装配式钢结构在高层住宅建筑中极具应用优势

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装配式钢结构建筑

传统建筑的建造方式采用现场现浇或焊接的工艺，其现场施工条件差、工程质量难以保证，资源浪费严重，产生大量的建筑垃圾，无法满足建筑工业化的发展需求。

装配式钢结构建筑的建造方式是将建筑中的主要构件和部品在工厂制造完成，再运输到现场，经机械化安装后，形成满足预定功能要求的建筑物。装配式钢结构建筑具有抗震性能好、建筑品质高、制作简单、施工快、绿色、环保等优点。

装配式钢结构建筑已经在美国、日本、澳大利亚等发达国家广泛应用，可以给社会带来巨大的综合效益，同时带动其它行业的快速发展。目前，装配式钢结构建筑在中国属于刚起步阶段，且主要以多层建筑为主，在高层建筑中应用很少，有待于深入研究。

近期，同济设计集团针对深圳某高层住宅项目进行了钢结构可行性研究。本文将以其为例，剖析装配式钢结构应用在高层住宅建筑中的优势。

项目概况

该项目位于深圳市南山区，由住宅、公寓、还迁住宅、养老酒店等8栋高层建筑组成，占地6.7万平方米，计容建面33.7万平方米。




地块总体规划示意图

根据建筑使用性能、平立面的规整性与建筑高度，本案选取8栋建筑中具有代表性的4号建筑进行研究。其结构高度179.6m，结构高宽比10.1，地上55层，层高3.1m(避难层4.0m)。平面尺寸投影尺寸23.1m×42.1m，其中标准层面积约710㎡，每层6户(3种户型)，地上总面积约4万㎡。

深圳南山区抗震设防烈度7度(0.1g)，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.35s。10年一遇风荷载0.45kN/㎡，50年一遇风荷载0.75kN/㎡，100年一遇风荷载0.9kN/㎡。




4号建筑平面图




4号建筑立面图


结构体系

由于本项目结构高宽比达到10.1，且水平风荷载大，导致结构设计难度很大。针对这类高层住宅建筑，传统做法是采用混凝土结构，通过增大构件截面、设置剪力墙等方法来增加结构刚度，以满足结构安全性与舒适性的需求。但是传统做法对建筑品质有较大影响，且施工工期较长，无法实现建筑工业化的目标。

为解决以上难点，同济设计团队突破传统设计方法的限制，采用装配式钢结构进行设计，以满足业主高标准的要求。

钢结构方案的结构体系构成：CFT柱型钢框架+支撑+黏滞阻尼墙。支撑布置于公共交通区域与建筑隔墙的位置，黏滞阻尼墙布置于结构的中上部，共72片。




钢结构方案结构体系组成




钢结构方案结构平面布置







黏滞阻尼墙构造图




某项目黏滞阻尼墙安装示意图


采用钢结构设计的优点

相比于传统混凝土结构，本项目采用钢结构体系具有多个方面的优势。


结构抗震性能

由于采用消能减震钢框架-支撑结构体系，上部结构重量约降低34%，这有助于：
①降低基础造价(约25%)；
② 降低地震作用，提高结构的抗震性能。


建筑品质

由于住宅类建筑对建筑使用功能要求高，通过采用钢结构体系，有效地提升了建筑品质。
01 建筑墙厚可由700mm降低到450mm(降低36%)，建筑使用面积增加。


混凝土方案标准层（装修后墙厚700mm）


钢结构方案标准层（装修后墙厚450mm）


02 支撑布置于公共交通区域的隔墙位置，室内户型可任意分割(大空间可变户型)，同时保证外立面视觉通透性。



交通筒


结构户型图(C1户型)


结构户型图(C2户型)


结构户型图(C3户型)

03 将钢管混凝土柱扁长化和采用内部装修技术，有效解决室内露梁露柱等建筑功能问题。


建筑户型图(C1户型)




建筑户型图(C2户型)


建筑户型图(C3户型)


抗风舒适度

本项目所在地区10年一遇风荷载达到0.45kN/㎡，且结构高宽比较大，结构风振下的舒适度问题需要重点关注。

若采用混凝土结构，需通过增大结构构件截面尺寸或增加剪力墙，提高结构刚度，改善结构的风振舒适度，但是会进一步增强结构的地震作用，这种方法不够经济，且效率低。

针对本项目的特点，提出采用钢结构体系，在满足结构基本刚度（层间位移角、剪重比、刚重比等）的前提下，通过有效地布置黏滞阻尼墙，充分发挥耗能减振（震）作用，可有效控制结构的风振加速度，同时降低结构的地震作用。

通过对比两种方案，钢结构方案的舒适性优于传统混凝土方案。