轻钢结构活动房屋的设计与应用

轻钢结构活动房屋的设计与应用

1轻钢结构活动房屋轻钢结构活动房是一种非永久性建筑产品，可以移动、拆除、移动和重复使用。其主体结构材料采用冷弯薄壁型钢,围护结构采用彩钢夹芯板或其他轻质板材,是一种新型的轻钢结构建筑体系。轻钢结构活动房屋所有的构件采用标准化、装配式的设计,在工厂进行批量化预制。在工地安装时,结构构件之间采用螺栓连接,围护板件通过镶嵌的方式安装在轻钢结构上。与传统工地的砖混结构临时建筑相比,轻钢结构活动房屋具有无可替代的优势:砖混结构大量使用黏土砖,因此会减少耕地,破坏生态,拆解时则形成建筑垃圾;而轻钢结构活动房屋可循环使用。轻钢结构活动房屋改变了传统意义上的建筑方式,大大改善了工地的居住环境,为人们提供一种快捷的临时居住场所,是绿色环保的建筑产品。2和围护结构高效环保的建筑轻钢结构活动房屋由标准化设计的轻型钢结构和围护结构快速组合而成,所用的构件可多次周转使用,很好地实现了快捷高效、绿色环保的建筑理念,满足了循环经济、低碳经济的要求。2.1活动房屋,高模数模数大,可实现规模化生产轻钢结构活动房屋构件的品种多、数量多,决定了其制作和安装必须严格按照标准化的原则进行设计。采用“模数协调”原则和方法是最必要的手段,通过按统一的长、宽、高的模数进行空间组合,所有构件采用装配式结构,并以螺栓连接,较易实现规模化生产。活动房屋可灵活地进行拆解、移设和构件储存。拆装损耗极小,可多次周转。具有高互换性、高生产效率和高使用效率等优点。标准化、模块化、通用化的生产制作方式对降低成本、提高生产率(快拆快装)十分重要,由于产品互换性强的特点,使许多活动房企业得以采取租赁的形式经营。活动房屋的租赁使供应商能够提供专业化、规模化的服务,实现临建产品制造、搭建、仓储环节的规模效应,提高物料的使用效率。2.2临时和简单轻钢结构活动房屋产品一般使用周期较短,具有临时性和简易性的特点。2.3彩钢夹芯板围护结构轻钢结构活动房屋主体结构采用冷弯薄壁型钢,用钢量为10～16kg/m2;其围护结构采用彩钢夹芯板,均为轻质材料,房屋整体重量较轻。因而其房屋基础的截面相应可以做得很小,从而大大降低了房屋整体造价。此外,由于整体重量轻,轻钢结构活动房屋被广泛用于屋面加层改造中。2.4家庭规模小轻钢结构活动房屋属小型房屋,跨度一般在11m以下。2.5小体积、大按面钢结构房屋构件的装配轻钢结构活动房屋运输十分便捷。一台7.5m长货车可以装运180m2左右轻钢结构活动房屋的全部构件,一个40呎(配货毛重为220kN)的集装箱可以装运300m2以上的房屋构件。2.6安装速度很快轻钢结构活动房屋结构简单,装拆十分快捷。一般情况下,4个安装工人在1天之内即可完成一栋100m2房屋的组装。2.7建筑高度、宽度轻钢结构活动房屋以彩色钢板制作屋面和外墙面,色彩十分丰富。房屋高度、宽度有多种规格可供选择;长度可根据用户的意愿,在规定模数范围内任意增减,灵活组合。3小区临时结构设施建筑业在工程开工前必先建造办公场所和供工人食宿的房屋,这些房屋在工程完毕时又要被拆毁,不仅建造时工期长,影响工程开工速度,而且拆除时还会形成大量的建筑垃圾,造成浪费和环境问题。随着时代的进步,对工地临建的安全性、适用性和居住条件都有了更高的要求。因而,在建设过程中都采用了大量的活动房屋和其他形式的集成房屋。此外,野外露天作业、救灾安置和高峰时的旅游点等场合也需要各种可满足不同要求以活动房屋搭建的临时住所。轻钢结构活动房屋现已被广泛应用于以下方面:1)城市建设、房地产项目的临时用房。主要包括工地办公室临建、工地工人临时宿舍、售楼部等。2)交通、水利、石油、天然气等项目的临时用房。主要包括野外作业的临建设施及办公室、工人临时宿舍等。3)旅游用房。包括旅游景点野营房、休闲设施及相应服务功能用房,特别适合季节性的旅游服务设施。4)过渡安置房。主要用于:a.拆迁过渡房和配套服务设施;b.用于灾区临时安置房和配套服务设施。5)临时商业设施。包括小型商铺、售报亭等。6)医疗服务临时用房和配套服务设施。包括临时病房、挂号、门诊、仓库等设施。