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1、东莞装配式钢结构住宅的设计与应用研究答辩人:一点 导师:设计建筑与土木工程专业硕士论文 唐生八戒旗舰店：金角绪论1试点工程建筑结构设计2试点工程墙板的设计与加工3试点工程预制楼板的设计与施工4试点工程的施工流程及经济性分析5结论与希望6目录Content研究背景装配式建筑在国内和国外的发展状况本文研究的主要内容及意义绪论第一章研究背景2013年以来，受传统建筑行业转型发展趋势及政策影响，全国各省市纷纷出台建筑产业化扶持政策.政府一致提出发展目标，呼吁在一切有条件的地方全面推行装配式建筑，摒弃传统粗放落后的建筑生产方式，发展绿色建筑。1968年日本人提出建筑产业化，即用现代化的管理模式，标准化的
2、建筑设计，模数化、工厂化的部品生产，达到建筑部品（件）通用化，现场施工装配化、机械化及管理信息化的技术。中共中央、国务院2016年2月21日了发布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,完善部品部件标准，实现建筑部品部件产业化生产，鼓励建筑企业装配式施工，现场装配，建设国家级装配式建筑生产基地。建筑行业发展的需要1我国对建筑工业化的政策支持2装配式建筑的概述3装配式建筑在国内和国外的发展状况国外发展状况澳大利亚，德国，法国，丹麦，美国，日本近几十年来在装配式建筑方面发展迅速，也逐渐趋于成熟国内发展状况直至到了最近十来年，随着我国经济的迅速发展，人工成本大幅度提升，装配式施工
3、技术和管理水平有了飞跃性的进展，装配式建筑就有了飞速发展的趋势。山东，北京、上海、沈阳、江苏、深圳等地装配式建筑逐渐发展成熟。本文研究的主要内容及意义东莞本文在通过大量搜集和查阅相关资料文献的基础上，以东莞一幢二层装配式钢结构试点工程为分析模型，对适合于装配式钢结构体系的结构体系、楼（屋)盖体系和围护体系的选取等进行了讨论，确定适合钢结构住宅的建筑方案、结构体系、围护体系、安装方法等一系列应用技术，并进行经济性分析，探寻钢结构住宅较为实用的设计施工方式，为钢结构住宅的设计、施工和推广提供一定的理论依据，推动装配式钢结构建筑的发展与应用；从装配式建筑的形式上来看，钢结构建筑无疑是最适合于工厂预制
4、现场装配的一种结构形式。相比混凝土结构建筑，钢结构建筑具有生产简便、环保、可再回收利用的特点，有助于减少建筑垃圾的产生，符合可持续化发展的方针。发展装配式钢结构建筑同时带动相关的建筑材料、冶金化工和机械等产业的共同发展，提高建设水平和提高居住水平，促进国民经济的增长。模数化设计试点工程建筑结构设计第二章模数化实施原则及方法适宜东莞的钢结构住宅体系初探模数化设计基本概念模数化设计理念是装配式钢结构建筑产业化的基础模数化设计是标准化的一种表现形式，它是使建筑构配件和组合件实现规模化生产，使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑构配件、组合件符合一定模数与标准，从而达到通用性和互换性的目的，最终实现
5、加快设计速度，提高施工质量和效率，综合降低建造成本。现代社会要求建筑走精细化道路，对于建筑设计伊始不仅要满足使用功能的要求，更需要考虑到建筑构配件便于工厂化加工，方使运输，尽量使施工难度降低并能够节约工期，同时还要绿色环保。装配式建筑与此要求非常契合，这就需要我们用模数化理念去武装它，以实现用标准化生产、建设，最终实现像做产品一样去做房子的梦想。模数化实施原则及方法设计模数化 构配件加工工厂化施工简便化建筑材料绿色化010203适宜东莞的钢结构住宅体系初探钢结构住宅体系主要由以下几大部分组成支撑骨架系统围护骨架系统轻质墙体门窗及楼梯装饰外墙屋顶楼层板适宜东莞的钢结构住宅体系初探图1H型钢梁柱支
