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國內外鋼結構住宅產業化適用技術應用對比研究

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國內外鋼結構住宅產業化適用技術應用對比研究

發布日期:2018-06-13 作者:建築模台 點擊:

2016年2月6日出台的中共中央國務院《關於進一步加強城市規劃建設管理工作的若幹意見》提出發展新型建造方式,大力推廣裝配式建築,力爭用10年左右時間,使裝配式建築占新建建築的比例達到30%,積極穩妥推廣鋼結構建築。2016年兩會提出著力化解過剩產能和降本增效,重點抓好鋼鐵、煤炭等困難行業去產能,堅持市場倒逼、企業主體、地方組織、中央支持,運用經濟、法律、技術、環保、質量、安全等手段,嚴格控製新增產能,堅決淘汰落後產能,有序退出過剩產能。鋼筋桁架樓承板    節能、綠色環保的鋼結構住宅產業的發展順應了社會的潮流,不僅可以有效化解產能過剩問題,還能夠助推裝配式建築的發展,推廣鋼結構建築可以化解鋼鐵產能過剩、全麵提高抗震設防水平等,前景廣闊。

    建築模台國外住宅建築工業化主要是在二戰後發展起來的,近年來預製結構得到了廣泛的應用,發達國家城市住宅受工業化的影響,巧妙地把建築與工業化結合,發展住宅工業化並走向成熟。在住宅工業化建設方麵有一套成熟的標準體係,尤其是相關適用技術的應用,這對於我國鋼結構住宅產業的推進有較大的借鑒和參考價值。

    1  國外鋼結構住宅產業化適用技術應用

    1.1  日  本

    日本是世界上率先在工廠裏生產住宅的國家,到20世紀90年代末,日本預製裝配住宅中木結構占18%,混凝土結構占11%,鋼結構占71%。近年來,日本企業通過先調查、再建造、量身定做的    方式對企業內部的規模和產業化結構做出適當調整,具有工業化、多樣化等特點的住宅形式滿足了客戶的需求。日本鋼結構建築多是由大型企業集團集成建造,如積水公司( SEKISUI)、鬆下房屋(PANA一HOME),這些大型公司幾乎可以將鋼結構建築的所有組成部分集合起來。比較典型的是積水公司房屋分公司的“積水海慕”( Heim)鋼結構係列住宅,其全部在工廠加工生產,精度極高,主要有以下幾個方麵特點:

   (1)結構體係上,鋼結構住宅結構為單元體結構,屬於箱形的剛性結構。鋼梁、鋼柱之間的連接采用熔接的方式,采用這種結構,外力不會集中在某一點,而是通過梁柱均勻傳遞到基礎,所以變形較大時也不會破壞,可充分保證避難時間,完全符合日本的新抗震設計基準。   

   (2)鋼結構住宅中,鋼結構體係基本相同,隻是在屋麵、牆麵選材,室內外裝修及設備上有所不同。銅骨架結構形式一般有框架桁架組合結構、斜撐耐力壁結構、框架結構和板式結構。屋麵一般做成坡屋頂,根據客戶需求,運用不同材料的瓦;外牆既需要考慮相關的力學性能,還需要考慮工業化生產、現場安裝方便和與鋼骨架連接構造簡單,一般采用ALC輕混凝土板、塑料板、木板及彩色鋼板夾芯板。    

   (3)抗震設計方麵,日本是地震多發的國家,其抗震設防技術的應用處於國際領先水平,《建築基準法》中,對新建築抗震標準做出“大震不倒、中震不受損、小震不修”的規定要求。注重“阻震建築”、“隔震建築”、“抑震建築”3種技術的應用。阻震建築是充分發揮螺栓、牆體和各建築構件的彈性特性吸收地震能量;隔震建築是樓層間或地基設置軸承、橡膠墊等吸收地震能量;鋼結構加工生產抑震建築是利用阻尼器、滾珠等技術手段吸收地震的破壞能量,控製整個建築物的擺動,從而降低地震對建築物的危害。

