寒冷地區(qū)裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房設(shè)計

蒙飛 劉旭峰 陳力

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，房屋建設(shè)數(shù)量與規(guī)模不斷增多，原有的磚混住房難以滿足當(dāng)前居住需求，針對這種情況，需要加強(qiáng)新建筑模式的推廣與研究。其中，裝配式房屋則是一種具有諸多優(yōu)勢的建筑模式。特別是寒冷地區(qū)的裝配式房屋更是備受關(guān)注，多采用裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋設(shè)計與建設(shè)，從而起到美觀、耐用、保溫，減少建設(shè)周期，降低全生命周期成本的綜合效果。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展背景

想要實現(xiàn)提高建筑建設(shè)水平，特別是高寒高海拔地區(qū)房屋建造，則需要從地區(qū)發(fā)展情況出發(fā)，著力于探索一條行之有效、滿足可持續(xù)發(fā)展要求的發(fā)展道路。近年來，我國政府部門也一直都在大力推進(jìn)綠色裝配式房屋建設(shè)，相較于傳統(tǒng)房屋建設(shè)，裝配式房屋不僅能夠更好地滿足人們的居住需求、提高房屋建筑質(zhì)量，降低全生命周期成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系同一般的磚混結(jié)構(gòu)相比，無論是結(jié)構(gòu)自身抗震性能，還是建筑工程施工，都能夠起到良好的施工作業(yè)效果，切實降低施工與時間成本。

事實上，鋼結(jié)構(gòu)建筑隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，現(xiàn)如今已經(jīng)得到了更加廣泛的應(yīng)用。從世界范圍來看，許多發(fā)達(dá)國家早已開始采用輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋設(shè)計與構(gòu)造，現(xiàn)如今已經(jīng)慢慢演變形成相對成熟且完善的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，特別是日本、美國等國家，在日本，鋼結(jié)構(gòu)高層住宅在整體房屋建筑中數(shù)量已經(jīng)接近80%，成為主要的房屋建筑結(jié)構(gòu)體系。從我國建筑領(lǐng)域來看，無論是建筑規(guī)模，還是行業(yè)鋼材產(chǎn)量都較為突出，但是與大規(guī)模的房屋建筑相比，對鋼結(jié)構(gòu)建筑的研究還較為落后，近些年才開始慢慢采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)，需要在今后的研究，不斷推進(jìn)對裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)、對輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房屋體系的研究，著力帶動建筑行業(yè)的快速發(fā)展。在住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確，“十四五”時期，我國要初步形成建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展體系框架，建筑市場運(yùn)行機(jī)制更加完善，工程質(zhì)量安全保障體系基本健全，建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平大幅提升，建造方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，加速建筑業(yè)由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變。規(guī)劃中指出，要大力發(fā)展裝配式建筑。結(jié)構(gòu)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)體系，推動生產(chǎn)和施工智能化升級，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和部品部件是生產(chǎn)規(guī)模，提高裝配式建筑綜合效益。完善適用于不同建筑類型的裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)體系，加大高性能混凝土，高強(qiáng)度鋼筋和消能減震，預(yù)應(yīng)力技術(shù)集成技術(shù)。

2 輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房屋構(gòu)造

2.1 墻板構(gòu)造

在寒冷地區(qū)的房屋建設(shè)，如果采用輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)，則需要對多個部分進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，具體而言，則可以劃分為三個部分，墻板結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一個部分則為樓面，需要相繼對樓面板、樓層梁進(jìn)行設(shè)計和施工；墻板結(jié)構(gòu)設(shè)計的第二個部分則為屋面，需要相繼對屋面板、屋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和施工；墻板結(jié)構(gòu)設(shè)計的第三個部分則是墻體，在墻體中，不僅帶有U 型槽鋼，同時還有立柱、夾心保溫層。在房屋構(gòu)造中將會應(yīng)用到多樣化的鋼結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件則多采用U 型鋼，有些時候還會使用冷彎薄壁C 型鋼。

對于輕鋼承重保溫一體化墻板，往往需要在工廠內(nèi)完成生產(chǎn)與制造。當(dāng)對一體化墻板進(jìn)行構(gòu)造時，往往都會運(yùn)用薄壁鋼板，促使薄壁鋼板能夠在冷彎作用下，構(gòu)件形成一個C 型截面。通常來講，為了盡可能消除熱橋造成的諸多不良影響，還需要運(yùn)用C 型鋼，對立柱采用成對布置的方式。在立柱中部，則可以通過填充一定數(shù)量的聚苯乙烯，直接將熱橋阻斷，沿著墻板立柱高度方向，還需要相應(yīng)設(shè)置兩道綴板，促使兩道綴板能夠相互作用，最終構(gòu)建形成組合受力柱的方式，立柱和綴板的連接，則可以直接使用自攻螺釘。