7)市政公用领域。包括治安岗亭、交通岗亭、公交调度亭、邮政报刊亭、工厂小区门口岗亭(门卫室)和配电房等。8)军事领域。主要用于:a.军事演习临时指挥所;b.战地医院;c.阅兵村等。9)展览会、现场会、运动会等临时用房。主要用于:a.会务设施;b.临时商业服务设施等。4活动房屋建筑特点轻钢结构活动房屋长度和宽度(跨度)均以K为模数,长度方向取模数K的整倍数,一般小于32K;活动房屋的宽度取模数K的整倍数或0.5,常用系列为1.5K、2K、2.5K、3K、4K、5K。由于我国的活动房屋生产个性化现象十分明显,模数K值在不同的企业也略有不同,大部分企业定义1K=1820mm,有些企业根据设计需要将模数K定为1830,2000mm。活动房屋高度方向以P为模数,1P=950mm,这是由复合板的宽幅决定的。活动房屋楼层数限定3层以下,产品的高度系列为3P(单层)、6P(双层)、9P(3层)。考虑使用安全的因素,许多地方有减少使用3层产品的趋向。轻钢结构活动房屋的房型一般为双坡屋顶,房屋坡度为1∶5。立柱采用2C或3C冷弯薄壁型钢组合断面。双坡屋顶的三角形屋架、楼面桁架梁均采用冷弯薄壁型钢制作。活动房屋立柱间由圆钢和花篮螺丝组成的柱间支撑来连接和调节。屋面、外墙面、门板多采用彩钢夹芯板,芯材采用EPS、PU夹芯板、玻璃棉或岩棉等多种材料。门框采用冷弯薄壁门框型材,窗采用铝合金门窗、塑钢窗或压型钢窗等(图1)。5产业配套能力正加快增强改革开放以来,以轻钢结构活动房屋为代表的集成房屋产品得到了很大发展,我国活动房屋企业适应市场的能力正逐步增强。近10年来,生产活动房的企业逐年增多,广泛分布于我国各个地区。随着活动房屋行业的整体发展,已具备较强的产业配套能力,初步形成一个独立的行业。房屋与房地产市场相关度较高,而房地产市场可能因宏观调控、市场需求等因素而呈周期性波动,房地产的景气度直接影响到活动房屋的需求。5.12国内外活动房屋的发展状况动房屋的全面兴起,仅仅在一个半月的时间内,就在四川灾区迅速搭建了62万套,约1200万m2的临时住所(图2),这对夺取抗震救灾的全面胜利发挥了重要作用。由于此次抗震救灾安置房的特殊性,各地钢结构公司凭借其技术、设备、人员的优势大量介入,使活动房屋受到前所未有的宣传普及,影响面、使用面日益扩大,更多的钢结构企业和建材生产企业已经开始生产轻钢结构活动房屋产品,各地仿建者如雨后春笋般地出现,整个市场竞争日趋激烈。在欧美国家,客户往往对活动房屋的使用功能设计要求很高,房屋要具有其他建筑应有的防水、防风、防沙及保温隔声、防火、防雷等性能。由于活动房屋的运输半径有限,所以必须有足够的分支机构才能确保其租赁业务全面快速运转。法国ALGE-CO公司在欧洲9个国家有89个分支机构,7家生产基地,超过1600名员工。庞大的资金规模、技术力量、销售网络、运输系统是确保正常运作与竞争的有力武器。国内外活动房屋的发展状况表明,活动房屋的市场容量、市场成熟度与当地的整体经济发展水平成正比。随着国民经济的发展,活动房屋的应用将由经济发达的沿海地区,逐步向内地辐射,由中心城市逐步向二、三线城市辐射,发展潜力巨大。从发达国家的实践来看,活动房屋主要应用于市政、商业、旅游等领域,而我国活动房屋多数用于工地临建,在上述领域还未有大规模的应用。6活动场所行业的问题和对策6.1生产企业进一步转型活动房屋行业并没有很高的技术门槛。目前国内参与企业有上千家,其中包括大量设施简陋、设备简单、施工粗糙的“作坊式”工厂,其生产企业的技术装备水平较低。许多企业缺乏自主创新意识,还停留在盲目扩大生产规模、生产低档产品的阶段。随着社会的进步,活动房屋行业这种粗放式的增长方式必须得到改变。活动房屋生产企业应着力提高装备素质和工艺水平,通过开发冲、压模具提高生产效率,通过喷涂流水线实现涂装的自动化,通过采用水性漆等新材料提高产品的涂装质量。要开发与应用机器人、机械手技术、高频焊接技术,实现焊接自动化。预计到“十二五”后期,那些技术水平低、产品无特色的企业逐步被淘汰出该行业,活动房屋企业经过优胜劣汰,将会在竞争中重新组合,形成经济规模,行业整体水平将会有较大的提高。