我国住宅产业化发展的现状与趋势

我国住宅产业化发展的现状与趋势

0建立健全新型工业化节能住宅结构体系为了实现第25条规划纲要提出的节能住房建设，改变环境友好的中国现阶段的建筑科技量低，大量建筑以混合结构为主，难以满足建筑承受的传统材料。特别是加快绿色建筑和绿色建设，注重先进建设和信息技术的优化结构，中国迫切需要改变传统的住宅生产模式，促进住宅产业工业化，大力推广新型工业化节能住房结构体系的应用。近年来,国内工程技术人员结合国内外建筑发展与应用现状并汲取在汶川地震等地质灾害中的宝贵经验,提出了一批适合我国国情的新型工业化节能住宅结构体系。这些结构体系提高了住宅科技含量,降低能源资源消耗,并积极探讨和贯彻了对粉煤灰、石膏等工业副产品或工业垃圾的再利用、变废为宝的可持续发展的理念。针对目前几种应用范围广泛、具有代表性的新型工业化节能结构体系作简要的分析。1轻钢结构的住宅系统1.1钢网构架混凝土复合结构住宅体系的设计CTSRC住宅-钢网构架混凝土复合结构住宅体系由工厂预制的钢构骨架和现场浇筑其中的混凝土构成墙体和楼板,从而形成整体结构。钢构骨架由格构钢和与之正交的型钢拉条构成。结构再用钢模网充当永久模板,最后浇入混凝土从而形成整体墙体、楼板等住宅建筑中的基本受力构件(图1)。该体系是一种剪力墙结构体系,其中由钢网构架混凝土形成的复合墙体中的格构钢和混凝土共同工作,形成组合暗柱,承受竖向荷载。在水平荷载作用下,复合墙体具有较高的承载力和较好的延性。当在复合墙体端部配置附加钢筋时,可有效的提高墙体的承载力和刚度。复合墙体中的钢模网对墙体的承载力和刚度的提高影响均较小,但能增加墙体的整体性,改变墙体的破坏模式和减小墙体裂缝的数量和宽度。因此,计算过程中不考虑钢模网和中部型钢的抗剪作用,复合墙体的受剪承载力由混凝土、水平分布钢筋、轴力和钢骨提供。钢网构架混凝土复合楼板也具有较好的承载力和延性,改变复合板中的格构式钢和拉结角钢的间距可以相应提高楼板的承载力和延性。针对钢网构架混凝土复合墙体的计算模型可以采用平面抗侧力结构空间协同工作模型或三维空间工作模型。该结构体系的抗弯承载力计算,可将格构型钢的最小净截面折算为钢筋进行计算。复合楼板的抗弯承载力可分别利用以下方法进行计算:1)将复合楼板等效为双筋梁进行计算;2)根据组合梁的承载力计算方法进行计算。同时清华大学开发出了基于平截面假定和条带有限元理论的《钢网构架基本构件计算程序》可用来计算复合墙体和复合楼板,且有较高精度。钢网构架混凝土复合结构住宅体系具有以下特点:1)钢网构架混凝土复合结构住宅体系采用现浇构成一个整体,整体性好、刚度大,同时钢模网可以限制和减小混凝土墙面出现收缩、温度裂缝等,从而减少墙体开裂。2)钢网构架混凝土复合结构住宅体系在施工阶段具有轻钢结构的特点,可以实现住宅建筑的工业化和产业化。钢模网在混凝土浇筑中作为模板,可以节省一般现浇混凝土结构的模板工程;格构钢能够承受施工荷载,减少脚手架。格构钢和钢模网等代替钢筋作为结构的受力骨架,取消钢筋下料和绑扎工序,从而降低损耗,缩短工期,降低造价。3)建筑外保温板与钢模网一次相配套装配,使承重功能和保温功能结合在一起,减少建筑物能耗和施工工序。钢网构架混凝土复合结构住宅体系具有较高的承载力和延性、较好的抗震性能,适合于建设多层和小高层住宅的新型结构体系。它具有钢筋混凝土住宅体系和钢结构住宅体系的优点,具有较广阔的发展前景。目前该体系已完成了相应技术规程、计算软件和标准图集的编制。1.2错列桁架结构错列桁架钢结构体系的基本构件由柱子、平面桁架和楼面板组成(图2)。