钢结构住宅外围护墙体构造设计研究

来源: www.daniulw.com 发布时间:2021-03-30 17:54
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
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 摘 要 在目前能源资源短缺以及环境危机的背景下,我国住宅产业向工业化方向转型是必要选择,钢结构住宅具有装配化程度高,强度高,自重轻,抗震性能好,以及可回收、污染少等优点,符合我国可持续发展的要求,但在钢结构住宅发展和推广的过程中依然存在许多问题,如:钢结构住宅造价相对传统住宅更高,钢结构体系缺乏策略研究、外墙体系依然不完善等。对外墙的开发与选择,一直是钢结构住宅体系建筑推广过程中的关键问题,针对这个问题,论文对钢结构住宅外围护墙体的构造做法展开研究,以期推动钢结构住宅的推广与发展。

 
  第一章:从本文的选题及背景出发,对国内钢结构住宅外墙的研究现状进行梳理,提出钢结构住宅外围护墙体存在着钢结构住宅外墙造价较高以及钢结构住宅建筑外墙实际工程中的存在“墙害”等问题,随后对研究对象进行概念界定,并确定了研究内容和研究方法。
  
  第二章:分别对国内外钢结构住宅的发展、钢结构住宅体系、外墙系统、新型墙体材料以及轻质复合外墙进行介绍,并对轻质复合外墙进行分类,将其作为下文构造研究的基础。梳理构造层面上满足外墙功能特性的物理原理,并结合钢结构住宅外围护墙体的设计原则,以此作为之后外墙构造分析的标准。
  
  第三章:对钢结构住宅外围护墙体的构成及复合进行梳理,其中包括基层、保温层、饰面层、防水层以及隔汽层。并从实际案例、成熟的图集以及相关规范中,整理钢结构住宅外围护墙体各功能层的材料以及各功能层的连接构造做法,也为进一步探讨外墙中出现的渗、裂、热等“墙害”问题以及外墙构造分析打下基础。
  
  第四章:对钢结构住宅外墙渗、裂、热等“墙害”问题进行研究,结合各类外墙构成及复合构造做法,找到不同类型外墙产生“墙害”的原因和位置,并对各类“墙害”的处理构造做法进行对比,将其作为下一步外墙构造对比的依据。按照钢结构住宅外墙设计原则,对预制复合条板墙、预制复合大板墙以及龙骨现场复合墙三类外墙进行综合比较,对比分析各类墙板的优缺点,总结归纳适合钢结构住宅的外墙类型及构造做法。
钢结构住宅外围护墙体构造设计研究
  
  第六章:总结。
  
  关键词:     钢结构住宅;轻质复合外墙;板材;构造设计。
  

  ABSTRACT

  
  Under the background of energy and resource shortage and environmental crisis, it is necessary for China's housing industry to transform to industrialization. Steel structure residence  has  some advantages, such as high degree of  assembly, high strength,  light  weight,  good  seismic  performance,  recyclable  and  less  pollution, which meets the requirements of sustainable development in China. There are still many problems in the development and promotion of steel structure residence: the cost of steel structure residence is higher than that of traditional residence;Lacking of strategic research on steel structure system, and the exterior wall system is still imperfect.;The selection and development of exterior wall panel is one of the key issues in the promotion of steel structure residential system. In order to solve this problem,  this  paper  studies  the  construction  of  exterior  wall  of  steel  structure residential to improve the core competitiveness of steel structure residential in the market.
  
  Chapter :ⅠStarting from the topic and background of this thesis, combing the research status at home and abroad, this points out that there are some problems in the  construction  technology  of  the  exterior  wall  of  the  steel  structure  residence, defined  the  research  object,  and  determined  the  research  content  and  research methods.
  
  Chapter  Ⅱ: This chapter mainly introduces the steel structure housing system, new wall materials, single material exterior wall and light composite exterior wall. The light composite exterior wall is classified as the basis of the later structural research.  This  paper  Combs  the  physical  principle  of  meeting  the  functional characteristics of the exterior wall on the structural level, and puts forward the design principle of the exterior wall of the steel structure residence as the standard of the construction analysis of the exterior wall.
  
  Chapter  Ⅲ: This paper combs the composition and composite of the exterior wall of steel structure residence, including the base course, thermal insulation layer, facing layer, waterproof layer and vapor barrier layer. From the actual cases, mature atlas and relevant specifications, this paper sort out the materials of each functional layer and the connection construction method of each functional side of the exterior wall of the steel structure residence. It also lays a foundation for further discussion of the "seepage, crack, heat "and other problems in the wall damage as well as the analysis of the external wall structure.
  
