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装配式钢结构+BIM技术在高层住宅中的应用(多图详解)

来源:同济设计TJAD

导 读

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。

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户(3种户型),地上总面积约4万㎡。

深圳南山区抗震设防烈度7度(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=0.35s。10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/㎡。

▼ 注:本文图片较大,可双击图片,放大后查看。

 

 

▲ 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。

  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(约25%);(2) 降低地震作用,提高结构的抗震性能。

  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)

  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。

  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


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