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装配式钢结构+BIM技术在高层住宅建筑中的应用

    文章来源:同济设计TJAD 发布时间:2017年05月17日 点击数: 字号:

  装配式钢结构作为装配式建筑三大结构体系之一,具有抗震性能好、建筑品质高、制作简单、施工快、绿色、环保等优点。本文结合某实际工程,详述装配式钢结构在高层住宅建筑中的应用优势。

  20162月,中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》(中发〔20166)提出发展新型建造方式,指出大力推广装配式建筑,积极稳妥推广钢结构建筑。深圳市积极贯彻落实国务院的意见,于2016627日,印发了《关于加快推进装配式建筑的通知》(深建科工〔201622),全面促进深圳市装配式建筑的发展。

  装配式钢结构建筑

  传统建筑的建造方式采用现场现浇或焊接的工艺,其现场施工条件差、工程质量难以保证,资源浪费严重,产生大量的建筑垃圾,无法满足建筑工业化的发展需求。

  装配式钢结构建筑的建造方式是将建筑中的主要构件和部品在工厂制造完成,再运输到现场,经机械化安装后,形成满足预定功能要求的建筑物。装配式钢结构建筑具有抗震性能好、建筑品质高、制作简单、施工快、绿色、环保等优点。

  装配式钢结构建筑已经在美国、日本、澳大利亚等发达国家广泛应用,可以给社会带来巨大的综合效益,同时带动其它行业的快速发展。目前,装配式钢结构建筑在中国属于刚起步阶段,且主要以多层建筑为主,在高层建筑中应用很少,有待于深入研究。

  近期,同济设计集团针对深圳某高层住宅项目进行了钢结构可行性研究。本文将以其为例,剖析装配式钢结构应用在高层住宅建筑中的优势。

  项目概况

  该项目位于深圳市南山区,由住宅、公寓、还迁住宅、养老酒店等8栋高层建筑组成,占地6.7万平方米,计容建面33.7万平方米。

地块总体规划示意图

  根据建筑使用性能、平立面的规整性与建筑高度,本案选取8栋建筑中具有代表性的4号建筑进行研究。其结构高度179.6m,结构高宽比10.1,地上55层,层高3.1m(避难层4.0m)。平面尺寸投影尺寸23.1m×42.1m,其中标准层面积约710㎡,每层6(3种户型),地上总面积约4万㎡。

  深圳南山区抗震设防烈度7(0.1g),设计地震分组为第一组,场地类别Ⅱ类,场地特征周期Tg=0.35s10年一遇风荷载0.45kN/㎡,50年一遇风荷载0.75kN/㎡,100年一遇风荷载0.9kN/㎡。

4号建筑平面图

4号建筑立面图

  结构体系

  由于本项目结构高宽比达到10.1,且水平风荷载大,导致结构设计难度很大。针对这类高层住宅建筑,传统做法是采用混凝土结构,通过增大构件截面、设置剪力墙等方法来增加结构刚度,以满足结构安全性与舒适性的需求。但是传统做法对建筑品质有较大影响,且施工工期较长,无法实现建筑工业化的目标。

  为解决以上难点,同济设计团队突破传统设计方法的限制,采用装配式钢结构进行设计,以满足业主高标准的要求。

  钢结构方案的结构体系构成:CFT柱型钢框架+支撑+黏滞阻尼墙。支撑布置于公共交通区域与建筑隔墙的位置,黏滞阻尼墙布置于结构的中上部,共72片。

钢结构方案结构体系组成

钢结构方案结构平面布置

黏滞阻尼墙构造图

某项目黏滞阻尼墙安装示意图

  采用钢结构设计的优点

  相比于传统混凝土结构,本项目采用钢结构体系具有多个方面的优势。

  1. 结构抗震性能

  由于采用消能减震钢框架-支撑结构体系,上部结构重量约降低34%,这有助于:(1 降低基础造价(25%);(2 降低地震作用,提高结构的抗震性能。

  2. 建筑品质

  由于住宅类建筑对建筑使用功能要求高,通过采用钢结构体系,有效地提升了建筑品质。

  (1)建筑墙厚可由700mm降低到450mm(降低36%),建筑使用面积增加。

混凝土方案标准层(装修后墙厚700mm

钢结构方案标准层(装修后墙厚450mm

  (2)支撑布置于公共交通区域的隔墙位置,室内户型可任意分割(大空间可变户型),同时保证外立面视觉通透性。

交通筒

结构户型图(C1户型)

结构户型图(C2户型)

结构户型图(C3户型)

  (3)将钢管混凝土柱扁长化和采用内部装修技术,有效解决室内露梁露柱等建筑功能问题。

建筑户型图(C1户型)

建筑户型图(C2户型)

建筑户型图(C3户型)

  3. 抗风舒适度

  本项目所在地区10年一遇风荷载达到0.45kN/㎡,且结构高宽比较大,结构风振下的舒适度问题需要重点关注。

  若采用混凝土结构,需通过增大结构构件截面尺寸或增加剪力墙,提高结构刚度,改善结构的风振舒适度,但是会进一步增强结构的地震作用,这种方法不够经济,且效率低。

  针对本项目的特点,提出采用钢结构体系,在满足结构基本刚度(层间位移角、剪重比、刚重比等)的前提下,通过有效地布置黏滞阻尼墙,充分发挥耗能减振(震)作用,可有效控制结构的风振加速度,同时降低结构的地震作用。

  通过对比两种方案,钢结构方案的舒适性优于传统混凝土方案。

  4. 施工工期与预售期

  (1)施工工期

  钢结构大部分构件在工厂生产,运往现场后整体组装,施工工期短。根据调研结果,钢结构建筑地上主体结构标准层施工速度约为4天。混凝土结构受施工过程中各因素的制约,工期较长,一般地上主体结构标准层施工速度约为6天。

  本项目地上55层,如采用混凝土结构,需要工期约为330天;如采用钢结构,需要工期约为220天,可节约施工工期110天(约3.7个月)。施工周期缩短,有助于实现原定项目进度要求。

  (2)商品房预售期

  根据深圳市相关政策,对于商品房的预售期,混凝土结构施工到2/3楼层可售卖,钢结构施工到1/3楼层可售卖。

  对于本项目来说,与混凝土结构相比,钢结构的预售期可提前146天(约5个月)。房屋预售期提前,有助于业主提前资金回笼,缓解资金压力。

  BIM技术展示

  在方案设计阶段引入BIM技术,配合结构体系、三板体系、卫生间与阳台等选型工作,为实现钢结构建筑的结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管线系统集成一体化设计提供信息化支撑。借助BIM技术,整合钢结构体系与建筑功能之间的关系,优化结构体系与结构布置;选取合适的内外墙体系,细化建筑节点构造,实现建筑功能高标准的要求。

标准层结构布置BIM模型

标准层布置BIM模型

压型钢板组合楼板BIM模型

节点详细构造BIM模型

黏滞阻尼墙连接构造BIM模型

卫生间BIM模型

厨房BIM模型

  建筑地点:深圳南山区

  设计时间:2016.8-2016.11

  咨询单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司技术发展部、建筑设计二院

  占地面积:6.7万平方米

  建筑面积:33.7万平方米

  项目总负责人:丁洁民

  项目经理:吴宏磊

  建筑:锁伟达

  结构:吴宏磊、王世玉、陈长嘉

  BIM:杜明、张瑶