揭秘“钢的藤蔓“全国钢结构装配式建筑设计奥秘

今天小编带您全面了解全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛一等奖——钢的藤蔓!

钢结构

《钢结构》杂志由中国钢铁工业协会主管,中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办,创刊于1986年,是我国钢结构专业领域的综合性科技期刊。重点报道钢结构各个专业领域的新理论、新技术、新工艺、新材料及大量工程实例,深受广大读者欢迎。

揭秘“钢的藤蔓“全国钢结构装配式建筑设计奥秘

来源:钢结构(ID:steel_construction)

揭秘“钢的藤蔓“全国钢结构装配式建筑设计奥秘

2019年12月17日,由唐山市政府、中国钢结构协会主办的2019“唐山阔旺杯”全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛,在唐山南湖国际会展中心隆重举行。本次竞赛以“绿色设计•生态小镇”为主题,旨在通过加强设计理念与钢结构建筑的融合互动,提高区域制造业的供给能力,推动唐山市工业提质增效,转型发展。中国钢结构协会对参赛项目的申报材料进行了初评,最终产生了来自全国20余个单位的14个作品参加决赛。

钢结构公众号将对部分获奖作品进行报道,本期为大家介绍的是荣获2019“唐山阔旺杯”全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛一等奖,来自天津大学代表队的作品——钢的藤蔓

主要完成人员:

谷泽菲 张晨光 宋鑫 马子达 李重阳 李芃博

缪王 周婷 郭娟利 刘佳迪 张龙 陈志华

01

建筑方案设计

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创新点

抽屉?住宅?模块单元?

优势

1)实现模块单元与承重结构分离;2)建筑形态可变。

外部形体(三层空间)

收缩模式:1)减小体型系数;2)减小通风面

展开模式:1)增大通风面;2)提供活动场地

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内部空间(三层空间)

可移动的墙体:根据冬夏保温节能需求,轻松实现空间的开合变化。

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效果图

可移动模块18个,占比39.1%。

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南立面图

日照分析

场地内设建筑基本不受遮挡,采光环境较好。

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场地夏季冬季日照阴影范围

太阳能分析

一年中较明亮的阶段持续3.5个月,从4月14日到7月29日,每平方米平均每日入射短波能量超过5.8千瓦时,因此太阳能资源丰富,可以利用太阳能资源实现降低能耗。

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太阳能节能技术

多晶硅太阳能光伏,正南39度,占地100平米。

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充分集蓄太阳热能,采用PVSYST计算,有效转换能量18553kWh

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能耗计算

能耗模拟分析采用PKPM-Energy进行能耗建模分析,总能耗118376.33kWh,利用太阳能光伏技术,有效降低全年能耗的15.7%。

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风向分析

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夏季——东南风为主

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冬季——西南风偏南

夏季气候分析

6、9月不舒适时间主要集中在下午及夜间,7、8月不舒适时间主要集中在上午。

较强太阳辐射时间点所对应的室外温度大都超过舒适温度范围,对室内温度的上升有较大影响,因此会增大空调制冷能耗,需考虑节能设计。

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夏季节能策略——拔风筒

冬季气候分析

冬季太阳辐射强度较低,气候环境不能满足人体舒适要求。采暖能耗过大,需要考虑节能设计。

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冬季节能策略——阳光房

02

结构方案设计

结构设计方案——模块-钢框架复合结构体系

结构特点

1)模块建筑是装配式建筑的最终产品,代表了建筑工业化的最高技术水平;

2)钢框架作为承重体系,加入可自承重的预制模块,可加快施工速度且保证钢结构整体安全;

3)利用在框架梁处的滑动轨道实现模块可滑动功能,便于后期结构维护,易于更换。

项目概况

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设计依据

国家、行业及当地颁布的现行设计规范、标准及规定:《钢结构设计规范》(GB50017-2017)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)。

结构设计使用年限:50年

结构安全等级:二级

大气环境腐蚀程度等级为C3;

地面粗糙度C 类、基本风压0.35kN/m2,基本雪压0.4kN/m2。

地震设防烈度为8度(0.2g),设计地震分组为第2组,场地类别为Ⅱ类,特征周期0.4s;建筑抗震设防类别:标准设防类(丙类) 。

构件信息

材料选用Q345B,框架柱与模块柱采用矩形钢管截面,框架梁、框架次梁、模块梁和模块次梁采用H型钢截面。

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普通模块单元

建立模型

采用MIDAS软件对建筑结构进行分析,得到结构主要的控制参数。

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展开结构模型图

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收缩结构模型图

思考点:

1)冬季模块未悬挑,故按照正常模块结构进行建模;

2)夏季结构模块有悬挑,采用悬挑板来模拟模块结构,板周设置模块梁。

静力分析结果

采用MIDAS软件对建筑结构进行分析,得到结构主要的控制参数:

展开模式:梁单元最大应力为214.8MPa<315MPa

收缩模式:梁单元最大应力为214MPa<315MPa

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展开模式的应力图

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收缩模式的应力图

风荷载受力分析

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地震荷载受力分析

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分析结果一

收缩模式

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所有位移角均小于规范所规定的层间位移角限制。

分析结果二

展开模式

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所有位移角均小于规范所规定的层间位移角限制。

梁柱节点设计

1)下栓上焊的连接方式方便安装,加快装配速度;

2)外环钢板方便与梁外伸翼缘连接。

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滑动节点设计

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滑轨节点1

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滑轨节点2

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固定装置1

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固定装置2

通过滑轮实现模块的滑动,通过定位螺杆实现模块的精准定位。

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带轨道钢梁验算

使用ABAQUS软件对带轨道梁的强度以及挠度进行验算:

模块移动较为缓慢,可近似将轨道作用在钢梁上的荷载简化为均布面荷载;

最大应力为82.35MPa<315Mpa,满足要求;

钢梁最大挠度为9.14mm<L/300=20mm,满足要求。

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03

围护方案设计

围护结构设计要点

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围护体系设计

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ALC板隔墙安装节点

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外墙板底部防水做法建议

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外墙安装节点

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外墙安装节点做法一

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外墙安装节点做法二

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外墙柱节点一

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外墙柱节点二

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内墙柱节点一

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内墙柱节点二

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外墙与柱

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顶梁

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底梁

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屋面

04

施工组织流程

对于装配式建筑来说,合理的现场装配顺序为工期提供了保障,将BIM模型导入到施工模拟的软件中,并结合编制好的施工计划,便可以将施工时的安装顺序可视化。

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一层施工流程

•绿色半透明部分表示正在进行的任务

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二层施工流程

三层施工流程

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05

结论

1.模块化建造

•超过90%的装配率

•现场施工周期可缩短50%以上

•模块钢结构的框架加工、围护制作、管线安装甚至于精装修均已在工厂制作,然后再将制作好的单元运输至现场拼装

2.模块可滑动

•滑动轨道

•定位节点

3.被动式节能技术

•夏季:拔风筒

夏季通过拔风筒吸走热空气,流入冷空气从而减低夏季制冷能耗

•冬季:阳光房

冬季对冷空气加热,并利用连接通道传输到各个区域,降低冬季采暖能耗

4.双模式居住

•冬季采用收缩模式

•夏季采用展开模式

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