装配式墙体的各种接缝部位、门窗洞口等构配件组装部位的构造设计及材料的选用应满足建筑的各类物理性能、力学性能、耐久性能及装饰性能的要求。通过工厂化生产的“三明治”墙板,质量稳定,精度高,尺寸可控制在±2 mm以内。......
2023-08-23
装配式建筑的分类与设计构造
【摘要】：图1.3装配式建筑的结构体系图1.4北美首栋重型混合木结构高层公寓——Brock Commons一期大楼轻钢结构体系。图1.5轻钢结构体系的装配式建筑混凝土结构体系。装配式混凝土建筑结构体系又分为以下四大类:1)大板结构体系。表1.1剪力墙结构体系各项指标的分析②多层装配式剪力墙结构。
装配式建筑体系根据受力构件的材料不同,可以分为木结构体系、轻钢结构体系、混凝土结构体系三种主要体系(图1.3)。
(1)木结构体系。木结构体系是以木材为主要受力构件。由于木材本身具有抗震、隔热保温、节能、隔声、舒适等优点,在欧美国家,木结构是一种广泛采用的建筑形式。但是,我国人口众多,房地产业需求量大,森林资源和木材贮备稀缺,木结构并不适合我国的建筑发展需要。我国现有的木结构低密度住宅是一种高端产品,木材也大多依赖进口。
加拿大不列颠哥伦比亚大学的Brock Commons一期大楼,是装配式木结构建筑的范例之一(图1.4)。这栋53 m高的18层大楼,也是北美第一栋重型混合木结构高层公寓。它的独特之处在于采用重型混合木结构:底层是混凝土裙楼,其上是17层重型木结构,混凝土核心筒从底层贯穿至顶层。
图1.3 装配式建筑的结构体系
图1.4 北美首栋重型混合木结构高层公寓——Brock Commons一期大楼
(2)轻钢结构体系。轻钢结构体系的结构主体是采用薄片的压型材料(轻型钢材),其中轻型钢材是用0.5~1 mm厚的薄钢板外表镀锌制成的(图1.5),这个结构与木结构的“龙骨”类似,可以方便地建造出不高于9层的建筑。它们的不同点在于节点处理方式不同:木结构建筑的连接节点使用的是钉子,轻钢结构的连接节点使用的是螺栓。
轻钢结构体系的优点:质量轻、强度高,可以使建筑结构自重减轻;扩大建筑的开间,也能灵活地进行功能分隔;具有良好的延展性,完好的整体性和良好的建筑抗震、抗风性能;工程质量易于保证;具有较快的施工速度、较短的施工周期,天气和季节对施工作业产生的干扰不大;方便改造与迁拆,轻型钢材是可以回收再利用的材料。值得注意的是,由于钢构件具有较小的热阻,在耐火性方面差,传热较快,不利于墙体的保温隔热,耐腐蚀性差,抗剪力的刚度不够。
图1.5 轻钢结构体系的装配式建筑
(3)混凝土结构体系。混凝土结构体系是我国建筑工业化体系选择的主要结构体系之一。混凝土结构体系与轻钢结构体系都可以对构件进行工厂化预制生产,可以满足在现场进行机械化装配安装的要求,而且符合中高层建筑的需求,但是,相比之下混凝土结构体系无论是在用钢量还是在经济性方面都具有更高的性价比。
装配式混凝土建筑结构体系又分为以下四大类:
1)大板结构体系。20世纪70年代,我国装配式混凝土建筑主要采用大板结构体系,预制构件主要包括大型屋面板、预制空心板、楼梯、槽形板等,如图1.6所示。由于大板结构体系在构件的生产、安装施工与结构的受力模型、构件的连接方式等方面存在一定的缺陷,还需要克服建筑抗震性能差、隔声性能差、裂缝、渗漏、外观单一、不方便二次装修等问题。因此,大板结构体系多用于低层、多层建筑。
图1.6 大板结构体系的装配式建筑示意图
2)预制装配式框架结构体系。预制装配式框架结构具有和预制装配式框架及现浇剪力墙结构相似的性质,它们的框架梁与柱以预制构件的形式存在,再按现浇结构要求对各个承重构件之间的节点与拼缝连接进行设计及施工。装配式混凝土框架结构由多个预制部分组成:预制梁、预制柱、预制楼梯、预制楼板、外挂墙板等。该类结构具有清晰的结构传力路径,高效的装配效率,而且现场浇筑湿作业比较少,完全符合预制装配式的结构要求,也是最合适的结构形式之一(图1.7)。
预制装配式框架结构有一定的适用范围,在需要开敞大空间的建筑中比较常见,比如仓库、厂房、停车场、商场、教学楼、办公楼、商务楼、医务楼等,最近几年也开始在民用建筑的住宅中使用。根据梁柱节点的连接方式的不同,装配式混凝土框架结构可分为等同现浇结构与不等同现浇结构。其中,等同现浇结构是节点刚性连接,不等同现浇结构是节点柔性连接。在结构性能和设计方法方面,等同现浇结构和现浇结构基本一样,区别在于前者的节点连接更加复杂,后者则快速简单。不等同现浇结构的耗能机制、整体性能和设计方法具有不确定性,需要适当考虑节点的性能。
图1.7 预制装配式框架结构体系
