中高层钢结构住宅设计与工程实践―武汉赛博园一期工程

中高层钢结构住宅设计北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月武汉赛博园一期工程摘要：对已建成使用的武汉赛博园一期工程11层钢结构住宅楼的设计情况进行介绍。主要内容：规划与建筑设计、结构体系选用、结构分析、节点构造，工程的经济技术情况等。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月前言：现代科学技术的高速发展，以及人们对住宅的功能齐全、使用方便、居住舒适、安全节能、绿色环保、抗震性能优越等方面的要求，使国内外钢结构住宅会逐步替代混凝土、砌体结构的住宅，成为住宅产业的一支新生力量。对于钢结构住宅，赛博思公司已有较多的工程实例，比如：福建师大学生公寓，建筑面积1.1万平米，7层，层高3.6m；北京水利基础总队3＃住宅楼，建筑面积2×0.6万平米，6层，层高2.9m；北京亦庄青年公寓，建筑面积10万平米，6层，层高2.9m；等工程。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月工程概况

武汉赛博园一期工程于2006年10月设计完成，目前已建成并交付使用，情况良好。该工程为板式中高层（地上11层）钢结构住宅楼，套型按经济适用房现行标准控制；一期工程由独立的6栋住宅楼组成，总建筑面积6.55万平米；工程照片：北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月工程概况结构概况：结构开间为6.6m，跨度5.1m+6.3m，属平面规则建筑体系；层高2.9m，室内外高差0.6m，房屋高度32.5m；阳台为凹阳台，设置在钢结构体系内。基本风压w0=0.35kN/m2；抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，建造于II类场地上，设计地震分组为第一组。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月规划与建筑设计

赛博园一期工程总用地面积2.46ha，一期住宅面积55364.4m2，容积率2.424，建筑密度29.3%，绿地率44.3%，各指标均满足规范及当地规划部门的要求。规划鸟瞰图如图1。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返首页赛博园一期工程鸟瞰图返回鸟瞰图北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月户型设计：

在钢结构住宅户型设计中，除满足规范要求外，建筑设计更多思考的方面是结构等相关专业的协同，使其有较好的通用性及经济性。钢结构住宅的户型设计流程一般按照图2进行。武汉赛博园工程的基本套型如图3。

相关链接：《体系化钢结构住宅开发模式的初步研究》北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返回户型设计流程北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返回标准户型图北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑构造主要工程做法北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑构造典型墙身大样图

内墙节点图同层排水

柱、支撑、外墙的综合解决北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月墙身大样图返回北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月分户墙节点偏置内隔墙节点内墙节点图返回北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月同层排水返回北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月柱、支撑、外墙的综合解决钢柱截面宽度为230mm，小于250mm外墙厚度，连同防热桥措施，做到了外墙—柱等厚设计，室内不露柱。返回北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月主要工程做法和建筑构造由于钢结构具有自重轻的特点，建筑设计在注意经济指标的同时，也尽量选用轻质材料，本工程上结构总恒载控制在8kN/m²以内（含二次装修荷载1kN/m²），仅为同类钢筋混凝土住宅的58%左右。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计：钢结构住宅的结构设计，除满足安全、适用、受力合理外，还要同时兼顾发挥钢结构的优势，兼顾施工的可行性、材料供应、安装工效、可控操作、现场检验等等要求，同时造价方面也是要重点考虑的因素，因此，钢结构住宅设计并不同于一般的住宅设计。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系

