曹 杨 陈沸镔 龙 也
(中国二十冶集团有限公司， 上海 201900)
摘 要：探索装配式钢结构深化设计的应用。首先，对装配式钢结构建筑的特点进行简述，阐明装配式钢结构建筑的实用性。其次，结合工程实际，对装配式钢结构深化设计中的建筑设计、结构设计、机电设备设计、管线综合设计等方面的特性和要点进行详细的论述。
关键词：装配式钢结构； 深化设计； 机电设备； 管线设计
随着制造业水平的不断进步和建筑行业对新型建筑形式的迫切需求，装配式钢结构建筑应运而生。这种新型的建筑形式的特点是采用装配化的生产工艺进行结构构件的制作和生产，用工业化制造的生产方式来代替传统现场湿作业的施工方法。从而缩短整体建设进度，降低材料浪费和工程造价，保障施工质量安全。
装配式钢结构建筑通过工厂化的形式进行结构构件生产，因此能够涵盖结构构件的设计、生产、施工安装的全部周期，而且通过工程信息化平台进行建造设计，将传统的“现场建造”形式转变为“工厂制造”形式，这种建筑形式充分体现了“绿色建筑”的概念[1]。
本文以装配式钢结构深化设计为研究对象，结合实际工程，探索装配式钢建筑在施工过程中深化的技术应用。对装配式建筑在深化设计中的建筑设计、结构设计、机电设备等方面进行了应用探索。
国外在20世纪50年代后期开始出现装配式钢结构建筑。在英国，装配式钢结构住宅结构体系[2]是将构件预制单元的工厂化程度从构件到整体单元的不同划分为三个等级：1)“Stick”结构，钢构件在工厂进行加工制作后运输至现场再用螺栓或自攻螺栓进行连接；2)“Panel”结构，将钢构件的主体结构、墙屋面板等围护结构在工厂内进行预制，再运输到施工现场进行安装；3)“Modular”结构，将整个房间设计为一个预制单元进行生产，再运输到施工现场进行拼装。在法国，住房部于1978年提出钢结构工业化住宅体系的概念，经历了30年的发展目前已经成功过渡至钢结构住宅应用体系[3]。
在国内，最早的钢结构建筑是二十世纪二三十年代出现的，装配式钢结构建筑的推广和应用却是在20世纪90年代才开始，早期的装配式钢结构主要应用在民用住宅方面。住宅的结构形式可分为低层轻钢住宅、多高层轻钢住宅两类。在多高层轻钢结构住宅体系方面，结构形式较为多样，按照受力体系进行划分的主要形式有：框架-支撑体系、纯框架体系、交错桁架体系、框架-核心筒体系、框架剪力墙体系等。按照型钢截面形式又可划分为：H型钢柱体系、钢管混凝土柱体系、内藏加劲肋C型钢柱体系等[4]。
1)可以借助工程设计软件进行设计建模和分析，合理缩短设计周期。由于可以借助工程建模软件和结构分析软件进行构件内力分析和几何尺寸设计，这种信息化设计技术有利于修改(变更)的快速实现。在构件制作时，通过三维模型和数控机床结合，使得设计完成后可以直接投入到生产线进行产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大缩短项目建设周期。
2)将设计和施工紧密结合，提高生产率。由于钢构件和预制墙板能够在工厂进行制作、在施工现场进行安装，因此可以将设计和安装紧密结合起来，合理协调各工序之间搭接，提高整体工作效率。
3)构件的标准化生产可以提供施工的工业化程度。采用构件工厂化生产的制作方式比传统工艺更为先进，更能保证产品的质量和性能。生产后钢结构预制构件可以直接运输到施工现场通过焊接或螺栓进行配套安装，对于天气的敏感度不高，更容易实现全天候作业。
本节以某拟建装配式钢结构停车场和钢结构大厦为实例，对工程的设计、施工、安装各过程技术应用进行探索研究。
在进行深化设计时，需要注意的事项有：
1)在深化设计前，首先须将各专业设计资料进行整合并交由深化设计人员，资料应完整可靠。
2)由于深化设计的要求较高，涉及专业知识面较广，对于设计人员专业要求的程度较高，而且设计过程所要求的专业协调工作较多。因此，设计资料以及需求整合的工作应具备较强专业综合能力的总承包单位来承担。