柱子布置于房屋的外围,室内无柱。桁架的高度与层高相同,长度与房屋的宽度相同。桁架两端支承于外围柱子上,桁架在相邻柱子上为上、下层交错布置,楼面板一端搁置在桁架的上弦,另一端则搁置在相邻桁架的下弦。桁架或支撑均在分户墙中。错列桁架钢体系中的常见桁架形式有空腹桁架、实腹桁架、混合桁架。楼面板可采用钢筋混凝土楼盖、压型钢板楼盖或者木楼盖。错列桁架钢结构体系由柱子、错列平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系。横向刚度主要由错列桁架提供;纵向刚度在不设支撑或剪力墙的情况下仅由框架提供,而由梁和柱组成的框架结构通常难以满足抗侧力要求,因此在结构体系的纵向必须适当的布置支撑或者剪力墙。错列桁架结构中多数构件的内力以轴力为主。框架结构的周边柱主要受轴向压力作用,弯矩和剪力主要集中在桁架层,桁架的斜腹杆主要承受拉力的作用,竖腹杆承受压力作用。水平荷载作用产生的剪力主要通过楼板传至相邻桁架的斜腹杆,然后通过落地桁架的斜腹杆或者底层支撑传至基础。其中大部分剪力由桁架斜腹杆来分担。错列桁架大开间结构体系具有较大的横向抗侧刚度,在通过设置适当支撑和剪力墙,满足纵向抗侧刚度和使横向刚度和纵向刚度比更为合理的基础上,可完全满足规范中的抗震要求。错列桁架钢结构体系整体分析采用三维空间有限元数值模型,其中对梁、柱、桁架和支撑采用Frame单元进行模拟,对楼板采用空间板壳单元模拟。错列桁架钢结构具有以下特点:1)错列桁架钢结构体系是一种空间分割灵活,便于获得大空间,且结构中的柱的截面相对较小,结构内部可以预留设备管道的穿行空间。2)错列桁架钢结构体系受力合理,桁架弦杆与柱的连接构造简便。同时还具有很好的抗震性能。3)错列桁架钢结构体系的楼盖仍然存在自重大,楼盖施工仍无法避免湿作业的特点。4)为避免出现较大跨度的框架梁,错列桁架钢结构体系的顶层要求每榀均布置桁架,从造成无法错列布置桁架而使空间无法高效利用。错列桁架钢结构体系适用于高烈度地震区的多、高层住宅、旅馆、办公楼等平面为矩形或者由矩形组成的钢结构房屋。目前我国提出了采用木格栅和OSB板组成的木楼盖代替传统的楼盖,有效的减小楼盖自重以减小其地震反应和避免现场湿作业等措施,进一步扩大了其适用性。1.3组合墙构件的工程应用无比轻钢龙骨住宅体系是一种密梁密柱轻钢结构体系,该体系的构件主体是由镀锌冷弯高频焊接的轻型薄壁方管(矩形管)和三角形的V型连接件构成的小型格构式方管桁架,用这种桁架可以构建梁、墙、楼板和屋顶。由上述小桁架作为骨架的墙体,并把轻型墙体材料作为围护结构,可分为承重墙和非承重墙。一般墙架系统都由墙支柱、墙上导轨、墙下导轨、墙体支撑、墙板和连接件组成。梁柱截面也由薄壁冷弯镀锌方管用V形连接构件组成的小桁架结构组成(图3、图4)。无比轻钢龙骨结构住宅以冷弯薄壁型钢组成的桁架作为承重骨架,竖向荷载由楼面梁传至组合墙体的桁架,再传至基础。由于屋架、楼面梁和组合墙的骨架基本在同一轴线平面内,墙对竖向荷载的承受和传递路径明确;水平荷载由作用的各楼板传递至受力组合墙板再传至基础。在荷载传递的过程中,组合墙板承受剪力,并提供一定的刚度。当组合墙板与钢骨架可靠连接时,组合墙板起到维护作用和为墙架柱提供有效侧向支撑的作用,同时它还约束了柱的扭转,使墙架柱的稳定承载能力明显提高。无比轻钢龙骨结构体系的整体结构分析的计算模型可以采用平面抗侧力结构空间协同工作模型或三维空间工作模型。进行有限元建模时,关键是把墙体中的片柱直接简化成梁单元模拟。