通常而言，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，立柱應(yīng)選用LQ550 級鋼材進(jìn)行工程施工。需要注意的是，在具體工程施工時，鋼板厚度等數(shù)據(jù)信息則可以結(jié)合項目工程施工要求靈活調(diào)整，更好地滿足建筑工程的施工要求。輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)不僅需要滿足基本的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，還需要強(qiáng)化自身的保溫功能，聚苯乙烯保溫材料則是一種較為常見的保溫材料，保溫材料自身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠起到絕緣隔熱等多方面的作用效果。我國作為世界上生產(chǎn)聚苯乙烯保溫材料、使用聚苯乙烯保溫材料最多的國家，近年來，聚苯乙烯保溫材料的使用規(guī)模也處于不斷擴(kuò)大趨勢中。除了聚苯乙烯保溫材料，還可以采用不燃性水泥聚苯乙烯作為基本的墻體保溫層。需要注意的是，對于輕鋼承重保溫一體化墻板構(gòu)造，選擇使用不同類別的整合材料，最終形成的墻體結(jié)構(gòu)也會存在明顯差別。如果選擇不燃性材料作為基本的外墻板內(nèi)部填充物，例如水泥聚苯顆粒，難以起到外墻保溫的作用效果，還需要相應(yīng)添加A 級防火保溫板，不斷強(qiáng)化外墻結(jié)構(gòu)的保溫性能。當(dāng)對內(nèi)墻進(jìn)行填充施工時，則可以將多種材料組合在一起，形成建筑結(jié)構(gòu)的基本墻體。如果選擇應(yīng)用阻燃型聚苯顆粒作為基本的填充整合材料，還需要相應(yīng)添加專用膠黏劑、進(jìn)行鋼絲網(wǎng)水泥抹面，不斷強(qiáng)化墻體的防火性能和保溫性能。在滿足結(jié)構(gòu)安全性能需求的同時，使建筑滿足相應(yīng)的節(jié)能要求。

2.2 墻板立柱豎向連接構(gòu)造

為了保證裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房屋的穩(wěn)定性和安全性，促使上部荷載能夠穩(wěn)定進(jìn)行傳輸，則需要合理調(diào)控樓面主梁、C 型鋼槽、墻體立柱，促使其能夠保持在同一位置上。

2.3 墻體立柱與樓蓋連接構(gòu)造

對寒冷地區(qū)裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行設(shè)計與施工，往往會采用厚度保持在1.5～3mm 范圍內(nèi)的薄鋼板，將薄鋼板直接進(jìn)行冷彎處理、制備形成C 型槽鋼。對于C型槽鋼，長度則需要結(jié)合建筑工程施工要求和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，合理把控長度大小，促使C型槽鋼能夠更好地發(fā)揮自身功效。對于墻板立柱和樓蓋的連接工作，通常都會準(zhǔn)備角形連接件，完成整體連接工作，促使各個連接節(jié)點(diǎn)都能夠連接穩(wěn)定可靠。

2.4 墻體立柱與屋面檁條連接構(gòu)造

在輕鋼承重結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行工程設(shè)計時，往往需要按照房屋實際跨度大小，確定屋面檁條截面大小。輕鋼結(jié)構(gòu)房屋不同于一般的建筑工程，屋蓋類別多樣，能夠基于建筑外形，不斷調(diào)整屋蓋形式，除了基本的雙坡屋面、四坡屋面，還可以采用屋頂梁、人字形屋面等多種形式。在建筑工程施工中，通過鋼檁條能夠在一定程度上強(qiáng)化屋蓋結(jié)構(gòu)的承重性能，能夠直接將屋面荷載進(jìn)行傳遞，結(jié)構(gòu)剛度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠更好地滿足建筑工程的施工要求。屋面檁條成型方式也較為簡單，只需要在室內(nèi)空間環(huán)境便能夠直接促使冷彎薄壁型鋼冷彎成型。屋面檁條截面形式類別多樣，除了基本的H 型、C 型，此外還有Z 型，通過屋面檁條的作用，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化屋面板，切實減少屋面板的跨度大小。當(dāng)對屋面檁條、墻體立柱進(jìn)行安裝施工時，則需要結(jié)合建筑工程項目施工要求，基于不同部件的應(yīng)用特點(diǎn)，靈活調(diào)整建筑施工方式。需要注意的是，對于建筑工程輕鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)對檁條體系和墻梁進(jìn)行工程施工，通常都會直接運(yùn)用冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，雖然承重效果較好，但很容易由于安裝不當(dāng)，造成構(gòu)件側(cè)向彎曲變形的問題，由此可見，當(dāng)對輕鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)梁、檁條進(jìn)行安裝時，需要相應(yīng)準(zhǔn)備好臨時木撐等連接件，促使冷彎薄壁型鋼構(gòu)件能夠保持平整順直的狀態(tài)，臨時木撐同時還可以穩(wěn)定墻架安裝，促使墻架能夠保持豎向平面的平直狀態(tài)，避免出現(xiàn)積水滲透等問題。

