绿色装配式宜居农房设计建造研究

引言由于时代的不断深入发展，人们的生活质量得到了显著改善，人们在居住环境方面的要求也越来越高[1]。开展绿色装配式钢结构低层住宅体系俨然成为解决农村传统建房模式的迫切需要。如何改变农村延续了几千年的“秦砖汉瓦”的传统建房方式，如何切实的解决“三农”问题、实现生态宜居的现代化农村，以及如何实现装配式钢结构建筑体系和新型绿色围护建材产品三板体系的完美结合已成为当前建筑业关注的热点话题之一。本文以某钢结构装配式农房示范项目为例，诠释在装配式农房设计过程中，如何以“建设绿色房屋、打造精品住宅”为设计理念，充分利用装配式建筑的优点及其特性，应用BIM技术完成对户型及空间布局的优化设计，实现装配式钢结构建筑体系和新型绿色围护建材产品的完美结合，为后续的钢结构装配式农房推广应用提供可借鉴的参考实例。1、项目概况

唐山燕东新民居示范项目位于唐山市丰润区西杨家营村，总占地面积16778.66m2，总建筑面积7633.2m2，容积率0.45，建筑密度24%，绿化率30%。该项目每栋单体建筑面积676.8m2，共3层（地上2层地下1层），建筑高度9.15m，设计使用年限50年，抗震设防烈度八度，耐火等级二级。建筑均采用钢框架结构体系与新型绿色围护建材产品相结合的形式，其中外墙采用180mm厚的复合保温墙板产品，在提高建筑整体强度，提高建筑保温隔热、隔声降噪能力的同时，更能抵抗地震、火灾、虫蚁等灾害的侵袭。可以使建筑更安全、更经济、更环保，真正减少环境污染，实现生态宜居的目标。该项目的建筑外立面效果图如图1所示。

图1

建筑外立面效果2、各阶段深化设计应用

2.1建筑深化设计该项目在规划设计阶段，充分考虑当地的地貌气候、民风民俗。从建筑风格来看，将古典风格和现代建筑风格有机结合在一起，造型美观大方，以古典建筑为依托，对柱饰、挑檐等进行装饰，使其具有自身特点，构建一种全新的中式建筑风格，能够将古典美和现代美有机结合在一起。项目设计从实际的农民使用及居住需求出发，以服务村民、丰富和便利村民的日常生活为落脚点，针对农村居住特点设计加装地下室，方便农用机具的存储。整体建筑秉承国内领先的轻钢结构装配式住宅体系设计精华，提高建筑模数化、标准化的设计思路，注重户型格局的方正，减少房屋的拐角设计，提高整体空间利用率。优化建筑户型，使民居的建筑平面、钢构件的构件尺寸、以及围护板材等都遵循一定的尺寸相协调、相统一的原则，为项目在工厂批量化生产打下基础，提高现场装配率。在保证房屋通透性的同时注重房间动静分区的结合，研究合理的功能分区，墙体板材规格统一化，模数化，尽量减少异形板的使用量，实现建筑与结构体系的完美结合，规避钢结构装配式建筑常出现的露梁露柱的问题。以该项目单体住宅为例，示范项目为一栋3层（地上2层，地下1层）的钢结构装配式住宅，在进行此户型设计时，按照农民的实际使用需求，划分功能模块，在保证空间规整性，满足使用需求的情况下，适度调整梁、柱与外墙板、内隔墙的位置。目前，国际上普遍采用100mm=1M作为基本模数，并在此基础上分为扩大模数及分模数，基本模数主要用于约束门窗洞口及构件截面尺寸，扩大模数用于约束建筑的开间或柱距、进深、层高、跨度等指标，此项目各个部分的尺寸设计按照6M=600mm的模数基数为基础进行适度增减[2]。一层平面如图2（a）所示，包含1室1厅、1厨1卫、1车库和入户玄关，建筑面积为121.35m2；二层平面如图2（b）所示，包含3室1厅，2卫和1个衣帽间，建筑面积为121.35m2。为充分考虑农民存储粮食、存放农用机具等生活需求，在建筑物下面加设有地下室，如图2（c）所示，居住者可根据自己的实际需求灵活布置。并且考虑到建筑的节能保温，在建筑物的下面埋置了10cm的挤塑板保温层，真正做到了地下室的冬暖夏凉。