为便于推广,目前采用的简化计算模型是把结构最基本的单元小桁架—无比钢结构,简化成实腹式梁,其面积根据两方钢管截面确定,两个方向的抗弯、抗剪刚度通过试验和计算获得。无比轻钢龙骨住宅体系具有以下特点:1)结构的传力路径是板—剪力墙—基础,力的传递分配均匀,荷载传递系统完整,能有效的抵抗水平和竖向荷载。又由于无比轻钢龙骨结构体系柔韧刚强适当,属于柔性结构,可通过变形来吸收和消耗外部能量。因此有较好的抗风、抗震性能。2)构件的制作便于标准化和工业化,在整个建造过程中,机械化程度高,且现场湿作业少,便于缩短工期。3)具有良好的保温、隔声性能。由于墙架系统和楼板系统是由方、矩形钢管及壁厚2mm以下的V形连接件组成,热的传递渠道狭小,且传递为曲线途径;墙架系统的中空处可以填充玻璃棉等隔声填充物,提高隔声效果。无比轻钢龙骨结构体系在我国研究还非常有限,与之配套的国家规范和计算软件仍为空白。在我国,社会对该结构体系的认识仍不够广泛,目前仍多适用与低层、多层建筑。但随着国外的大型钢构公司进入中国市场和国内大型钢构公司引进国外技术,无比轻钢龙骨结构体系在中国有较广阔的市场。2新的轻钢住宅体系和混凝土住宅体系的结构2.1叠合墙板屋盖特点CTSRC住宅-钢网构架混凝土复合结构住宅体系由工厂预制的钢构骨架和现场浇筑其中的混凝土构成墙体和楼板,从而形成整体结构。钢构骨架由格构钢(腹板开孔冷弯薄壁型钢)和与之正交的型钢拉条构成。结构再用钢模网充当永久模板,最后浇入混凝土从而形成整体墙体、楼板等住宅建筑中的基本受力构件。钢筋混凝土叠合结构体系由叠合楼(屋)盖、叠合墙板组成,属于剪力墙结构。叠合楼(屋)盖由预制楼(屋)面板、现浇钢筋混凝土层以及保温板组成。叠合墙板可分为剪力墙和填充墙。剪力墙由内外两侧等厚或者不等厚的预制板加剪式支架、保温板组成,并在空腔中配置双向钢筋并浇注混凝土,以承受竖向荷载和水平荷载;填充墙是在墙板顶部设置暗梁以承担荷载(图5、图6)。此结构体系属于剪力墙结构,墙体集现浇钢筋混凝土和预制墙板为一体,承受竖向荷载和水平荷载。填充墙顶部配置暗梁用于承担墙面荷载,连接楼板与墙体、连接剪力墙与填充墙的作用。新型钢筋混凝土叠合结构体系具有以下特点:1)新型钢筋混凝土叠合结构体系属于剪力墙结构,整体性较好,且具有较好的抗震性能。2)叠合墙板取代了传统的黏土制品,施工效率高,有利于建筑工业化且造价低。3)在预制墙板内振捣混凝土,混凝土的密实度难以保证,新旧混凝土接触面的粘结强度并不理想。4)墙体垂直度较难保证。随着建筑层数的增加,预制墙板的安装过程中,垂直度的对施工水平的要求越来越高。钢筋混凝土叠合结构体系是一种新型的环保节能体系,在整个建造过程中充分体现出高度的建筑工业化。此结构处于开发、研究阶段,许多问题有待进一步研究。2.2csi住宅结构体系CSI住宅是将住宅的支撑体部分和填充部分相分离的住宅建筑体系。其中C是China的缩写,S主要指结构体,I指居住体。CSI住宅的结构体S最普遍采用的结构体系是预应力混凝土大开间住宅结构体系。预应力混凝土大开间住宅结构体系指开间在5.4m以上、进深8~12m,楼盖采用高效预应力平板、抗侧力体系采用普通柱、异形柱、短肢剪力墙、剪力墙或筒体等结构体系。预应力混凝土大开间住宅结构水平受力体系可分为边支撑预应力板(板周边由梁或墙等构件支承)和柱支撑预应力板;竖向受力体系包括普通柱、异形柱、短肢剪力墙、剪力墙或筒体等。主要的抗侧力构件也由普通柱、异形柱、短肢剪力墙、剪力墙或筒体等组成。