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。
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方案概况
及效果
方案概况
●建筑性质：别墅
●建筑高度：10.62m
●建筑面积：412㎡
●设计创意：
传统融合现代，刚柔并济
●设计理念：
（1）绿色、活力
（2）新中式
（3）全龄化
装配式概念设计
●结构构件标准化设计：
热轧型钢、减少截面种类
●结构构件全螺栓连接：
梁柱连接
●干法施工楼板体系：
保证楼板刚性，减轻楼板重量
●单元体装配外墙体系
把更多工作放到工厂，减轻外墙重量
BIM多专业协同设计
●关键技术：
Tekla与Revit之间的数据转换
准确的MEP模型
●设计重点：
预制构件及连接节点族库的建立
全专业的模型整合与碰撞检查
节能与绿色建筑设计（绿建二星）
●设计依据：
《河北居住建筑节能设计标准》（DB 13(J)185-2015）
《绿色建筑评价标准》GBT50378-2014
● 绿建设计关键点：
建筑围护热工性能提高10%
可调遮阳措施，面积比例达到50%
预制构件比例达到50%以上
建筑材料选择，可再用，可循环
全楼设置新风和热回收装置
各项节能指标
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建筑设计
当代社会的典型
家庭结构特征
建筑功能设计的重点
●尊重多代家庭成员各自多样的生活方式
1.老年人：早睡早起、打打麻将
2.年轻人：睡懒觉、熬夜画图、私生活
3.儿 童：玩具堆成山、作业写不完
●家庭养老概念
1.无障碍设计：坡道，扶手和电梯
2.卧式尺度：轮椅通行，分床而睡
3.精神生活：养花遛鸟，旧物珍藏
提出两个时期的户型主题：Young Time（二人世界）& 阖家欢乐（三代同堂）
首层布局演变
Young Time（二人世界）：极致开放，南北连通。充分的多功能性为闲暇之余的畅快Party提供了可能。
阖家欢乐（三代同堂）：保持宽阔的首层空间，同时体现对老人的关爱，满足多代人的不同需求。
二层布局演变
Young Time（二人世界）：房中房设计，既可以在书房阅读，也可以会见贵客，观景露台使二楼可以直达室外。
阖家欢乐（三代同堂）：拆分房中房，仍保持夫妇卧室的私密，又提供个孩童一个独立空间。
出入户无障碍路线设计：室外坡道和室内电梯，保障老人可以乘坐轮椅从室外抵达房间内的任何一个角落，去露台观景，去屋顶种菜，全部畅通无阻。
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结构设计
3组试验的破坏模式：最外排螺栓附近梁翼缘板沿两边支承的塑性铰线出现撕裂，试件承载力出现明显下降，试验宣告结束。
循环加载试验结果
三个试件在破坏时的层间位移角均值为0.069rad，均方差为0.005rad，满足FEMA350对于特殊钢框架(SMF)极限层间位移角0.04rad的要求。三个试件在破坏时的层间位移角均值为0.069rad，均方差为0.005rad，满足FEMA350对于特殊钢框架(SMF)极限层间位移角0.04rad的要求。
三个试件的屈服位移、屈服荷载、极限承载力都非常接近，而且滞回曲线饱满，滞回环面积较大，表明节点具有良好的耗能能力和延性。
结构设计
核心技术 1:半刚性连接弯矩-转角计算方法
核心技术 2:半刚性连接框架柱的计算长度系数取法
依据节点转动刚度K和梁的线刚度i，修正得到等效框架梁线刚度ie
综上，依据节点转动刚度K和梁的线刚度i，修正得到等效框架梁线刚度ie，进而依据GB 50017-2017附录E（表E.0.2）确定柱的计算长度系数。
关键措施:建筑做法优化，降低自重，增加结构冗余度
本方案的抗震设计思路是:1）完善结构的抗侧力体系；2）降低结构的地震作用。双管齐下，保证结构体系在高烈度区的适用性。