6、撑加轻钢围护骨架系统如图1，简称H+H骨架系统1C型钢梁柱支撑加轻钢围护骨架系统如图2，简称C+C骨架系统2图2钢结构住宅的技术流派按用钢截面及骨架系统来分有1适宜东莞的钢结构住宅体系初探方钢为柱，U型钢为梁的支撑骨架系统如图3，简称e+U骨架系统3方钢为柱，H型钢为梁的支撑骨架系统如图4，简称e+H骨架系统4图3图4钢结构住宅的技术流派按用钢截面及骨架系统来分有1适宜东莞的钢结构住宅体系初探全轻钢龙骨骨架系统如图55图5模块化预制的钢结构住宅部件预制的钢结构住宅钢结构住宅的技术流派按用钢截面及骨架系统来分有1钢结构住宅的技术流派按制造方式来分2唐生八戒旗舰店：金角适宜东莞的钢结构住宅体系初探
7、1欧美风格如图1图1日本风格如图22图2钢结构住宅的技术流派按地缘文化与建筑风格来分3适宜东莞的钢结构住宅体系初探支撑骨架材料型钢U型钢C型钢方钢轻钢龙骨围护骨架材料在欧美钢结构住宅中的围护（内、外墙、吊顶）骨架就是轻钢龙骨，厚度在1mn以下，而在国内主要应用于装修中。日本钢结构住宅围护骨架是自成体系的，其主要特征表现为带斜拉杆，这种结构主要是为了配合其外墙板体系，因为日式钢结构住宅的外墙板与外墙装饰板是一体的，每块表面积很小，对墙体不能提供拉紧的支护作用，因此需用斜拉杆加强支撑。钢结构住宅的技术流派钢结构住宅所用原材料4适宜东莞的钢结构住宅体系初探防火石膏板防水石膏板中、低密度水泥纤维板定向
8、创花板轻质墙体装饰外墙轻质墙体面板保温隔热隔声材料防水材料真空挤压高密度水泥纤维板高密度水泥纤维板PVC板钢结构住宅的技术流派钢结构住宅所用原材料4适宜东莞的钢结构住宅体系初探门窗及楼梯屋顶木板压型钢板组合楼板蒸压轻质加气混凝土(ALC)楼板陶瓦水泥彩瓦楼层板高密度水泥纤维板瓦金属瓦国内普通门窗生产不论是从质量还是规格品种来看，基本都能满足市场需求。高档门窗尚需进口。钢结构住宅的技术流派钢结构住宅所用原材料4适宜东莞的钢结构住宅体系初探钢结构住宅的技术流派钢结构住宅技术流派的比较5日本(和式)流派欧美流派不同地域文化的钢结构住宅1适宜东莞的钢结构住宅体系初探钢结构住宅的技术流派钢结构住宅技术流
9、派的比较5不同钢结构技术流派的节点比较C+C型骨架系统部分节点全轻钢龙骨骨架系统部分节点e+U或e+H骨架系统部分节点3适宜东莞的钢结构住宅体系初探钢结构住宅的技术流派钢结构住宅技术流派的比较54 不同钢结构技术流派的外墙体系比较 日式钢结构住宅的外墙体系欧美钢结构住宅的外墙体系其主流形式为三明治式即把墙芯与钢骨架夹于两面墙板之中和日本相比更为简单，即外墙装饰与外墙板保持独立，而且通常选用定向刨花板作为外墙，使用单向透气透水建筑纸加贴外墙面，再直接钉挂外墙饰板，内墙加装饰隔音隔热材料即可5不同钢结构技术流派的用钢量比较全轻钢龙骨骨架体系用钢量最省而且轻钢龙骨材料在我国的生产量很大骨架系统H+H
10、骨架系统E+H骨架系统C+C骨架系统E+U骨架系统全轻钢龙骨支撑骨架（kg/）65544270围护骨架（kg/）5.559.547.575.5应用国家中国日本欧美日本欧美70.535适宜东莞的钢结构住宅体系初探东莞钢结构体系选定6适合东莞地区轻钢住宅的特点H型钢梁柱支撑加轻钢围护骨架系统(即H+H骨架系统)是首选试点工程所用梁柱构件钢柱钢梁钢结构住宅常用墙板形式试点工程墙板设计墙板与主体结构连接点设计试点工程墙板的设计与加工第三章试点工程楼梯形式唐生八戒旗舰店：金角钢结构住宅常用墙板形式结构工程中常用的内墙体有混凝土小型空心砌块墙体蒸压加气混凝土砌块玻璃纤维增强水泥板（GRC板）轻质蒸压加气混
