被動(dòng)房裝配式無比鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

商亦藍(lán)　李凌峰

摘 要：無比鋼結(jié)構(gòu)是近年來引入中國(guó)的一項(xiàng)新技術(shù)，相比于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)而言有許多的優(yōu)勢(shì)。將無比鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于被動(dòng)房裝配式鋼結(jié)構(gòu)中，符合國(guó)家節(jié)能減排的目標(biāo)，有著重要的社會(huì)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益與戰(zhàn)略意義。本文針對(duì)無比鋼結(jié)構(gòu)體系在裝配式鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討與分析。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)房；裝配式鋼結(jié)構(gòu)；無比鋼；節(jié)能建筑

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0100-02

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，節(jié)能環(huán)保成為了各行各業(yè)都繞不過的話題，而建筑物的環(huán)境消耗就十分巨大，其排放的溫室氣體占全球總排放量的33%，帶來了空氣污染、全球氣候變暖等一系列世界性的環(huán)境問題。我國(guó)目前正大力推進(jìn)節(jié)能減排工作，建筑節(jié)能逐漸向縱深發(fā)展，被動(dòng)房裝配式鋼結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運(yùn)而生。

被動(dòng)式房屋的概念最早源于德國(guó)，之所以叫被動(dòng)房，是因?yàn)樵擃惤ㄖH利用太陽(yáng)能、建筑內(nèi)部得熱、建筑余熱回收等被動(dòng)技術(shù)，而不使用主動(dòng)采暖設(shè)備，卻能實(shí)現(xiàn)建筑全年達(dá)到規(guī)范要求的室內(nèi)舒適溫度范圍和新風(fēng)要求，十分符合節(jié)能減排的時(shí)代要求[1]。節(jié)能建筑在歐美國(guó)家已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史，但被動(dòng)房的試點(diǎn)工作在國(guó)內(nèi)才開展了6年，而且這方面研究還處于起步階段，體系的選擇、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的設(shè)計(jì)等都缺乏創(chuàng)新和提升，在這樣的背景下，本文擬采用一種新型的無比鋼結(jié)構(gòu)體系來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式房屋的概念。

2 無比鋼結(jié)構(gòu)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可行性分析

無比輕鋼龍骨體系簡(jiǎn)稱無比鋼，該體系源于加拿大的一項(xiàng)專利技術(shù)，是一種特殊的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性好、施工周期短、工業(yè)化程度高、節(jié)能環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)[2]。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是指預(yù)先在工廠內(nèi)依照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格將鋼材制作成建筑單元或部件，之后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，最終組成完整建筑的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有空間設(shè)計(jì)靈活、集成化程度高、自重輕、承載力高、建造周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高、可回收再利用等許多優(yōu)點(diǎn)[3]。

將無比鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)，具有其必要性和可行性。首先，無比鋼結(jié)構(gòu)體系中，最基本的單元是由冷彎高頻焊接的輕型薄壁方形鋼管和V型連接件通過自攻螺絲連接而成的小型橋架，由于結(jié)構(gòu)斷面尺寸小，相比于普通的鋼結(jié)構(gòu)，無比鋼結(jié)構(gòu)體系具有更輕的質(zhì)量，不僅便于構(gòu)件預(yù)置，更減輕了運(yùn)輸壓力。其次，方形截面與三角形桁架的連接方式共同作用，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)具有更均勻的受力體系和更完整的傳力體系，進(jìn)而具有更強(qiáng)的抗扭性能、抗多向荷載能力和抗水平荷載能力。此外，無比鋼結(jié)構(gòu)體系的墻體是由小型橋架、蒙皮、抗拉鋼帶等共同組成的，這樣的裝配形式讓建筑物墻體更薄的同時(shí)也方便了墻體內(nèi)部管線的布設(shè)，更重要的是，蒙皮效應(yīng)提升了整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度，大量的荷載能量都可以通過變形的形式進(jìn)行消耗和吸收，這也就大大提升了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能。所以不論從施工角度還是結(jié)構(gòu)性能的角度來說，裝配式鋼結(jié)構(gòu)都宜采用無比鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

同時(shí)，無比鋼結(jié)構(gòu)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是可行的。第一，無比鋼輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)使得建筑消耗更少的鋼材，節(jié)約了成本；第二，無比鋼結(jié)構(gòu)體系施工過程基本為干法施工，故而施工過程中產(chǎn)生的廢棄物極少，而且理論上鋼材可以完全回收，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，符合建筑環(huán)保的要求；第三，無比鋼結(jié)構(gòu)體系也具有很好的保溫隔熱性能，符合節(jié)能減排的時(shí)代要求。所以無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從環(huán)保角度，無比鋼結(jié)構(gòu)的采用都十分可行。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中的無比鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)劃分與裝配

裝配式結(jié)構(gòu)要求主要構(gòu)件在工廠按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制完成，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)拼裝、節(jié)點(diǎn)連接等工作，這就需要預(yù)先對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行劃分，以便于工廠的分塊預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)的裝配施工，同時(shí)也可以將現(xiàn)場(chǎng)條件下難于完成的部分在室內(nèi)完成，節(jié)約了施工的時(shí)間成本也降低了現(xiàn)場(chǎng)的施工難度。

無比鋼結(jié)構(gòu)屬于冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系的一種，主要的承重結(jié)構(gòu)是冷軋熱鍍鋅薄壁型鋼，在工廠中可以直接完成冷彎薄壁型方鋼管構(gòu)件和V型連接件的生產(chǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)通過自鉆自攻螺釘就可以快速裝配成小型橋架。

