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【案例解析】全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛一等奖——钢的藤蔓

【案例解析】全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛一等奖——钢的藤蔓

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01建筑方案设计


创新点


抽屉?住宅?模块单元?


优势


1)实现模块单元与承重结构分离;2)建筑形态可变。


外部形体(三层空间)


收缩模式:1)减小体型系数;2)减小通风面


展开模式:1)增大通风面;2)提供活动场地



内部空间(三层空间)


可移动的墙体:根据冬夏保温节能需求,轻松实现空间的开合变化。



效果图


可移动模块18个,占比39.1%。


南立面图


日照分析


场地内设建筑基本不受遮挡,采光环境较好。


场地夏季冬季日照阴影范围


太阳能分析


一年中较明亮的阶段持续3.5个月,从4月14日到7月29日,每平方米平均每日入射短波能量超过5.8千瓦时,因此太阳能资源丰富,可以利用太阳能资源实现降低能耗。



太阳能节能技术


多晶硅太阳能光伏,正南39度,占地100平米。



充分集蓄太阳热能,采用PVSYST计算,有效转换能量18553kWh。



能耗计算


能耗模拟分析采用PKPM-Energy进行能耗建模分析,总能耗118376.33kWh,利用太阳能光伏技术,有效降低全年能耗的15.7%。




风向分析


夏季——东南风为主


冬季——西南风偏南


夏季气候分析


6、9月不舒适时间主要集中在下午及夜间,7、8月不舒适时间主要集中在上午。


较强太阳辐射时间点所对应的室外温度大都超过舒适温度范围,对室内温度的上升有较大影响,因此会增大空调制冷能耗,需考虑节能设计。


夏季节能策略——拔风筒


冬季气候分析


冬季太阳辐射强度较低,气候环境不能满足人体舒适要求。采暖能耗过大,需要考虑节能设计。


冬季节能策略——阳光房


02结构方案设计


结构设计方案——模块-钢框架复合结构体系


结构特点


1)模块建筑是装配式建筑的最终产品,代表了建筑工业化的最高技术水平;


2)钢框架作为承重体系,加入可自承重的预制模块,可加快施工速度且保证钢结构整体安全;


3)利用在框架梁处的滑动轨道实现模块可滑动功能,便于后期结构维护,易于更换。


项目概况



设计依据


国家、行业及当地颁布的现行设计规范、标准及规定:《钢结构设计规范》(GB50017-2017)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)。


结构设计使用年限:50年


结构安全等级:二级


大气环境腐蚀程度等级为C3;


地面粗糙度C 类、基本风压0.35kN/m2,基本雪压0.4kN/m2。


地震设防烈度为8度(0.2g),设计地震分组为第2组,场地类别为Ⅱ类,特征周期0.4s;建筑抗震设防类别:标准设防类(丙类) 。


构件信息


材料选用Q345B,框架柱与模块柱采用矩形钢管截面,框架梁、框架次梁、模块梁和模块次梁采用H型钢截面。


普通模块单元


建立模型


采用MIDAS软件对建筑结构进行分析,得到结构主要的控制参数。




思考点:


1)冬季模块未悬挑,故按照正常模块结构进行建模;


2)夏季结构模块有悬挑,采用悬挑板来模拟模块结构,板周设置模块梁。


静力分析结果


采用MIDAS软件对建筑结构进行分析,得到结构主要的控制参数:


展开模式:梁单元最大应力为214.8MPa<315MPa


收缩模式:梁单元最大应力为214MPa<315MPa



风荷载受力分析



地震荷载受力分析



分析结果一



所有位移角均小于规范所规定的层间位移角限制。


分析结果二



所有位移角均小于规范所规定的层间位移角限制。


梁柱节点设计


1)下栓上焊的连接方式方便安装,加快装配速度;


2)外环钢板方便与梁外伸翼缘连接。



滑动节点设计


滑轨节点1


滑轨节点2


固定装置1


固定装置2


通过滑轮实现模块的滑动,通过定位螺杆实现模块的精准定位。



带轨道钢梁验算


使用ABAQUS软件对带轨道梁的强度以及挠度进行验算:


模块移动较为缓慢,可近似将轨道作用在钢梁上的荷载简化为均布面荷载;


最大应力为82.35MPa<315Mpa,满足要求;


钢梁最大挠度为9.14mm<L/300=20mm,满足要求。



03围护方案设计


围护结构设计要点



围护体系设计



04施工组织流程


对于装配式建筑来说,合理的现场装配顺序为工期提供了保障,将BIM模型导入到施工模拟的软件中,并结合编制好的施工计划,便可以将施工时的安装顺序可视化。


一层施工流程

•绿色半透明部分表示正在进行的任务


三层施工流程


05结论


1.模块化建造


•超过90%的装配率


•现场施工周期可缩短50%以上


•模块钢结构的框架加工、围护制作、管线安装甚至于精装修均已在工厂制作,然后再将制作好的单元运输至现场拼装


2.模块可滑动


•滑动轨道


•定位节点


3.被动式节能技术


•夏季:拔风筒


夏季通过拔风筒吸走热空气,流入冷空气从而减低夏季制冷能耗


•冬季:阳光房


冬季对冷空气加热,并利用连接通道传输到各个区域,降低冬季采暖能耗


4.双模式居住


•冬季采用收缩模式


•夏季采用展开模式


(责任编辑:奚雅青)


延伸阅读:

由木材“接管”的可持续城市 看国外钢结构模块化施工及其在中国建筑业中的应用 绿色创意,沙漠里的模块化木屋建筑

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