赛博思公司通过大量钢结构工程的设计实践，以安全、适用、经济为设计方针，一般采用的结构体系为：1）钢框架—混凝土抗震墙：利用楼电梯间、卫生间做组成抗侧力单元，承担了大部分的水平力，减小了钢框架的负担，同时降低了用钢量；2）钢框架—支撑：利用支撑做为抗侧力体系，施工速度快；3）纯钢框架结构：适合多层建筑，用钢量偏高。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返首页结构设计－结构体系结合本工程的具体情况和以往的设计实践经验，对可能的结构体系进行了一系列的探讨，发现有如下一些规律：小柱网：该体系一般开间3.0~3.9m，跨度4~6m，因单柱负荷面积较小，梁柱截面亦较小，使得建筑处理十分方便，但同时该体系过分依赖于建筑师的户型设计，或者说只有当户型方案与结构计算密切配合时方可得出一个使用与结构都比较合理的方案。另外，当采用梁柱全栓连接节点时，较小的开间使梁柱节点过多，增加了高强螺栓数量降低了安装效率，但在多层住宅中有较优的用钢量。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系大柱网：该体系一般开间和跨度均在6.0~7.2m之间，梁柱负荷面积的增大导致梁柱的截面增大，这需要建筑师巧妙的户型设计才能取得较好的使用空间。其平米用钢量在多层时与小柱网基本持平，在小高层时优于小柱网。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系钢框架－混凝土核心筒：该体系一般利用楼、电梯间，卫生间的墙体构成抗侧力的筒体，刚度很大，可以承担大部分的水平力，钢结构部分基本由竖向荷载控制，与纯框架结构相比可以明显减少钢结构的用钢量。但工期不是它的优势。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系钢框架－支撑：与框架－混凝土核心筒体系类似，只是用钢支撑代替了混凝土墙，可以取得工期上的优势。但对住宅结构来说，横向支撑（进深方向）的设置较为方便，纵向支撑（开间方向）基本没有可能。如何协调纵横向的刚度是这种体系要考虑的重要问题。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系纯钢框架：小柱网的纯框架体系，当采用H型钢柱时，可以实现多层住宅结构。当小高层时，需用方矩管柱。不论何种情况，其用钢量比框－撑（或混凝土墙）体系提高20％～30％，同时柱子截面的增大使建筑处理带来麻烦。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系本工程若沿用小柱网—混凝土核心筒的设计经验，当然没有问题，但开发商对工期要求严格，混凝土核心筒显然无法保证工期。经过多次结构试算及与建筑师反复沟通，最终确定了采用钢框架－支撑体系。型材选择：根据市场供货能力及经济性，经比较，柱子采用冷弯矩形空心型钢，梁和支撑用热轧H型钢。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系标准单元的建筑户型和结构布置（下图）。从图中可以看出支撑仅横向布置，建筑户型决定了无法布置纵向支撑，为保证纵向刚度，柱子长边沿纵向布置，这种布置方式同时满足了建筑师隐藏柱子的要求，除底部三层的中柱外，其他柱子均隐藏于墙体之中。主要梁柱截面（下页）。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月标准层结构布置图北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返回柱截面表主要梁柱截面梁截面表北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返回结构设计－结构体系关于支撑型式：关于支撑型式可选择“人”及“×”型式，若采用“人”型式，为保证横梁稳定需在人字交点处设置隅撑等措施，这样会严重影响使用，所以采用“×”型支撑；采用拉杆支撑会造成框架梁受压，对结构不利，因此选用压杆支撑。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构体系关于设置水平隅撑的讨论：《高钢规》要求设置框架梁柱节点水平隅撑，而水平隅撑是为了防止框架横梁在大震下侧向屈曲而设置的，但在抗震设防为6度时可不考虑大震，因此可不设置此水平隅撑。根据抗震规范要求，有地下室钢结构住宅，框架-支撑结构中竖向连续布置的支撑、钢柱延伸至地下一层。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月结构设计－结构分析计算参数：全部钢梁采用焊钉与楼板固定，并不考虑组合作用，栓钉按照构造设置，钢框架与钢支撑通过楼板传递剪力，在水平力作用下实现空间协同工作；结构分析可采用刚性楼板假定。当钢梁两侧或一侧有混凝土板时，钢梁的截面惯性矩分别乘以1.5或1.2的增大系数。当地下室楼层的侧移刚度不小于相邻地上结构楼层侧移刚度的2倍时，地下室顶板作为上部结构的嵌固端。北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返首页结构设计－结构分析结构有限元分析计算：采用建研院STS、SATWE软件。取3个户型组成的结构（无地下室）进行有限元分析计算，总的结构外围面积为7645m2（含屋顶塔楼），主要结果如下：北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月计算模型消隐图北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司2008年11月返回结构设计－计算结果北京赛博