摘要：随着城市建设步伐的不断加快，建设用地越来越紧张，特别是以北上广为首的一线城市，超高层建筑愈来愈多，发展迅速。基于国家政策的引导、装配式钢结构的优势以及超高层建筑的快速发展，装配式钢结构在超高层住宅项目中的应用成为重要的发展方向之一。
关键词：装配式钢结构；超高层住宅；应用
1、工程概况
某超高层住宅建筑抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg为0.35s。10年一遇风荷载为0.45kN/m2，50年一遇风荷载为0.75kN/m2，100年一遇风荷载为0.9kN/m2。结构高度为179.6m，地下3层，地上55层，层高3.1m（避难层4.0m）。平面尺寸的投影尺寸为23.1m×42.1m，其中标准层面积约710m2，每层6户（3种户型），地上总面积约40000m2。
该项目具有以下特点：1）结构高宽比较大，达到8.8；2）建筑所在地理位置水平风荷载较大，结构侧向刚度由风荷载控制；3）建筑品质要求高，可布置抗侧构件的位置不多，需满足室内户型可任意分割、外立面视觉通透的要求；4）建筑使用功能为高档住宅，对舒适度要求高；5）需缩短施工工期，满足业主对项目进度的要求。
2、结构选型
2.1设计方案
根据该项目特点，同时响应国家政策，提出混凝土结构和装配式钢结构两种方案进行选型对比。两种方案分别为：1）混凝土方案。设计思路为：增加结构的抗侧构件数量和构件截面尺寸，提高结构刚度，使结构的侧向变形和风振舒适度满足规范要求。2）钢结构方案。设计思路为：合理布置钢支撑，满足结构的基本刚度需求（刚重比、剪重比等），并通过有效地布置黏滞阻尼装置，增加结构阻尼比，改善建筑物的风振舒适度，满足规范要求。
2.2方案对比
为满足该项目对建筑功能、项目进度的要求，从结构布置、构件截面、结构自重、施工及预售期等多方面对以上两种方案进行综合对比。
2.2.1结构布置
混凝土方案为满足结构的刚度需求，剪力墙布置密集，对室内空间影响较大，难以实现室内户型任意分割，且对外立面视觉通透具有一定的影响；钢结构方案支撑布置较少，主要集中于交通区域，室内空间布置灵活，满足户型变动需求，同时可保证外立面视觉的通透性。
2.2.2构件截面
与混凝土方案相比，钢结构构件尺寸较小，低区建筑墙厚可由700mm减小到400mm（减小36%）。混凝土方案抗侧构件截面所占建筑面积比为9.9%，钢结构方案为6.5%，与混凝土方案相比降低了3.4%，钢结构方案提高了建筑使用面积。
2.2.3结构自重
与混凝土方案相比，钢结构方案上部结构重量约降低34%。上部结构自重的降低有助于降低基础造价，同时有利于减小结构的地震作用。
2.2.4施工工期及预售期
根据对大型施工单位的调研，混凝土结构受施工过程中各因素的制约，工期较长，地上主体结构标准层施工速度约为6d/层。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，地上主体结构标准层施工速度约为4d/层。
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与混凝土方案相比，该项目钢结构方案施工工期可缩短110d。关于商品房预售期的政策，采用混凝土结构的住宅建筑施工到2/3楼层可开始预售，钢结构住宅建筑施工到1/3楼层可开始预售。该项目钢结构方案预售期可提前145d，有助于业主的资金回笼，提高综合效益。综合比较混凝土方案和钢结构方案，钢结构方案可有效提高建筑使用面积，降低基础造价，满足该项目的高品质要求，实现室内户型的任意分割，且在施工工期和住宅预售期方面具有较大的优势。钢结构方案综合经济效益更好，更能满足该项目的设计要求。因此该项目最终采用CFT柱型钢框架+钢支撑+黏滞阻尼墙结构体系进行初步设计。
3、建筑分析
3.1结构布置与建筑功能的配合
由于该项目为高档住宅，对建筑品质要求高，通过采用装配式钢结构体系，提高了建筑使用品质，满足项目建筑功能的高标准要求，主要体现于以下3点：1）外立面通透性。支撑、黏滞阻尼墙主要布置于公共交通区域的隔墙位置，以保证建筑外立面视觉通透。2）户型灵活划分。在各户型整个室内空间中，框架柱极少，户型划分灵活。3）露梁露柱问题。结构设计中通过将钢管混凝土柱扁长化，减小隔墙厚度，同时借助内部装修技术，可有效解决室内露梁露柱的问题。