  Chapter  Ⅳ: In this paper, the "seepage, crack, heat" and other wall damage problems of the external wall of the steel structure residence are studied. To find the causes and locations of the "wall damage" of different types of external walls and the suitable construction treatment  methods  of various external  walls, this  paper combine  with  the  composition  of  various  external  walls  and  the  composite construction methods. According to the design principle of the exterior wall of the steel structure residence, this paper studies the construction methods of the three kinds  of  exterior  walls:  the  prefabricated  composite  strip  wall,  the  prefabricated composite large plate wall and the composite wall on the site of the keel. This paper compares and analyzes the advantages and disadvantages of various kinds of wall panels,  and  finds  out  the  types  and  construction  methods  of  the  exterior  walls suitable for the steel structure residence 。
  
  Chapter  Ⅵ: Summary。
  
  KEYWORD:  Steel  structure  residence;  Light  composite  wall;  Plate;Constructions design。
  

  1、   绪  论 

  
  1.1、  研究背景。
  
  中国目前是世界上人口最多的国家,并一直将解决人民的居住问题,提高人们的居住环境和质量作为政府最重要的工作之一。自改革开放以来,中国的住宅建设取得了长足的进步以及巨大的成就,但还存在有很大的发展空间。同时我们也必须认识到,我国住宅产业发展还面临着许多问题,如:住宅产业发展仍以规模速度为主,还处于依靠资金投入、土地增值、规模扩张的发展模式状态,技术产品尚未形成标准化、系列化、配套化的生产体系,住宅建设尚未摆脱传统建造方式;传统的住宅的生产建造方式造成了资源浪费和生态、环境破坏等问题,住宅产业高耗能、高排放、低效益、重污染的情况依然没有改变。
  
  我国住宅产业目前存在资源消耗高、能源浪费高、建设效率低、科技贡献低等缺点,可将其归纳为“两高两低”。我国的住宅建设单位能耗是西方国家的3-4倍,生产效率仅为发达国家的20%左右。科技对于住宅发展的贡献仅为31.4%,而发达国家是我们的2-3倍,按照国际惯例,科技贡献率超过一半,该产业才能达到集约内涵型的标准[1],由此可见,我国住宅产业要达到此目标,还有很长的路要走。与此同时,我国的住宅建设依然在快速进行,城市住宅建筑数量的日益增长必定导致能源消费的上升,传统的建造方式若不改进,甚至可能影响我国经济的可持续发展。要解决上述问题,我国必然要走住宅工业化发展之路。
  
  19世纪末20世纪初,欧洲为解决城市人口扩张而导致的城市住房供应不足问题,提出了住宅建筑工业化的概念,大力发展装配式住宅[2]。时至今日,住宅工业化在西方国家已经建设形成了一系列较为完整的体系,不仅要求批量建造、品质提升,也要求从城市规划以及历史继承等方面考虑问题,同时兼顾对环境以及资源问题的考虑。
  
  我国住宅工业化起步较晚,上世纪50年代,才开始了进行工业化探索,在此期间的发展道路漫长又曲折[3]。进入二十一世纪之后,我国住宅供应方式转为商品化,这种供应制度的转变对住宅工业化产生了巨大的影响。在全国各个领域提倡生态环保、绿色节能的环境下,住宅建设理念也开始朝着新型工业化的建造方式转变,其建造方式也开始由传统建造方式向工业化建造方式的转变,大大推动了住宅产业节能生态建设、资源循环利用和绿色环保可持续发展,并使其朝着工业化住宅的正确方向健康发展[4]。
  
  钢结构住宅作为住宅发展的新模式,与砖混和混凝土结构相比,无论从使用功能还是设计、施工,钢结构住宅都具有优势:有利于工业化、产业化的生产;强度高、自重轻;具有良好的抗震性能;空间布置更加灵活、实际使用面积变大;匀质、密封性好;可回收、污染少;符合可持续发展的要求等。在我国大中城市中,人多地少,而人们对室外绿地环境、建筑密度等等要求越来越高,因此较钢结构住宅是我国生产力发展到一定阶段的必然产物。
  
  我国钢结构产能过剩1950年以来,由于钢产量限制,我国民用房屋的建筑结构体系形成了以混凝土为主的格局,培养的专业人才也以混凝土结构方向居多,从而导致混凝土结构在近年来的装配式建筑建设发展中处于领先地位。
  
  然而,从我国近十年的钢产量发展来看,我国粗钢产量的增速趋于稳定,钢结构(由钢板、型钢、钢管、钢索等钢材,用焊、铆、螺栓等构件连接而成的重载、高耸、大跨、轻型的结构形式)产量的增长率呈持续上升趋势。据前瞻产业研究院《2018-2023年中国钢结构行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》以及智研咨询发布的《2020-2026年中国钢结构行业市场现状调研及投资前景分析报告》,数据统计,我国2018年粗钢产量达到了9.28亿吨,累计增长6.6%。
  
