裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅設(shè)計(jì)與施工

施 亮

上海建工匯福置業(yè)有限公司 上海 201318

1 工程概況

上海市某高層住宅項(xiàng)目，共16幢14層高層，其中1幢為裝配式鋼結(jié)構(gòu)試點(diǎn)項(xiàng)目。該單體建筑高度43.6 m，層高3 m，建筑面積近6 000 m2（地上約5 500 m2，地下約500 m2）。出于小區(qū)整體規(guī)劃及外立面統(tǒng)一性的考慮，該號房除了結(jié)構(gòu)體系與其他單體不同外，建筑平面及立面造型力求與小區(qū)其余高層一致。

該小區(qū)住宅外立面層間采用貫通的水平線條，外挑陽臺、飄窗，除了轉(zhuǎn)角帶有圓弧以外，沿水平向也設(shè)計(jì)了與外墻面水平線條拉通的線條，窗間墻之間的豎向線條與水平線條形成鮮明對比，使整個(gè)建筑立面顯得十分華麗、氣派、雅致，體現(xiàn)出海派風(fēng)格。

2 工程重要特點(diǎn)和難點(diǎn)

1）缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。目前，我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建設(shè)開發(fā)還處在起步階段，已建成的項(xiàng)目數(shù)量很少。在發(fā)達(dá)國家，鋼結(jié)構(gòu)住宅比較普及，但僅限于低層住宅。所以一方面缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，另一方面可供借鑒的案例少。

2）受限于現(xiàn)有設(shè)計(jì)條件。建筑設(shè)計(jì)定型前，沒考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素。為最大限度保持與小區(qū)其他高層住宅建筑風(fēng)格統(tǒng)一，要求鋼結(jié)構(gòu)盡可能按報(bào)規(guī)條件設(shè)計(jì)。同時(shí)需重點(diǎn)解決鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑防水、防火、保溫隔聲、防開裂等方面的問題。

3）外墻立面線條多，細(xì)部節(jié)點(diǎn)復(fù)雜多樣。與小區(qū)其他預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)住宅相比，難度不僅表現(xiàn)為裝飾線條多，幾何形狀復(fù)雜，相互拼接精度要求高，且要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)受力、預(yù)制構(gòu)件制作和吊裝、建筑裝飾效果等方面做全方位分析，從中選取較為理想的技術(shù)方案。

4）兼顧室內(nèi)精裝修，合理布置鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)住宅通常為鋼架體系，套內(nèi)空間出現(xiàn)鋼梁、柱情況難以避免，機(jī)電管線布置難度大，鋼材與其他材料接觸面易開裂。

5）無外腳手架施工要求高。在無外腳手架的條件下完成外墻，特別是陽臺、飄窗施工，難度較大，施工安全措施要求更高。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅設(shè)計(jì)

3.1 鋼結(jié)構(gòu)布置與分析

本項(xiàng)目對鋼結(jié)構(gòu)布置不利的因素有：平面凹進(jìn)凸出；外立面線條較多，南北臥室為飄窗，還有外挑陽臺，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜；多軸線錯(cuò)位，增加了鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置的難度[1]。

通過反復(fù)研究，確定主體結(jié)構(gòu)采用框架梁-中心支撐結(jié)構(gòu)體系。針對南北臥室飄窗、外挑陽臺自重較大及中心外挑等問題，選用箱型梁作為對應(yīng)支承邊梁，以提高鋼梁抗扭穩(wěn)定性能。通過寬扁柱和小截面柱的合理布置，解決了軸線錯(cuò)位問題，并適度減少了室內(nèi)凸柱數(shù)量。最大寬扁柱截面尺寸為450 mm×180 mm，最小為180 mm×180 mm。電梯井四角鋼柱尺寸為180 mm×180 mm和350 mm×180 mm，鋼柱布置時(shí)，充分考慮電梯井道的凈空尺寸。

3.2 外墻板形式的選擇

通過對各種材料性能、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，確定采用預(yù)制夾心保溫外掛板技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載傳遞路徑簡潔清晰，能與鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化連接，全程干作業(yè)施工，便利快捷。同時(shí)滿足了防水、防火、保溫等要求，其基本構(gòu)造為厚60 mm配筋混凝土＋厚40 mm保溫層＋厚60 mm配筋混凝土（圖1）。

