輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)組合體系在第十屆中國花卉博覽會酒店項目中的設(shè)計與應(yīng)用

程 熙, 劉桂然

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

項目坐落于上海市崇明東平特色小鎮(zhèn),為第十屆中國花卉博覽會(簡稱花博會)配套項目。本項目總建筑面積為19003m2,建筑高度為17.95m,地上1～3層,無地下室,建筑效果圖如圖1所示。項目分兩期進行建設(shè),一期工程為宴會廳與抵達大廳,供花博會期間作為會議接待中心使用,為永久性建筑;二期工程為客房、大堂、早餐廳、后勤配套、設(shè)備機房等。二期工程在2021年花博會期間,可以提供300間客房,并設(shè)置大堂等酒店相關(guān)的配套功能,為臨時性建筑。

圖1 建筑效果圖

本項目臨時建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為5年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類。工程抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.10g,設(shè)計地震分組為第二組[1-2],基本風(fēng)壓按臨時建筑考慮取0.4kN/m2[3]。

二期客房區(qū)位于整個地塊的一側(cè),如圖2中虛線紅框范圍,由若干建筑組團構(gòu)成,各建筑組團間由走道連接?？头繀^(qū)地上2層,2層層高均為3.5m,頂部采用坡屋頂?shù)男问?。二期工程為臨時建筑,項目建設(shè)周期短,結(jié)合酒店客房區(qū)域存在典型的標準化與模塊化的特征,本項目客房區(qū)域采用了輕型模塊鋼結(jié)構(gòu)組合房屋的結(jié)構(gòu)體系。此方案可同時滿足建設(shè)方會后需要快速整體拆除及運輸,箱體異地循環(huán)利用的需求。

圖2 建筑功能分區(qū)圖

2 模塊單元劃分及選型

為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)單體的規(guī)則性以利于模塊化,將客房組團劃分為7個結(jié)構(gòu)單體(客房翼一、客房翼二A～C、客房翼三A～C),各結(jié)構(gòu)單體之間通過走道模塊相連,結(jié)構(gòu)單體劃分示意圖如圖3所示。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑,模塊化建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計之前,需要進行合理的模塊單元劃分。模塊單元的劃分以規(guī)則、符合運輸及吊裝需要為原則[4]。對于建筑使用功能不同的空間,劃分為不同的模塊,如電梯模塊、樓梯模塊、標準客房模塊、走道模塊等。

圖3 結(jié)構(gòu)單體劃分示意圖

客房標準間由兩側(cè)的客房和中部的走道組成,走道靠近客房一側(cè)布置有若干管井,如圖4所示。

圖4 客房標準間平面圖

針對典型的標準客房平面,前期進行了三種模塊拆分方案的比選,如表1所示。經(jīng)綜合考慮施工周期、后續(xù)拆除搬運及異地使用可能性等方面的因素,最終采用拆分方案一作為本項目客房標準間平面的拆分方案。

圖5展示了客房翼一的拆分方案,典型單體拆分為客房模塊(A、B、C、D)、樓梯模塊(E、G)、電梯模塊(K)、布草間模塊(L)、設(shè)備用房模塊(H、M)以及坡屋頂模塊(P),模塊外其余部分鋼框架采用現(xiàn)場施工。鋼結(jié)構(gòu)材料強度為Q235B,框架柱主要采用了截面寬度為150～200mm的方鋼管(□150×150×8×8、□200×150×8×8),框架梁主要采用了截面高度為200～300mm的窄翼緣熱軋H型鋼(HN200×100、HN300×150)?？头繕前宀捎美w維增強蓋板,次龍骨采用C型鋼檁條(C160×70×20×3),間距為600mm,檁條上鋪設(shè)4mm厚熱鍍鋅鋼板,其上為15mm厚水泥纖維板。

圖5 客房翼一建筑圖及模塊平面拆分圖

3 輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

客房區(qū)結(jié)構(gòu)單體采用疊箱-鋼框架混合結(jié)構(gòu)體系,客房標準間采用集裝箱模塊,走道及坡屋頂?shù)蠕摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件采用現(xiàn)場拼裝。與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)體系相比,除了滿足單體整體計算指標要求和構(gòu)件承載力之外,在設(shè)計過程中有一些關(guān)鍵問題需要考慮。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計

客房區(qū)域采用天然地基,基礎(chǔ)持力層選擇②3層砂質(zhì)粉土,地基承載力特征值不小于80kPa[5]。但由于原先場地內(nèi)存在魚塘、暗浜等情況,局部場地土需先進行換填處理,使處理后的地基承載力滿足天然地基設(shè)計要求。

為解決上部柱網(wǎng)變動對基礎(chǔ)施工的制約,采用了筏板基礎(chǔ),增加了施工便易性,同時具有較好的基礎(chǔ)整體性。對應(yīng)上部鋼柱處設(shè)置混凝土柱墩,上部模塊柱腳通過節(jié)點板與混凝土柱墩連接,按照鉸接柱腳進行設(shè)計,具體見圖6。模塊化建筑單元運輸方便,可整體遷移,拆除時移除柱腳螺栓即可。

