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国内外钢结构住宅产业化适用技术应用对比研究

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国内外钢结构住宅产业化适用技术应用对比研究

发布日期:2018-06-13 编辑:建筑模台 点击:

2016年2月6日出台的中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出发展新型建造方式,大力推广装配式建筑,力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%,积极稳妥推广钢结构建筑。2016年两会提出着力化解过剩产能和降本增效,重点抓好钢铁、煤炭等困难行业去产能,坚持市场倒逼、企业主体、地方组织、中央支撑,运用经济、法律、技术、环保、质量、安全等手段,严格控制新增产能,坚决淘汰落后产能,有序退出过剩产能。钢筋桁架楼承板    节能、绿色环保的钢结构住宅产业的发展顺应了社会的潮流,不仅可以有效化解产能过剩问题,还能够助推装配式建筑的发展,推广钢结构建筑可以化解钢铁产能过剩、全面提高抗震设防水平等,前景广阔。

    建筑模台国外住宅建筑工业化主要是在二战后发展起来的,近年来预制结构得到了广泛的应用,发达国家城市住宅受工业化的影响,巧妙地把建筑与工业化结合,发展住宅工业化并走向成熟。在住宅工业化建设方面有一套成熟的标准体系,尤其是相关适用技术的应用,这对于我国钢结构住宅产业的推进有较大的借鉴和参考价值。

    1  国外钢结构住宅产业化适用技术应用

    1.1  日  本

    日本是世界上率先在工厂里生产住宅的国家,到20世纪90年代末,日本预制装配住宅中木结构占18%,混凝土结构占11%,钢结构占71%。近年来,日本企业通过先调查、再建造、量身定做的    方式对企业内部的规模和产业化结构做出适当调整,具有工业化、多样化等特点的住宅形式满足了客户的需求。日本钢结构建筑多是由大型企业集团集成建造,如积水企业( SEKISUI)、松下房屋(PANA一HOME),这些大型企业几乎可以将钢结构建筑的所有组成部分集合起来。比较典型的是积水企业房屋分企业的“积水海慕”( Heim)钢结构系列住宅,其全部在工厂加工生产,精度极高,主要有以下几个方面特点:

   (1)结构体系上,钢结构住宅结构为单元体结构,属于箱形的刚性结构。钢梁、钢柱之间的连接采用熔接的方式,采用这种结构,外力不会集中在某一点,而是通过梁柱均匀传递到基础,所以变形较大时也不会破坏,可充分保证避难时间,完全符合日本的新抗震设计基准。   

   (2)钢结构住宅中,钢结构体系基本相同,只是在屋面、墙面选材,室内外装修及设备上有所不同。铜骨架结构形式一般有框架桁架组合结构、斜撑耐力壁结构、框架结构和板式结构。屋面一般做成坡屋顶,根据客户需求,运用不同材料的瓦;外墙既需要考虑相关的力学性能,还需要考虑工业化生产、现场安装方便和与钢骨架连接构造简单,一般采用ALC轻混凝土板、塑料板、木板及彩色钢板夹芯板。    

   (3)抗震设计方面,日本是地震多发的国家,其抗震设防技术的应用处于国际领先水平,《建筑基准法》中,对新建筑抗震标准做出“大震不倒、中震不受损、小震不修”的规定要求。注重“阻震建筑”、“隔震建筑”、“抑震建筑”3种技术的应用。阻震建筑是充分发挥螺栓、墙体和各建筑构件的弹性特性吸取地震能量;隔震建筑是楼层间或地基设置轴承、橡胶垫等吸取地震能量;钢结构加工生产抑震建筑是利用阻尼器、滚珠等技术手段吸取地震的破坏能量,控制整个建筑物的摆动,从而降低地震对建筑物的危害。

