外露式刚接柱脚「室内无露柱露梁的钢结构住宅预制外墙体系」

室内无露柱露梁的钢结构住宅预制外墙体系

詹耀裕1 唐雪梅1 赵娜1姜凯宁2

1. 润铸建筑工程（上海）有限公司, 2.河北晶通建筑科技股份有限公司

摘要:本文针对钢结构围护外墙的功能特点，提出具防水、防火、抗风、耐震、保温及节能环保性能的钢梁墙一体预制外墙体系，即室内无露柱露梁钢结构住宅外墙体系。对集约型装配住宅建筑室内空间进行优化，用具体实例进行对比分析，对主要的差异设计要进行介绍。

关键词：钢结构住宅 预制外墙 钢梁墙一体外墙

前言

钢结构具强度高、延性好，结构整体重量轻等优良的结构性能。钢框架，钢框架剪力墙结构常用于抗震建筑和高层建筑，外围护通常采用如玻璃幕墙、金属幕墙等轻质外围护墙体系，建筑成本高，节能设计也需投入相当高的成本，此类钢结构体系常用于办公建筑。目前已实施的为数不多的钢框架住宅，也多为采用外挂围护幕墙体系，存在室内露柱露梁的问题，即房间的角部梁、柱凸出，对于大户型的住宅或者办公建筑来说影响不大，但是对于中小户型的住宅，尤其是现阶段国家大力推广的经济适用房和保障性住房，面积小，层高小，凸出的梁柱不仅占用室内空间，使家具摆放和房间布置受到限制，降低空间利用率，而且使房间的舒适性和空间格局的美观性大打折扣，钢结构住宅的接受度较低，钢结构在住宅建筑推广较慢，钢结构外墙仍有不少重要问题亟需解决。

混凝土外墙可以很好的解决外围护防火，节能等问题。但外挂混凝土墙板的钢结构住宅，室内不可避免的梁柱突出，对成本、空间非常敏感小户型住宅，小房间内部是否可以保持平整、美观同时，又可保证二次装修不占用大量室内空间？为了解决这一问题，本文提出室内无露柱露梁的预制混凝土外墙体系——型钢梁之梁墙一体外墙板之钢结构住宅设计，目前项目设计、制作已全部完成，吊装施工也已基本完成，项目实施顺利，实际室内空间反应设计要求，效果良好。

1 项目成果介绍

本项目为河北晶通建筑科技股份有限公司承建的魏县异地扶贫搬迁低层与多层钢结构住宅建筑，其中1号楼及2号楼钢框结构，平面户型相似，总高7层，总建筑面积6110m2。

钢框架以中心支撑为抗侧体系，柱为矩形钢管截面，梁为H型钢截面，梁柱节点采用螺栓与焊接组合连接。楼板与外墙为混凝土板，混凝土外挂墙板采用预制装配形式，1号楼采用干式外挂墙板体系，2号楼采用梁墙一体外墙板体系。下表是1号楼与2号楼施工中的照片对比，1号楼开工先于2号楼，目前已封顶。

表1为室内装配现场效果，1号楼室外侧墙体平整，但室内侧梁、柱全部内凸，室内钢梁钢柱全部外露，后期还需要进行大量的防火材料及内饰板包覆作业；2号楼室外侧梁柱位置线条稍有凸出，室内侧梁、墙内缘平整。室内钢构节点位置等小部分外露，防火及内装作业较少。考虑室内使用空间影响较大，内凸出梁柱对于空间的占用，可能会引起住户使用上的不适感，2号楼梁墙一体外墙板较1号楼干式外挂墙板优势明显，不仅解决了室内露柱露梁的问题，而且减少了材料和人工，节约成本，是一种较为经济、具良好建筑围护性能的钢结构住宅。