单向抗侧柱组合
关键部位增设结构柱
截面信息
试验得到M-θ曲线
欧标 EN1993建议的节点初始刚度取法
刚接节点结构模型
●弱轴定义铰接
●强轴定义刚接
●钢柱计算长度系数程序自动计算
●考虑偶然偏心和双向地震
半刚接节点结构模型
●弱轴定义铰接
●强轴方向弹性转动刚度为22500kN·m/rad
●钢柱计算长度系数手算后再程序中定义
●考虑偶然偏心和双向地震
小震反应谱分析
振型周期与质量参与系数
质量参与系数在90%以上，半刚接框架的平动周期明显大于刚接框架，第一扭转周期二者基本一致。
层间位移角信息对比
层间位移比指标
两种结构Y向位移比均小于1.2。
两种结构X向位移比均大于1.2，但小于1.5，计算地震作用是考虑双向地震。
半刚接框架层间剪力及剪重比
刚接框架层间剪力及剪重比
刚接框架的层剪力和剪重比都大于半刚接框架。
两种结构的剪重比都不小于3.2%。
Push-over分析
为了对半刚性连接结构在进入弹塑性状态以后的抗震性能进行评估，本方案对半刚性连接模型进行了静力弹塑性分析。
基本信息
●采用Midas/Gen进行Push-over分析，考虑P-Δ效应；
●初始荷载工况为：1.0×恒载+0.5×活载；
●加载模式：均匀加载与模态加载取最不利，位移控制；
●铰类型：弯矩（M）-转角（θ）双折线模型。
●半刚性节点的M-θ全曲线如下图所示。
8度，0.20g，罕遇地震，设计地震分组为第2组，II类场地，阻尼比0.05 。
X方向Push-over曲线
Y方向Push-over曲线
性能点对应的Sa，Sd，V和D的数值
X方向性能点处的铰状态分布
以X方向为例，性能点处的结构层间位移角为1/99，满足规范要求，首层铰基本全出于屈服状态，二层小部分铰进入屈服状态，说明结构可以抵御8度罕遇地震作用，且仍具备变形能力和强度储备。
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外围护设计
装配式外墙体系设计过程中的难点
●共性问题
1）轻质高效复合围护产品及其配套原材料开发。
2）高效连接技术和产品。
3）围护结构的冷热桥断桥技术和材料。
4）防渗漏、防腐蚀、高耐久性拼缝处理技术和材料。
5）完善的标准体系和标准化产品。
●特定问题
与新型结构体系的配套问题。
新型单元体轻质外墙体系概述
在工厂把金属幕墙板与龙骨组成一体
●外墙通过龙骨实现钢材之间的螺栓连接，安全可靠。
●分层构造，内外板功能分开，互不影响。
●空腔设计，断桥、保温、防水，管线与结构分离。
抗弯性能试验
抗弯性能：挠度L/150时荷载1.13kN/m2＞规范0.5kN/m2
防火性能试验
耐火性能：60min时隔热性未破坏，未丧失完整性
隔声性能试验
隔声量为 47dB，满足国标规范中 45dB的要求 。
抗风揭性能试验
2.1kPa
2.8kPa
新型单元体轻质外墙设计
新型单元体轻质外墙技术参数
单元体外板构造：100厚岩棉复合铝镁锰金属幕墙板+龙骨（一般不超过30kg/㎡）；
内板材料：75mmALC条板；
隔声量: 47DB（检测验证）；
传热系数：0.35W/(㎡?K)（节能计算）；
耐火极限：大于2.0小时， A级不燃材料。
外墙排板设计效果
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方案总结
设计亮点
●创新情况
1）结构体系相关专利1项，软件著作权1项。
2）外墙体系相关专利3项。
3）结构设计方法相关学术论文2篇。
●扣题点
1）建筑创意突出，建筑设计实用性强。
2）多种材料可回收，体现可持续和绿色环保。
3）采用梁贯通式分层装配钢结构体系，减少人工组焊，标准化、工业化特点突出
4）新型单元体轻质外墙，减少现场人工作业，缓解用工供需矛盾，创新性和装配性强。
来源：钢结构设计
知识点：别墅方案设计
