謝軼莎，彭 雄，李 穎，張建軍，胡鵬飛，任 憑，紀永逸，梁桂民

(1.中國電建集團建筑規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，北京 100024；2.中科建(北京)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100103)

0 引言

到2020年，我國建筑工業(yè)化已進入規(guī)?；l(fā)展階段，作為建筑工業(yè)化的一倡議大發(fā)展方向，鋼結(jié)構(gòu)特別是輕鋼結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)研究和發(fā)展的熱點。隨著國家“一帶一路”倡議的深入推進和“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的持續(xù)實施，為量大面廣的鄉(xiāng)村地區(qū)低層房屋裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)提供了更加廣闊的市場空間。

本文通過調(diào)研既有低層裝配式建筑技術(shù)體系，選擇冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合其優(yōu)越的抗震性能與成熟的工業(yè)化、自動化建造體系，利用輕質(zhì)混凝土進行墻體填充，有效解決墻體空洞問題；再結(jié)合預(yù)制工藝，解決現(xiàn)場質(zhì)量、成本控制與工期問題，提出一種新型的預(yù)制輕鋼輕混墻板節(jié)點連接構(gòu)造形式與工法體系。

1 工程概況

為研究新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，以山西長治山西建投晉東南園區(qū)別墅項目為例，在傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，基于質(zhì)量優(yōu)、工期短、成本可控的目的，進行裝配式輕鋼輕混房屋及其智慧建造技術(shù)體系的相關(guān)開發(fā)研究。

該別墅項目為2層建筑，建筑面積為261.84m2，平面尺寸為13.80m×10.45m(長×寬)，總高度為8.5m。

傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系雖有工業(yè)化、自動化及便捷施工的優(yōu)勢，但存在空鼓感、剛度低，從而影響舒適度，市場接受度低。采用輕鋼龍骨灌漿墻體系，濕作業(yè)較多，現(xiàn)場施工質(zhì)量難以控制；鋼框架結(jié)構(gòu)外圍護墻體技術(shù)不夠完善，易開裂；采用干掛幕墻系統(tǒng)，造價較高；預(yù)制混凝土品質(zhì)和精度較高，市場接受度高，但對工廠配套及現(xiàn)場施工條件有要求，且標準化和規(guī)模化對造價的影響巨大，現(xiàn)階段造價過高。最終選擇預(yù)制輕鋼輕混結(jié)構(gòu)體系，集成了輕鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，彌補了各自短板，具有造價可控、質(zhì)量可控、生產(chǎn)和安裝便捷、市場接受度高的優(yōu)勢。

2 裝配式輕鋼輕混房屋體系集成

基于產(chǎn)品思維，在傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行工法創(chuàng)新，融合輕質(zhì)混凝土墻體結(jié)構(gòu)及面層裝飾技術(shù)，通過標準化裝配式節(jié)點構(gòu)造，結(jié)合新型墻體材料技術(shù)、配套自動化生產(chǎn)和安裝工藝及基于BIM技術(shù)的智慧建造信息化系統(tǒng)，形成裝配式輕鋼輕混房屋及智慧建造技術(shù)體系。

該體系仍采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，墻板和樓板在工廠預(yù)制成型，運到現(xiàn)場直接進行拼裝，輕質(zhì)混凝土墻體起保溫和圍護作用，密度約為400kg/m3，強度約為1.4MPa；采用標準化節(jié)點構(gòu)造和連接方式，按開間和軸線進行拆分，考慮運輸和吊裝要求，構(gòu)件寬度不宜超過2.5m，不應(yīng)超過3m。裝配式輕鋼輕混房屋骨架與部件拆分如圖1所示。新型裝配式輕鋼輕混房屋體系既發(fā)揮了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)能抗震、工業(yè)化程度高、質(zhì)量好、建造周期短且施工便捷的優(yōu)勢，又可滿足多樣化的建筑立面與造型要求。

圖1 裝配式輕鋼輕混房屋骨架與部件拆分示意

2.1 預(yù)制墻板構(gòu)造

該體系預(yù)制輕鋼輕混墻板主要由輕鋼龍骨、輕質(zhì)混凝土、硅酸鈣板及飾面層組成，如圖2所示。輕鋼龍骨作為主要受力構(gòu)件，輕質(zhì)混凝土起保溫和圍護作用，龍骨兩側(cè)加硅酸鈣板或鍍鋅抗裂鐵絲網(wǎng)作面層。輕質(zhì)混凝土凸出龍骨邊框10～20mm，墻體四周龍骨外露40mm，由連接件連接。采用抗裂網(wǎng)時，可在龍骨翼緣上加工掛板連接件，鋼筋網(wǎng)無需焊接，直接掛裝在連接片上即可；通過采用掛板形式，可在干式結(jié)構(gòu)節(jié)點的基礎(chǔ)上，有效滿足建筑防水的要求，且具有較好的隔熱性能。