建筑物結(jié)構(gòu)部分可以分為結(jié)構(gòu)體系和外圍護(hù)體系，無比鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系主要由桁架梁、桁架方柱和樓板組成，其中桁架梁直接采用現(xiàn)場(chǎng)裝配成的小型橋架，桁架方柱則由兩片小型橋架經(jīng)V型連接件拼裝而成，樓板則常選用蒸汽加壓混凝土板（ALC板）。無比鋼結(jié)構(gòu)的外圍護(hù)體系主要是指由一定數(shù)量的桁架片柱、方柱、抗拉鋼帶、蒙皮和C型導(dǎo)軌等組成的墻體。蒙皮通過自攻螺絲與柱構(gòu)件小型橋架中的方鋼管相連，其材料可采用鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯夾芯板（GJ板）或定向刨花板（OSB板），其中GJ板具有隔熱性能好、經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)，更適用于被動(dòng)房建設(shè)。C型導(dǎo)軌在工廠內(nèi)預(yù)制完成，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)通過自攻螺釘將導(dǎo)軌翼緣與片柱相連接，起到定位和固定的作用。如果墻體水平承載力不夠，還需加設(shè)100mm寬、1mm厚的抗拉鋼帶，也同樣采用自攻螺釘?shù)倪B接方式[4]。

3.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)是保證結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要的部分，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力也有著巨大的影響，無比鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)然也不例外。無比鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)中時(shí)，由于工廠化預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)沒有焊接安裝，所以節(jié)點(diǎn)一般大多采用自攻螺釘?shù)倪B接形式，按照半剛性連接進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)在具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)具有一定的柔度，使結(jié)構(gòu)在保留較好的抗側(cè)移剛度的條件下不至于發(fā)生脆性破壞。

介于自攻螺釘連接的接觸面相對(duì)復(fù)雜，對(duì)其計(jì)算模式和計(jì)算方法的研究尚處于起步階段，現(xiàn)階段各國(guó)規(guī)范關(guān)于自攻螺釘承載力的相關(guān)規(guī)定和設(shè)計(jì)公式也都是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定的。對(duì)于Q235、Q345型鋼材來說，自攻螺釘?shù)倪B接一般具有較好的延性，破壞形式以螺釘傾斜被拔出和鋼板被撕裂為主，但針對(duì)無比鋼結(jié)構(gòu)體系所采用的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼來說，自攻螺釘被剪斷的可能性大大增加，因而設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮選用直徑更大的螺釘來滿足強(qiáng)度要求，裝配式施工時(shí)也要注意施工質(zhì)量，確保螺釘與構(gòu)件的有效連接[5]。

4 無比鋼結(jié)構(gòu)在滿足被動(dòng)房要求時(shí)需考慮的構(gòu)造要求

被動(dòng)式房屋強(qiáng)調(diào)室內(nèi)采暖無需外界能源供給，這就對(duì)結(jié)構(gòu)整體的保溫隔熱性能提出了比較高的要求。盡管由于片柱的構(gòu)造形成了空氣層，基本截?cái)嗔藷o比鋼結(jié)構(gòu)的傳熱路徑，無比鋼結(jié)構(gòu)體系本身就具有較好的保溫隔熱功能，但是在建筑中的連接件、十字墻、外挑陽(yáng)臺(tái)板等連接處還是有可能存在保溫隔熱的薄弱點(diǎn)，即產(chǎn)生“冷橋”效應(yīng)，造成能量的損失[6]。因而，無比鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)房時(shí)需要做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，尤其是要妥善處理“冷橋”，避免有害冷橋的產(chǎn)生。

墻體和屋面是建筑物與外界接觸的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也是保溫隔熱的最重要一環(huán)，目前常采用的保溫措施是鋪設(shè)由玻璃絲棉和防潮貼面構(gòu)成的保溫棉，保溫棉宜采用雙層錯(cuò)開搭接的布設(shè)方式，以防止經(jīng)過冬夏的溫度變化后帶來的貼面層收縮會(huì)造成搭接處出現(xiàn)隔熱的薄弱點(diǎn)，形成“冷橋”。此外，如果采用自攻螺釘，在連接處由于保溫棉受壓變薄，加之自攻螺釘本身貫穿室內(nèi)外，又有可能形成冷凝水，就很可能產(chǎn)生冷橋，針對(duì)這種情況，宜在自攻螺釘連接處采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的部件，或者在連接處添加硬質(zhì)板隔熱塊來減小熱能的損失。

建筑物外部的各種孔口也是容易產(chǎn)生冷橋的薄弱點(diǎn)，被動(dòng)式建筑的窗戶宜采用三層夾膠中空鋼化玻璃，而門窗洞口的處理則常將次結(jié)構(gòu)處的保溫棉布設(shè)，窗框、門框中的發(fā)泡劑填充和連接洞口的聚氨酯泡沫板構(gòu)造相結(jié)合。

建筑與地坪的接線是一個(gè)很容易被忽視的散熱點(diǎn)，需要在地坪與建筑物連接處填充密封膠后再在其上填塞一定厚度的保溫棉來達(dá)到保溫隔熱的效果。

除了妥善處理冷橋，充分利用太陽(yáng)能和室內(nèi)電器、人體逸散的熱量也是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)房的重要一環(huán)。屋面可采用雙層采光板，充分利用自然光來節(jié)省大量熱能，但一定要注意采光板的自身的保溫性能，必要時(shí)也需要在接縫等處加塞保溫棉。

5 結(jié)語(yǔ)

無比鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于被動(dòng)房裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有的充分的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和廣闊的社會(huì)前景，值得在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣。但本文僅針對(duì)無比鋼體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行了初步的探討分析，目前國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)無比鋼設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，這也阻礙著無比鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)工程中的應(yīng)用。相信隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷完善和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，無比鋼被動(dòng)方裝配式結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范會(huì)日趨完善，并應(yīng)用于實(shí)踐，進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)的節(jié)能減排工作進(jìn)程。

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