表1 1号楼和2号楼的施工照片对比

1号楼（外挂墙板）

2号楼（梁墙一体外墙板）

外立面

外立面平整无线条

立面梁柱位置有凸起的线条

外墙室内侧

室内凸梁凸柱；需另设防火材料层

室内不凸梁凸柱；钢梁被混凝土包裹，不需另设防火材料层

山墙室内侧

室内可见凸起的梁、柱和柱间支撑；需另设防火材料层

室内不凸梁凸柱；钢梁被混凝土包裹，不需另设防火材料层

阳台室内侧

窗顶钢梁外露，需另设防火材料层

窗顶钢梁被混凝土包裹，不需另设防火材料层

下面以2号楼为例，详细介绍钢结构梁墙一体预制外墙体系深化设计过程中的关键问题。

2 钢梁墙一体外墙体系概念提出

2号楼原建筑平面设计如图1（a）.图1（b），按预制外挂墙板设计，外墙设置连接件悬挂于钢梁外侧。

建筑上，外框钢梁钢柱由于墙体外挂而凸出在室内，导致房间角部及天花板与外墙交接的部位凸角，观感较差，且占用角部面积。边户朝南的卧室还会因为床上方有梁，可能会给住户带来不适感,如图1（b）所示。

结构上，Y向设置了三道柱间支撑,于图1(a),C1户北卧外墙，两个C2户北卧隔户墙间，粗实线标记的位置。除中间一道可隐藏于分户墙内外，其余两道支撑分别位于东西山墙内侧，凸出在卧室空间，虽然可以用内装进行修饰隐藏，但会占用是卧室内一整面墙的空间，使用面积减少。

图1（a） 标准层建筑平面图（原设计）

为增加室内空间, 本文设计对2号楼进行了调整和优化，将东西山墙内侧的柱间支撑移至电梯井一侧的墙体中，同时取消中间分户墙处的柱间支撑。建筑外围的钢柱、钢梁沿平面外推至围护墙内，外墙板由原外挂于钢梁更改为钢梁嵌入外墙板，墙板与钢梁在平面投影线重合，按梁墙一体设计，室内梁、墙、柱内平齐，无露柱露梁，每户建筑空间节省大约为1个平米使用面积，总共节约28平米室内使用面积。如图2（a）、图2（b）所示，所有房间的面积方正无凸角，也大大提升了建筑室内空间品质。经分析，优化后的结构布置满足规范设计要求。

图1(b) 外墙剖面及节点图

图2（a） 标准层建筑平面图（优化后）

图2（b）梁墙位置调整图

2.1钢梁墙一体装配外墙分割设计

钢柱、钢梁与墙的相对位置调整确定后，开始装配构件设计分割。本栋建筑水平分割取每一楼层楼板标高处，如图3（a）。竖向分割时，考虑梁墙一体设计，当楼层两钢柱间梁与外围护墙板与形成一个装配预制单元，考虑安装便利性，在当楼层外框柱部位，设置独立包柱板，标准层装配构件单元板包括：梁墙一体无窗构件单元、梁墙一体平窗构件单元、梁墙一体飘窗构件单元、梁墙一体L型阳台板与包柱板单元组合，完成一个楼层的外墙围合线,如下图3（b）、图3（c）。作为公共空间或次要使用空间位置的外墙板，楼梯间和阳台的梁墙一体外墙板采用外平内凸的形式。

图3(a)墙板分割立面图

图3（b） 墙板分割三维示意图

图3（c） 梁墙一体外墙板单元 图3（d）包柱板单元

2.2 钢梁墙一体连接节点及铁件设计

外围护墙板承受墙板自身重量、风荷载和地震作用，不参于主体结构承载力分配，设计上要求与主结构体必须安全可靠的连接，且还需保证外墙板具有一定的刚体运动性，以适应水平荷载作用下的主结构体的变形能力。

梁墙一体外墙板与钢梁整体制作，钢梁与外包混凝土间设置连接栓钉，墙板钢筋锚入钢梁外包混凝土，使墙板上缘与钢梁形成一体，钢梁两端与钢柱采用焊接及螺栓组合连接，墙板下缘预埋接合铁件与下一楼层板连接（图4）。连接件之间设置长圆孔，形成平面内可滑移的支座，墙板按线支承滑动墙板模型简化计算。

