【摘要】近年来，装配式建筑在国家政策的指导下高速发展，钢结构从体系而言天生具有装配式的优点，因此装配式钢结构也成为建筑工业化住宅的一个发展方向。为探索钢结构在高层住宅中的可行性，结合某实际工程，本文首先对钢结构方案与混凝土方案进行了比较，表明装配式钢结构在相同户型平面中也具有良好的适用性；其次，对装配式建筑中的预制构件如楼板、楼梯、阳台、外墙板结合项目实际进行了分析比选，并提供节点构造做法供参考。
【关键词】 装配式钢结构；高层住宅；BIM
0 引言
2019年，住建部十项重点工作中的第八条明确提出，“要大力发展钢结构等装配式建筑”。钢结构建筑的钢梁、钢柱等构件均可由工厂加工生产，具有自重轻强度高、抗震性能优良、工业化程度高、施工周期短、绿色环保等特点。因此，装配式钢结构是建筑工业化进程中一个重要的发展方向。
本文以实际项目为背景，对一个小区内两栋户型相同但分别采用钢筋混凝土和钢结构方案的号楼进行了对比分析；同时对钢结构方案中预制构件的选用及特点进行了分析，并给出了项目应用中的节点做法。
1 工程概况
该项目位于上海市浦东新区，抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组第二组，场地类别为Ⅳ类，场地特征周期0.9s。基本风压0.55kN/m2(50年一遇)。结构高度42.1m，地下2层，地上14层，层高3m。平面投影尺寸为42.4m×12.0m，标准层面积为392m2，地上建筑面积5517.42m2。建筑平立面布置见图1，2。
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图1 标准层建筑平面
该项目具有以下特点：
1）不改变建筑平面方案。与小区内相同户型号楼平面一致。
2）需保证钢结构住宅建筑立面与小区内其他号楼一致，效果统一，不突兀。
3）建筑轴线错位，能布置抗侧构件的位置不多，且构件尺寸需尽量避免影响室内使用功能，提高建筑面积利用率。
4）需要满足上海市关于单体预制率的要求。
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图2 建筑立面图
2 结构体系与结构布置
2.1 结构体系比较
根据本项目的特点，对原装配整体式混凝土结构和装配式钢结构这两种方案进行了比较。
混凝土方案为小区内其他号房采用的装配整体式剪力墙结构。即利用钢筋混凝土墙体承受竖向及水平向荷载。
钢结构方案由钢框架和钢支撑构件组成，两者共同工作，形成双重抗侧力结构体系，共同承担竖向和水平作用。
2.1.1 混凝土方案
混凝土方案采用装配整体式剪力墙结构体系，其剪力墙布置如图3所示。
2.1.2 钢结构方案
钢结构方案采用箱型钢柱框架+钢支撑结构体系，其结构布置如图4，5所示。
2.2 钢结构方案结构设计
2.2.1 结构布置
为提升该项目中建筑面积利用率，钢结构方案中采用宽扁箱形柱，仅在房间角部设置。同时支撑
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图4 钢结构方案平面
图5 钢结构方案标准层结构布置轴测图
布置较少，在分户、电梯井区域布置，不影响室内空间布置。钢结构方案标准层布置见图4，5。
2.2.2 构件截面
钢结构方案采用箱形柱、箱型及H形钢梁、箱型支撑构成，其材质均为Q345B。其主要截面见表1所示。
钢结构方案主要构件截面 表1
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本项目梁柱截面尺寸在结合混凝土PC构件安装及室内装修效果的前提下，进行优化，选择宽扁钢柱的形式，并偏心设置，解决轴线错位问题。典型节点见图6。
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图6 梁、柱偏心布置示意
2.2.3 结构分析
采用YJK软件对钢结构方案进行建模分析。对该项目的各项整体指标进行了计算分析，结果显示该方案的各项指标均满足现行规范要求，具有良好的结构性能。结构性能指标见表2。
结构指标 表2
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2.2.4 钢结构方案优势
与装配整体式剪力墙结构相比，钢结构方案有如下几个优势：
1）上部结构自重相比混凝土方案降低约25%，有效降低基础造价，同时自重的降低亦能减少结构的地震效应。
2）施工周期可以缩短。同小区其他预制剪力墙结构号楼标准层的施工周期一般为10~15天/层，钢结构方案标准层施工周期6天/层（主体框架）。
3）装配式钢结构现场现场劳动力数量较少，建筑材料、模板、设备使用也较混凝土方案节省。
3 预制部件选型
3.1 楼盖体系
3.1.1 楼盖选型
目前装配式建筑中楼板体系一般采用有叠合楼板、钢筋桁架楼承板和压型钢板组合楼板。
压型板板楼板无需支模、拆模，一般仅作为施工阶段的模板使用，但其用在民用建筑中必须做吊顶。
钢筋桁架楼承板是将钢筋桁架与镀锌钢板焊接成一体的组合模板。钢筋桁架代替楼板使用阶段的钢筋，镀锌钢板作为施工阶段的底模。
叠合楼板目前在装配式建筑中广泛使用。叠合楼板是由预制板和后浇钢筋混凝土层叠合而成的装配整体式楼板。预制板既是楼板结构的组成部分之一，又是现浇钢筋混凝土叠合层的永久性模板，现浇叠合层内可敷设水平设备管线。
三种楼板的综合比较见表3。
楼盖体系比较 表3
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本项目结合小区其他号房情况，统一采用了叠合楼板。
3.1.2 楼盖节点构造
本项目叠合楼板，其中预制底板厚60mm，现浇部分70mm。按双向板设计，采用整体式拼缝连接。预制板上部设置桁架钢筋，桁架筋在脱模、吊装、运输时增强了楼板的刚度，同时也做为叠合面的水平抗剪钢筋。在楼板后浇层中设置电气管线与预留孔洞。叠合板连接节点见图6，7。
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图7 叠合楼间连接节点