11、凝土板（ALC板）钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板钢筋混凝土绝热材料复合墙板现场组装的复合型墙板试点工程墙板设计试点工程墙板采用形式外墙体形式试点工程墙板采用形式内墙体形式试点工程采用轻质混凝土条板内墙墙体材料为蒸压加气混凝土墙板构造内到外，其结构分别为结构层+保温层+保护层墙体上部支座墙体底部支承支座外墙板采用上挂下撑式连接，为保证钢结构主体与挂板的连接为柔性连接，底部为外墙的支撑接节点，墙板的自重由墙板下端的两个承座极承受，属于摆动型墙体。保温层构造保温层与内叶接触的面上分别设置纵向及横向凹槽，横向凹槽及纵向凹槽四交叉排列，内叶层内表面相应设置纵横西起，与保温板凹槽相互嵌合，使得保温层的厚度增大
12、，在提高保温效果的同时，减轻墙体的自重试点工程墙板设计试点工程墙体接缝设计所用复合墙体的接缝处理考虑气密性保温隔热性水密性试点工程墙体接缝设计复合墙体接缝技术采用材料填缝防水在两块墙板板缝之间内衬聚乙烯塑料板材，并填充弹塑性和耐老化性良好的高分子密封胶，最后勾缝保护处理。构造防水构造防水接缝形式是通过企业缝、高低缝、槽口等构造形式减缓雨水在重力、气压差、毛细作用等作用下的渗透，达到防水的目的墙板与主体结构连接点设计钢结构墙板与主体现普遍采用的连接方式连接节点一在工厂预制的外墙板内预埋钢板，然后，根据现场的尺寸制作直径10mm的U型钢筋卡，U型卡的两端分别伸入50mm长的钢套管（内径14mm）内
13、，一端钢套管与外墙板的预留钢板焊接，另一端钢套管与钢架钢柱焊接。上述安装方法表明，外墙板的安装需要大量的现场焊接工作，U型钢筋卡长度现场确定，很难形成标准化构件。而且外墙板与钢柱和钢架的缝隙大小不一，有的甚至达到10mm，填缝工作量较大，也成为渗水和漏水的潜在通道。在墙板底部位置，将角钢柱架焊接在钢梁、钢柱上，使墙板支撑定位，在墙板顶部位置，用穿过墙板的长螺栓及螺母将墙板与焊接在钢板，钢柱上的连接板紧固成一体。虽然此装置解决了将墙板与钢框架结构连接固定的问题，但是需利用在预制墙板上预留孔洞，长螺栓穿过后再用水泥砂浆或细石混凝土抹平，工序多且易产生裂缝，极易形成渗水通道，用于外墙板时，工人需要在
14、室外将长螺栓穿过墙板，安装费时且不安全，焊接在钢架，钢柱上的角钢托架结构复杂且费工费料。连接节点二墙板与主体结构连接点设计综合以上两种连接形式的优点，我们设计了一种可以迅速方便地把预制混凝土复合墙板和钢框架结构连接固定成一体的连接装置，并在本示范工程中使用，一部分作为预焊件，与混凝土复合墙板浇筑在一起。另一部分包括焊接在钢框架上的连接板以及固定螺栓连接板上设置有椭圆形中孔，固定螺栓与内丝套管螺纹连接。试点工程外挂式预制墙体连接构造每块墙板边缘设置6个预埋件，将预埋件放在墙模板的设计位置，浇筑成墙板的一部分，预埋钢板与墙板外侧面平齐，用外包塑料带的聚苯板封堵内丝套管端口，以防混凝土进入；将墙板吊
15、至钢框架的合适位置，使内丝套管的内孔与焊接在钢架或钢柱上的连接板的开孔对齐；将固定螺栓穿过焊在钢梁、钢柱上的连接的孔拧入内丝套管中，将复合墙板与钢框架紧固成一体。唐生八戒旗舰店：金角试点工程楼梯连接方式试点工程采用分离式的预制钢筋混凝土楼梯，梯段采用工厂预制，楼梯平台及休息平台采用PK叠合楼板。上端分离式预制楼梯的楼梯段上端与楼梯平台采用铰接式连接。在预制时支座处预留孔洞，现场采用栓接。下端支座处预留孔洞，以M20螺栓连接，孔洞内不填充物体，并在孔洞与钢梁接触面上满铺石墨，形成滑动支座。梯段与楼面层采用弹性材料（沥青麻丝）填缝。上端支座采用锚栓栓连接，孔洞内及楼面层水平缝进行二次灌浆处理。在施