1.钢梁；2.墙板内叶；3.墙板外叶；4.保温板材；5.楼板；

6.栓钉；7.FRP连接件；8.钢筋连接件；9.墙板结合铁件

图4 梁墙一体外墙板与楼板的连接节点

包柱板按点支承外挂墙板设计，设置4组连接铁件，如图5所示，上部角钢与钢梁上翼缘通过螺栓连接固定，下部角钢待包柱板位置调整好后再与钢柱焊接。安装施工时，先安装梁墙一体外墙板，后安装包柱板。

图5（a）包柱外墙板正立面 图5(b)包柱板背立面图

图5（c）包柱外墙板连接节点上端 图5（d）包柱外墙板连接节点下端

2.3 钢梁墙一体防火设计

钢结构住宅的防火设计发展钢结构住宅体系的重要环节，目前常用的钢结构防火措施有两种：

1）外包法：是用耐火材料把钢构件包裹起来以防御火灾，但缺点是占用的空间较大，施工麻烦。

2）喷涂法：是用喷涂料机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。根据涂层的防火原理。喷涂法除考虑施工周期、作业条件、材料耗费和二次装修等因素，综合造价较高。

本文采用的梁墙一体外墙板方案，钢梁被混凝土包裹，防火性能良好，现场不需再另涂防火涂料或外包防火板材。

不同方法的效果比较见表2。

表2 钢结构不同防火措施的效果对比

外包法

喷涂法

梁墙一体外墙板

实体外包

板材外包

薄型、超薄型防火涂料

厚型防火涂料

现场混凝土外包

钢丝网抹灰外包

防火石膏板外包

外观

室内露柱露梁

室内露柱露梁

室内露柱露梁

室内露柱露梁

室内露柱露梁

钢梁隐藏于墙体中

施工状况

湿作业，

效率低

湿作业，

效率低

装配式，

施工方便

涂刷施工

材料损耗大

喷涂施工

喷涂时污染环境，材料损耗大

同墙体吊装施工

占室内面积

包覆层厚不小于100mm，占用户内面积

包覆层厚不小于50 mm，占室内面积

包覆层厚不小于50 mm，占用室内面积

包覆层2~5mm

几乎不占室内面积，

包覆层30~50mm

几乎不占室内面积，

不占室内面积

耐火极限标准

0．5~3h

1.5h以下

0．5~3h

1.5h以下

1.5h~3h

0．5~3h

耐久性

耐久性强

会脱落，耐久性一般

耐久性好

易老化，防火性能随时间衰减

可靠性高，耐火性能衰减慢

耐久性强

钢梁埋置于混凝土板内, 混凝土层为钢梁防火保护层，楼板与梁墙一体外墙板预留现浇带，现浇层作为层间防火封塞。钢梁和外墙板一体于工厂一体成形，防火设计相对简化，耐火性能高。

2.4 钢梁墙一体保温设计

建筑外墙的保温结构形式主要分为内保温、外保温和夹芯保温。内保温的优点是造价低、施工简便，但是占用室内空间、二次装修时易被破坏且难以避免热桥的产生。外保温基本消除了热桥的影响，但是施工难度大（特别是高层），易开裂脱落，近年来由外保温材料起火引起的火灾事故频发。夹芯保温是将保温材料浇筑在墙体中，保温与结构同寿命，解决了外保温开裂、渗水、空鼓、脱落等工程质量隐患，混凝土内外叶层使夹芯保温层与火源基本隔离，夹芯墙防火性能甚优。