图2

示范项目建筑彩平图在一层空间中，最关键的就是入户门斗、生活区等集中于东面，在这之中，餐厅和客厅等取消隔断，使厨房与餐厅相邻近。二层以屋主人房为主，结合户型实际情况，把楼梯设计得以长流线型为主，与车库餐厅相邻；与卫生间不远处还有采光特别好、出入方便的保姆屋；二层平面中楼梯正对起居室，便于户主会客接待，紧邻会客室外设阳台，采光充足，视野开阔[3]。地下一层空间分布较为灵活，可提供粮食储备、健身、聚会等多种功能用途。

2.2结构深化设计主体结构方面，建筑结构形式采用轻钢框架结构，以H型钢及薄壁矩形管混凝土或薄壁矩形钢管柱等作为承重骨架，充分利用钢材的高强度特性，保证结构的安全性能和抗震性能。对于地上部分来说，设计以装配式钢结构为主，以装配式技术为依托；建筑结构采用当前我国十分流行的轻钢框架结构体系的同时，根据预制板材的特点，应用钢骨架轻型大板墙体产品作为围护结构，实现装配式钢结构建筑体系和新型绿色围护建材产品的完美结合。对于地下部分来说，以钢筋混凝土剪力墙为主，这一结构十分牢固，使用时间长，使得基础牢固得以确保，这一建筑不但能够使保温节能效果得以保证，而且还有一定的抗震作用，可以使传承百年的目标得以实现。传统剪力墙结构设计方案中平面凹凸较多，钢结构因结构及经济性的限制，导致建筑户型布局不如现浇剪力墙结构灵活合理且钢构件截面较大，常突出于墙体，占用室内空间，室内家具摆设和房间布置受限。为解决露梁露柱问题，实现户型设计与钢构特点相结合，采用模数化、标准化设计理念，实现了结构与外墙内装相协调，充分利用框架结构的特点，柱网布局采用大柱网、外围化；柱子尽量外偏，内部柱网尽量偏向公共空间，外围护墙体采用内嵌或嵌挂结合的安装方式，采用无次梁与组合梁相结合的方式，传统方钢管柱不能完全避免露梁露柱的问题，尽量将可能露梁露柱的部位放置于厨房、卫生间等房间，每户大约可提高4%～8%的使用面积，在提高得房率的同时，保证了户内分隔的灵活性、多变性。示范项目采用钢框架结构，考虑到钢构件的尺寸过大会影响室内装修效果（如露梁露柱等问题），钢柱外凸又影响建筑外立面及做法，示范项目梁柱布置充分考虑标准化设计，规划构件截面种类及数量，实现结构与建筑及构造设计相匹配。规划后的钢梁、钢柱主体构件种类由原来的30种归类为各3种，钢梁、钢柱均采用Q345BH型钢。图3为梁柱平面布置图，图4为钢梁节点连接布置图。图3中钢梁1截面为HN350×175×7×11，钢梁2截面为HN300×150×6.5×9，钢梁3截面为HN250×125×6×9。钢柱1、钢柱2和钢柱3均采用方钢管。由于钢管混凝土柱截面减小、复合墙体厚度减薄等，户内有效使用面积较传统现浇混凝土结构住宅平均增加5%左右，实现了同样格局、同样面积的户型，使用面积更大。

图3

梁柱平面布置图（单位：mm）图4

钢梁连接节点布置图（单位：mm）此项目围护体系采用钢骨架轻型大板，与装配式钢结构建筑体系相结合，形成一个完整的框架体系。为验证房屋的整体性能进行了相应的抗震试验。通过试验发现，随着荷载增加，水平位移增大，连接螺栓在预埋件的长远孔洞内滑动，可减轻框架传递给墙板的荷载；但当位移角为1/80时，连接螺栓被预埋件卡住，周围应力集中严重，墙体与框架间的相互作用加强，墙体裂缝发展加快，如图5所示。加载至300kN时，框架整体发生弹塑性变形，框架梁水平位移10mm，墙体开始出现可见裂缝，螺栓周围发生开裂现象，如图6所示。

图5

连接螺栓滑移（1/80位移角）图6

墙体出裂（300kN）荷载继续增大，位移角为1/58时，框架与墙板间的相互作用持续增强，墙板与框架柱间的缝隙明显增大，墙板受框架的挤压变形明显，局部被压碎，但整体性仍较好，如图7所示。当位移角为1/45时，试验停止，此时，首层门洞口上部框架梁与框架柱连接处焊缝撕裂，墙体整体损伤较轻，如图8所示。