16、工过程中，用起吊设备将楼梯调运就位，再安装固定，安装快捷，避免了现浇楼梯中的钢筋位移问题。施工过程中没有设置临时支撑，不阻碍现场人员通行，设置临时栏杆以后，可以作为施工期间的施工通道。钢结构住宅常用楼板试点工程预制楼板的设计与施工第四章PK预应力混泥土叠合板试点工程PK板设计结构住宅常用楼板我国钢住宅中常用的楼板（屋面板）形式主要以下4种现浇钢筋混凝土楼板缺点1.跨度、承载力有限.2.裂缝控制能力较差.3.耗材多、造价高4.施工工艺复杂，施工周期长。压型钢板-混凝土组合楼板缺点往往采用镀锌钢板，需进行防火防腐处理，增加材料费用，同时，楼板表面装饰需要吊顶，增加装修费用，降低楼层净高。钢筋桁架混
17、凝土组合楼板缺点现场需湿作业，容易腐蚀建筑主体结构预制预应力混凝土叠合楼板缺点大多数肋叠合板铺设管线不方便、钢筋的绑扎较麻烦，板厚相对偏大，所以抗减、抗震性能相对实心板较差PK预应力混泥土叠合板1.预制构件为T形带肋预制薄板，同时由于设置了板肋，使得预制构件在运输及施工过程中不易折断。2.预制薄板板肋上预留长方形孔，孔内布置横向钢筋后形成双向受力楼板，同时叠合层混凝土浇筑后，肋上孔洞内混凝土具有销栓作用，加强了叠合后楼板的整体性，此外，预留孔洞还可以方便布置楼板内的预埋管线。3.底板由于实现工厂化制作，规模化生产，施工阶段不需铺设模板，仅需设置少量支撑，可有效节省模板与支撑，减少现场作业量，同
18、时鉴于其施工简单，快捷，工艺容易掌握，可以有效缩短工期。4.底板上配置横向穿孔钢筋，和底板中的预应力钢丝共同受力，浇筑混凝土后在使用阶段形成双向配筋的整体楼板，其受力性能、平面刚度及抗震性能可等同普通现浇混凝土楼板，而抗裂性则优于现浇混凝土楼板。5.底板板肋顶面距叠合板完成后顶面的距离为25mm，该距离在搁置直径为10mm的钢筋后，还余下15mm，刚好满足规范对保护层厚度的要求。因此，叠合板负筋可以直接搁置在肋的上面，不用另外采取措施保证负筋位置，消除了楼板施工中的一个质量通病。6.因此，试点工程选用技术合理的PK预应力混凝土叠合板作为楼板屋面板。PK预应力混凝土叠合板的优点试点工程PK板设计
19、试点工程PK板的选用试点工程PK板标志宽度均不超过3.3m，因此PK预制板带肋预制底板选用标志宽度为1000mm的双矩形肋薄板，肋高为55mm，肋宽为100mm，叠合板整体厚度取110mm。底板中配置应力螺旋肋钢丝，构造筋采用冷拔低碳钢丝，底板浇筑强度等级为C40混凝土，叠合层浇筑强度等级为C30混凝土框架梁柱布置图试点工程PK板设计PK预应力混凝土叠合板与钢梁的连接节点设计PK板一侧平行于梁而另侧垂直梁时PK板两侧平行于梁时PK板两侧垂直于梁时工程概况示范工程的现场施工流程及操作要点经济性分析试点工程的施工流程及经济性分析第五章工程概况一层平面布置图二层平面布置图试点工程总建筑面积136，平
20、面采用灵活布局模式（即利用钢结构可以满足大跨度的空间，因而室内主要功能区域仅有一根钢柱，全部隔墙无需承重），使用者可以根据需求进行空间分隔、功能改造，共分两层，总高度6.4m。基础采用筏式基础如图，结构体系为H型钢梁柱支撑加轻钢围护骨架系统(即H+H骨架系统),主体框架采用热轧H型钢柱和焊接H型钢梁,钢柱l2根,钢梁36根,均在工厂车间内加工完成，柱强轴与梁联结节点为栓焊连接，弱轴与梁联结节点为摩擦型高强螺栓端板连接，楼面与屋面板选用PK预应力混凝土叠合板。在钢框架上安装PK预应力预制底板，绑扎钢筋和穿插电气管线后，浇筑叠合层混凝土。试点工程的外墙体采用预制混凝土复合外墙挂板，外墙充心保温的方