部分夹芯墙板设计，墙板周边及窗边保持混凝土贯通带，图6（a），邯郸属寒冷地区, 这些部位会在夹芯保温外墙上形成冷热桥，热桥部位容易形成结露，易造成墙体霉变。且夹芯墙内外叶因保温板隔离做作用，当室内外温差较大时，外内叶也会存在较大温差，周边贯通部位易出现剪切裂缝。本项目采用夹芯保温墙板，墙板由外至内分别是：60mm外叶混凝土、70mm挤塑聚苯板和80mm内叶混凝土，内外叶之间采用低传热FRP连接件连接。边缘及门窗洞口周边内外叶之间保温板贯通层(图6(b))，避免产生冷桥。

图6（a）混凝土贯通保温节点图 6（b）保温材贯通保温节点图

2.5 钢梁墙一体防水设计

传统建筑防水最主要的设计理念就是堵水，将水流可以进入室内的通道全部隔断以起到防水的效果。然而对于预制装配式建筑，导水优于堵水、排水优于防水，墙板接缝通常会设置三道防水，在接缝迎水面一侧（室外）嵌填密封胶，在接缝背水面一侧(室内)设置防水胶条二次密封，两道密封之间增加一道构造防水，横缝设置成外低内高台阶状，竖缝设置减压兼导水空腔，每隔若干层，在十字接缝部位的竖缝上端，设置导水管作泄水处理。

预制外墙板的防水胶条目前大多采用粘贴的方式，施工时墙板与胶条接触面需干燥清洁，不仅施工等待时间长，而且粘接的胶条在自重及外力作用下易剥离脱落，如图7（a）所示，达不到防水效果。

本项目采用防水胶条预嵌技术，将带有“T”型预嵌体的胶条（图7(b）所示）事先与钢模固定，使胶条的预嵌体浇筑在墙板内，与墙板混凝土锚固结合，连接的可靠度高，耐久性好，不容易脱落，防水效果好。

图7(a) 防水胶条脱落 图7(b) 预嵌防水胶条 （专利号ZL201620591632.4）

本项目将三道防水，密封胶、减压腔及内侧密封胶条集中设置在夹芯墙板的外叶层，为完成三道防水设计，外叶边缘加厚，如图8，各层板之间竖向防水缝连续。

图8 梁墙一体外墙板在楼层间及与包柱板的接缝防水详图

结束语

钢结构住宅也是装配建筑体系中的重要形式之一，本文提出了一种用于钢结构住宅的新型外围护体系——型钢梁之梁墙一体外墙板体系，综合考虑外墙结构安全、耐久性能，防火、保温、防水及装饰效果，设计上发挥了混凝土材料良好的耐火性能，钢梁由混凝土包覆层包裹，防火性能良好；楼层间不需另行防火封塞，节约材料与工序，钢梁与混凝土墙板在工厂模台上一体成型，整体吊装，提高了制作和安装效率，缩短了施工工期；项目目前已安装顺利进入收尾阶段，室内达到不露柱露梁效果，室内空间简化、建筑品质得到提升，效果令人满意，梁墙一体钢框架外墙体系对于小户型钢结构住宅建筑外墙设计尤为适宜。

（注：型钢梁之梁墙一体外墙板设计应用由润泰集团提出，发明专利号ZL201610116410.1；外叶预嵌胶条挂件专利号201821648834.3）

第一作者：詹耀裕，男，1961.01.01出生，润泰集团-上海润铸建筑工程总经理。1989年毕业于国立中央大学土木工程研究所结构组。毕业后任职润泰营造、润弘精密工程。1999年获营建署颁『杰出营建自动化工程专业人员奖』；2004年『台湾建筑金奖』之921地震教育园区预力预铸结构负责人；2009年获国立中央大学土木系颁『杰出系友奖』；2013年获中国混凝土协会（CCPA）颁『优秀总工程师奖』；. 2017 年获中国『华夏建设科学技术奖一等奖』， 2018 年获中国 CCPA 苏博特杯技术革新二等奖。 2018 年获中国 CCPA 颁『优秀科技工作者』称号实用新型专利共15项。

已刊登 混凝土世界 总119期 2019.05