圖1 外墻板示意

3.3 內(nèi)墻形式的選擇

室內(nèi)分戶墻選用了一種輕鋼龍骨灌漿墻，即輕鋼龍骨＋雙面纖維水泥板，中間現(xiàn)澆密度為400 kg/m3的輕質(zhì)高強(qiáng)無收縮灌漿料。該墻體的優(yōu)點(diǎn)是自重輕、易安裝，具有隔聲防火等效果（圖2）。

圖2 輕鋼龍骨灌漿墻構(gòu)造

3.4 樓板選擇

樓板采用預(yù)制混凝土疊合板，即60 mm厚預(yù)制＋70 mm厚現(xiàn)澆，樓板與鋼梁通過梁頂栓釘固定，連成整體，共同受力（圖3）。

圖3 疊合樓板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)

3.5 外墻裝飾線條的技術(shù)處理

外立面裝飾線條包括外掛墻板的水平線條和豎向線條，陽臺外側(cè)線條作為水平線條的延伸。水平線條的截面呈上寬下窄，層層內(nèi)收。豎向線條恰好處在相鄰飄窗之間，呈凹凸形狀（圖4）。

圖4 外立面裝飾線條SU模型示意

1）外掛預(yù)制墻板水平裝飾線條。從圖4看出，水平線條位于上下層飄窗之間，考慮到小業(yè)主擦窗時(shí)會踩踏在裝飾線條上，故確定把線條作為外掛墻板一部分，整體加工制作。轉(zhuǎn)角圓弧飄窗由于質(zhì)量太大，加工構(gòu)件采用輕質(zhì)混凝土。

2）陽臺外側(cè)線條。因陽臺采用箱形鋼梁、整體預(yù)制陽臺的結(jié)構(gòu)受力體系，難以將裝飾線條與陽臺合成一體。加工制作時(shí)只能分2次施工。線條采用輕鋼龍骨外掛GRC裝飾材料，降低了現(xiàn)場施工的難度，提高了結(jié)構(gòu)連接的安全性，保證了建筑立面效果（圖5）。

圖5 陽臺墻身示意

3）飄窗間的豎向線條。豎向線體依附于2塊預(yù)制外墻板上，如想與預(yù)制板一起加工，須把線條分成2塊，分別依附在2塊預(yù)制板上，這樣在立面上不但多出一條豎向縫，而且增加了預(yù)制構(gòu)件制作、安裝的難度。而將它們分開制作安裝，則簡化了構(gòu)件節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型，確保了豎向線條的安裝難度。線條基本構(gòu)造是：輕鋼龍骨外掛GRC材料。

3.6 關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)處理

1）外掛墻板與鋼框架交接處的封堵處理。外掛墻板與鋼框架之間設(shè)有40 mm間隙，空隙在層間、戶間、套內(nèi)各房間之間均需做防火設(shè)計(jì)，防火設(shè)計(jì)需滿足住宅建筑空間特點(diǎn)和各房間使用要求，并減少后期維護(hù)。上述部位防火構(gòu)造采用A級防火材料封堵（防火材料選用玻璃棉卷氈和無機(jī)灌漿料）；層間封堵保證建筑主體結(jié)構(gòu)（鋼框架與樓面結(jié)構(gòu)板）與外掛墻板自由變形，以符合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型要求，但需保持房間地面層與外掛墻板貼合以使房間空間完整，滿足建筑使用要求。墻柱封堵結(jié)合室內(nèi)裝修統(tǒng)一考慮防火材料表層覆蓋構(gòu)造（圖6）。

圖6 外掛板與鋼柱的封堵處理

2）衛(wèi)生間樓地面防水處理。主體結(jié)構(gòu)與外掛墻板相接處防水構(gòu)造主要是通過合理設(shè)置現(xiàn)澆混凝土擋墻，使地面防水層與墻面防水層銜接緊密，避免防水層基層變形開裂導(dǎo)致防水層拉裂失效（圖7）。