图7

墙板-框架变形（1/58位移角）图8

试验停止（1/45位移角）通过对图9的钢框架荷载-位移滞回曲线进行分析，发现钢框架各实测点荷载-位移滞回曲线比较饱满，表明其耗能能力较强；当试验达到大震停止时，钢框架的承载力略有下降，表明该装配式钢框架延性好，后期承载能力稳定，具有良好的抗震性能，验证了该结构框架体系具有较好的稳定性。

图9

钢框架荷载-位移滞回曲线2.3节点深化设计钢结构与围护系统的整合，节点的处理是决定建筑成败的关键环节。其中外墙保温、墙板开裂、防火处理、墙体隔声、耐久性等问题仍是制约钢结构装配式住宅发展的重要因素。目前，钢结构主体构件之间的连接形式主要分为焊接与栓接，其均具有承担节点受力的作用。但焊接容易产生应力集中，会改变构件内部应力分布；且现场大量的焊接作业不利于提高施工效率和施工质量，也不利于钢材后期的循环利用，更不符合装配式建筑现场干作业快速安装的发展方向。焊接与栓接都是钢构件之间的连接形式，都具有承担节点受力的作用。下面分别将焊接节点受力情况和栓接节点受力情况进行验算，以说明改为栓接节点后可以起到同样的受力作用。为了便于对比分析，只将螺栓和焊缝相同等代的地方进行验算。焊接连接受力情况分析如下：（1）当焊缝受到正应力作用时①相关参数确定根据原节点图纸，钢骨架大板与钢梁连接时采用的角钢尺寸为L35×100×6，厚度为6mm；钢边框大板中钢边框尺寸如图10所示，厚度为2mm。根据GB50017—2017《钢结构设计规范》中对于焊缝焊脚的构造规定，当焊件边缘构件厚度t≤6mm时，取焊脚hf(max)=t=2mm，焊脚有效高度he=0.7hf

=1.4mm。

图10

钢边框尺寸（单位：mm）

焊缝长度取钢边框C型钢短边满焊。②焊缝正应力强度计算根据GB50017—2017中式11.2.2-1，正面角焊缝的计算（作用力垂直于焊缝长度方向）见式（1）：故，当焊缝受到正应力作用时，两条焊缝最大承载力为：③与风荷载设计值对比参照标准GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中关于风荷载方面的相关规定，实际工程中螺栓间距为1.5m，取1m长板材，螺栓个数为0.67个，则在1m2范围内焊缝与螺栓受拉承载力为26.1kN×0.67=17.5kN＞风荷载设计值1.68kN。在风荷载作用下结构安全可靠。通过对节点受力分析计算，发现螺栓连接方式更适用于钢结构工程项目，为此在装配式施工设计中，实现焊接改用栓接节点，局部采用套管加厚连接，如图11螺栓节点所示。

图11

螺栓节点图（单位：mm）2.4围护板材设计钢框架结构体系与新型绿色围护建材产品相结合，应考虑的是如何做到关键节点部位的防水、防潮。目前，常规做法是围护板材与主体结构之间连接只填充了聚氨酯发泡，但连接做法过于简单，聚氨酯类胶固化后表面残留粘性，容易积尘附着；在紫外线长期照射下容易老化变质，且耐久性不好，容易引起渗水等弊端。为此提出改进大板与主体结构连接做法，如图12所示对焊接方式进行改进。做到建筑与结构的多重防水，首先填塞岩棉，无防火要求可填塞聚氨酯发泡，然后填塞PE棒，最后用密封胶密封。改进后的做法接缝中间填塞岩棉为柔性连接，改善了墙板与结构的适应变形能力，采用PE棒和密封胶可以起到密封、防水和防渗的作用。当钢结构工程在风荷载或地震荷载作用下产生较大位移角时，钢骨架大板与主体结构之间会产生相应的变形量，通过在接缝处施加密封胶后不仅可以起到防水作用，还可以起到一定的延展作用，大大提高了缝隙的防水抗裂性能，保护接缝处不在外力作用下产生开裂，有效提高了钢骨架大板与主体结构之间连接的安全性和耐久性。

