鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展(1)

2013年9月9日

摘要

汶川地震震后重建過(guò)程中臨時(shí)活動(dòng)安置房的大量使用，讓我們看到鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件組裝連接建筑結(jié)構(gòu)的前景。鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件組裝連接建筑由于其優(yōu)良的抗震性能和施工優(yōu)勢(shì)，必將成為新的建筑設(shè)計(jì)施工方向。

關(guān)鍵詞

鋼結(jié)構(gòu) 預(yù)制構(gòu)件 組裝連接抗震

中國(guó)作為地震多發(fā)國(guó)家，建筑結(jié)構(gòu)的抗震是一個(gè)重要的課題。汶川地震中大量框架結(jié)構(gòu)校舍的倒塌，造成超過(guò)50萬(wàn)的兒童成為受災(zāi)主體。作為建筑行業(yè)的一份子，在積極救災(zāi)的同時(shí)，如何更好的提高建筑質(zhì)量，增強(qiáng)建筑抗震能力，成為我們研究的課題。

在汶川地震中被廣泛應(yīng)用的臨時(shí)活動(dòng)安置房（或叫活動(dòng)板房），如（圖 1）所示，即為采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼裝連接建筑，因其良好的抗震性能和快捷的建造速度被廣泛應(yīng)用于災(zāi)區(qū)重建項(xiàng)目上。活動(dòng)板房是一種以輕鋼為骨架、以?shī)A芯復(fù)合板為圍護(hù)材料，以標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)進(jìn)行空間組合，構(gòu)件采用螺栓連接，可方便快捷地進(jìn)行組裝和拆卸，實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)建筑的通用標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)保節(jié)能、快捷高效的建筑理念，使臨建房屋進(jìn)入一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)、可庫(kù)存、可多次周轉(zhuǎn)使用的定型房屋產(chǎn)品領(lǐng)域。因其為工業(yè)化生產(chǎn)以及采用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，從而具有通用性強(qiáng)、易拆裝重組、建造速度快、周轉(zhuǎn)次數(shù)多的特點(diǎn)。這種建筑目前已經(jīng)大量用于野外作業(yè)的臨時(shí)施工用房以及城市市政、商業(yè)及其他臨時(shí)性用房。

汶川震后臨時(shí)活動(dòng)安置房

圖 1 汶川震后臨時(shí)活動(dòng)安置房

我們是否可以將災(zāi)區(qū)校舍這種預(yù)制鋼構(gòu)件建筑推廣到更多的建筑上呢？隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的廣泛應(yīng)用，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，我認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接結(jié)構(gòu)體系完全可以運(yùn)用于諸如多高層建筑等更多的具體工程實(shí)踐。

1、鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

拼裝連接建筑系統(tǒng)一般可由地基、結(jié)構(gòu)、圍護(hù)、空間分割，設(shè)備等組成?？捎袃煞N預(yù)制構(gòu)件連接方案：

方案一建筑系統(tǒng)完全可以在各層的基礎(chǔ)上，通過(guò)空間使用情況進(jìn)行分格。將每格作為一個(gè)獨(dú)立的由預(yù)制構(gòu)件組成的吊裝單元彼此相連，并與地基可靠連接。建筑工人在施工時(shí)，只需將一個(gè)個(gè)模塊化的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件吊裝單元由低到高如“堆積木”一般碼放在指定位置，然后再用高強(qiáng)度螺栓將其同已布置好的鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)連接。只需對(duì)外立面進(jìn)行涂料處理或裝飾以幕墻（與常規(guī)建筑外墻相同）。其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件連接方案

圖 2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件連接方案

落成后的建筑物與普通建筑物并無(wú)二致。英國(guó)經(jīng)濟(jì)型連鎖酒店巨頭Travelodge集團(tuán)正在倫敦建造全球第一家八層的可回收式酒店就采取了類(lèi)似的方案：將一個(gè)個(gè)模塊化的集裝箱由低到高將其彼此拴住。然后裝上門(mén)窗，稍作裝飾和布置后，給大樓加“穿”上“外衣”。最后，只需對(duì)大樓的外立面稍加裝飾，落成后的“集裝箱酒店”外觀上便與該集團(tuán)其他330家普通酒店毫無(wú)二致。如圖 3所示：

集裝箱酒店

圖 3 集裝箱酒店

據(jù)估算，Travelodge集團(tuán)以前一座擁有100套客房的普通酒店造價(jià)約為500萬(wàn)英鎊，而“集裝箱酒店”的造價(jià)則可減少10%?！凹b箱酒店”還將工程周期縮短了約25%，專(zhuān)家指出，“集裝箱酒店”有望引發(fā)一場(chǎng)“住宿革命”。比如，在某個(gè)大型節(jié)日或綜合性運(yùn)動(dòng)會(huì)開(kāi)幕時(shí)，可以為客人提供一個(gè)臨時(shí)性酒店。一旦活動(dòng)結(jié)束之后，又可以迅速將其拆除。

方案二建筑系統(tǒng)可以用一個(gè)個(gè)獨(dú)立的預(yù)制構(gòu)件，以鋼結(jié)構(gòu)框架為結(jié)構(gòu)主體，各層樓板分段固定在鋼結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)上?；蛘哂山ㄖ摻Y(jié)構(gòu)框架及與之牢固連接的受力幕墻形成框筒，與樓面內(nèi)部承重用框架共同組成結(jié)構(gòu)體系。如圖 4所示：

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件連接方案

圖 4 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件連接方案

建筑結(jié)構(gòu)要承受水平荷載、豎向荷載和扭轉(zhuǎn)力矩等多種力的作用，水平荷載作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定因素，側(cè)移成為控制指標(biāo)。過(guò)大的結(jié)構(gòu)側(cè)移會(huì)使結(jié)構(gòu)因P-Δ效應(yīng)而產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，同時(shí)結(jié)構(gòu)過(guò)大側(cè)向變形還導(dǎo)致隔墻、圍護(hù)墻開(kāi)裂，甚至造成電梯因軌道變形而不能正常運(yùn)行。為了使預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝式高層建筑能夠適應(yīng)各種自然條件及不同使用要求，在實(shí)際工程中組成這些結(jié)構(gòu)的構(gòu)件主要是以下三種基本形式：線性構(gòu)件、平面構(gòu)件和立體構(gòu)件。這三類(lèi)構(gòu)件均可以做成預(yù)制構(gòu)件，這樣就給構(gòu)件的生產(chǎn)提供的極強(qiáng)的可行性。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)良抗震能力更是可以更好的減少汶川校舍倒塌悲劇的發(fā)生。

現(xiàn)試以某學(xué)舍類(lèi)多層建筑為例（該校舍為六層框架結(jié)構(gòu)，屋面為玻璃采光頂，外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)為石材幕墻），簡(jiǎn)要介紹鋼結(jié)構(gòu)拼接建筑的結(jié)構(gòu)概況：該鋼結(jié)構(gòu)拼接建筑采用鋼框架體系（純框架架構(gòu)），框架的一般柱、梁，采用熱軋或焊接寬翼緣H型鋼，并使用強(qiáng)軸（較大慣性矩）對(duì)應(yīng)于柱彎矩較大或計(jì)算長(zhǎng)度較大的方向；根據(jù)“強(qiáng)連接、弱桿件”的耐震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，框架節(jié)點(diǎn)采用“柱貫通型”，栓-焊混合連接，如圖 5所示：

鋼結(jié)構(gòu)拼接建筑的結(jié)構(gòu)概況

圖 5 鋼結(jié)構(gòu)拼接建筑的結(jié)構(gòu)概況