2.5 房屋外墻熱橋阻斷構(gòu)造

在寒冷地區(qū)，采用裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足建筑住宅的需求。U 型槽鋼是建筑工程中的重要連接件，往往將其設(shè)置在外墻板頂部和底部位置，能夠直接連接上下多個連接件，還能夠?qū)⑽萆w檁條和樓面進(jìn)行連接處理，不用多余設(shè)置綴板、承重構(gòu)件，便能夠起到良好的施工效果。但是正是由于這樣的建造方式，促使外墻熱橋現(xiàn)象十分突出，需要及時采取措施，有效阻斷外墻熱橋。應(yīng)用較為廣泛有效的阻斷方法主要有兩種，分別是墻板預(yù)留保溫層、外貼保溫層。其中，對于墻板預(yù)留保溫層，需要結(jié)合建筑工程施工要求進(jìn)行分析，預(yù)留好阻燃型聚苯乙烯和U 型槽鋼等材料，促使墻板外側(cè)能夠帶有阻燃型聚苯乙烯泡沫塑料層，厚度控制在40mm 左右。對于外貼保溫層，則需要在墻板外側(cè)加貼A 級防火板，厚度控制在50mm 左右，當(dāng)加貼完成后，還需要繼續(xù)施工面層。建筑工程保溫墻板施工是一個重要環(huán)節(jié)，無論是材料選擇還是保溫墻板施工，都需要進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，將墻板材料質(zhì)量、墻板材料放置、墻板縫隙等因素進(jìn)行綜合考量。

2.6 房屋防火構(gòu)造

相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑，對于鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑其防火設(shè)計是建筑工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。在對寒冷地區(qū)裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房進(jìn)行設(shè)計時，基于《建筑設(shè)計防火規(guī)范（2018 版）》（GB 50016-2014），不僅需要對房屋墻體進(jìn)行防火構(gòu)造處理，還需要特別重視重點(diǎn)防火區(qū)域，其中包括廚房，鍋爐間，甲乙丙類儲物間。特別是在冬季取暖時期，任何一個環(huán)節(jié)疏漏和不當(dāng)，都有可能造成火災(zāi)事故，輕則導(dǎo)致財產(chǎn)損失，重則引發(fā)人員傷亡。為此，一定要重點(diǎn)關(guān)注家庭用火問題。事實上，對裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)、進(jìn)行整體房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要結(jié)合墻板構(gòu)造、耐火性能、燃燒性能等因素進(jìn)行綜合分析，更好地滿足建筑工程的防火隔熱要求，同時對與建筑配套的消防設(shè)備設(shè)施包括消火栓、噴淋、火災(zāi)自動報警、煙霧感應(yīng)系統(tǒng)等都應(yīng)統(tǒng)一納入設(shè)計考慮。

在房屋建筑設(shè)計時期，也需要將房屋防火構(gòu)造考慮在內(nèi)，就廚房，煙道，鍋爐間的防火做法進(jìn)行系統(tǒng)分析，切實降低火災(zāi)發(fā)生的可能，基于國家建筑行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)要求，靈活展開防火設(shè)計工作，合理把控消防設(shè)施空間，促使建筑空間利用價值能夠不斷提高，避免出現(xiàn)建筑防火設(shè)計不夠合理規(guī)范的問題。具體而言，對于煙道，往往可以運(yùn)用實心磚砌筑實現(xiàn)防火作用。磚墻厚度保持在120mm，磚墻和墻板中還需要相應(yīng)設(shè)置金屬內(nèi)襯，一般選用2mm 鋼板。對于廚房，日常使用頻率高，可燃物也較多，屬于火災(zāi)重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。為了保證廚房防火的要求，將使用防火磚砌成的防火墻，防火窗（對于廚房上方有房間的情況，設(shè)置防火挑檐），防火門等防火結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，保證火災(zāi)發(fā)生時，亦不會快速擴(kuò)散，降低損失。對于鍋爐間，則需要將輕鋼承重保溫一體化墻板設(shè)計在周邊位置，通過實心耐火砌塊的砌筑，強(qiáng)化墻板的防火作用，同時也可以滿足保溫的需求。