图12

板材焊接方式改进为了更好地满足建筑的防水要求，针对板材的板型及对接方式也进行了优化，如图13所示。板材与板材之间的连接由原来的直板对接改为企口形式（凹凸槽）可有效进行结构防水，配合材料防水，增强防水效果，起到双重防水作用[4]。通过改进后，测试的板材含水率为2.9%，远低于国家10%的含水率要求，并在此项目中进行实际应用，如图14所示。

图13

板材形式改进图14

施工现场实景在实际项目中考虑裸板不能单独满足北京市和河北省的75%节能标准，实际工程中需要在钢骨架轻型外墙板外侧覆一定厚度的保温材料，以满足北京市和河北省的75%节能标准。为了方便实际工程应用，将不同保温材料与水泥基纤维复合轻质板复合的热工性能进行分类整理，以便实际工程中按照不同的需求选用不同的保温材料种类及厚度。最终选用50mm厚聚苯板复合180mm厚钢骨架外墙板的复合墙体产品作为围护结构，并分别对钢骨架大板与钢梁热桥、复合条形隔墙板与钢梁和混凝土楼板连接处热桥、钢骨架大板与混凝土楼板连接处热桥在有保温和无保温状态下的温度场分布进行了模拟[5]，如图15～图17所示。对比了外保温对外墙系统温度场分布的影响，也充分验证了保温复合墙体材料在工程中应用的可行性。由图15～图17可知，钢骨架大板与钢梁连接处保温线不连续，存在尖点，有热桥存在的风险；增加保温后保温层内钢结构构件保温效果好，保温线连续平滑。钢骨架大板与混凝土楼板连接图中，在钢梁和混凝土楼板交点处保温线不连续，存在热桥风险，有结露风险；增加保温后保温线连续平滑，无热桥存在。复合条形隔墙板与钢梁和混凝土楼板连接图也表明，在未安装外保温前，室外冷空气向室内传递明显，室内居住环境不理想，钢梁的一半处于温度较低区域，另一半处于温度较高区域，形成热桥；增加保温后保温线连续平滑，保温层内侧结构构件温度分布均匀，保温效果好。

图15

钢骨架大板与钢梁热桥模拟图16

复合条形隔墙板与钢梁和混凝土楼板连接处热桥模拟图17

钢骨架大板与混凝土楼板连接处热桥模拟2.5户型标准化设计对于BIM来说，其主线就是全寿命周期，把建筑的不同节点利用信息有效连接在一起。BIM技术使建筑管理模式等发生变化，能够在规划、设计等阶段将建筑信息数据等全面共享，同时使不同过程信息彼此融合得以确保。把这一技术在装配式结构设计中有效应用，在过程设计时以预制构件模型为依托，能够使生产、设计等相互分离的问题有效规避，该项目中，根据BIM技术的优势，借助BIM技术，结合制造业标准化的设计理念，优化装配式住宅，降低设计及建造成本，简化设计程序，提高设计的精度，构建BIM技术的设计方法。本项目在户型的标准化设计中（如图18所示），对建筑户型的空间有效性进行分析，对钢框架结构进行探究，对结构件和围护部件的工艺技术等进行研究，设计方法以标准化为主[6]，同时还有两大原则，一是规格不多，二是组合多，使模数保持一致，尽可能使预制件数量缩减，实现模块化拼装，使产品类型减少，使利用率提升，使其向标准化方向迈进。

图18

户型标准化设计利用BIM技术，在户型设计阶段，对各个功能空间模块进行精细化设计，保证建筑、结构、机电、水暖等各专业整体的协调统一性。如图19所示，进行户型功能模块设计，自施工视角出发，模块化设计理念能够使构件向标准化方向迈进，改善规格尺寸，能够使构件类型缩减，由原来的120种不同类型的板材规格，通过BIM技术进行板材预排布，优化板材型号、种类，优化后缩减为57种板材规格。这样运输效率有效提升，同时使施工更加便利。利用碰撞检测工具，规避各不同专业之间的碰撞。优化户型的使用面积，避免空间的浪费。利用BIM技术的可视化特点，进行工业化内装效果设计，如图20所示。可为业主提供菜单式的户型选配清单，可更好地适用于不同地方、不同类别的需求群体。通过工业化内装模拟，使用者在挑选装修风格时更加便利，能够使土建和装修向一体化方向迈进，使二次装修的浪费得以降低。

图19

户