该结构体系的计算模型可以采用平面抗侧力结构空间协同工作模型或三维空间工作模型。在建立有限元模型时,可以将结构的楼板采用板单元,墙板采用膜单元,结构构件均采用线性构件进行计算。为简化结构计算,可以采用杆系模型将结构简化成有限个节点和杆件单元,并考虑节点和杆件单元之间铰接、刚结和半刚结的约束方式。CSI住宅结构体系常采用的预应力混凝土大开间住宅结构具有以下特点:1)由于预应力大板结构室内空间分割灵活,建筑适应性强,同时由于竖向构件的减少或尽量采用异形柱、短肢墙等形式,水平楼盖在自由空间内不设置梁,有效的增大了楼层净高和减小板的厚度,从而减轻整个楼层的重量。2)预应力平板的使用,改善了住宅的隔声、隔热性能,并避免了开裂渗漏等常见问题,综合经济效益明显。由于CSI住宅结构体系是低能耗、长寿命、高品质的工业化住宅体系满足了现代社会对结构多样、个性化的要求,目前在济南已经进行了多个CSI住宅试点,由于诸多优点,CSI将在我国的多、高层住宅中得到广泛应用。2.3生态复合墙结构体系的构建生态复合墙结构体系包括两类:第一类主要由预制密肋生态复合墙板与隐形框架及楼板装配现浇而成。其中,密肋生态复合墙板是以截面及配筋较小的混凝土肋格为骨架,内嵌以粉煤灰、炉渣等工业废料为主要原料的生态材料砌块预制而成。它利用密布的肋梁、肋柱与内嵌轻质砌块形成具有共同工作性能的复合墙板,墙板又与隐形框架整浇为一体,形成加强密肋复合墙体。第二类主要是由现砌加强肋生态复合墙体结构组成,它是在传统砌体结构内合理地砌入一定数量的小截面钢筋混凝土加强肋梁。加强肋梁与边框柱、暗梁整浇在一起,约束着内部砌块,形成具有共同工作的复合砌体剪力墙结构(图7)。生态复合墙板在水平荷载作用下,与隐型框架共同工作,其一方面受到框架的约束,另一方面隐型框架又受到墙板的反约束,两者相互作用,共同受力,充分发挥各自性能。作为结构中抵抗竖向及水平作用的主要构件,密肋复合墙板及其两端边框柱组成的墙段在弯剪作用下墙板主要抵抗水平剪力和承担竖向荷载,两端边框柱主要承担整体弯矩。生态复合墙结构体系两阶段计算模型等效:弹性阶段可采用混凝土杆元(框架)和复合材料壳元(复合弹性板)将该结构体系等效为刚架-复合弹性板模型共同组成的混合宏单元模型。该模型可用于密肋复合墙结构在小震下的内力与变形计算。弹塑性阶段框架采用混凝土杆单元,等效斜压杆采用砌块杆单元,将结构等效为带塑性铰的刚架-等效斜压杆模型。或者是将结构中的密肋复合墙板近似等效为整体斜撑,并采用复合材料杆单元,从而采用刚架-整体斜撑模型。此等效模型主要适用于结构的弹塑性计算分析和密肋生态复合墙结构在的第二阶段抗震设计中的弹塑性变形验算、弹塑性时程分析以及抗震性能的评估等问题。在结构设计过程中,生态复合墙结构体系中的框架梁柱可进行如下简化:在多层建筑中,框架梁柱按照构造进行设计,在小高层建筑中按照受力进行设计。生态复合墙结构体系具有以下特点:1)生态复合墙结构体系抗震性能好。生态复合墙体结构中,由于众多块体在约束条件下开裂与非弹性变形,可吸收及耗散大量地震能量,防止主体结构在地震中发生严重破坏。结构的抗震性能高于混合结构,介于框架与剪力墙之间。2)生态复合墙结构体系降低工程造价且便于建筑工业化。生态复合墙在在结构中不仅可以作为围护结构,也可作为受力构件承受水平与竖向荷载,从而有效减小框架截面尺寸及配筋面积,降低造价。又由于结构中墙板的设计标准化,便于工厂化预制,大大降低了现场劳动强度,加快了施工进度。3)生态复合墙板中的填充砌块大量利用炉渣、粉煤灰等工业废料,变废为宝,节能、环保,社会与经济效益显著。