1
引言
十八大以来，国家采取了一系列措施持续改善民生居住条件，包括住房制度持续深化改革和住房保障体系不断优化。保障性住房建设已成为健全住房保障体系的重要举措之一。加快推进保障性住房工程建设，对于改善民生，促进社会和谐稳定，促进社会经济发展，优化产业结构，稳定就业，都具有积极正面意义。
在行业引导方面，国家持续推动建筑业转型升级，出台相关政策大力推进装配式建筑产业发展，尤其是加大了钢结构装配式住宅的推广力度。一方面，装配式建筑建造模式由传统的“现场”转变为“工厂 现场”，部品部件可以在工厂完成，现场进行装配式施工，可以提升施工效率，缩短施工工期。另一方面，钢结构装配式建筑自重轻、抗震性能好，绿色环保，施工周期短、工程质量可控，能够实现结构体系、围护体系与内装体系的协调统一。
本文以“住建部钢结构装配式建设试点项目——湛江东盛路公租房”为例，从设计本身出发，结合项目小户型和钢结构装配式特点，对相关设计关键技术进行分析与总结。
2
项目概况
根据国家相关政策和《广东省公共租赁住房实施意见》的相关规定，湛江市住建局提出了“以服务人民为宗旨 ,以满足人民需求为目的，让低收入人群有条件享受更高质量的生活品质”的总体建设要求。本项目旨在完善湛江市人才住房保障体系，改善人才居住环境，解决务工人员居住问题。结合用地情况，项目建设目标为不少于 840 套住房（一室一厅户型面积不得大于 45㎡ ，两室一厅户型的面积不得大于 60㎡ ，户型比例为 4:6 ），建成后将为青年教师、青年医生等多层级群体提供居住保障。
项目建设用地面积 24885㎡，总建筑面积 68606㎡ 。地上由 3 栋住宅塔楼（最高 32 层，最大建筑高度 96.5m ）和两层商业裙房组成，地下设有两层车库。建筑立面设计上采用简约、现代的建筑风格，以干净、简洁的灰色为主色调，打造一个景观与建筑相得益彰的高品质安居房。
项目采用工程总承包管理模式，统筹管理全过程各阶段工作，突出体现为全专业、全过程的两个一体化，同时考虑组织一体化，系统性管理、整合全链条资源。
（图 1 实景鸟瞰图）
（图 2 样板间）
3
目标分析
项目坚持“经济、适用、适度超前”的基本原则，始终以用户需求为导向。在设计前期对湛江保障房现状进行了摸排，通过实地调研、住户走访、问卷调查等多种形式，开展用户需求分析。调研小组实地参观 8 个小区，走访住户 71 户，发放问卷（见图 3 ） 157 份，收回问卷 124 份。一是考察已入住公租房的使用情况，二是调研住户的实际需求和关注的问题。
（图 3 调查问卷）
经过对调查结果分析（见图 4 ），当地居民重点关注通风性、采光率、空间尺度、阳台配套等。调研结果为设计提供了更加明确的方向。最终，本项目确定了“打造服务设施便利、居住空间紧凑实用、景观视野良好的居住环境，使之成为一个具有人文特色的钢结构装配式的示范项目”的目标。
（图 4 调查数据分析结果）
4
户型设计定案
4.1 构建评价模型
在方案设计阶段，针对钢结构住宅设计特性，构建了方案评价模型，从舒适性、经济性、施工便利性、装配式可推广性四个方面共 57 项指标制定详细评分细则，综合评估方案品质。评价模型一共四个方面：使用功能与舒适性（E）、经济性（P）、实施便利性与可靠性（C）、标准化及推广性。其中居住品质和经济性是重点关注点。在权重系数设计时，舒适性和经济性权重高于其他两个（表 1 ）。
表 1 评价指标体系
4.2 方案比选
结合前期需求调研情况，方案设计团队仔细分析了场地和规划条件，在满足户型配比和功能要求的情况下，推出 4 种形式（“品式”“王式”“回式”“蝶式”）总计 16 套建筑平面（见图 5 ），从住宅品质、标准化程度、经济性等方面进行比选。综合比选后，“品式”“回式”“碟式”各选一个方案进行下一轮比选。
（图 5 户型平面生成图）
经比较分析，品式户型存在本层对视，对视距离约5~10m；蝶式户型环境不可控因素较少；回式户型内天井存在一定安全隐患，内走道受天气影响较大。户内功能区都存在不同程度的穿梁。各项指标对比情况如表 2/3/4 。
表 2 经济性对比
表 3 使用功能和品质对比
表 4 标准化程度
基于以上分析结果，最终确定综合指标较优的蝶式户型方案为最终实施方案（见图 6 ）。该方案具有以下 8 个特点：①体形方正，利于钢结构体系布置；平面紧凑，空间利用率高；塔楼最小间距为 30m 以上，对视影响小；②所有户型明厨明卫，采光通风良好，主要功能房间无遮挡，景观视野良好，公共区域能自然采光；③各房间尺寸合理，符合人体工程学；④结构形体规整，高宽比较小，结构稳定利于抗台风，舒适性好；⑤管线集中布置，方便管理与检修；⑥标准层仅设三种户型产品，户型种类少，利于标准化设计；⑦钢结构住宅结构构件面积比混凝土住宅小；⑧经过比较，采用钢结构体系可增加室内有效使用面积，提高系数达到 3% 。
