[分享]绿色装配式钢结构交错桁架高层住宅迭院叠墅

发表于2019-12-27     571人浏览     0人跟帖     总热度:194  

由唐山市政府、中国钢结构协会主办的“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛于2018年12月29日圆满结束。此次竞赛以“创新、梦想”为宗旨,以“绿色唐山•创意钢构”为主题,旨在通过加强设计理念与钢结构建筑的融合互动,提高区域制造业的供给能力,推动唐山市工业提质增效,转型发展。中国钢结构协会对参赛项目的申报材料进行了初评,最终产生了来自全国30多个单位的23个作品参加决赛。
本期为大家介绍的是荣获“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛二等奖,来自重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司、浙江绿筑集成科技有限公司代表队的作品——“迭院叠墅”。


1.项目概念策略
1.1概念构思
绿色装配式钢结构交错桁架高层住宅迭院叠墅_1
以传统模式解决当下的城市问题

借用传统北方院落的形式与空间特征,以现代建筑语言将院落单元作解读,一脉相承而又变化的院落形式体现建筑空间在时间维度的迭代。
在竖向上层叠错落,并与交错桁架的空间特征结合,生成符合空间特点的空中花园群落。
利用奇偶层的平面差异布置两层高的露台,使外挑的空间有规律的相互错落,形成错动的景观观感。
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1.2关键解读
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绿色装配式钢结构交错桁架高层住宅迭院叠墅_4
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1.3建筑与结构的相互适应
结构特点
交错桁架结构体系由柱子、平面桁架和楼板组成。两列柱子沿建筑纵向外侧布置,中间无柱。桁架支承在纵向柱列上,平面上间隔布置,竖向上交错布置;桁架高度与层高相同,跨度与建筑进深相近。楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦。
纵向隔断 横向拉通 空间交错
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柱与桁架组成的主体结构
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楼板搁置在相邻桁架上下弦杆
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空间交错
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1.3建筑与结构的相互适应
套 型
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采用方正的套型平面。公共空间置于套型中部,作为外挑空间与室内空间的联结部分;外挑部分不在结构主体中,利用桁架保证其稳定性和空间开放性,在一定程度上形式多变,实现居住空间多样性。
绿色装配式钢结构交错桁架高层住宅迭院叠墅_11
通过奇偶层桁架配置,保证桁架不分割完整的建筑空间,且利用桁架的节间孔洞联系桁架两侧空间,灵活运用纵向连续、隔层交错的空间特征。
交通体
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交通体参与桁架交错
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交通体不参与桁架交错
交通体参与桁架交错。交通体空间在竖向上应连续贯通、在水平方向上交通体应位于交错桁架的经济柱距之内,故桁架交错的位置(即柱设置的位置)应在交通体的两侧外部,避免交错桁架在平面上横断交通体。
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交通体增加支撑。采用支撑钢框架体系,保证交通体部分的结构稳定性,同时避让建筑孔洞,达到结构加强与建筑空间适应的目的。
1.4技术策略
管线综合与楼板
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技术夹层图示
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下翼缘加宽工字钢图示
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 穿梁管线区域图示
为减少管线模块对层高的占用,采用工字型钢作梁,与管线系统的关系如图所示,腹板部分的区域作为管道区,使管线模块层减少对空间净高的影响,保持其经济性。
内外墙板
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ALC板外墙
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ALC板内墙
外墙采用200厚ALC条板外墙。ALC条板外墙施工速度快,不需过多辅助结构和装饰抹灰,抗震性能优。
内墙采用200厚ALC条板,干法装配施工、梁柱防开裂构造设计、装饰装修便捷性提升、隔声防火性能优越。
内外墙均有施工快、性能优的优势,符合装配式建筑对围隔结构的要求。
厨卫系统
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厨卫系统采用集成厨房、集成卫生间,保证设计精细化的同时,提高建筑的装配率,符合绿色装配式建筑的设计要求。
外挑与日照
问题:
露台下的套型内,在南向无法满足至少一居室满窗日照大寒日2小时的要求。
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解决方式1:
中间单元露台挖洞,使中部居室满足日照要求。
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在外挑5m的露台上沿建筑外墙向外挖出3.9m的洞口,以保证下层窗口满足日照要求。
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解决方式2:
端部单元山墙开窗,使端部居室通过侧向采光满足日照要求。
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装配式建筑评价
参考《装配式建筑评价标准》GB/T51129-2017中关于装配式建筑评价的规则,保守预估,本项目评分82,能满足AA级装配式建筑要求。
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绿色建筑评价
参考《绿色建筑评价标准》GBT50378-2014,本项目单体建筑在节地、节能、节水、节材方面采用了各项绿色建筑技术策略。
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2.建筑方案设计
2.1 效果图
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2.2平面图
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2.3立面图
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2.4剖面图
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2.5桁架结构示意
奇偶层建筑与桁架关系示意
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奇数层
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偶数层
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单体建筑与桁架关系
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3 结构方案设计
3.1设计依据
设计条件
1)结构设计使用年限:50年;
2)设防烈度8度,设计基本地震加速度0.2g,场地类别Ⅱ类,设计地震分组为第二组;
3)建筑抗震设防类别:标准设防类(丙类);
4)大气环境腐蚀程度等级C3;
5)地面粗糙度B类、基本风压0.35kN/m2,基本雪压0.4kN/m2.
设计材料及强度
本结构设计以钢结构设计为主,采用钢管混凝土柱。
钢材强度:Q345B;混凝土强度:C50。
荷载取值
1)墙体荷载
结构初步设计时,墙体统一按外墙(300mm厚加气混凝土砌块)考虑,折算线荷载:5kN/m
2)楼板荷载
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3.2结构布置
结构体系
本设计为装配式高层住宅,采用交错桁架体系,具有抗侧刚度大的优点,另外由于桁架、钢框梁均可以在工厂预制,大大节省了施工时间,提高了装配率。
主体结构采用交错桁架体系;局部交通体采用支撑钢框架体系;特别地,通过悬挑桁架实现“迭院叠墅”理念。
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抗侧力体系
横向:交错桁架体系
纵向:框架梁将各框架柱连接起来,框架梁与框架柱刚接形成钢框架;在电梯框架结构内设置十字型侧向支撑,以加强结构纵向的抗侧刚度。
典型桁架设置
1)节间不等距布置( 1.9m+2.8m+2.6m+2.8m+1.9m ),满足内部建筑布置要求;
2)特定位置取消斜腹杆:厨房设门处、悬挑阳台通道处。
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3.3结构布置图
结构平面布置图
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盈建科结构模型
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桁架立面
相邻两榀(①轴、②轴)桁架立面布置图
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3.4计算结果
周期与振型
考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数(强制刚性楼板模型)
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周期比:
第1扭转周期(2.7630)/第1平动周期(3.8708)= 0.71
此外,剪重比、层间位移角等整体指标均满足规范要求。
3.5构造说明
楼屋面板选取:PK预应力叠合楼板
1)质量轻、刚度大、承载力高、抗裂性能好;
2)整体性好,带肋及穿孔构造增大新老混凝土粘结面积、增加机械咬合力,保证叠合结构的共同工作性能;
3)板肋底部预留方形孔,可根据设计需要穿置横向钢筋,实现楼板双向受力,传力更合理;
4)综合经济效益高。施工方便快捷,工期短,效率高。
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弦杆下翼缘加宽,便于楼板搭接
考虑下翼缘搭接楼板,对弦杆下翼缘进行加宽加厚处理
GKL1、GKL3:山墙榀桁架弦杆;GKL2:其他榀桁架弦杆
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结构主要构件截面尺寸表
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3.6推覆分析
计算结果
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X方向能力谱与需求谱曲线(Sa-Sd)
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Y方向能力谱与需求谱曲线(Sa-Sd)
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X方向楼层剪力和位移角曲线
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Y方向楼层剪力和位移角曲线 
X向推覆过程
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Y向推覆过程
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结  论
综上,本结构耗能机制良好,地震响应可控,有效确保结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设计目标。