    1.2芬兰

    钢结构住宅因其各种优越性在芬兰应用比较广泛,尤其应用于传统别墅中的轻钢龙骨框架结构体系,其组成主要有墙板单元、Termo龙骨和Rosette节点连接等。

    墙板单元由墙板钢骨架、隔热层、防潮层以及内外面板组成。成品墙板单元可带有门窗洞口及装饰面层。墙板龙骨在工厂用短铆钉连接,挂板(通常为石膏板)用螺栓固定在龙骨上。无论承重还是非承重外墙板都制成预制单元,这种单元的安装速度快,没有填充保温材料及挂板的工序。其安装方式有两种:一种是完全的现场安装,另一种是部分工厂组装、部分现场安装。预制单元之间用节点连接件通过自攻螺栓相连,当墙板单元安装并固定后,角部要封保温材料和防风板条。

    在芬兰的轻钢龙骨结构体系中,Termo龙骨是一种主要构件,其采用热浸镀锌薄壁钢板制成,壁厚通常为1.0~2.0 mm,截面形式为C形(主要用于垂直构件)和U形(主要用于地梁和顶部水平横梁),门窗洞口、过梁采用两个C形构件组合成工字形截面。在龙骨的腹板上打出不同形状的槽孔,这些槽孔可使热传导中断,从而削弱由于龙骨形成的冷桥效应,改善钢龙骨的隔热性能。

    芬兰针对薄壁钢板开发了一种新的连接方法-Rosette节点,这种连接通过在两块钢板间施压形成摩擦连接,使住宅中的钢屋架和墙板框架的工业化制作成为可能。在两块钢板上各开一个直径为20mm的洞,在其中一块钢板上开洞的钢材被做成“衣领”形,一块钢板上的卡环被压入另一块钢板的洞口圆周内,形成紧密连接的节点。    2016年2月6日出台的中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出发展新型建造方式,大力推广装配式建筑,力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%,积极稳妥推广钢结构建筑。2016年两会提出着力化解过剩产能和降本增效,重点抓好钢铁、煤炭等困难行业去产能,坚持市场倒逼、企业主体、地方组织、中央支撑,运用经济、法律、技术、环保、质量、安全等手段,严格控制新增产能,坚决淘汰落后产能,有序退出过剩产能。

    节能、绿色环保的钢结构住宅产业的发展顺应了社会的潮流,不仅可以有效化解产能过剩问题,还能够助推装配式建筑的发展,推广钢结构建筑可以化解钢铁产能过剩、全面提高抗震设防水平等,前景广阔。

    国外住宅建筑工业化主要是在二战后发展起来的,近年来预制结构得到了广泛的应用,发达国家城市住宅受工业化的影响,巧妙地把建筑与工业化结合,发展住宅工业化并走向成熟。在住宅工业化建设方面有一套成熟的标准体系,尤其是相关适用技术的应用,这对于我国钢结构住宅产业的推进有较大的借鉴和参考价值。

    1  国外钢结构住宅产业化适用技术应用

    1.1  日  本

    日本是世界上率先在工厂里生产住宅的国家,到20世纪90年代末,日本预制装配住宅中木结构占18%,混凝土结构占11%,钢结构占71%。近年来,日本企业通过先调查、再建造、量身定做的    方式对企业内部的规模和产业化结构做出适当调整,具有工业化、多样化等特点的住宅形式满足了客户的需求。日本钢结构建筑多是由大型企业集团集成建造,如积水企业( SEKISUI)、松下房屋(PANA一HOME),这些大型企业几乎可以将钢结构建筑的所有组成部分集合起来。比较典型的是积水企业房屋分企业的“积水海慕”( Heim)钢结构系列住宅,其全部在工厂加工生产,精度极高,主要有以下几个方面特点:

   (1)结构体系上,钢结构住宅结构为单元体结构,属于箱形的刚性结构。钢梁、钢柱之间的连接采用熔接的方式,采用这种结构,外力不会集中在某一点,而是通过梁柱均匀传递到基础,所以变形较大时也不会破坏,可充分保证避难时间,完全符合日本的新抗震设计基准。   

   (2)钢结构住宅中,钢结构体系基本相同,只是在屋面、墙面选材,室内外装修及设备上有所不同。铜骨架结构形式一般有框架桁架组合结构、斜撑耐力壁结构、框架结构和板式结构。屋面一般做成坡屋顶,根据客户需求,运用不同材料的瓦;外墙既需要考虑相关的力学性能,还需要考虑工业化生产、现场安装方便和与钢骨架连接构造简单,一般采用ALC轻混凝土板、塑料板、木板及彩色钢板夹芯板。    