3)深化设计成果应由总承包方来进行整合与集成，尽可能避免各方可能存在的矛盾，这样可以显著地提高深化设计的集合度。
图1为深化设计的标准参照内容。
图1 深化设计内容
4.1 建筑设计
建筑设计应满足建筑功能要求，讲究经济效果，考虑美观要求。在深化设计时应尽量考虑主体建筑结构与机电安装工程的集成，保证工厂化制作和现场安装的协调统一。
4.1.1 平面设计
竖向承重构件如墙、柱等宜上、下连续。建筑门窗洞口宜成列布置、上下对齐，其平面位置和几何尺寸应满足结构受力及预制构件的设计要求。厨房和卫生间的平面布置应合理，其平面尺寸宜满足标准化整体橱柜及整体卫浴的要求。
4.1.2 立面、外墙设计
建筑外墙设计应满足外立面多样化以及整体建筑美观经济的要求。内外墙板的接缝应满足防水、防火、保温、隔声的要求，内外墙板接缝及门窗洞口等部位宜采用材料和构造双重防水相结合的设计。
4.1.3 门窗安装节点设计
在工厂制作的预制内外墙板，其几何尺寸可以达到很高的精度，进行门窗设计时可充分利用此特点，选择无门窗副框的安装方式，在制作时宜直接将门窗与预制墙板进行连接，从建筑构造设计上来解决外墙和外窗洞口的接缝防渗问题。
4.1.4 小型金属构件设计
小型金属构件主要包括空调板、室内外栏杆、装饰装修的构件中的金属连接件等。在深化设计时需要考虑的方面有：预埋件的定位是否精确、与其他专业构件是否有冲突，锚固长度是否满足要求等。
4.1.5 细部构造深化设计
主要需要考虑的要点有：接缝、防水、防渗漏等方面。如上下层相邻墙板的拼接设计，墙板上下侧的接缝设计，墙板的空腔构造及导水管措施设计等。
4.2 结构设计
进行结构设计时，主要涉及到主体结构和附属加强结构两部分。主体结构的预制构件主要包括钢梁、钢柱以及钢节点等；附属加强结构的设计构件主要有加劲肋、加强板、连接板等。主要设计原则如下：
1)在持久设计工况，应对预制构件进行承载力、变形、裂缝控制验算。
2)在地震设计工况，应对预制构件进行承载力验算。
3)在制作、运输和堆放、安装等短暂设计工况，预制构件的验算应符合现行国家标准及规范有关规定。
4)用于固定连接件的预埋件和预埋吊件、临时支撑用预埋件在设计时应尽量不选用；如特殊情况必须选时应满足各种设计工况的要求。
4.2.1 梁-柱节点设计
以某钢结构大厦为例(图2)，其梁柱节点深化设计涉及的内容如下。
1)梁翼缘与柱的连接。采用焊接形式时应采用全熔透坡口焊缝，在焊缝连接处加设衬板。在翼缘坡口两侧应设引弧板，在梁腹板上下端作扇形切角，钢梁翼缘与扇形切角端部连接处，应采用圆弧过渡，钢柱翼缘与衬板反面相接处宜适当点焊固定。所有规定应满足相关规范要求。
2)梁腹部与钢的连接。当采用焊接时，应采用全熔透的坡口焊缝，板厚小于16 mm时应采用双面角焊缝，焊缝有效厚度应不小于5 mm且满足等强要求；板厚不小于16 mm时应采用K字形坡口对接焊缝。
3)在节点区，当节点板厚度不小于30 mm时，焊接时要求进行预热处理和后热处理。
图2 某钢结构大厦的梁柱深化设计节点模型
4.2.2 连接深化设计
1)梁-梁节点设计。
装配式钢结构的梁截面形式一般设计为工字形或H形，梁-梁连接节点设计为刚性连接时所采用的连接设计形式主要有：
a.翼缘和腹板连接采用摩擦型连接高强螺栓。
b.翼缘采用全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用摩擦型连接高强螺栓连接。
c.翼缘和腹板均用全焊透的坡口对接焊缝连接。
以某钢结构大厦的梁梁节点深化设计为例，其深化设计模型见图3。
图3 某钢结构大厦的钢结构梁-梁连接深化设计模型
2)柱-柱节点设计。
常见的柱-柱连接类型有：
a.柱截面采用H形时，腹板间的连接采用高强螺栓，翼缘间的连接采用全焊透的坡口对接焊缝。
b.柱截面采用H形时，腹板和翼缘全部采用高强螺栓连接。
