù)化冷彎薄壁型鋼住宅的特點(diǎn)

由于墻體寬度采用的擴(kuò)大模數(shù)為3 M，所以無論是縱向還是橫向所有墻體的寬度都是3 M的倍數(shù).假設(shè)墻體立柱腹板高為a，則縱橫墻體連接處的方鋼管截面寬度也為a，因此建筑縱橫方向的平面尺寸是由無數(shù)個(gè)3 M和a組合而成.可用公式：3 Mn+am來表示.

由于在縱橫墻體連接部位采用的方鋼管的截面尺寸與墻體立柱腹板高度相關(guān)，并不能符合模數(shù)化的要求，因此，在設(shè)置模數(shù)化網(wǎng)格時(shí)，方鋼管的地方需設(shè)網(wǎng)格中斷區(qū)，且中斷區(qū)的尺寸為方鋼管的截面尺寸a.中斷區(qū)為非模數(shù)空間的網(wǎng)格如圖7所示.

圖6 模數(shù)化樓板骨架構(gòu)造簡圖 圖7 中斷區(qū)為非模數(shù)空間的模數(shù)網(wǎng)格

表1 構(gòu)件規(guī)格統(tǒng)計(jì)表

位置規(guī)格墻體上下導(dǎo)軌U120×40×1墻體立柱C120×40×10×1樓層托梁C205×40×10×1樓層托梁導(dǎo)軌U205×40×1縱橫墻體交接處立柱□120×120×1

方便統(tǒng)計(jì)材料的用量，計(jì)算時(shí)只需將不同模塊中各種尺寸、型號的構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，再統(tǒng)計(jì)整個(gè)建筑中各種模塊的使用數(shù)量，即可以對各構(gòu)架使用的位置及數(shù)量一目了然.

3 冷彎薄壁型鋼住宅模數(shù)化設(shè)計(jì)舉例

結(jié)構(gòu)骨架所需構(gòu)件型號如表1所示：

由于墻體骨架中模數(shù)塊的擴(kuò)大模數(shù)為3M，縱橫墻體連接處的非模數(shù)區(qū)方鋼管尺寸為120 mm×120 mm，所以，很顯然該住宅縱橫方向的尺寸可以用公式300 n+120 m來表示.其模數(shù)化網(wǎng)格如圖8所示：

圖8 模數(shù)網(wǎng)格

根據(jù)建筑平面圖中墻體的布置情況，在模數(shù)網(wǎng)格中添加模數(shù)墻體，(墻體高度為3M)模數(shù)墻體布置如圖9所示.

墻體骨架拼裝完畢后，在其上方進(jìn)行樓板的拼裝，模數(shù)化樓板骨架平面布置如圖10.

根據(jù)各模塊的構(gòu)造，統(tǒng)計(jì)墻體用鋼量如表2，樓板用鋼量如表3.

因此，住宅總用鋼量為2519.96 kg，單位面積用鋼量為18.22 kg/m2.

4 結(jié)束語

由于冷彎薄壁型鋼住宅的模數(shù)化設(shè)計(jì)還處于探索階段，以上的設(shè)計(jì)只是一個(gè)粗略的構(gòu)思，還存在著很多的瑕疵，對于很多細(xì)部的構(gòu)造沒進(jìn)行考慮.因此，模數(shù)化設(shè)計(jì)還有很多工作有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善.

圖9 模數(shù)墻體平面布置圖

圖10 模數(shù)化樓板骨架平面布置圖

名稱類別寬度(mm)單位用鋼量(kg)數(shù)量合計(jì)用鋼量(kg)墻體無門窗(設(shè)支撐)30011.29111.2960012.42449.68120023.05246.1180030.3423697.82帶窗洞1800(600)50.53--1800(900)51.552103.12100(900)52.482104.962400(1200)54.43--3000(1800)58.333174.99帶門洞1500(900)47.56--1800(900)48.493145.472100(900)49.433148.292100(1500)51.97--2400(1800)53.41153.413600(2400)59.69159.691594.8

表3 樓板用鋼量(kg)

[1]王明貴,儲德文.輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

[2]杜瑋.談建筑模數(shù)在低層輕鋼建筑中的應(yīng)用[J].山西建筑,2014(6):40～42

[3]JGJ 227-2011,低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程[S]

[4]GBJ 2-86,建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S]

[5]GB/T 50100-2013,住宅建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)[S]

the Modular Design Vision of Cold-formed Thin-wall steel Buildings

FENGJia-yu，LIHui-hong,LIUHong,JIANGZhuo-lin

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China)

With the development of society and economy,the construction industry also has changed into intensive type from extensive,both housing industrialization and green carbon-lowing and energy-saving buildings have become the key factors of the construction industry.The low-rise cold-formed thin-wall steel buildings are the most populous in the construction industry of the new generation because of their own fine properties.The modular design vision and the future of the low-rise cold-formed thin-wall steel buildings will be introduced in this essay,according to the problems of the low-rise cold-formed thin-wall steel buildings in the construction process.

cold-formed thin-wall steel buildings;architectural modular design;industrialized production

2016-05-26

河北省住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)研發(fā)中心建設(shè)項(xiàng)目(201512)

馮佳玉(1990-)，女，在讀研究生，從事結(jié)構(gòu)工程研究.

TU 2

A