   (3)抗震设计方面,日本是地震多发的国家,其抗震设防技术的应用处于国际领先水平,《建筑基准法》中,对新建筑抗震标准做出“大震不倒、中震不受损、小震不修”的规定要求。注重“阻震建筑”、“隔震建筑”、“抑震建筑”3种技术的应用。阻震建筑是充分发挥螺栓、墙体和各建筑构件的弹性特性吸取地震能量;隔震建筑是楼层间或地基设置轴承、橡胶垫等吸取地震能量;抑震建筑是利用阻尼器、滚珠等技术手段吸取地震的破坏能量,控制整个建筑物的摆动,从而降低地震对建筑物的危害。

     1.2芬兰

    钢结构住宅因其各种优越性在芬兰应用比较广泛,尤其应用于传统别墅中的轻钢龙骨框架结构体系,其组成主要有墙板单元、Termo龙骨和Rosette节点连接等。

    墙板单元由墙板钢骨架、隔热层、防潮层以及内外面板组成。成品墙板单元可带有门窗洞口及装饰面层。墙板龙骨在工厂用短铆钉连接,挂板(通常为石膏板)用螺栓固定在龙骨上。无论承重还是非承重外墙板都制成预制单元,这种单元的安装速度快,没有填充保温材料及挂板的工序。其安装方式有两种:一种是完全的现场安装,另一种是部分工厂组装、部分现场安装。预制单元之间用节点连接件通过自攻螺栓相连,当墙板单元安装并固定后,角部要封保温材料和防风板条。

    在芬兰的轻钢龙骨结构体系中,Termo龙骨是一种主要构件,其采用热浸镀锌薄壁钢板制成,壁厚通常为1.0~2.0 mm,截面形式为C形(主要用于垂直构件)和U形(主要用于地梁和顶部水平横梁),门窗洞口、过梁采用两个C形构件组合成工字形截面。在龙骨的腹板上打出不同形状的槽孔,这些槽孔可使热传导中断,从而削弱由于龙骨形成的冷桥效应,改善钢龙骨的隔热性能。

    芬兰针对薄壁钢板开发了一种新的连接方法-Rosette节点,这种连接通过在两块钢板间施压形成摩擦连接,使住宅中的钢屋架和墙板框架的工业化制作成为可能。在两块钢板上各开一个直径为20mm的洞,在其中一块钢板上开洞的钢材被做成“衣领”形,一块钢板上的卡环被压入另一块钢板的洞口圆周内,形成紧密连接的节点。

     1.3  美  国

    在20世纪90年代,美国住宅采用钢结构的约为5%,目前已超过40%。美国的多层轻钢结构住宅主要用于独栋别墅、叠拼式别墅、联排别墅及多层公寓等,最早一幢多层轻钢住宅于1990年开始设计。从发展形势看,美国已成功开展了多层轻钢结构住宅体系的研发与工程应用,并有许多成熟的技术可以作为我国发展多层轻钢住宅体系的参考。美国的多层轻钢结构住宅技术、是一项综合的技术,是集轻钢结构、建筑节能保温、建筑防火、建筑隔声、新型建材、设计施工于一体的集成化技术,社会化分工明确,各种产品的生产商、施工方、设计方紧密合作。PC建筑模台模具其梁柱或衍架连接一般以柔性连接为主,轻钢结构住宅技术发展的最关键问题是其结构本身的性能,包括楼盖、墙体结构和承担的横向荷载及水平地震作用。

    楼盖结构要具有适当的跨度并尽可能轻及有较好的楼盖平面内刚度。楼盖一般由C形轻钢格栅与铺与隔栅上的薄板组成。由美国迪垂驰企业研发的格栅专利产品在腹板上开有大孔,这样对于管线的穿越及布置极为方便。该楼盖结构体系质量仅为国内传统的混凝土楼板体系的1/6~1/4,但其楼盖的截面高度比普通混凝土板高100 ~120 mm 。