3.2 楼梯梯段选型
楼梯分预制混凝土楼梯和钢楼梯两种。本项目考虑使用感受及防火处理等原因，采用了全预制混凝土梯段，梯段上端按滑动铰支座设计，梯段下端按固定铰支座进行设计。楼梯连接节点做法见图8。
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图8 预制楼梯连接节点
3.3 预制阳台
预制阳台由楼板和阳台栏板组成，整个构件在工厂整体预制成型，其搁置在阳台钢梁与楼面主梁上。预制阳台轴测图见图9。
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图9 预制阳台轴测图
3.4 外墙体系
3.4.1 外墙体系选型
目前钢结构建筑常用的外墙有砌块外墙加外保温、ALC墙板加外保温、预制混凝土墙板及幕墙系统。其中ALC板造型单一，美观度不足；幕墙系统在普通商品房应用较少且成本校高；砌块外墙砌筑施工较慢且需做外保温。综合比较后，本项目采用了预制夹心保温外挂墙板。
外墙体系比较 表4
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3.4.2 预制外挂墙板构造
现行国家标准《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》JGJ/T 458-2018对夹心保温外挂墙板给出了定义[1]：由内叶墙板、外叶墙板、夹心保温层和拉结件组成的预制混凝土外挂墙板，简称夹心保温墙板。本项目采用的夹心保温板构造见图10。
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图10 夹心保温墙板构造 图 11 平移、滑动式外挂墙板
本项目采用的夹心保温墙板由60mm厚的内、外叶板和40mm厚保温材料组成，内、外叶墙板通过不锈钢钢筋桁架连接组成。相较于小区其他号楼和同类型项目，本项目墙板厚度仅为160mm，有效提高了住宅的得房率，给住户带来了更好的入住感受。
3.4.3 墙板支承形式及连接形式
3.4.3.1 支承形式
外挂墙板与主体结构之间的连接方式分为点支承连接和线支承连接。
线支撑连接的PC外墙板与主体结构每层现浇楼板连接，需与主体结构同步施工。而点支承连接PC外墙板与主体结构为干式连接，一般通过铁件与结构连接，可在主体结构完工后逐层进行安装。点支承和线支承连接的主要区别见表5。
不同支承形式外墙板对比 表5
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通过以上分析，本项目钢结构，施工速度较快，如采用线连接将难以匹配钢构的安装速度；而点支承连接作为一种典型的柔性连接节点，能通过节点区域的变形使得外挂墙板对主体结构的刚度不产生影响。因此本项目最终采用了点支承连接的PC外挂墙板。
3.4.3.2 连接形式
点支承外挂墙板分为平移式、旋转式和固定式等。墙板一般与主结构采用4个支承点进行连接。一般采用在节点区域设置长圆孔或大圆孔，形成可以滑动的支座，这样就可以适应主体结构的变形，消除温度应力等的影响。
当板宽大于板高为宽板时，采用平移式；当板宽小于板高为窄板时，采用旋转式[2]。本项目外墙板采用了平移式的外挂墙板，每块板4个支承点，墙板上部2个支承点约束墙板平面外运动，板下部2个支承点分别为固定铰支座和水平滑动滑动支座，墙板重力荷载由下部2个支承点承担。
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图12 外挂墙板节点构造
3.4.4 外挂墙板计算
外挂墙板水平地震作用标准值时，可采用等效侧力法，并应按下式计算[3]：
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外挂墙板的竖向地震作用标准值可取水平地震作用标准值的0.65倍。
外挂墙板与主体结构采用点支承连接时，在重力荷载或地震作用下，支承点反力标准值可按《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》[1]中附录B进行计算。
3.4.4.1 重力荷载或竖向地震作用工况
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图14 竖向荷载作用下墙板面外反力
3.4.4.2 水平地震作用工况
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图15 水平地震作用下墙板面外反力
4 BIM技术在项目中应用
BIM技术是一种应用于工程技术、建造、管理的数据化工具，它可以将建筑的数据及信息在模型中整合，对项目的策划、运行和维护进行全生命周期管理。其具有可视化、协调性、模拟性和优化性的特点。本项目针对钢结构的特点，在以下两个方面采用BIM技术配合结构深化设计。
1）创建准确的安装节点及三维金属加工图纸。采用BIM技术进行预制夹心保温外挂墙板与钢结构连接辅助设计，钢梁、埋件等均在同一模型中汇总，确保各设计图纸的统一和准确。
2）与结构分析软进行对接。采用BIM进行建模后，可将模型直接导入结构分析软件中进行分析，保证了实际构件与模型的一致性，同时节省了重新建模的时间。
5 结语
本文以某在建高层钢结构住宅为背景，对钢结构方案及预制构件的选择进行了分析，得到了以下结论：
1）钢结构方案相比混凝土方案具有自重轻、施工速度快、现场资源消耗少的特点。
2）对当前市面预制楼板、楼梯、阳台、外墙
类型进行了比较，结合项目特点进行了选型，并提供了该项目采用的做法供参考。
参考文献
[1]预制混凝土外挂墙板应用技术标准:JGJ/T458-2018[S].北京:中国建筑工业出版社,2018.
[2]预制混凝土外挂墙板:16G333[S].北京:中国计划出版社,2016.
[3]预制混凝土夹心保温外墙板应用技术标准:DG/T08 -2158-2017[S].上海:同济大学出版社,2018.