  2019年我国粗钢产量达到9.96亿吨,累计增长8.3%。根据我国近年来钢产量的发展情况,我国制定了多项鼓励民用建筑用钢的政策,钢材从“节约使用”转为“大力推广使用”。目前世界上发达国家中钢结构建筑占民用建筑的比例超过20%,美国甚至达到45%,相比之下,我国仅为5%。另外,据《中国钢结构建筑行业报告》数据,2019年我国建筑钢结构用钢6175.2万吨,仅占钢产量的6.2%,由此可见我国钢结构住宅有着很大的发展空间。
  

  

  
  1.1.2、 我国政策引导。
  
  1997年在中共十五大上,我国将可持续发展战略确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略。由于我国是一个人口众多、自然资源相对短缺、经济基础和技术能力仍显薄弱的发展中国家,实施可持续发展战略成为我国的必然选择,住宅产业的发展也不例外,因此发展装配式住宅,走住宅工业化道路,推动建筑产业现代化发展,是住宅可持续发展的重要方向。
  
  近年来,随着去产能的需要,中央相继出台了一系列政策以促进装配式建筑的发展,从而带动了国内的钢产量去库存。2016年9月,国务院常务会议决定大力发展装配式建筑包括钢结构建筑,以推动建筑行业结构优化升级。其后,在《关于大力发展装配式建筑的指导意见》等多个政策中,提出了用10年左右时间使新建建筑的30%为装配式建筑。同时明确了装配式住宅重点推进地区、积极推进地区以及鼓励推进地区,以推动装配式建筑“因地制宜”的发展,这标志着装配式建筑上升到了国家战略层面。2017年3月23日,住房和城乡建设部颁布了《“十三五”装配式建筑行动方案》等三项办法,明确提出:到2020年,全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上,其中重点推进地区达到20%以上。到2020年,我们将培育50多个示范城市、200多个工业基地、以及500多个示范工程。2020年5月,根据《住房和城乡建设部科学技术计划项目管理办法》,住建部将装配式住宅列入2020年科学技术计划项目申报重点支持方向。
  
  根据前瞻性研究院发布的《2018-2023年中国装配式建筑行业市场前瞻与投资规划深度分析报告》,到2018年,全国有30多个省市在政策上支持装配式建筑的推广与发展。其中22个省份已针对装配式建筑设定了阶段性目标,并将政策进行具体化,以落到实处。
  

  

  

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  1.1.3、市场从供应驱动转向需求驱动.
  1.2 、文献综述.
  1.2.1、问题提出
  1.2.2、国内研究
  1.3、研究范围及研究内容.
  1.3.1、概念界定
  1.3.2、 研究内容
  1 4、 研究的目的与意
  1.4.1、研究目的
  1.4.2、研究意义
  1.5、研究方法与技术路线.
  1.5.1、研究方法
  1.5.2、技术路线
  
  2、钢结构住宅及外墙系统
  
  2.1、国内外钢结构住宅发展概况
  2.1.1、国外钢结构住宅发展概况
  2.1.2、国内钢结构住宅发展概况.
  2.2、钢结构住宅体系概述.
  2.2.1、钢结构住宅体系
  2.2.2、外墙系统
  2.2.3、板材类外墙类型划分
  2.2.4、轻质复合外墙类型划分
  2.3、钢结构住宅外墙性能要求
  2.3.1、结构安全
  2.3.2、保温隔热
  2.3.3、密闭防水
  2.3.4、隔声性能
  2.3.5、防火性能
  2.3.6、装饰性能.
  2.4、钢结 构住宅外墙设计原则
  2.4.1、性能要求
  2.4.2、工业化程度
  2.5、本章小结
  
  3、钢结 构住宅外围护墙体构成及复合
  
  3.1、轻质 复合外墙功能层材料
  3.1.1、基层墙体.
  3.1.2、保温层.
  3.1.3、饰面层
  3.1.4、防水层.
  3.1.5、隔气层.
  3.2、轻质 复合外墙功能层连接
  3.2.1、基墙与钢结构的连接
  3.3.1、保温层复合.
  3.3.2、饰面层复合,
  3.3.3、防水层、 隔汽层复合
  3.3、本章小结
  
  4、轻质复合外墙构造设计分析
  
  4.1、“ 墙害”产生原因及位置分析.
  4.1.1、“墙害”现象
  4.1.2、“墙害” 产生部位
  4.2、潜在外墙“渗裂"分析.
  4.2.1、钢结构与墙面开裂.
  4.2.2、基层墙体.
  4.2.3、保温层.
  4.2.4、外饰面.
  4.3、外墙“热桥”处理构造
  4.3.1、钢梁钢柱
  4.3.2、基层墙体
  4.4、轻质复合外墙综合比较.
  4.4.1、性能要求
  4.4.2、工业化程度
  4.5、本章 小结.
 