圖2 冷彎薄壁型鋼墻體構(gòu)造

2.2 預(yù)制樓板構(gòu)造

該體系輕鋼輕混樓蓋由雙向龍骨、輕質(zhì)混凝土及面板或抗裂網(wǎng)組成，如圖3所示。樓蓋在工廠預(yù)制成樓板構(gòu)件，運到現(xiàn)場后安裝在輕鋼梁上。墻體與梁在工廠獨立預(yù)制，考慮安裝和運輸?shù)谋憬菪裕芫€可在桁架梁空間內(nèi)敷設(shè)。樓板與梁由桁架梁頂部的自攻釘連接。由于整個樓蓋中間填充了輕質(zhì)混凝土，隔聲效果較好，但需注意處理好樓板拼縫的聲橋問題，一般可通過發(fā)泡聚氨酯封堵和打膠處理。

圖3 預(yù)制樓板構(gòu)造

2.3 主要節(jié)點構(gòu)造

1)墻體與基礎(chǔ)連接節(jié)點 預(yù)制墻體與基礎(chǔ)通過在墻體鋼邊框部位布置角鋼連接(見圖4a)，角鋼尺寸和螺栓構(gòu)造根據(jù)結(jié)構(gòu)受力進行設(shè)計，角鋼端部應(yīng)布置抗拔件。由于墻體已預(yù)制成型，不能采用傳統(tǒng)輕鋼龍骨抗拔件的布置形式，可在裸露邊框部分的龍骨兩側(cè)布置抗拔件，實現(xiàn)同等效果。

2)墻體連接節(jié)點 墻體間通過2個異形卷邊角鋼進行連接(見圖4b)。連接設(shè)計應(yīng)考慮方便自攻釘?shù)氖┕げ僮鳎怨メ敶钤O(shè)完畢后，在2個卷邊角鋼開口處補充布置鐵片，實現(xiàn)組合柱加強的節(jié)點設(shè)計。組合柱鋼結(jié)構(gòu)施工完成后，中間灌注輕質(zhì)混凝土或填充發(fā)泡聚氨酯進行封閉，最后進行墻體飾面層施工。

3)預(yù)制梁與墻體連接節(jié)點 由于梁與吊頂連接，梁的空洞感不影響別墅居住品質(zhì)，因此梁內(nèi)無需灌注輕質(zhì)混凝土或填充發(fā)泡聚氨酯。節(jié)點設(shè)計時，在梁底部直接布置自攻釘與墻體天龍骨連接即可。為保證上、下墻體連接緊密，應(yīng)布置補充連接件，連接下部墻體、梁和上部墻體(見圖4c)。

圖4 主要節(jié)點構(gòu)造

3 節(jié)點有限元計算分析

裝配式輕鋼輕混結(jié)構(gòu)體系采用輕質(zhì)混凝土墻體，與傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼體系相比增加了墻體剛度，需進一步進行節(jié)點構(gòu)造計算，確保墻體先于節(jié)點破壞。采用有限元分析軟件ABAQUS對一字形連接節(jié)點、L形連接節(jié)點和T形連接節(jié)點的連接構(gòu)造進行計算。

計算時，輕鋼龍骨、連接綴板、連接件龍骨等采用殼體(S4R)單元，鋼絲網(wǎng)采用線單元進行模擬。鋼材均采用理想彈塑性模型，其材料特性按材性試驗實測值輸入，取彈性模量E=2.0×105N/mm2，泊松比υ=0.3，屈服強度qu=303.7MPa；鋼絲網(wǎng)E=1.9×105N/mm2，υ=0.3，qu=210.0MPa。輕質(zhì)混凝土采用ABAQUS自帶的混凝土損傷(C3D8R)單元，由于未進行試驗，其抗壓強度取1.4MPa，受拉曲線參考受壓曲線，受拉應(yīng)力取受壓應(yīng)力的1/10，泊松比近似取0.3。底部固接，頂部施加水平位移荷載。

3.1 墻體一字形連接節(jié)點計算分析

一字形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力如圖5所示。由圖5可知，施加的橫向位移達到12mm時，即層間位移角為1/250前，輕質(zhì)混凝土有輕微破壞，但一字形連接節(jié)點的整體剛度沒有本質(zhì)改變，整體呈彈性狀態(tài)；隨著位移的繼續(xù)增加，墻體龍骨框架中部混凝土逐步退出工作，當橫向位移達到27mm時，邊柱龍骨下部腹板開始出現(xiàn)局部屈曲；位移達到70mm時，輕鋼龍骨立柱上、下端腹板屈服，混凝土破壞嚴重。在整個破壞過程中，墻與墻之間的連接綴板均未出現(xiàn)屈服，滿足“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計要求。

