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装配式创新竞赛|震后快速恢复的全装配节能房屋

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,来自山东大学代表队的作品——“震后快速恢复的全装配节能房屋

一.方案概况及创新点设计

项目基本情况及设计体系组成

紧扣“绿色设计·生态小镇”的主题,充分发挥钢结构建筑和装配式建筑的优势,实现结构在地震作用下损伤可控快速修复。

方案体系的关键技术

方案体系的关键技术——可更换耗能角钢屈曲约束支撑

屈曲约束支撑组装过程

新型BRB

优 势

  • 避免芯板焊接构造,延长芯板疲劳寿命。

  • 全钢构造,加快支撑制作速度。

  • 屈曲约束构件拆卸简便,震后芯板可检查。

  • 震后屈曲约束构件重复使用,仅更换起耗能作用芯板。

  • 新型BRB耗能和承载能力稳定,延性高达25以上。

方案体系的关键技术——三明治式复合外墙板

GFRP桁架连接件

立模生产

承载力试验

优 势

  • 自保温体系,与建筑同寿命。

  • 使用GFRP连接件,保温性能优异。

  • 立模生产,占地减少1/3,效率可提高5倍。

  • 带肋混凝土板降低自重。

  • 完全断桥,无冷桥效应 。

  • 完全组合,抗弯刚度大.

方案体系的关键技术——含暗梁的轻质复合内墙板

优 势

  • 保温隔音

  • 整体性强

  • 循环可拆

  • 简单轻质

山东大学示范项目安装现场

方案体系的关键技术

PEC梁柱

优 势

  • 承载力高;

  • ·抗火、防锈能力强;

  • ·构件实现预制化、装配化。

波纹钢腹板预应力混凝土叠合板

优 点

  • 整体性好,承载力高,无需支撑;

  • 预应力筋提高抗开裂承载力

  • 方便管线布置

  • 自重小,加工工序简单。

二、建筑方案设计

简洁:纯洁、宁静的简单结构,将室内外空间和体积完全融合在一起。

现代:具有现代设计风格的住宅,旨在用“实用+现代”的建筑语言落实唐山建设 “生态小镇”的初心。

高效:住宅通过被动策略降低体型系数,同时减少并模数化建筑构件,使得样板住宅高效、低能耗且易于装配化生产。

室外空间组织

1)南面阳台并拓宽落地窗处挑板;

2)底层架空入口提高门廊实用价值;

3)体现整体性,空间统一性;

4)达到建筑综合一体化设计效果;

5)低能耗,符合创造生态小镇。

室内空间组织

1)空间上相互连接营造连续的整体

2)室内高度可根据功能需求的不同而变化可形成高低错落的特色空间。

功能设计

1)首先考虑视线日照,将客厅和卧室放在南部,功能最大效率化

2)设计遵循工业标准化,房间尺寸符合标准模数,施工进程快

3)节省材料,大型机械使用少,“绿色设计”贯穿建造的整个过程。

一层 二层 三层

建筑立面图

结构、保温、装饰一体化;

个性化定制丰富建筑立面;

打造专属于唐山的特色小镇。

1~6轴立面图

A~E轴立面图

6~1轴立面图

E~A轴立面图

剖面图

三、结构方案设计

柱及支撑布置图

柱截面图

梁布置图

连接节点

含可更换耗能角钢元件的屈曲约束支撑

支撑与梁连接构造

快速更换芯板

有限元分析模型的建立

1)使用结构有限元软件MIDAS/Gen 2019版进行结构模拟分析,该版本中加入了《钢结构设计标准 GB50017-2017》,满足本项目设计要求;

2)本项目各层楼板按实际情况均设为刚性楼板,用于计算结构的振型、层间位移、结构内力,并按照规范进行强度和稳定性校核;

3)按照《建筑结构荷载规范GB50009-2012》进行荷载组合。

有限元模型

振型结果

第一阶振型以X向振动为主,第二阶振型以Y向振动为主,第三阶振型以绕Z轴扭转为主。

模型前6阶振型对应周期(s)

位移结果(最不利组合荷载)

均满足《建筑抗震设计规范 GB50011-2010》中层间位移角1/250的要求。

X向荷载组合工况弹性层间位移

Y向荷载组合工况弹性层间位移

应力结果(最不利组合荷载)

结构构件最大应力为228MPa,各构件最大应力比均小于0.85,满足经济性和安全性要求。

有限元模型应力分布图

钢结构应力比验算结果

四、围护体系设计与构造

三明治式复合外墙板概况

一层外墙平面布置图

轻质复合内墙板的布置

一层墙体平面布置图

保温复合屋面板与VMS模块化智能系统窗

屋面板截面图

屋面板的连接节点构造图

屋面板平面布置图

VMS模块化智能系统窗

优 势

  • 模块化设计,安装快捷方便;

  • 窗体具有较好的强度、保温性、耐热性和抗腐蚀性;

  • 环保性能优于传统铝合金门窗;

  • 智能控制系统,可根据天气情况调节天窗的开闭;

  • 遮阳系统,具有隔热、遮阳和调光的功能

楼梯

踏步板、踢面板、平台板与楼梯焊接,梯梁上设出浆孔和灌浆孔,用以填充自密实混凝土。楼梯与建筑主体通过高强螺栓连接。

优 势

  • 制作简单、安装快捷、成本低,且较普通预制楼梯自重降低4/5。

五、建筑节能设计与装配率计算

节能参数设计计算

层数≤3层,体形系数<0.57,满足《河北省居住建筑节能设计标准(75%)》规范要求。

窗墙面积比

外窗均采用外开隔热性铝合金(5+12A+5+12A+5)中空玻璃门窗,传热系数,根据规范要求东、西、北向(窗墙比<0.3)传热系数,南向门窗传热系数;均满足《河北省建筑节能门窗工程技术规范》规范要求。

三明治复合墙板传热系数计算

满足《河北省居住建筑节能设计标准(75%)》 的要求。

绿色建筑各类评价得分

根据《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014),本建筑为三星绿色建筑。

装配率计算

根据《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129-2017) 中对装配率计算的要求,装配率为100.00%,符合AAA级装配式建筑标准。

六、装饰装修设计

管线分离

七、成本分析与推广价值

建筑、结构、施工、节能等方面均具有良好推广价值;

功能上互相匹配,设计上相得益彰。

指导教师:侯和涛

参赛人员:

李克凡 韩 翔 杜志浩 钱一乔 孙 冰 张少远

李海洋 付心蕊 李景韵 安 辰 谢素蓉 陈 鹏

赵 宇 董玉茹

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