4 结构典型节点设计
4.1楼板与弦杆连接节点
降板节点优势
1.弦杆免防火:弦杆可完全包在楼板厚度内(预制+叠合)
2.空间平直:楼板与弦杆下翼缘齐平,房间清爽无梁
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板底与下翼缘平齐
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工厂预制开槽
叠合板优势
1.施工速度快:无模板系统以及支撑系统,可多层楼板连续施工
2.现场湿作业量小:减少约一半现场混凝土湿作业
3.平整的预制板底面:避免现场板底抹灰
4.品质有保证:工厂自动化,精准保障楼板品质
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无支撑钢筋桁架叠合板
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板底平整避免抹灰
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多层连续施工
4.2柱与桁架连接节点
全螺栓连接优势
1.节点全螺栓连接,现场无需焊接,快速施工
2.节点构造简洁、传力明确
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柱-桁架的全螺栓连接节点
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上弦杆与柱连接节点
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下弦杆与柱连接节点
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快速装配化施工
4.3节点处理
节点连接
连接可靠,结构整体性好
构件工厂预制,质量更优
施工简便,效率高
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柱边切角
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腹杆连接节点
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板面拉毛处理对比
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预埋件焊接
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板侧勾缝
4.4施工技术措施
施工技术
1.工程量减少,施工速度更快
2.构件工厂预制,统筹安排,工期缩短
3.现场装配率高,安装更快捷
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工厂化制作
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运输方便
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现场占地面积少
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柱外围布置,数量少
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施工快速