  5.  总   结

  本论文从节约能源资源的角度出发,对比得出钢结构装配式住宅与传统砖混或钢筋混凝土住宅相比,在能源资源节约方面有明显优势。从我国钢产量、国家政策以及市场供需关系三方面阐述我国发展钢结构住宅的必要性。通过对钢结构住宅相关文献检索,确定我国钢结构住宅关于外墙构造的研究较少。

  通过对大量文献阅读及实际项目的搜集,找到我国钢结构住宅外墙的发展与应用存在以下两个问题:钢结构住宅外墙造价较高;钢结构住宅外墙存在“墙害”问题。尤其是“墙害问题”,更是外墙推广过程中的关键问题。因此要提升钢结构住宅市场核心竞争力,助力我国“百年住宅”的发展,就要完善钢结构住宅外墙体系,梳理外墙节点构造方法,探讨各类外墙“墙害”问题的解决方法,找到适用于钢结构住宅的外墙形式及构造方法,提高装配式钢结构住宅墙板标准化程度,推动各厂家、各种类外墙板构造体系化。所以在明确了目前钢结构住宅外墙存在的问题后,论文对钢结构住宅外围护墙体的构造做法展开研究。

  本文分别对国内外钢结构住宅的发展、钢结构住宅体系、外墙系统、新型墙体材料、轻质复合外墙进行介绍,并对市场上存在的轻质复合外墙实例搜集并进行分类,以此作为之后构造研究的基础。梳理构造层面上满足外墙功能特性的构造原理,并归纳钢结构住宅外围护墙体的设计原则,以此作为之后外墙构造分析的标准。对钢结构住宅外围护墙体构成及复合进行梳理,整理钢结构住宅外围护墙体各功能层材料以及各功能侧连接构造做法,并对钢结构住宅外墙“墙害”问题进行研究,分析“墙害”产生的原因,找到不同类型外墙产生“墙害”的位置,并对构造处理方法进行对比,找出各类外墙适合的构造处理做法。按照钢结构住宅外墙设计原则,对预制复合条板墙、预制复合大板墙以及龙骨现场复合墙三类外墙构造做法进行研究,对比各类外墙的特点,找出适合钢结构住宅的外墙类型及构造做法。通过研究,笔者提出以下结论:

  (1)骨架现场复合墙是更适合钢结构住宅的外墙形式,其在生产运输、安装施工以及后期维护方面都占有优势。在结构安全方面,龙骨内嵌式安装对结构刚度的提高更大,但也要承担结构形变带来的应力,相比较而言轻钢龙骨比木龙骨以及聚苯模壳更优;综合考虑外墙密闭防水、保温性能、防火性能以及装饰性能,骨架现场复合墙宜选用轻质饰面板做饰面层方面,外保温材料宜选择无机保温材料,保温材料外做防水透气膜,外饰面板与外保温之间宜做空气层,有利于排水,也有利于外墙内部空气流通。

  (2)预制复合大板墙装配化程度更高,整个墙板单元可以在工厂完全加工完成,大大提高了生产速度和质量,但在运输及现场安装时需要使用大型设备,同时由于其装配化程度高,现场涂刷弹性涂料饰面与大板较高的工业化程度做法不相适应,因此轻质饰面板或工厂预制成型的外饰面更适合预制复合大板墙。预制复合大板墙外挂安装,其自身形变较小,但墙板接缝处形变较大,因此在接缝处理方面宜采用构造防水与材料防水相结合的方式。为发挥预制大板墙装配化程度高的特点,可选择添加阻燃剂的有机保温材料进行自防水,不再做空气间层以及防水层。为适应大板墙“专款专用”的特点,应提高住宅外墙的模数化设计,尽量提高大板墙单元的使用次数。

  (3)预制复合条板墙通常采用内嵌的安装方式,其自身的缝隙较多,同时由于条板自身材料强度较低,因此在遇到较大结构形变时易被破坏。当外保温材料选择有机外保温材料时,饰面层开裂难以避免,选择无机保温材料时,施工难度较较大。另外预制复合条板墙生产运输以及安装施工较为便捷,但后期维护较为困难。预制复合条板墙是我国使用最广的外墙形式,考虑保温隔热、防水防火性能以及工业化程度,预制复合条板墙宜采用竖向条板,其保温材料宜选择加入阻燃剂的有机保温材料进行自防水,外饰面宜选择轻质饰面板,当选择涂料饰面时,应将立面分隔缝应与板缝结合设计,通过“露缝处理”来避免涂料饰面的空鼓现象。

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