4)生态复合墙结构具有优良的保温与隔声性能,其中保温性能可以达到国家关于节能建筑的规定与标准。生态复合墙结构体系适用于15层以下的多层、小高层住宅和办公建筑。目前该结构体系在陕西、河北等省份已经完成了《密肋壁板结构技术规程》和标准图集的编制,在部分地区已经得到较大范围的应用和推广,并取得了良好的经济和社会效益。2.4不同结构体系的设计特点生态CL结构体系是由钢丝网夹芯(聚苯保温材料)混凝土复合墙作为外围承重墙和隔户墙,钢筋混凝土异型柱作为内部竖向承重的一种带边框的剪力墙体系。CL结构体系中的复合墙板承担剪力、轴力及部分弯矩。异型柱对墙板形成约束作用,提高其承载能力,二者协同作用。水平荷载主要由CL墙体承担,计算过程中不考虑异型柱的作用。竖向荷载由复合墙板和异型柱共同承担。CL结构体系传力途径明确、合理,结构整体性好。CL结构体系中的复合墙板在实际设计过程中可以等效为混凝土剪力墙,结构中的计算模型采用平面抗侧力结构空间协同工作模型。CL结构体系具有以下特点:1)复合墙板与普通异型柱协同工作,同时复合墙板的内外两侧的混凝土层共同工作,结构整体受力性能良好。2)复合墙板的破坏形式一般为弯剪型,满足抗震要求,具有较大的抗剪强度。3)结构整体刚度大,自重较小,但就整体而言地震反应较大。4)由于复合墙板具有较大承载力且墙体面积相对较大,结构承载能力很高。CL结构体系可用于多层住宅结构,通过改变混凝土设计强度等级,异型柱的设计尺寸和配筋等可以满足不同的使用功能要求。该结构体系适用于抗震设防烈度8度及8度以下,12层以下小高层住宅。目前在山东、天津、河南等多个省市已经完成了《CL结构设计规程》和《CL结构工程施工质量验收规程》的编制。3其他新结构系统3.1力墙结构体系保温砌模现浇钢筋混凝土网格剪力墙结构体系简称“保温砌模剪力墙结构”,该结构由聚苯颗粒混凝土制作而成的空心砌块进行对孔错缝砌筑,砌成的砌体内形成水平和垂直两个方向都有沟通的网格式空腔,空腔内配钢筋、浇筑混凝土。砌模现浇后的墙体内形成矩形网格钢筋混凝土芯体,同时在内外墙转角处、内外墙交接处、承重梁部位等设置组合柱构造,在每层砌模水平空腔内设置水平钢筋。保温砌模剪力墙结构采用在水平孔槽内设置水平钢筋,在竖直孔内插入钢筋并浇筑自密实免振混凝土,并在转角和内外墙交接处设置组合构造柱,构成良好的承重墙体系。剪力墙的耗能和塑性变形主要分散在横肢和两端竖肢,且不会出现脆性破坏。其承载力主要受墙的界面长度和组合柱的影响。结构宜采用空间有限元三维模型做线性分析来计算结构在各种荷载作用下的承载力、整体和局部稳定性。由于结构的复杂性,对结构的抗侧刚度计算可采用将保温砌模剪力墙等效为实体墙的简化计算方法(图8)。保温砌模剪力墙结构具有以下特点:1)保温砌模所用的聚苯颗粒混凝土采用废旧的聚苯泡沫作为原材料,变废为宝,同时结构具有很好的保温、隔热、隔声和防火性能。2)保温砌模剪力墙结构革新了“外砌内浇”体系。3)结构仍需要人工砌筑和人工抹灰,施工效率和工艺相对复杂,不利于建筑工业化。另外在施工过程中该结构体系仍无法避免湿作业,工期为得到实质性的缩减。应用现状和前景:保温砌模结构体系适用于抗震设防烈度为8度及8度以下地区12~15层的小高层住宅建筑。目前包括北京在内的多个省市已经完成了设计、施工规程和相关图集的编制。在对建筑保温要求比较高的东北地区,结构有较大的应用前景。若结构体系的施工工艺等能得到进一步的改进,提高工业化水平,结构将会得到更广泛的应用。3.2从荷载作用下sip结构体系的构建SIP板式