c.柱截面采用箱形截面或圆管形截面时，截面间采用全焊接的坡口对接焊缝连接。
以某钢结构大厦为例(图4)，其柱-柱连接深化设计的具体内容有：
a.将箱形截面的钢柱的拼接位置设置于柱脚处承台面以上1.5 m附近。
b.钢柱的侧板与节点板的连接设计为坡口全焊透对接焊缝。
c.钢柱的连接设计为全熔透焊缝的全焊连接或者栓焊连接。栓焊连接的翼缘接头采用坡口全熔透焊缝。钢柱的腹板采用高强螺栓连接。
图4 某钢结构大厦的钢结构柱-柱深化设计连接模型
3)楼板、墙板与主体连接节点。
以装配式钢结构住宅的外墙为例，目前大部分使用的预制墙板主要是轻质均质墙板，如ALC板(蒸压加气混凝土板)，楼板则是使用预制混凝土叠合楼板。预制墙板与主体框架一般通过拉结筋、螺栓、连接件等进行连接。预制楼板与主体结构的连接件以抗剪连接件(栓钉、四角弯筋)为主。预制墙板与传统现浇和砌筑墙体的不同之处在于其是以连接的形式与主体结构搭接在一起的。由于预制墙板连接部位是结构传力的关键部位，对围护体系的强度和稳定性有着重要影响。在高烈度地震区如果节点受力过大产生破坏，会导致预制墙板脱落从而引起严重的次生灾害，因此在深化设计时需重点考虑预制墙板与主体结构的连接形式。
在采用轻质均质墙板作为围护结构时，墙板与主体结构的连接构造的深化设计主要考虑的原则是在确保节点强度的条件下保证连接节点的延性和变形，确保围护体系能与主体受力体系在不同方位产生的层间位移相协调，满足在抗震设防烈度下主体结构层间变形的要求。图5—图8是内外墙板与主体结构深化设计节点的三维图。
图5 外墙与框架梁连接节点模型1
图6 外墙与框架梁连接节点模型2
图7 外墙与楼板连接节点模型
图8 组合楼板与内隔墙连接节点模型
4.2.3 附属部分设计
1)加劲肋、补强板的设计。
装配式钢结构建筑中，当梁柱节点的节点域不满足结构抗剪设计强度要求时，应将柱腹板在梁柱节点域进行局部加厚设计。对于H形截面的钢柱，可在节点域处加焊贴板，贴板上下边缘应伸出加劲肋以外不小于150 mm，并用大于5 mm的角焊缝连接贴板，加焊贴板与柱翼缘采用角焊缝或对接焊缝连接。
以某钢结构停车场为例，其加劲肋和补强板的设计主要在梁变坡处和洞口处向加劲肋，如图9所示，图中加劲肋外伸宽bs≥hw/30+40，肋厚ts≥bs/15。
a—局部放大；b—整体示意。
图9 某钢结构停车场的补强板深化设计模型
4.3 机电设备设计
4.3.1 给排水管道预留预埋
给排水专业管道预留预埋主要是在厨卫的预制墙体设计中进行的，一般来说，采用预埋管线和预留管道槽两种形式，在深化设计过程中应考虑以下内容：
1)将预留管道槽的绝对位置根据其管线和型号正确地在构件生产图纸中表达。
2)预留管道槽设计时要考虑管道正常安装与调试所需要的空间，如在管道弯头处的局部增加预留槽的深度，保证后装管道弯头与预留槽的正确匹配。
3)预留管道槽的深度应与预埋管道几何尺寸相匹配，避免由于预留空间过浅而发生完工后产生管道外露的现象。
4.3.2 燃气专业预留预埋
燃气专业预留预埋的设计重点主要集中在入户管道在外墙板上预留的设计上，在燃气专业管道预留深化设计时，主要考虑燃气管径的大小与空间定位问题。
4.3.3 电气管线预留预埋
电气管线的深化设计主要是预制墙板内的电气管线的预留(预埋)，一般主要考虑以下方面：
1)墙板上不同材质线管线盒与强弱电专业相配合的要求。
2)后续施工如管线穿线的专业和数量及线径对线管材质的要求。
3)电气管线预埋预留与后续施工进行接驳的可行性。
4.4 管线综合深化设计
装配式钢结构建筑进行管线综合深化设计主要考虑的是装修层与预制构件间的管线深化，涉及的要点有：
1)小管径管线避让大管径管线。先布置管径大的管线，后布置管径小的管线。
2)压力管线避让重力管线。由于重力管线是依靠重力进行流体输送的，因此当压力管线与重力管线布置发生交叉时，应优先考虑重力管线的设计标高要求。