    1.2芬蘭

    鋼結構住宅因其各種優越性在芬蘭應用比較廣泛,尤其應用於傳統別墅中的輕鋼龍骨框架結構體係,其組成主要有牆板單元、Termo龍骨和Rosette節點連接等。

    牆板單元由牆板鋼骨架、隔熱層、防潮層以及內外麵板組成。成品牆板單元可帶有門窗洞口及裝飾麵層。牆板龍骨在工廠用短鉚釘連接,掛板(通常為石膏板)用螺栓固定在龍骨上。無論承重還是非承重外牆板都製成預製單元,這種單元的安裝速度快,沒有填充保溫材料及掛板的工序。其安裝方式有兩種:一種是完全的現場安裝,另一種是部分工廠組裝、部分現場安裝。預製單元之間用節點連接件通過自攻螺栓相連,當牆板單元安裝並固定後,角部要封保溫材料和防風板條。

    在芬蘭的輕鋼龍骨結構體係中,Termo龍骨是一種主要構件,其采用熱浸鍍鋅薄壁鋼板製成,壁厚通常為1.0~2.0 mm,截麵形式為C形(主要用於垂直構件)和U形(主要用於地梁和頂部水平橫梁),門窗洞口、過梁采用兩個C形構件組合成工字形截麵。在龍骨的腹板上打出不同形狀的槽孔,這些槽孔可使熱傳導中斷,從而削弱由於龍骨形成的冷橋效應,改善鋼龍骨的隔熱性能。

    芬蘭針對薄壁鋼板開發了一種新的連接方法-Rosette節點,這種連接通過在兩塊鋼板間施壓形成摩擦連接,使住宅中的鋼屋架和牆板框架的工業化製作成為可能。在兩塊鋼板上各開一個直徑為20mm的洞,在其中一塊鋼板上開洞的鋼材被做成“衣領”形,一塊鋼板上的卡環被壓入另一塊鋼板的洞口圓周內,形成緊密連接的節點。    2016年2月6日出台的中共中央國務院《關於進一步加強城市規劃建設管理工作的若幹意見》提出發展新型建造方式,大力推廣裝配式建築,力爭用10年左右時間,使裝配式建築占新建建築的比例達到30%,積極穩妥推廣鋼結構建築。2016年兩會提出著力化解過剩產能和降本增效,重點抓好鋼鐵、煤炭等困難行業去產能,堅持市場倒逼、企業主體、地方組織、中央支持,運用經濟、法律、技術、環保、質量、安全等手段,嚴格控製新增產能,堅決淘汰落後產能,有序退出過剩產能。

    節能、綠色環保的鋼結構住宅產業的發展順應了社會的潮流,不僅可以有效化解產能過剩問題,還能夠助推裝配式建築的發展,推廣鋼結構建築可以化解鋼鐵產能過剩、全麵提高抗震設防水平等,前景廣闊。

    國外住宅建築工業化主要是在二戰後發展起來的,近年來預製結構得到了廣泛的應用,發達國家城市住宅受工業化的影響,巧妙地把建築與工業化結合,發展住宅工業化並走向成熟。在住宅工業化建設方麵有一套成熟的標準體係,尤其是相關適用技術的應用,這對於我國鋼結構住宅產業的推進有較大的借鑒和參考價值。

    1  國外鋼結構住宅產業化適用技術應用

    1.1  日  本

    日本是世界上率先在工廠裏生產住宅的國家,到20世紀90年代末,日本預製裝配住宅中木結構占18%,混凝土結構占11%,鋼結構占71%。近年來,日本企業通過先調查、再建造、量身定做的    方式對企業內部的規模和產業化結構做出適當調整,具有工業化、多樣化等特點的住宅形式滿足了客戶的需求。日本鋼結構建築多是由大型企業集團集成建造,如積水公司( SEKISUI)、鬆下房屋(PANA一HOME),這些大型公司幾乎可以將鋼結構建築的所有組成部分集合起來。比較典型的是積水公司房屋分公司的“積水海慕”( Heim)鋼結構係列住宅,其全部在工廠加工生產,精度極高,主要有以下幾個方麵特點:

   (1)結構體係上,鋼結構住宅結構為單元體結構,屬於箱形的剛性結構。鋼梁、鋼柱之間的連接采用熔接的方式,采用這種結構,外力不會集中在某一點,而是通過梁柱均勻傳遞到基礎,所以變形較大時也不會破壞,可充分保證避難時間,完全符合日本的新抗震設計基準。   

   (2)鋼結構住宅中,鋼結構體係基本相同,隻是在屋麵、牆麵選材,室內外裝修及設備上有所不同。銅骨架結構形式一般有框架桁架組合結構、斜撐耐力壁結構、框架結構和板式結構。屋麵一般做成坡屋頂,根據客戶需求,運用不同材料的瓦;外牆既需要考慮相關的力學性能,還需要考慮工業化生產、現場安裝方便和與鋼骨架連接構造簡單,一般采用ALC輕混凝土板、塑料板、木板及彩色鋼板夾芯板。    