圖7 衛(wèi)生間外墻節(jié)點(diǎn)大樣

4 主體結(jié)構(gòu)吊裝

本項(xiàng)目所有鋼結(jié)構(gòu)、外墻板、樓梯板和大部分樓板均為工廠預(yù)制成形，現(xiàn)場通過吊機(jī)進(jìn)行安裝作業(yè)，安裝工序嚴(yán)格按照“鋼結(jié)構(gòu)先行、樓（梯）板緊跟”的原則進(jìn)行。為減少吊裝構(gòu)件數(shù)量，鋼柱以2層為1節(jié)進(jìn)行制作，對布設(shè)有支撐的鋼柱，將2層鋼柱、2層鋼梁和1層支撐制作成片狀桁架進(jìn)行整體吊裝。

內(nèi)、外墻板均在主體結(jié)構(gòu)封頂后安裝，外墻板采用吊機(jī)自下而上逐層依序安裝，內(nèi)墻板按類型分區(qū)域安裝。

為方便外墻板與梁之間連接，采用了下承上拉式連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（圖8）。預(yù)制外掛板通過點(diǎn)支承式連接節(jié)點(diǎn)外掛于相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)邊梁。單塊板上部2個(gè)為面外約束，下部2個(gè)為承重鉸支座，其中1個(gè)可水平滑動（圖9）。

圖8 外墻板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖9 平移式外掛墻板支座示意

陽臺安裝受限于無外腳手架施工，陽臺梁（鋼梁）與預(yù)制陽臺在預(yù)制夾心保溫外掛墻板吊裝完成后，從低樓層向高樓層順次安裝。

5 室內(nèi)精裝修施工

相較于毛坯房交付，精裝修商品房交付有著更精細(xì)的要求。原本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)允許出現(xiàn)的不影響結(jié)構(gòu)安全性的小裂縫，在精裝交付時(shí)是不允許出現(xiàn)的。因此精裝修施工過程中需要解決更多的細(xì)節(jié)問題。

5.1 墻體有拼縫，套內(nèi)墻面需特殊處理

1）由于結(jié)構(gòu)形式的客觀原因，外立面上預(yù)制板的拼縫不可避免。墻體外側(cè)拼縫，上文已經(jīng)介紹過，而在套內(nèi)的外掛板拼縫，無法純用乳膠漆遮蓋，因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生的熱脹冷縮會使墻面有開裂隱患?？紤]到施工成本，且此房間并非主臥，這面墻不設(shè)背景墻，最終在此位置加了一個(gè)與衣柜等厚度的假柱，待小業(yè)主入住放置衣柜后，此處能與衣柜形成整體（圖10）。

圖10 套內(nèi)外掛板拼縫位置以及處理

2）防火涂料噴涂厚度不均。設(shè)計(jì)施工圖上防火涂料厚度為30 mm，涂料完成面與二結(jié)構(gòu)墻體齊平（圖11）。實(shí)際大面施工下來，最終噴涂完成面精度較差，不同的鋼柱防火涂料厚度不同，同一個(gè)柱子上部和根部的防火涂料厚度也不同，相鄰的砌塊墻面需要粉更厚的砂漿來借平整個(gè)墻面。這次試點(diǎn)為今后的施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，將來或可采用涂抹式的防火涂料，提高鋼柱最終完成面的精度，從而為后續(xù)施工提供良好的基層條件。

圖11 防火涂料完成面與二結(jié)構(gòu)墻體齊平

3）鋼柱與其他墻體的接縫處理。鋼結(jié)構(gòu)住宅與鋼筋混凝土住宅最大的區(qū)別在于主體結(jié)構(gòu)與二結(jié)構(gòu)墻體材料剛度的差異性?，F(xiàn)澆混凝土與砌塊在面層粉上水泥砂漿后，墻面基本不會開裂，鋼結(jié)構(gòu)則不然。本項(xiàng)目中鋼柱與相鄰墻體平接有2種情況。一是鋼柱與砌塊墻平接，二是鋼柱與灌漿墻平接。最理想的處理方法是在2種材料交界處外附石膏板或者用木飾面裝飾。但是該方法成本過高，且同樣戶型與別的樓棟裝修標(biāo)準(zhǔn)不一致，最終解決方法為接縫處貼鋼絲網(wǎng)片，再用水泥砂漿抹平。