（图6 实施方案标准层平面图）
5
标准化设计
标准化设计能够提高部品部件的标准化应用和集成化水平，实现从设计到建造、从主体到内装、从围护系统到设备管线全系统、全过程的工业化。通过部品部件种类的标准化、规范化，采用少规格、多组合的方法设计建筑产品，有利于提高建造效率、降低建造成本，可以实现建筑风格的多样性。标准化设计体现在平面标准化设计、立面标准化设计、构件标准化设计、部品部件标准化设计。其中，平面标准化的组合实现各种功能的户型，立面标准化通过组合来实现多样化，构件标准化要少规格、多组合，部品部件标准化要模块化、精细化。
（图 7 立面标准化局部示意图）
（图 8 平面标准化局部示意图）
5.1 模数标准化
对于装配式建筑而言，要实现四大系统的集成化设计，需要在模数协调的基础上。模数协调是进行标准化设计的基础条件，通过协调主体构件、围护墙板及门窗等、设备与管线之间的模数关系，优化各部品部件尺寸，提高标准化水平。
根据 GB/T 50002-2013 建筑模数协调标准，我国将建筑基本模数定义为 100mm （1M等于 100mm）并规定整个建筑物和建筑物的一部分以及建筑部件的模数化尺寸，应是基本模数的倍数。本项目采用 ALC 板作为墙体材料，其宽度为 600mm 。为保证体系具有通用性和代表性及丰富度，降低板材损耗率，项目以 3M 为模数进行设计，各功能区间的变量则以 300mm 为变化值进行改变。起居室和卧室的开间采用模数设计，厨房、卫生间设计符合对应模数协调标准。
建筑平立面设计时，充分考虑装配式建筑部品部件的情况。在平面上布置门窗洞口时，结合条板 600mm 宽模数来布置。同类房间宽度规格保持一致，门窗洞高度一致。外立面窗户分格、开启扇宽度保持一致。
5.2 平面标准化
5.2.1 模块化组合
住宅户型设计应该以人为本，注重合理舒适的空间尺度和空间划分、人性化的细节和功能性需求以及美学和艺术性的表现，从而为业主提供最佳的居住空间环境和服务体验。对于装配式建筑而言，根据功能空间的不同，可以将建筑划分为不同的空间单元，再将相同属性的空间单元按照一定的逻辑组合一起，形成建筑模块。单个模块或多个模块经过再组合，形成最终的建筑。本项目采用模块及模块组合的设计方法，将户型分为客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台模块，各模块遵循模数化标准设计，组合成为户型模块。不同居住模块和核心筒优化组合，组合成标准层，最后竖向延伸完成住宅塔楼设计。
（图 9 模块组合生成图）
5.2.2 平面规整性
传统住宅的平面设计以功能为主导，外轮廓凹凸变化较多，结构体系影响因素相对较小，能够充分适配各种建筑平面；钢结构住宅平面需要兼顾建筑与结构，在满足建筑功能的同时，要充分适配钢结构建筑特点，尽量规整，合理控制楼栋体形，有利于结构安全性和经济合理性。本项目在前期平面设计定案中，已充分考虑体形的因素，在设计时尽量选择矩形平面，以此为基础实现各功能。整个平面外轮廓设计齐整，减少凹凸设计，充分发挥钢框架体系特点。
5.3 部品部件标准化
项目通过“建筑结构一体化协同设计”的设计策略，实现了结构件标准化。钢柱外截面尺寸统一为一种（根据高度变化调整壁厚），塔楼钢梁截面控制在五种以内，主梁截面统一为一种。经测算，型钢构件应用比例超过 22% （重量比）。
围护体系方面，以外墙板为例，设计时以 600mm 为模数，各专业之间相互配合，用尽量少规格的墙板覆盖尽量多的建筑方案需求。在本案中， 150mm 厚的 ALC 板占外墙板比例达到 84% 。
（图 10 外墙板种类占比）
5.4 可变住宅设
设计坚持以用户需求为导向，结合钢结构大空间的特性，针对不同家庭的不同需求，提供同一户型下差异化的布局解决方案，体现 “可变住宅”和“可持续设计”的理念。钢结构体系之下，户型内均为无柱空间，隔墙可自由设置而不受结构体系影响，为未来的空间改造与提升提供条件，适应不同场景的需求。户型内部通过隔墙和家具的变化，实现一居室与两居室的转化，灵活变化的空间模式适应不同居住人数与功能需求。
（图 11 居住场景变化图）
6
性能设计