   (3)抗震設計方麵,日本是地震多發的國家,其抗震設防技術的應用處於國際領先水平,《建築基準法》中,對新建築抗震標準做出“大震不倒、中震不受損、小震不修”的規定要求。注重“阻震建築”、“隔震建築”、“抑震建築”3種技術的應用。阻震建築是充分發揮螺栓、牆體和各建築構件的彈性特性吸收地震能量;隔震建築是樓層間或地基設置軸承、橡膠墊等吸收地震能量;抑震建築是利用阻尼器、滾珠等技術手段吸收地震的破壞能量,控製整個建築物的擺動,從而降低地震對建築物的危害。

     1.2芬蘭

    鋼結構住宅因其各種優越性在芬蘭應用比較廣泛,尤其應用於傳統別墅中的輕鋼龍骨框架結構體係,其組成主要有牆板單元、Termo龍骨和Rosette節點連接等。

    牆板單元由牆板鋼骨架、隔熱層、防潮層以及內外麵板組成。成品牆板單元可帶有門窗洞口及裝飾麵層。牆板龍骨在工廠用短鉚釘連接,掛板(通常為石膏板)用螺栓固定在龍骨上。無論承重還是非承重外牆板都製成預製單元,這種單元的安裝速度快,沒有填充保溫材料及掛板的工序。其安裝方式有兩種:一種是完全的現場安裝,另一種是部分工廠組裝、部分現場安裝。預製單元之間用節點連接件通過自攻螺栓相連,當牆板單元安裝並固定後,角部要封保溫材料和防風板條。

    在芬蘭的輕鋼龍骨結構體係中,Termo龍骨是一種主要構件,其采用熱浸鍍鋅薄壁鋼板製成,壁厚通常為1.0~2.0 mm,截麵形式為C形(主要用於垂直構件)和U形(主要用於地梁和頂部水平橫梁),門窗洞口、過梁采用兩個C形構件組合成工字形截麵。在龍骨的腹板上打出不同形狀的槽孔,這些槽孔可使熱傳導中斷,從而削弱由於龍骨形成的冷橋效應,改善鋼龍骨的隔熱性能。

    芬蘭針對薄壁鋼板開發了一種新的連接方法-Rosette節點,這種連接通過在兩塊鋼板間施壓形成摩擦連接,使住宅中的鋼屋架和牆板框架的工業化製作成為可能。在兩塊鋼板上各開一個直徑為20mm的洞,在其中一塊鋼板上開洞的鋼材被做成“衣領”形,一塊鋼板上的卡環被壓入另一塊鋼板的洞口圓周內,形成緊密連接的節點。

     1.3  美  國

    在20世紀90年代,美國住宅采用鋼結構的約為5%,目前已超過40%。美國的多層輕鋼結構住宅主要用於獨棟別墅、疊拚式別墅、聯排別墅及多層公寓等,最早一幢多層輕鋼住宅於1990年開始設計。從發展形勢看,美國已成功開展了多層輕鋼結構住宅體係的研發與工程應用,並有許多成熟的技術可以作為我國發展多層輕鋼住宅體係的參考。美國的多層輕鋼結構住宅技術、是一項綜合的技術,是集輕鋼結構、建築節能保溫、建築防火、建築隔聲、新型建材、設計施工於一體的集成化技術,社會化分工明確,各種產品的生產商、施工方、設計方緊密合作。PC建築模台模具其梁柱或衍架連接一般以柔性連接為主,輕鋼結構住宅技術發展的最關鍵問題是其結構本身的性能,包括樓蓋、牆體結構和承擔的橫向荷載及水平地震作用。

    樓蓋結構要具有適當的跨度並盡可能輕及有較好的樓蓋平麵內剛度。樓蓋一般由C形輕鋼格柵與鋪與隔柵上的薄板組成。由美國迪垂馳公司研發的格柵專利產品在腹板上開有大孔,這樣對於管線的穿越及布置極為方便。該樓蓋結構體係質量僅為國內傳統的混凝土樓板體係的1/6~1/4,但其樓蓋的截麵高度比普通混凝土板高100 ~120 mm 。