(a)南京上坊保障房项目——装配整体式框架结构;(b)预制框架柱竖向连接——灌浆套筒;(c)叠合梁三维示意图;(d)预制中柱灌浆套筒连接
3)预制装配式剪力墙结构体系。预制装配式剪力墙结构体系可以分为部分或全预制剪力墙结构、多层装配式剪力墙结构、叠合板式混凝土剪力墙结构等。
①部分或全预制剪力墙结构。部分或全预制剪力墙结构主要是指内墙采用现浇、外墙采用预制的形式。预制构件之前的连接方式采用现场现浇的方式。北京万科的工程中采用了这种结构,并且已经成为试点工程。由于内墙现浇致使结构性能与现浇结构差异不大,因此适用范围较广,适用高度也较大。部分或全预制剪力墙结构是目前采用较多的一种结构体系。全预制剪力墙结构的剪力墙全部由预制构件拼装而成,预制墙体之间的连接方式采取湿式连接。其结构性能小于或等于现浇结构。该结构体系具有较高的预制化率,但同时存在某些缺点,比如具有较大的施工难度、具有较复杂的拼缝连接构造。表1.1所示为剪力墙结构体系各项指标的分析。
表1.1 剪力墙结构体系各项指标的分析
②多层装配式剪力墙结构。多层装配式剪力墙结构是近年来借鉴日本与我国20世纪的实践,同时考虑到我国城镇化与社会主义新农村建设的发展,顺应各方需求,适当地降低房屋的结构性能,而开发的一种新型多层预制装配剪力墙结构体系。这种结构对于预制墙体之间的连接也可以适当降低标准,只进行部分钢筋的连接。其具有施工速度快、结构简单的优点,适用于各地区大量不超过6层的房屋建造。
③叠合板式混凝土剪力墙结构。叠合板分为叠合式墙板和叠合式楼板。装配整体式剪力墙结构由叠合板辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、板以及梁等构件组成。叠合式墙板可采用两种形式:一种是单面叠合剪力墙;另一种是双面叠合剪力墙。双面叠合剪力墙是一种竖向墙体构件,它由中间后浇混凝土层与内外叶预制墙板组成。在受力性能及设计方法上,叠合板式剪力墙不同于现浇结构,其适用高度不大,一般要求控制在18层以下。在更高的建筑中使用该结构,还需要进一步研究与论证。抗震设防烈度要求不大于7度。
④预制装配式框架-剪力墙结构体系。对于框架的处理,装配式框架-剪力墙结构与装配式框架结构这两者基本是一样的。剪力墙部分可采用两种形式:一种是现浇;另一种是预制。如果布置形式是核心筒形式的剪力墙,则是装配式框架-核心筒结构。现阶段国内装配式框架-现浇剪力墙结构已经使用很广泛了(图1.8)。
图1.8 预制装配式框架-剪力墙结构体系
(a)装配整体式框架-现浇剪力墙结构;(b)预制框架柱现浇剪力墙;(c)预制框架柱;(d)预制框架柱与现浇剪力墙连接详图
4)盒子结构体系。盒子结构体系是工业化程度较高的一种装配式建筑形式,是整体装配式建筑结构体系,预制程度能够达到90%。这种体系是在工厂中将房间的墙体和楼板连接起来,预制成箱形整体,甚至其内部的部分或者全部设备的装修工作:门窗、卫浴、厨房、电器、暖通、家具等都已经在箱体内完成,外立面装修也可以完成。将这些箱形的整体构件运至施工现场,就像“搭建积木”一样拼装在一起(图1.9),或与其他预制构件及现制构件相结合建成房屋。在盒子结构建筑中一个“房间”类似传统建筑中的砌块,在工厂预制以后,运抵现场进行垒砌施工,只不过这种“盒子式的房间”不再仅是一种建筑材料,而是一种空间模块。现场仅需要完成盒子就位、构件之间的连接、管线连接等总体工序。这样就能够把现场工作量控制在最低限度。单位面积混凝土的消耗量很少,只有0.3 m3,与传统建筑相比,不仅可以明显节省20%的钢材与22%的水泥,而且其自重会减轻大半。
图1.9 盒子结构体系
(a)叠合式;(b)错开叠合式;(c)盒子-板材组合式;(d)双向交错叠合
1967年,加拿大蒙特利尔市建成了一个由354个盒子构件组成,其中包含了商店等公共设施在内的综合性居住体。这座名为“Habitat 67”(67号栖息地)的钢筋混凝土盒子建筑充分发挥了“盒子”作为一种结构形式和建筑造型手段的作用,创造出前所未有的建筑形象(图1.10)。
目前,世界上已有30多个国家修建了盒子构件房屋,生产盒子构件较多的国家也有20多个。盒子构件的使用范围也由低层发展到多层乃至高层。有的国家已建到15层或20层以上(图1.11)。我国自1979年起,在青岛、南通、北京等地,陆续试建了几栋盒子构件房屋。青岛已试制钢筋混凝土隧道形盒子构件。现已建成的北京丽都饭店属于轻型盒子构件建筑,第一期工程共用引进的钢构架轻型盒子构件500多个。
图1.10 加拿大的“67号栖息地”
图1.11 日本东京中银舱体楼
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