2.7 房屋抗寒構(gòu)造

在嚴(yán)寒地區(qū)，因低溫影響，房屋建筑的受凍問題也是不可忽視的問題。特別是衛(wèi)生間等涉及水管的房間，在長期低溫環(huán)境下，使管道極易凍壞，衛(wèi)生間也難以正常使用。針對上述種種問題，則應(yīng)當(dāng)更加重視房屋冬季防凍構(gòu)造，合理把控衛(wèi)生間室內(nèi)溫度和室外管線溫度（設(shè)置低溫采暖設(shè)備或管道電伴熱），避免出現(xiàn)溫度過低、管道凍裂的問題。對于金屬管道，在安裝時應(yīng)提前考慮因溫差導(dǎo)致的形變量，通過設(shè)置自然補(bǔ)償器或波紋補(bǔ)償器解決。具體而言，則可以通過衛(wèi)生間保溫處理、增設(shè)防火墻、管道深埋等多種方式，盡可能減少衛(wèi)生間內(nèi)部的熱量散失，避免衛(wèi)生間受凍風(fēng)險。

3 房屋承載力分析

3.1 房屋豎向承力體系

對于房屋建筑施工，裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)是否能夠穩(wěn)定發(fā)揮設(shè)計效果，與建筑結(jié)構(gòu)承載力脫不開關(guān)系，本文則基于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012），充分利用各種不燃性材料，構(gòu)建形成整體式墻板，促使墻板結(jié)構(gòu)體系能夠直接在施工現(xiàn)場完成拼裝，并不需要耗費(fèi)大量的時間，極大提高施工作業(yè)效率。房屋豎向承載力體系，往往需要就門窗洞口上部過梁、屋頂支撐點(diǎn)加強(qiáng)立柱等構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。其中，屋頂支承點(diǎn)加強(qiáng)立柱、洞口邊加強(qiáng)立柱都不需要在施工現(xiàn)場加工，在工廠內(nèi)便能夠完成初步制作，然后再將其預(yù)制在墻板內(nèi)部。

3.2 房屋水平承力體系

對于房屋水平承力體系，則需要使用抗剪墻板?；诮ㄖこ淌┕ひ蠛蛪w面層做法，靈活選擇多種不同的抗剪墻板。需要注意的是，如果建筑工程墻體面層運(yùn)用耐堿玻纖網(wǎng)格布水泥砂漿抹面，則可以直接將輕鋼龍骨作為基本的建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)，并不需要額外設(shè)置交叉鋼帶。如果建筑工程墻體面層運(yùn)用雙層紙面石膏板，房屋水平承力體系往往可以劃分為兩個部分，第一個部分則為抗剪墻板，第二個部分則為蒙皮材料，還需要專門設(shè)置交叉鋼帶，促使交叉鋼帶能夠起到一定的水平荷載，強(qiáng)化墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.3 房屋樓蓋承力體系

在寒冷地區(qū)，當(dāng)對裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房屋樓蓋承力體系進(jìn)行設(shè)計時，通常都會將冷彎薄壁C 型槽鋼融入其中，促使槽鋼中距和墻板立柱能夠保持相互協(xié)調(diào)的狀態(tài)，盡可能保證墻柱均勻受力的狀態(tài)。

4 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土現(xiàn)澆建筑，裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）適用范圍更為靈活，特別是對于高抗震烈度地區(qū)，對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑有諸多限制；（2）施工周期較短，相較一般建筑鋼筋混凝土建筑，裝配式建筑能夠節(jié)省40%的建造周期；（3）減少碳排放，降低全生命周期成本，在運(yùn)輸過程，建造過程階段乃至于拆除階段的碳排放，裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房，具有更少的碳排放。

在十四五規(guī)劃當(dāng)中，節(jié)能減排，碳中和均納入了規(guī)劃目標(biāo)。在最新推出的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB55015-2021 ）中也對碳排放做出了如下規(guī)定，新建的居住和公共建筑碳排放強(qiáng)度應(yīng)分別在2016 年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上平均降低40%，碳排放強(qiáng)度平均降低7kg CO（/m·a）以上。

綜上所述，對寒冷地區(qū)裝配式輕鋼承重保溫一體化墻板結(jié)構(gòu)房設(shè)計展開分析具有至關(guān)重要的意義。采用輕鋼結(jié)構(gòu)作為整體框架，不僅能夠起到抗震節(jié)能等多重作用，其推廣能夠更大范圍地起到實現(xiàn)節(jié)能減排，碳中和的目標(biāo)。