“像造汽车一样造房子”将是活动房屋生产制造的必然趋势。6.2国内外活动房屋发展现状长期以来,国内活动房屋这一新兴产业由于没有统一的产品标准,行业主管单位也不明确,几千家活动房企业各自为战,产品质量良莠不齐。行业主管单位的不明确和产品标准的缺失,不利于对生产企业的管理和产品质量的监督检查,最终可能导致这一新兴产业的市场混乱。随着市场竞争日趋激烈,出现相互压价、偷工减料、忽视产品设计等隐患日益突出。由于产品标准的滞后和缺项,质量管理的欠缺,在其使用中出现了一些问题,如:钢构件加工安装质量不高、钢构件锈蚀、屋面漏水、防火性能差等。个别工程曾发生倒塌事故,如2009年9月成都龙潭工地发生的3层活动房因产品不合格遇强风倒塌;2010年9月北京某开发区工地发生了一场群殴事件,一栋活动房2层外走道由于围观者过多,走道板突然坍塌坠落,导致多人死伤。当前对活动房行业的管理上也存在一定问题。为应对陆续出现的安全事故、火灾事故,各地出台了形形色色的文件,这些规定中不乏生搬硬套固定建筑要求的条款,也不乏行政命令的色彩和地方保护主义的色彩。近两年,由于冬季火灾频发,有些地区强行推出了墙板材料采用岩棉板的要求。在此过程中,其弊端就开始逐步显现:1)作为芯材的岩棉板的密度必须在100～120kg/m3之间,密度相对较大。用作轻钢结构活动房屋的外墙板,最底层的板材所受到的压力较大,使用一段时间以后,下层芯材被向上挤压,企口发生变形,影响板材的周转使用。2)岩棉的吸水率约5%,使用一段时间后,岩棉吸水膨胀,复合板起鼓变形,特别是与地面接触的墙板,极易受雨水和地面水分浸蚀而损坏。3)在工厂制作及工地上二次加工时,安装工人受岩棉粉尘影响有皮肤瘙痒的症状。在使用时,用户反映岩棉屑被风吹掉在床铺上,出现皮肤瘙痒,影响休息和健康。4)岩棉彩钢复合板的活动房屋拆装损耗很大,降低了可周转次数。5)市场上岩棉板质量良莠不齐,许多厂家采用低质矿渣棉板,严重影响产品质量。因此,如何合理而有效地规范活动房屋市场,保证行业健康发展,是一个十分突出问题。目前,活动房屋的防火、隔热、保温、隔声等问题受到重视,新材料、新技术、新工艺的应用初见端倪。《地震灾区过渡安置房建设技术导则》(试行)已成为活动房屋产品标准的初级模板。日前,由成都市产品质量监督检验院牵头,包括多家科研和工程管理机构以及雅致集成房屋股份有限公司等活动房生产龙头企业成立了标准修订编制小组。编制组深入企业和现场调研我国活动房产品的生产、安装、使用情况,探讨目前国内活动房设计、开发和生产工艺的需求和发展趋势,详细地分析、研究国内外活动房屋的相关资料,并向有关的设计、生产、使用、管理单位广泛地征求意见。在此基础上编制的《拆装式轻钢结构活动房》标准稿已经完成。6.3从建筑结构设计规范中工程用轻钢结构活动房屋属临时建筑,具有不同于一般建筑物的特点,对产品的验收方式也应有所不同,盲目套用现有的固定建筑的规范将会造成社会资源的浪费。具有房屋功能的轻钢结构活动房屋产品的安全要求,必须以保证安全、经济实用为前提,从其临时性和简易性出发,以促进技术进步、提高产品质量为目的,做到科学论证、实事求是,避免出现“一放就乱,一管就死”的混乱现象。活动房屋有多种要求,既有抗风压、气密性、水密性、保温、隔声等一般性要求,又有防火、防盗等强制性要求。而我国目前从建筑结构设计规范、防火规范到建筑材料规范,无不是以固定建筑为对象,较少考虑活动房屋的临时性和简易性,更缺乏对轻钢结构系统的试验研究数据。同样,我国目前采用的钢结构设计软件,也多以门式刚架和高层钢结构作为原型,较少顾及轻型结构的使用条件。如夹芯板蒙皮效应的作用,在大型钢结构之中发挥不了多大效用,而在轻型结构中却举足轻重,但目前还没有对这方面定量分析的公式。按文献中提出的钢框架填充镶嵌板抗侧力试验的方法原理进行彩钢夹芯板测量抗侧力试验,将彩钢夹芯板的抗侧力转化为等效的柱间支撑的作用力,从而建立起更符合轻钢结构活动房屋的力学模型(图3)。