3)冷水管线避让热水管线，由于热水管道的安装施工需要进行保温层的施工，因此比冷水管道造价高，因此需优先布置热水管道。
4)分开布置电缆桥架和流体管道，当条件不允
许分开布置时，应将电缆桥架优先布置在流体管道的上方，以免流体管道破损时发生渗漏损坏电线电缆，同时电缆应采取设套管等保护措施进行敷设。
5)管路附件少的管道应避让管路附件多的管道，这样有利于施工安装的操作和管道附件的维护、维修。
6)曲线型管道应避让直线型管道。
7)当需要在同一水平位置的垂直方向布置各种管道时，一般的布线标准是：线槽或电缆桥架在上、水管在下；热水管在上、冷水管在下；风管在上、水管在下。尽可能将各类管道设计为直线型走向，做到管线间相互平行不交叉，便于前期的施工安装和后期的检修维护，合理降低工程造价。
本文以某装配式钢结构深化设计作为研究对象，首先对装配式钢结构的发展历史进行了阐述，再对其特点进行了分析，参照实际工程应用，初步研究了装配式钢结构建筑深化设计中建筑结构、机电设备、管线综合等方面的原则和应注意的要点。通过工程实例，对深化设计中各方面涉及的具体内容进行了探讨，可供后续类似工程的设计施工参考借鉴。
参考文献
[1] 张运田，郁银泉.钢结构住宅建筑体系研究进展[J].钢结构，2002，17(6)：22-23.
[2] J Michael Davies．Light Gauge Steel Framing for Housing and Other Low-Rise Construction[D]．Manchester:University of Manchester, 2008.
[3] 于春刚.住宅产业化-钢结构住宅围护体系及发展策略研究[D].上海：同济大学,2006.
[4] 叶之皓.我国装配式钢结构住宅现状及对策研究[D].南昌：南昌大学，2012.
Cao Yang Chen Feibin Long Ye
(China MCC20 Group Corporation Ltd, Shanghai 201900, China)
ABSTRACT：This paper discussed the application of detailed design in fabricated steel structure building. Firstly, the properties of fabricated steel structure was briefly introduced, and the practicability of fabricated steel structure was illustrated. Secondly, the characteristics and main points of detailed design of fabricated steel structure were described in details,such as architectural design, structural design, mechanical and electrical equipment design,pipeline design and so on.
KEY WORDS：fabricated steel structure; detailed design； electromechanical equipment; pipeline design
DOI:10.13206/j.gjg201602014
收稿日期：2015-11-11
*“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B05)。
第一作者：曹杨，女，1978年出生，博士，教授级高级工程师。
Email：caoyang@mcc20.com
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