圖6 底層模塊框柱連接示意圖

3.2 施工水平誤差引起的荷載偏心處理

設(shè)計中需要額外考慮每層模塊箱體定位和加工中的水平誤差引起的荷載偏心作用,偏心距可轉(zhuǎn)換為施加于每個樓層的名義水平力,名義水平力取作用于每個模塊垂直荷載的1%,施加于單體樓層處四個角點上,并與風(fēng)荷載同時考慮[6-7]。

3.3 連接節(jié)點及計算模型的設(shè)計處理

因模塊單元之間連接方式與常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu)差異較大,對于連接節(jié)點力學(xué)性能[8-9]及建模方式的簡化方法[10-11]國內(nèi)已有一些研究,證明了在整體結(jié)構(gòu)計算中將節(jié)點進行鉸接簡化是一種合理的處理方式。本項目參考以上研究結(jié)果,對模塊箱體按照六面體桿系進行建模,單個模塊由結(jié)構(gòu)柱、底框鋼梁、頂框鋼梁及次梁構(gòu)成,典型客房計算模型如圖7所示。

圖7 典型客房計算模型圖

客房中輕型樓板采用纖維增強硅酸鈣板,設(shè)計中不考慮樓板面內(nèi)外剛度,將樓板厚度設(shè)置為零進行模擬。水平箱體之間,通過在鋼梁上翼緣或鋼柱側(cè)面設(shè)置連接鋼片實現(xiàn)箱體的水平連接,在模型中采用連系桿單元模擬連接鋼片,連系桿與相鄰箱體構(gòu)件采用鉸接連接。鋼片及其連接焊縫根據(jù)模型中連系桿的受力情況進行設(shè)計。上模塊柱底與下模塊柱頂采用類似《輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)組合房屋技術(shù)標準》(JGJ/T 466—2019)[6]中模塊預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點方式鉸接(圖8),僅傳遞軸力和剪力。該方式無需在鋼梁上設(shè)置螺栓,可避免在精裝修模塊樓板或墻面上設(shè)置手孔,施工效率較高。連接件通過設(shè)置抗剪鍵用以抵抗箱體層間剪力,通過在鋼柱內(nèi)設(shè)置鋼棒并將鋼棒頂部螺帽擰緊實現(xiàn)上下箱體層間的緊固。頂層柱頂不設(shè)置蓋板,后期拆除時,松開頂部螺帽即可實現(xiàn)快速拆卸?，F(xiàn)場拼裝的鋼框架部分與模塊間根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需求并結(jié)合施工安裝便利采用剛接或鉸接連接,且箱體鋼柱上預(yù)留相應(yīng)的節(jié)點加勁板。

圖8 上下層模塊框柱連接示意圖

經(jīng)計算,典型單體的主要結(jié)構(gòu)自振特性如表2所示。結(jié)構(gòu)在第1、2階振型均為平動,第3階振型為扭轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比(Tt/T1)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2]限值0.9,說明結(jié)構(gòu)體系的布置較為合理。

表2 結(jié)構(gòu)自振特性

地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為1/726,風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/2 206,均小于1/250,符合規(guī)范限值要求,單體整體側(cè)向變形較小,結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度。結(jié)構(gòu)由地震組合控制,圖9展示了結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的變形情況。構(gòu)件應(yīng)力比均在1.0以下,絕大部分在0.8以內(nèi),如圖10所示。

圖9 地震作用下結(jié)構(gòu)變形圖/mm

圖10 鋼構(gòu)件應(yīng)力比

4 綜合效益評價

本項目于2020年10月完成全部施工圖設(shè)計,同期開展場地基礎(chǔ)施工及集裝箱部分的工廠深化及加工,于2021年2月完成全部箱體吊裝及現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)拼裝工作,于2021年5月完成整體管線安裝、室內(nèi)精裝及室外景觀等工作。施工階段及建成后現(xiàn)場照片如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場照片

輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)采用標準模塊化設(shè)計,工廠預(yù)制加工,極大縮短了箱體制作的時間。相比常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu)10～15d建設(shè)一層的速度,模塊化鋼結(jié)構(gòu)采用機械化吊裝的方式,現(xiàn)場拼裝快速,地上整體鋼結(jié)構(gòu)施工周期約為20d。作為花博會期間配套使用的臨時建筑,在活動結(jié)束后,可以快速拆除及運輸,且在后期可異地使用,對建設(shè)方而言具有較大的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

本項目的結(jié)構(gòu)選型中,綜合考慮建設(shè)周期短、建筑結(jié)構(gòu)可標準化與模塊化的特點,以及建設(shè)方后續(xù)箱體循環(huán)利用的可能性,采用了輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)組合體系。通過在設(shè)計前期加強對模塊拆分及選型的方案研究,以及對基礎(chǔ)選型、模塊化結(jié)構(gòu)連接節(jié)點處理及合理的計算分析,成功應(yīng)用了該模塊化結(jié)構(gòu)體系,為該結(jié)構(gòu)體系在類似項目中的推廣提供了可靠的工程經(jīng)驗。