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超高层装配式建筑结构选型及部品部件选型分析

发布时间:2022/07/15 点击量:
建筑产业化随着我国城乡建设进程加速应运而生。在推行建筑产业化以来,运用在超高层项目的装配式建筑比较少,其中制约的瓶颈主要在于结构选型。文章以深圳市某项目为例,进行结构选型分析及部品部件选型,希翼对超高层装配式建筑进一步发展有借鉴意义。
 
一、装配式建筑概念
 
GBT51129-2017《装配式建筑评价标准》将装配式建筑定义为“由预制部品部件在工地装配而成的建筑”。装配式建筑在生产建造过程中,采用标准化设计、工业化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用措施,实现提高工程质量、提高生产效率、减少人力成本、减少能源消耗的“两提两减”愿景。
 
二、发展现状
 
我国处在地震多发带,装配式建筑在超高层项目中运用较少,过去多采用“内浇外挂”形式,难以达到国标A级主体结构竖向构件中预制部品部件的应用比例不低于35%的要求。本文以深圳前海某超高层公寓项目为例,主要从结构系统选型角度解读超高层高预制率装配式项目的实际应用。
 
三、结构体系分析
 
项目方案设计理念为户型自由、灵活分割,户内不露梁柱。结合建筑设计意图,选择安全可靠、高效经济的装配式建筑结构体系,是设计工作的关键。本项目进行钢筋混凝土结构及钢框架-钢筋混凝土核心筒混合结构之选型分析。
 
1、工程概述
 
项目位于广东省深圳市,建筑使用性质为商务公寓,属商业建筑。项目设置两栋建筑高度为178.8m的商务公寓,含56层地上及3层地下室。基本风压按50年重现期取值为0.75kN/㎡,强度计算取50年重现期基本风压的1.1倍,地面粗糙度类别为C类。其抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,场地类别为II类。建筑结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,超高层抗震设防类别为丙类。
 
2、计算模型
 
项目采用2种结构形式进行建模分析。方案1采用钢筋混凝土剪力墙及型钢混凝土柱布置(以下简称“混凝土结构”),方案2采用钢框架-钢筋混凝土核心筒混合结构(以下简称“混合结构”)。
 
3、自振特性
 
经分析得到结构的前六阶自振特性,两方案振动表现相似,结构刚度较大且分布均匀。一阶振型均以Y向水平侧移为主,二阶振型以X向水平侧移为主,三阶振型以扭转变形为主。由于建筑形体限制,Y向刚度较小。混凝土结构采用布置剪力墙,组合结构采用布置支撑增加Y向刚度,如图1和图2所示。周期比为0.697及0.730,均符合抗震规范要求。振型周期计算结果对比如表1所示。
 
表1 振型周期计算结果对比
图1 混凝土结构振型周期
图2 混凝土结构振型周期
 
4、多遇地震下的结构性能分析
 
本项目平面布置不规则,结构侧向刚度不规则,考虑到深圳为台风多发地区,有必要对抗震性能及抗风性能进行深入分析。采用振型分解反应谱法,即按照小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构弹性变形,对比不同方案的变形能力。从计算结果中,可以看出组合结构双向地震及风载作用下层间位移角大,地震层剪力小,展示出较强的变形能力,如图3——图5所示。
 
图3 地震层位移角对比
图4 风层位移角对比
图5 地震层间剪力对比
 
组合结构抗侧移刚度适宜,且延性更好。柱子采用钢管混凝土结构可明显减小柱截面,而楼面梁采用钢梁亦可进一步减轻结构自重。钢筋混凝土核心筒为主要抗侧力结构,构成钢管混凝土钢框架和钢筋混凝土核心筒结构,满足多道抗震设防要求。
 
5、装配式程度预判
 
由于国标尚无针对叠合剪力墙、混合结构等结构类型的详细评价准则,本文参考广东省装配式建筑评价标准的细则,针对国标进行结构得分预判。混凝土结构中,混凝土竖向构件参照受力钢筋与免拆模板形成一体的中空预制构件(含叠合剪力墙)进行评价。预制率可达到70%并达到A级装配式建筑,如图6所示。
 