圖5 一字形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.2 墻體L形連接節(jié)點計算分析

L形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知，施加的橫向位移達到12mm時，即層間位移角為1/250前，由于輕鋼龍骨呈彈性狀態(tài)，此時整體仍然呈彈性狀態(tài)；位移達到70mm時，墻體框架立柱龍骨的腹板螺栓連接區(qū)域屈服，輕鋼龍骨邊柱上、下端腹板屈服，混凝土退出工作。

3.3 墻體T形連接節(jié)點計算分析

T形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力如圖7所示。由圖7可知，對于墻體T形連接節(jié)點，施加的橫向位移達到12mm時，墻體框架立柱龍骨腹板螺栓連接區(qū)域附近的輕鋼發(fā)生局部屈服；位移達到70mm時，墻體框架立柱龍骨腹板螺栓連接區(qū)域附近的輕鋼屈服，輕鋼龍骨邊柱上、下端腹板屈服，混凝土破壞嚴重。與一字形節(jié)點破壞形態(tài)類似，在整個過程中，墻體連接綴板均未屈服，符合“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計原則，節(jié)點強度滿足要求。

圖6 L形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7 T形連接輕鋼輕混大板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

4 智慧建造平臺開發(fā)

4.1 基于BIM的正向設(shè)計

本項目基于BIM的正向設(shè)計與項目管理信息平臺主要包括標準化部品部件庫、設(shè)計軟件、工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)、現(xiàn)場建造管理系統(tǒng)(見圖8)。與傳統(tǒng)的建設(shè)方式不同，該裝配式輕鋼輕混房屋基于標準化部品部件庫組裝成建筑整體模型，然后進行各專業(yè)驗算；驗算通過后，直接將所選擇的部品部件信息傳遞至生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行生產(chǎn)；最后在工地結(jié)合設(shè)計信息與生產(chǎn)信息，進行安裝。

4.2 自動化生產(chǎn)設(shè)備

基于房屋智慧建造信息平臺，集成技術(shù)成熟的輕鋼龍骨型材設(shè)計生產(chǎn)一體化設(shè)備、龍骨型材自動化設(shè)備和輕質(zhì)混凝土制備自動化設(shè)備，創(chuàng)新開發(fā)打通平臺和設(shè)備之間的信息化系統(tǒng)接口，改造升級傳統(tǒng)PC生產(chǎn)線或自主創(chuàng)新組成立模，集成裝配式輕鋼輕混結(jié)構(gòu)體系智慧建造系統(tǒng)。自主創(chuàng)新立模系統(tǒng)考慮了輕鋼龍骨與輕質(zhì)混凝土的特點，創(chuàng)新性地將立打工藝與ALC墻板生產(chǎn)工藝相結(jié)合，具備更高效、成本更低的優(yōu)勢。

5 示范工程建設(shè)效果

經(jīng)項目實踐測算，該2層別墅項目采用裝配式輕鋼輕混體系，實現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的智慧建造平臺的有效管控，實現(xiàn)了建設(shè)單位、設(shè)計院、施工單位及工廠多方協(xié)調(diào)的信息化管理，達到了項目所用構(gòu)件工廠生產(chǎn)周期僅1個月，現(xiàn)場安裝施工工期僅7d的效果。經(jīng)測算，項目中應(yīng)用綜合造價約為1 500元/m2，與傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼相比，造價基本持平，相當于用輕質(zhì)混凝土替換了原有的巖棉填充，填充保溫材料更經(jīng)濟，但安裝措施費略高。與輕鋼龍骨灌漿墻相比，造價略高(后者約1 300元/m2)，但預(yù)制輕鋼輕混墻板結(jié)構(gòu)質(zhì)量和品質(zhì)更好，現(xiàn)場工期更短，當項目規(guī)模較大時，可體現(xiàn)出更顯著的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

裝配式輕鋼輕混房屋智慧建造技術(shù)體系基于產(chǎn)品思維，以冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)體系、研發(fā)了標準化的裝配式節(jié)點構(gòu)造，結(jié)合新型墻體材料技術(shù)、配套自動化生產(chǎn)和安裝工藝及基于BIM技術(shù)的智慧建造信息化系統(tǒng)，最終實現(xiàn)房屋的成品交付與造價、質(zhì)量可控。通過研究與示范，該體系具有造價、質(zhì)量與性能優(yōu)勢，適用于冬暖夏熱地區(qū)的低層房屋建設(shè)，可解決項目規(guī)模大、造價低、工期短等難點，通過測算，該體系具有顯著的社會經(jīng)濟效益，具有廣闊的市場前景。

圖8 基于BIM的正向設(shè)計管理平臺