    墙体结构在承担竖向荷载自重与楼面活荷载的同时还要承担风荷载和水平地震作用。为抵抗水平风荷载和地震作用,美国多层轻钢结构住宅。体系采用了两种方式,分别为采用轻钢剪力墙或采用带十字交叉支撑的普钢框架结构。轻钢剪力墙一般布置在分户墙,采用0.5mm镀锌薄钢板蒙于石膏板上,再固定于轻钢墙柱上,形成类似于应力蒙皮结构的剪力墙,每层之间有一个特殊的构件对上、下楼层剪力墙进行连接,以有效传递水平剪力与由于水平力作用在墙柱上而产生的拉力。在地震区,为保证结构安全,采用带十字交叉支撑的普钢框架作为抗侧力结构,形成以轻钢承受竖向荷载、以普钢承受水平荷载的混合结构体系。 

     此外,美国在轻钢住宅体系中,对建筑保温节能、防火、隔声和轻钢防腐方面技术应用研究做了大量工作。保温节能方面,在墙柱间、楼层之间格栅内填充玻璃纤维和在墙外侧再贴一层保温材料;防火方面,在墙的两侧和楼盖的天花板处贴防火石膏板,对于普通防火墙和分户墙用25.4 mm厚的石膏板保护;隔声方面,在内外墙及楼盖格栅间填充玻璃棉,:对子分户墙用两道墙柱构成带有中间空隙的两道墙体;而对于吊顶用的固定石膏板的小龙骨,用带有小切槽的弹性构造以有效减少楼层间的固体声传播;轻钢防腐方面,采用镀锌层,可有效满足轻钢结构防腐蚀技术要求,并对轻钢的切口和刮痕具有自愈合的作用。

    在信息技术方面,美国ERP(Enterprise Re-source Planning,企业资源计划)系统技术应用相当普遍。据统计,美国年产值在5亿美金以上的企业100%的都应用了ERP技术,年产值5亿美金以下的企业,应用ERP技术的约有400700据Hill Inter-national企业的信息管理人员推测,美国的建筑企业基本上不同程度地都采用了ERP系统。钢结构加工生产

    1.4  澳大利亚

    在20世纪60年代,澳大利亚的住宅产业化程度达到非常高的水平,其钢结构建筑建造量大约占全部新建住宅的50%,主要以冷弯薄壁轻钢结构建筑体系为主。这种体系主要由博思格企业成功开发并制定相关企业标准。

    澳大利亚轻钢结构住宅建筑体系以镀锌冷弯薄壁型钢作为承重结构,采用高强、防腐钢卷板,与目前美国等国家适用的镀锌钢板相比,所需钢板厚度较小、单位建筑面积用钢量相对偏低。

    楼面由冷弯薄壁型钢架或组合梁、楼两OSB结构板、支撑、连接件等组成。所用的材料是定向刨花板,水泥纤维板,以及胶合板;屋面系统是由屋架、结构OSB面板、防水层、轻型屋面瓦(金属或沥青瓦)组成的,在保障防水技术的前提下,外观有许多可选择的方案;墙体主要由墙架柱、墙顶梁、墙底梁、墒体支撑、墙板和连接件组成,一般将内横墙作为结构的承重墙,墙柱为c形轻钢构件,其壁厚根据所受的荷载而定,通常为0.84~2mm,墙柱间距一般为400~600mm,这种墙体结构布置方式,可有效承受并可靠传递竖向荷载,且布置方便;保温技术一般在墙的墙柱间、楼层之间格栅、所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维,在墙外侧再贴一层保温材料。速成墙(Rapid wall)因其轻质、空心,具有较好防水性能,较大制作尺寸和较高的力学性能指标,充当建筑物的围护结构,组成内、外墙体。

    澳大利亚轻钢结构住宅建筑体系通过电脑辅助制造专用设备( CAM)进行设计,有许多轻钢结构建造设计App,如G-CAD,由此生成的设计文件可以直接输入到加工设备进行自动加工。生产制作的全过程以电脑App控制的专业设备完成,保证构件制作的精确度,其误差在人工难以达到的0.5mm以内,直接在工厂轧制成各种不同类型的结构构件,除基础施工外,其余全为干作业施工安装。

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