6.4安置房防火试验及结果分析由于活动房屋主要由轻型板材和轻钢结构组成,其防火性能相对较差;而活动房屋多用作临时建筑,对防火的要求较一般建筑低。如果不采取防火措施,则房屋的安全得不到保证;如果采用固定建筑的防火要求则房屋材料不适合周转,且成本过高。目前,用于彩钢夹芯板的芯材材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、岩棉、玻璃棉等。从物理性能上讲,EPS最适合用于彩钢夹芯板。首先EPS与彩钢有很好的粘接性,其粘接强度约是岩棉与彩钢粘接强度的2倍,玻璃棉与彩钢的3倍,EPS与彩钢复合后整体形成很好的强度和刚度;其次,EPS塑性好于其他材料,防水性好,经久耐用,而且十分经济,用作轻钢结构活动房屋的围护材料性价比相当高。但是,EPS彩钢板存在的消防问题也十分突出。EPS复合板起火时,在室内高温下,EPS材料发生熔融,形成空腔,进而燃烧,导致彩钢夹芯板失去承载力。由于火焰在彩钢板内部燃烧,消防员只能把水打到外部板材上进行降温,不能直接扑灭夹芯部位的火焰。另外,即使面积不大的EPS板房发生火灾,也会产生大量的黑色浓烟,造成很大的社会影响。在汶川特大地震爆发后,雅致公司与公安部四川消防研究所共同完成了灾区安置房防火状况调研工作,并模拟安置房布局,对活动房进行实体燃烧试验(图4)。从试验发现,轻钢结构活动房屋起火燃烧后,PU材料如果隔着石膏板吊顶会发生碳化,从而阻止进一步燃烧的发生。其次,活动房屋火灾的蔓延与室内物体的数量及其燃烧性能密切相关。试验表明,在汶川地区,采用活动房的设计结构在正常火荷载下,完全满足阻燃要求,当室内少量物品烧光后火自行熄灭。而在另一栋房屋内,由于屋内放置了大量物品,在这些材料充分燃烧的情况下,房屋墙体和屋面的围护材料也完全烧光。这说明轻钢结构活动房屋在满足阻燃的情况下,火荷载起决定作用。为提高产品的防火性能,在全国各地也跟踪调研分析了多家公司活动房屋的火灾现场。分析发现,影响活动房屋火灾的首要因素是火灾时屋面火焰的迅速蔓延,图5案例就是明证。该火灾起火点在2楼一侧,当最后火势扑灭时,屋面板上的PU材料已经全烧光了,而2层的木夹板大部分还能保持承载力。在燃烧过程中,火焰的传播途径为两个方面:一是裸露的保温材料,如屋面等处;二是在室内高温下,EPS材料发生熔融,形成空腔,空气进入其中促进燃烧,在其后的燃烧过程中,由于空腔内燃烧的烟囱效应,更助长了火势的发展。最终彩钢板脱离,EPS完全暴露在外,直至燃烧结束。因此,活动房屋防火应主要解决防止起火和起火后防止火势迅速蔓延的问题,应从构造措施和管理措施两方面加以解决,以切断表面火焰传导性为主。如果将EPS等阻燃材料与玻璃棉或岩棉、矿渣棉等不燃材料制成组合芯材的彩钢复合板,则可以结合这两种材料的优点,即可防水又可通过不燃材料构造层解决活动房屋防火问题。为此,雅致公司与公安部四川消防研究所进一步合作,研究防火型的彩钢夹芯板。其基本思路是:采用构造防火的方式制作复合型芯材的彩钢夹芯板,通过不燃材料阻断火灾时夹芯板内空腔的扩张,从而保持夹芯板的承载力。并就此通过一系列试验进行验证。对在彩钢夹芯板的芯材中加入横向隔断和纵向隔断制成的试件进行52组SBI燃烧试验。对比试验结果显示,以龙王牌EPS颗粒制成的夹芯板级别由未加隔断的E级提高到B级,而以另一个品牌EPS颗粒制成的夹芯板级别也由E级提高到C级(图6)。作为对比试验,加入竖向隔断的结构,其SBI级别还是E级(图7)。试验结果表明,在彩钢夹芯板内部结构中,加入横向隔断后,彩钢夹芯板的燃烧性能可以大大提高。证明了采用横隔断方式的结构可有效地解决EPS复合板的防火问题。利用这一成果,可制作图8所示的复合材料型的彩钢夹芯板。当夹芯板横向放置时,底层的EPS解决墙体最下方的墙板雨水侵袭问题和彩钢夹芯板企口处夹芯材料的沉降问题,中部的EPS条则可提高芯材与彩钢板之间的粘接力进而增强夹芯板的整体刚度,中间A级不燃材料则可起到分仓隔断火焰的作用。相对单纯岩棉、玻璃棉复合板,它兼具重量轻、整体刚度高、防水性佳、耐久性好、成本较低等优点。既保持了EPS复合板防水、轻质的特性,又具备了