    牆體結構在承擔豎向荷載自重與樓麵活荷載的同時還要承擔風荷載和水平地震作用。為抵抗水平風荷載和地震作用,美國多層輕鋼結構住宅。體係采用了兩種方式,分別為采用輕鋼剪力牆或采用帶十字交叉支撐的普鋼框架結構。輕鋼剪力牆一般布置在分戶牆,采用0.5mm鍍鋅薄鋼板蒙於石膏板上,再固定於輕鋼牆柱上,形成類似於應力蒙皮結構的剪力牆,每層之間有一個特殊的構件對上、下樓層剪力牆進行連接,以有效傳遞水平剪力與由於水平力作用在牆柱上而產生的拉力。在地震區,為保證結構安全,采用帶十字交叉支撐的普鋼框架作為抗側力結構,形成以輕鋼承受豎向荷載、以普鋼承受水平荷載的混合結構體係。 

     此外,美國在輕鋼住宅體係中,對建築保溫節能、防火、隔聲和輕鋼防腐方麵技術應用研究做了大量工作。保溫節能方麵,在牆柱間、樓層之間格柵內填充玻璃纖維和在牆外側再貼一層保溫材料;防火方麵,在牆的兩側和樓蓋的天花板處貼防火石膏板,對於普通防火牆和分戶牆用25.4 mm厚的石膏板保護;隔聲方麵,在內外牆及樓蓋格柵間填充玻璃棉,:對子分戶牆用兩道牆柱構成帶有中間空隙的兩道牆體;而對於吊頂用的固定石膏板的小龍骨,用帶有小切槽的彈性構造以有效減少樓層間的固體聲傳播;輕鋼防腐方麵,采用鍍鋅層,可有效滿足輕鋼結構防腐蝕技術要求,並對輕鋼的切口和刮痕具有自愈合的作用。

    在信息技術方麵,美國ERP(Enterprise Re-source Planning,企業資源計劃)係統技術應用相當普遍。據統計,美國年產值在5億美元以上的企業100%的都應用了ERP技術,年產值5億美元以下的企業,應用ERP技術的約有400700據Hill Inter-national公司的信息管理人員推測,美國的建築企業基本上不同程度地都采用了ERP係統。鋼結構加工生產

    1.4  澳大利亞

    在20世紀60年代,澳大利亞的住宅產業化程度達到非常高的水平,其鋼結構建築建造量大約占全部新建住宅的50%,主要以冷彎薄壁輕鋼結構建築體係為主。這種體係主要由博思格公司成功開發並製定相關企業標準。

    澳大利亞輕鋼結構住宅建築體係以鍍鋅冷彎薄壁型鋼作為承重結構,采用高強、防腐鋼卷板,與目前美國等國家適用的鍍鋅鋼板相比,所需鋼板厚度較小、單位建築麵積用鋼量相對偏低。

    樓麵由冷彎薄壁型鋼架或組合梁、樓兩OSB結構板、支撐、連接件等組成。所用的材料是定向刨花板,水泥纖維板,以及膠合板;屋麵係統是由屋架、結構OSB麵板、防水層、輕型屋麵瓦(金屬或瀝青瓦)組成的,在保障防水技術的前提下,外觀有許多可選擇的方案;牆體主要由牆架柱、牆頂梁、牆底梁、墒體支撐、牆板和連接件組成,一般將內橫牆作為結構的承重牆,牆柱為c形輕鋼構件,其壁厚根據所受的荷載而定,通常為0.84~2mm,牆柱間距一般為400~600mm,這種牆體結構布置方式,可有效承受並可靠傳遞豎向荷載,且布置方便;保溫技術一般在牆的牆柱間、樓層之間格柵、所有內牆牆體的牆柱之間均填充玻璃纖維,在牆外側再貼一層保溫材料。速成牆(Rapid wall)因其輕質、空心,具有較好防水性能,較大製作尺寸和較高的力學性能指標,充當建築物的圍護結構,組成內、外牆體。

    澳大利亞輕鋼結構住宅建築體係通過電腦輔助製造專用設備( CAM)進行設計,有許多輕鋼結構建造設計軟件,如G-CAD,由此生成的設計文件可以直接輸入到加工設備進行自動加工。生產製作的全過程以電腦軟件控製的專業設備完成,保證構件製作的精確度,其誤差在人工難以達到的0.5mm以內,直接在工廠軋製成各種不同類型的結構構件,除基礎施工外,其餘全為幹作業施工安裝。

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