项目在设计时严格遵守国家现行标准对建筑使用性能、安全性能、环境性能、经济性能、耐久性能等方面规定，针对钢结构建筑特点和项目特性，重点开展高台风地区住宅舒适性分析、外墙防水抗渗等研究，提升整体居住品质。
6.1 台风高发区住宅舒适度控制技术
项目位于高风压区（50 年重现期风压 0.8kPa ），建筑高度近百米。台风作用下，住宅风振舒适度问题，更值得设计师重点关注，对结构体系的选择存在较大的影响。在结构设计时，考虑钢结构装配式住宅的属性定位，为更好地满足人们居住的舒适度体验，以期达到同混凝土建筑一样的居住体验感，结构顶点风致加速度（舒适度）限值统一按照《高层建筑混凝土结构技术规程》中的0.15m/s² 进行控制。为减少墙板开裂等质量风险，本项目结构层间位移角按 1/800 控制。
在结构体系初选时，提出了钢框架 -支撑、核心筒 -钢框架以及钢板剪力墙结构三种结构体系，采用盈建科软件分别对三种结构体系进行建模分析。三种结构体系舒适度均在 0.2m/s² ，能满足规范要求，但是只有核心筒-钢框架结构体系在 0.15m/s² 内，舒适度较好；钢框架 -支撑结构及钢框架 -钢板剪力墙结构体系虽大于 0.15m/s² ，但满足规范要求。
对比各项经济指标（表 5 ），钢框架-钢板剪力墙体系用钢量和混凝土用量最大，且施工较为困难，因此不作考虑。
表 5 不同结构体系指标对比
在第二轮比选中，设计对平面核心筒做出优化，改变核心筒剪力墙布置范围，核心筒剪力墙间更多采用框架梁、连梁，保证核心筒内采光及通风。优化后的计算比较如表 6 。
表 6 优化后指标对比
对于以上计算结果，设计团队委托专业机构广东省建科院对结构模型进行了风洞试验。根据风压反算 120mm 厚楼板时钢框架-支撑结构与核心筒-钢框架结构质心加速度，来验证结构体系舒适度。
根据风洞试验结果，在结构件尺寸相对合理的设计方案下，混合结构的顶点加速度为 0.147m/s² ，纯钢结构的顶点加速度为 0.164m/s² ，超过了 0.15m/s² 限值。
（图 12 风洞试验）
从施工便利性上来说，混合结构虽然增加了混凝土和钢结构的交叉流水作业，但免除了斜撑，在围护结构施工效率和质量控制上都具有一定的优势，因此最终选定了钢框架 -混凝土核心筒结构方案（见图 13 ）。
（图 13 项目最终结构方案）
6.2 外围护系统防水防渗技术
高层住宅外墙渗漏已成为当前住宅建设工程关键质量通病之一。本项目外围护体系基墙采用 ALC 条板，外饰面采用铝板幕墙，通过对重点部位有效处理，形成多重防水体系，提升整体性能。
针对 ALC 墙板与楼板、钢梁连接位置易发生开裂现象，项目通过各类节点的敏感度实验，确定实施方案。外墙 ALC 板与钢梁、楼板的节点连接选用滑动 S 板连接，能够在层间位移较大的情形下确保墙体变形控制在开裂临界值内。
为实现钢框架与围护墙板之间柔性连接，从材料和结构层面开展试验，相比于普通和单组份密封胶，双组份密封胶具有更好的施工便利性、粘接性能和抗裂性能。通过性能试验对比，双组份改性硅酮耐候密封（MS）胶位移追随性优异、耐候性强、粘接性广泛、味小无污染、可涂性好、施工效率高。经过综合比选， MS 胶替代硬质嵌缝剂，可有效提升墙板的抗裂性能。 ALC 条板间拼缝、钢柱与 ALC 条板间先用密封胶及砂浆封堵，不同材料交接处挂宽度大于 200mm 钢丝网，再用聚合物抗裂砂浆找平，涂刷 1mm 厚聚合物水泥防水砂浆。
铝板幕墙质量轻，外观效果好，具有良好的耐腐蚀性能，不易受到氧化、酸雨、海水等腐蚀，适用于湛江这种沿海地区。
（图 14 外墙防水体系）
（图 15 ALC板连接及实际施工情况）
7
结语
本项目在设计时充分考虑钢结构住宅特点，结合系统工程理论，融入“以人为本”和“绿色建筑”设计理念，以装配化建造方式为基础，统筹设计、生产、施工，充分发挥设计引领作用。设计过程采用“科学定案”“标准化”“性能化”等设计方法和手段，解决高层钢结构装配式住宅相关问题，形成一套相对完善的设计体系。经过专家技术评定，本项目认定为国标 A 级装配式建筑。
（1）钢结构装配式住宅需要寻找合适的平面布局，一味地以混凝土户型为基础进行修改，无法发挥钢结构的优势。在实践过程中，应从设计源头出发，寻找适合钢结构装配式体系的方案，能够起到事半功倍的效果。
（2）标准化设计是钢结构装配式建筑的关键，对后续生产、施工产生较大的影响。开展模数协调、平立面、部品部件等不同层级的标准化设计可以提高整个装配式建筑品质。
（3）钢结构装配式住宅要有产品化思维，需要对相关性能进行系统性控制。
文 /Article＞帅云静 李春田 温小勇 徐艳苗
作者单位：中建科工集团有限公司