5.2 外掛板連接件影響吊頂高度、寬度

鋼結(jié)構(gòu)住宅除了墻面連接上的問題，使用空間上與鋼筋混凝土住宅也有略有不同。

由于外掛板與鋼梁是側(cè)向連接，圖12中的上節(jié)點(diǎn)支座在套內(nèi)空間明露。因此室內(nèi)精裝修吊頂設(shè)計(jì)時(shí)需要降低客廳、臥室等周圍一圈低頂?shù)母叨龋瑫r(shí)加大這圈低頂?shù)膶挾?，以遮蓋此支座。而在小空間如廚房、衛(wèi)生間等區(qū)域，則整體降低吊頂高度。這樣與同層高的鋼筋混凝土裝修房相比，就體現(xiàn)不出它的優(yōu)勢。

圖12 上節(jié)點(diǎn)支座在套內(nèi)空間明露

5.3 樓梯間裸露鋼梁鋼柱需裝飾處理

樓梯間墻面除了正常粉刷外，裸露鋼梁、鋼柱需要額外封板處理，避免產(chǎn)生視覺上的突兀感（圖13）?，F(xiàn)場用TK板包覆，外刷白色涂料。

圖13 樓梯間裸露鋼梁鋼柱封板前與封板后

5.4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)對機(jī)電安裝的影響

由于鋼梁鋼柱的特殊性，只能在前期設(shè)計(jì)階段事先在鋼梁上預(yù)留穿線洞口位置。另外，項(xiàng)目是精裝修交付，相對于毛坯房交付增加了許多機(jī)電設(shè)備，如中央空調(diào)、燃?xì)馀艧?、浴室排氣以及冷熱水管等。因此對前期設(shè)計(jì)的周密性、整體性提出了很高的要求。尤其外墻留洞，鋼梁和外掛板需同步預(yù)留，一旦兩者發(fā)生錯(cuò)位，只能在外墻板上重新打洞，這對于無腳手架體系來說，無法在外側(cè)高空作業(yè)，只能從內(nèi)部穿過鋼梁上的洞口進(jìn)行作業(yè)，施工非常不便。

在套內(nèi)，精裝修布置點(diǎn)位時(shí)需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)圖紙和PC深化圖，插座開關(guān)需避開鋼柱位置和現(xiàn)澆預(yù)制的交界處。若遇到插座無法避免鋼柱位置時(shí)，則需對鋼柱進(jìn)行外包處理。

6 結(jié)語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅在土建施工時(shí)，有顯著優(yōu)勢：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、混凝土構(gòu)件適合工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，且鋼構(gòu)件自動化組裝焊接大部分可在工廠完成，減少了現(xiàn)場工作量；設(shè)計(jì)、生產(chǎn)一體化，制作工廠化，吊裝機(jī)械化，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)量，施工周期明顯縮短。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)帶精裝交付的高層住宅在國內(nèi)尚在探索階段。筆者認(rèn)為未來需要優(yōu)化改進(jìn)的部分在精裝修階段。首先，在設(shè)計(jì)初期就必須考慮精裝修的設(shè)計(jì)內(nèi)容，裝修標(biāo)準(zhǔn)和定位都應(yīng)事先明確，否則一旦后期調(diào)整，會大大增加現(xiàn)場作業(yè)量，既增加人力成本，又延長工期，削弱了預(yù)制裝配式的優(yōu)勢。其次，提高土建施工的精度和毛坯房的質(zhì)量，避免在精裝階段因墻地面平整度不好、開裂以及管線排布不合理的原因，從而產(chǎn)生二次成本。

本項(xiàng)目由于小區(qū)整體立面與房型考慮在先，確定該項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)在后，所以未能充分發(fā)掘鋼結(jié)構(gòu)大空間的優(yōu)勢。希望今后有機(jī)會能研發(fā)一些基于鋼結(jié)構(gòu)特性的戶型。在裝修風(fēng)格上也可以嘗試表現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)固有特色，發(fā)掘應(yīng)用適合于鋼結(jié)構(gòu)的新型裝修材料。預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是一種值得推廣的產(chǎn)品，只有多元化的住宅產(chǎn)品才能讓房地產(chǎn)市場更有活力。