图6 混凝土结构装配式得分
图7 混合结构装配式得分
 
采用组合结构,钢管混凝土柱实现免模施工,水平构件采用钢梁及钢筋桁架www.4355.com,其装配式得分预判可达到国标AA级,如图7所示。
 
6、体系比对及选择
 
混合结构在满足结构安全、建筑性能及工业化程度上均有优势,尤其在超高层建筑中,优势明显,主要如下:
 
(1)工业化程度高,结构体系安全可靠。超高层项目中,考虑到主体结构竖向构件中预制部品部件应用比例不低于35%,采用混合结构体系安全可靠,满足抗震要求,装配化程度高,易于实现住宅工业化。
 
(2)空间布局灵活,契合建筑设计理念。采用混合结构可减少套内结构梁柱的布置,使空间布局灵活,分割自由,实现建筑全生命周期运用。
 
(3)建筑自重小,基础造价低。混合结构自重为钢筋混凝土结构的74%,剪力及倾覆力矩亦小,基础造价可有效降低。
 
(4)结构面积小,提升空间使用感受。与混凝土结构相比,混合结构抗侧及变形能力强,竖向结构单向截面尺寸可节省约20%,提升空间使用感受。
 
但采用混合结构也有局限,包括含钢量较大,造价较高,同时对外围护系统的变形能力要求高。
 
四、部品部件体系
 
装配式建筑的核心是以工业产品的思维打造建筑,打破各种传统技术要素的“碎片化”状态,采用“建筑、结构、机电、内装的一体化”设计方法。装配式建筑部品部件体系包括结构体系、外围护系统、设备和管线系统和内装体系。
 
1、结构体系
 
(1)方钢管混凝土组合柱。钢柱采用矩形截面,内灌注混凝土,有如下优势。①性能优势。结合混凝土及钢材两种材料优势,可提高钢柱强度,提高承载力,减少钢柱截面,具有良好的延性和抗震性能。②施工便利,缩短工期。钢构件零件少,构造简单,节点连接容易,同时免除了脚手架、支模、钢筋绑扎等施工作业。③工业化程度高,构件标准化,规格统一。
 
(2)楼板体系。装配式楼板有预制叠合板、钢筋桁架www.4355.com、压型钢板组合楼板、双T板、SP板等。装配式的楼板选择需考虑楼板结构刚度、自重、装配化率、安装难易程度、施工工期及防火防腐性能。针对公寓项目,楼板采用可拆底模钢筋桁架www.4355.com,产业化水平高,施工速度快,无须支模,底部较平整(也可拆除)。楼梯采用预制混凝土楼梯,在工厂预制完成至现场安装,楼梯面即为建筑完成面,无须进行抹灰。
 
2、其他系统
 
外围护系统包括嵌挂结合式外墙、外挂式外墙、幕墙、预制凸窗等各种型态。结合项目结构体系变形能力高的要求及建筑设计要求,项目采用幕墙体系,局部采用外挂式外墙。机电及管线系统设计中,建筑设计与机电设计互相融合,水暖电设备点位全部预留到位,并在预制构件中做好预埋部件。套内设备与管线尽量设置在吊顶,充分合理地利用空间。装修设计标准化、集成化、模块化,采用整体预制的复合墙板,轻质、高强、保温、隔声、防火、几何尺寸精确。内装采用干式作业,可大量节省砌筑、抹灰、刮腻子等人工材料费用,提高效率,节约工期,保证品质。
 
结语
 
本文通过针对不同结构形式进行分析模拟及装配式程度预判,因高预制率的超高层建筑结构选型限制较多,采用混合结构可同时满足结构安全及工业化程度要求,为其他超高层装配式建筑提供借鉴。
 
编辑:郭军 李荣生 闻家明 吴文筠 李红 编辑单位:深圳市前海开发投资控股有限企业
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