3.2三板体系选型
在装配式钢结构建筑中，为满足住宅的使用功能要求，符合人们的居住体验，楼板体系及维护体系的选择极为重要。基于调研和分析对比，对该项目三板体系（楼板、外墙、内墙）的选型提出建议。
3.2.1楼板体系
装配式建筑中通常采用的楼承板主要有压型钢板组合楼板和钢筋桁架楼承板、叠合楼板，共3种。对以上3种楼承板从受力性能、施工速度、管线穿越、二次装修等方面进行综合对比。压型钢板组合楼板施工中需设置临时支撑，且板底需做吊顶；叠合楼板目前主要应用于装配式混凝土建筑中；针对项目特点，建议采用钢筋桁架楼承板。
3.2.2外墙体系
目前外墙体系主要有ALC板、PC板、金属幕墙、内嵌式窗系统。根据调研分析，从施工难度、墙体自身性能、立面造型等方面对以上外墙体系进行对比分析。由于该项目为超高层高档住宅，而ALC板建筑造型较单一，美观度较差；PC板自重较大，对结构受力不利；同时内嵌式窗系统主要应用于办公建筑。综合比较，建议采用金属幕墙。
3.2.3内墙体系
常用内墙体系主要有砌块墙、ALC板、轻钢龙骨隔墙3种。由于超高层钢结构在水平荷载下侧向变形较大，采用砌块墙易产生裂缝；轻钢龙骨隔墙舒适性较差，不符合人们常规的居住体验；而ALC板内墙与传统砖墙相似，整体性好，在钢结构住宅中应用广泛。针对该项目，建议选用ALC板。
3.3BIM技术
装配式钢结构建筑可基于信息化的BIM技术有效实现其全生命周期的管理和控制，包括设计优化、建筑结构匹配、建筑部品选型、建筑使用中的运营维护等等。BIM技术的应用可有效提高装配式建筑的设计、生产及施工的效率，实现建筑工业化。该项目在前期可行性分析中运用BIM技术辅助装配式钢结构建筑初步设计，有效提高了设计效率。其中包括结构布置优化；建筑与结构匹配分析；楼板体系选型；建筑节点构造细化等工作。采用BIM技术，实现结构与建筑设计可视化，满足该项目建筑功能高标准的要求。
4、结构分析
采用ETABS软件对钢结构方案进行建模分析，梁、柱、支撑采用杆单元，楼板采用膜单元。对该超高层钢结构体系的周期比、层间位移角、扭转位移比、层间刚度比等整体指标进行了分析验算。结构前两阶振型为平动，第三阶振型为扭转，侧向变形由风荷载控制，结构整体指标均能满足规范要求，具有良好的整体性能。
5、风振舒适度
超高层结构随高度的增加，水平方向抗侧刚度相对较小，对风荷载作用比较敏感。本项目高宽比较大，建筑所处地理位置风荷载较大，风振舒适度是该项目设计的关键要点之一。
5.1控制方法
为改善超高层建筑的风振舒适性，通常采用的解决方案主要有3种：1）方案1：通过增加结构抗侧构件截面尺寸，调整结构的自身刚度，以达到设计要求；2）方案2：通过合理地布置黏滞阻尼装置，增加结构阻尼比，吸收能量，降低结构加速度反应；3）方案3：布置调谐质量阻尼器（TMD）进行减振。
5.2黏滞阻尼墙
黏滞阻尼墙主要由内钢板、外钢板及位于内外钢板之间的黏滞液体组成。黏滞阻尼墙是一种速度性阻尼器，其工作原理为：在水平荷载作用下，上、下楼面的运动速度不同，导致内钢板和外钢板之间产生相对速度，内外钢板之间的速度梯度引起黏滞液体的剪切滞回耗能，从而降低结构的动力响应。为提高阻尼墙耗能效率，一般将阻尼墙安装在相对变形较大的楼层，固定于上下梁之间，利用结构的层间剪切变形来发挥阻尼墙的作用
6、结语
本文以某超高层住宅项目为背景，综合对比了装配式钢结构与混凝土结构，结果表明，装配式钢结构体系具有施工速度快、自重轻、构件尺寸较小等优势，有较好的综合经济效益。并从结构布置与建筑功能的配合程度，三板体系分析选型、结构整体性能、风振舒适性等方面说明了装配式钢结构体系在超高层住宅项目中应用是可行的。相信随着国家政策的推动，人们对钢结构认识的加深，装配式钢结构体系在超高层住宅建筑中的应用将会愈来愈多。
参考文献
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论文作者:李小军,李浙锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/7
标签：钢结构论文; 结构论文; 建筑论文; 方案论文; 阻尼论文; 荷载论文; 体系论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;