21、案。预制混凝土复合外墙挂板内叶为结构层，外叶为装饰保护层，内外叶面板均配置双向6150钢筋，保温层采用XPS挤塑板。示范工程的现场施工流程及操作要点浇筑基础垫层基础钢筋绑扎支基础及短柱侧模浇筑混凝土拆模混凝土养护工艺流程3.放线定位1.施工流程 4.基础施工2.施工准备示范工程的现场施工流程及操作要点5.钢框架安装1.钢柱安装2.钢梁安装5.预制钢楼梯安装6.围护体系的安装施工柱连接梁连接 6.主体结构完工PK预应力预制底板吊装复合墙板安装叠合板钢筋绑扎管线布置及混凝土浇筑经济性分析单纯从工程直接成本看，钢结构要高于混泥土结构约52%；但钢结构工期缩短13天，按10个工人，每天300元计算，可
22、以节省人工费支出39000元。由此可见。综合考虑工程直接成本与工期，钢结构与混凝土结构基本持平。围护体系经济性分析PK预应力混凝土叠合板与现浇混凝土楼板相比，具有价格跟施工优势，大大提高了工厂化程度与施工效率结构体系经济性分析框架形式钢筋用量/钢材用量混凝土用量单价总价（元）工期钢结构12.356吨/7845元/吨959912天混凝土结构5.633吨25,235m6384元/吨532元/m4938615天钢框架结构与混凝土框架结构的经济分析楼板形式钢筋用量/单价混凝土用量/单价PK板价格价格工期PK板叠合板0.73吨6384元/吨12.65m532元/m104元/m145元/2天现浇混凝土2.
23、35吨6384元/吨18.43m532元/m模板与脚手架合计：53元/m165元/13天墙体形式节能效果工厂化程度寿命工期直接成本预制混凝土复合外墙挂板65%全工厂化预制与主体结构同寿命1天178元/200厚砌块+60厚XPS保温层50%现场施工约15年7天165元/综上所述，针对二层轻钢结构住宅试点工程，通过综合比较钢结构与混凝土结构，发现除两者基础相同外，在造价、节能、工厂化生产率、质量通病、施工效率和环境污染方面，钢结构均优于混凝土结构。楼板与屋面板的经济分析预制混凝土复合外墙挂板与普通混凝土砌块加外保温的经济分析外墙用预制混凝土复合外墙挂板，可以大大提高工厂化程度，缩短工期，避免了砌块
24、保温层需定期更换与脱落的不利因素；而且大大提高节能效果。小结结论结论与希望第六章展望 结论钢结构住宅建筑体系模数化后，利于构件工厂化生产和现场的装配1钢框架结构体系传力明确,框架杆件规则、设计简单，较为适合3层以下的钢结构住宅2预制混凝土复合外墙挂板保温节能效果好，能满足建筑节能65%的要求，采用带内丝套简预理件的新型连接节点，安装快速。3试点选用的PK预制预应力叠合板楼板相比普通混凝土叠合板有如下改进：预制薄板上设置矩形或倒T形板肋，抗裂性好，刚度大；板肋上预留长方形孔，在强化叠合楼板整体性的同时，还可方便布置楼板内的预埋管线；4通过本试点工程的的安装施工以及经济性分析，可以发现：钢结构直接
25、成本与混凝土结构基本持平；在基础相同的情况下，装配式钢结构住宅在造价、节能、工厂化生产率、质量通病、施工效率和环境污染等方面均优于混凝土结构。5展望建造钢结构住宅时要善于运用体系化的思想进行设计和施工，建立一套模数体系，是钢结构住宅的建筑平面、立面布置、结构构件尺寸、构件连接，以及墙体系统都能遵循统一的尺寸协调原则，做到在工厂批量生产结构件和建筑部品，在现场进行组装的工业化住宅生产模式。1以国外钢结构建筑的设计施工标准为导向，结合国内钢结构的具体情况，制定及完善钢结构住宅的相关规范及至准体系。2加紧对钢结构住宅防火、防腐等关键技术的开发和研究，推广耐火耐候性钢，保证钢结构住宅的耐久性和安全性。3目前钢结构住宅发展最突出的问题是缺乏合适的配套部品。要开发新型墙体、楼板等围护体系材料，重点是使厨卫系统、管线系统等钢结构住宅的配套部品标准化、多样化。4THANK YOU唐生八戒旗舰店：金角