5 围隔体系选型与施工
5.1住宅围隔墙体的设计策略
设计原则
1.外墙采用200厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)
2.分户墙、楼电梯井道采用200厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)
3.卫生间,厨房采用100厚ALC条板(安装速度快,满足防火、防水、隔声及装配要求)
4.卫生间采用集成卫浴(提高装配率)
5.管井采用100厚蒸压加气混凝土砌块(对于有水房间,砌块防水性能及措施更有效)
6.交错桁架两侧内墙采用75厚ALC条板(条板间空腔可作为管线空间,提高整体装配率)
7.采用装配式内装系统,便于管线分离。
隔墙布置
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5.2ALC条板作围护墙体的设计与施工
ALC条板的优势
1.安装便利ALC板根据图纸及现场尺寸实测实量,定尺加工生产,精度高,因此到达施工现场的是可以直接进行现场组装拼接的成品,故工人安装施工速度很快;加气砌块为固定尺寸,不能定尺生产,且需准备砌筑砂浆等,故与ALC板比较,施工速度明显要慢很多。
2.辅助结构少,ALC板不需要构造柱和圈梁、配筋带辅助,因此缩短了工期;加气砌块需要增构造住、圈梁等故施工速度受到制约。
3.装饰简便,ALC板不用抹灰而直接批刮薄层砂浆或腻子,故施工速度再次大大提高;加气块需要挂钢丝网进行双面抹灰且湿法施工,速度慢;
4.抗震性能好,ALC条板外墙具有较好的抗震性能,在8度地震作用下保持完好。墙板本身具有较大的整体刚度和足够的强度储备,墙板与结构的连接处构造合理,连接性能较好,节点在振动过程中连接牢固。
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ALC条板复合层示意
ALC条板的设计要点
1.选板:200厚ALC条板和型号;
2.方案:节点(钩头螺栓)、安装方式(外平)、缝隙处理、留设变形缝等;
3.洞口加固;
4.装饰处理。
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ALC条板的连接
ALC条板的施工要点
1.施工前准备
排版—现场复核尺寸—确定施工方案—材料准备
2.施工注意事项
a.施工时不得随意切割外墙板的长度,外墙板宽度≥ 300m。
b.堆板场地应坚实、平整、干燥,板宜侧放(屋面板和楼板可平放),高度不宜超过2米。
c.管线开槽宜在墙体验收后进行,作业时宜用小型切割机配合镂槽器开槽,严禁对穿开洞或随意切断板内纵筋,开槽应沿板长度方向(若有宽度方向开槽可向厂家定做保护层较厚的板材)或设在板与板拼缝之间,深度不大于1/3板厚,槽口可用1:3水泥砂浆略低板面修补,表面用专用修补材补平,装饰前此处应用玻璃纤维网格布增强。
d.对于较大的门窗洞口周边应做好型钢加固框架。
e.装饰前板面潮湿时不宜立即施工,等表面干燥含水率较低时(一般<15%)再进行下一道工序。
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5.3ALC条板作分隔墙体的设计与施工
ALC条板隔墙的优势
1.干法装配施工
2.梁柱防开裂构造设计
3.装饰装修便捷性提升
4.隔声防火性能优越
ALC条板隔墙的设计要点
1.选板:200厚ALC条板和型号;
2.方案:节点(管板/U型槽)、安装方式(外平)、缝隙处理、留设变形缝等;
3.洞口加固;
4.装饰处理;
5.交错桁架两侧内墙采用75厚ALC条板。
施工注意事项
a.复核:墙板竖向安装前复核墙体净高尺寸,板材实际长度比墙体净高短20—40mm。
b.弹线:按设计要求在楼地面、柱或墙标明安装位置及标高。
c.找平:支座宜用DP15干粉砂浆或1:3水泥砂浆找平,支座若为钢结构可用加强型界面剂或其它措施加强表面粘结力。
d.安装:安装顺序宜从洞口边向两侧依次安装,洞口边板、阳角处板宜用整板,无洞口墙体从一端顺序安装。
e.切割:切割板材宜放在阴角或近阴角整板之间,拼板宽度一般≥200mm。
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ALC条板隔墙示意
ALC条板隔墙的节点
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管卡
空心钉打入距板边≥80mm位置,铁板用射钉或M8膨胀螺栓与砼梁或板固定(钢结构与梁点焊两边各三点),对于装修要求较高工程铁板可隐憋板中。高度≥ 4m的墙体板端上下应各设置一只管卡。
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U形卡槽
间距为板宽或600mm,卡件中心位置在板与板拼缝,用射钉或M8膨胀螺栓与砼梁或板固定(钢结构与梁点焊两边各三点),卡入板深度不小于20mm,对于装修要求较高工程铁板可平于板面。高度 ≥ 4m的墙体板端上下应各设置一只管卡。


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