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二十二冶杯 2018全国钢结构 装配式建筑设计 由唐山市政府、中国钢结构协会主办的“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛于2018年12月29日圆满结束。此次竞赛以“创新、梦想”为宗旨，以“绿色唐山•创意钢构”为主题，旨在通过加强设计理念与钢结构建筑的融合互动，提高区域制造业的供给能力，推动唐山市工业提质增效，转型发展。中国钢结构协会对参赛项目的申报材料进行了初评，最终产生了来自全国30多个单位的23个作品参加决赛。 钢结构公众号将对部分获奖作品进行报道，本期为大家介绍的是荣获“二十二冶杯”2018全国钢结构装配式建筑设计创新竞赛三等奖，来自天津大学代表队的作品——Share Stay 644。 01 建筑设计方案 你不必成为房奴，不必一个人在大城市中觉得孤单。
大城市的高房价催生了一种新型住所——共享居住空间。我们将这次的设计主题取名为share stay 644 share stay 644高15层，有644户住在这裡。这是一种被称为「共居」（co-living）的新房产模式。 效果图 效果图 效果图 首层平面图，除去建筑中庭有趣的空间外，建筑外部也设计了相应的配套景观。设置多个出入口满足住客的需求。 平面图 对于标准层的设计，公共分享区用于不同的功能，比如图书馆，餐厅或是电影厅。公寓标准配备洗手间，厨房，以及阳台等生活必备的功能分区。中庭可以看到一层的景观，放松心情。 平面图 从剖面图也可以看出中庭的特色空间。并且对于公寓我们使用了逐步退台的设计，分成不同的公寓空间。将退台留作部分的公共空间或是增大楼上的阳台空间。 剖面图 体块生成图 公共区域分析 热环境分析
风环境模拟分析： 唐山市夏季风向频率与平均风速如图所示。 夏季以东风及东南风为主，平均风速2.2m/s。主导风向为东南风，合计风频约为15.2% 唐山市冬季风向频率与平均风速如图所示。 冬季主导风向为西南风偏南， 平均风速2..92m/s，合计风频约为17.5%
场地风环境模拟参数设置 ●场地周边地势平坦，局部受东侧小区遮挡，自然通风条件较好。夏季主导风向设为东南，平均风速2.2m/s，考虑设置合适的自然通风廊道，并减少风影区涡流对人行活动区自然通风的不利影响。冬季主导风向设为西南风偏南，平均风速2.29m/s ，考虑利用建筑本身或场地景观要素设置合适的风屏障，保证室外人行区域（高度1.5米处）风速小于5m/s，避免强烈低温气流不利影响。
●综合考虑该项目周边建筑群密度，主干道走向和唐山市整体主导风向和风速，对夏季和冬季室外风环境进行模拟分析，优化规划和建筑设计。
场地夏季风环境模拟结果 场地夏季距地面1.5m高处风速大小分布： 由于东及南侧建筑群的存在，风速大小从2.3m/s左右降低到0.3m/s到0.9m/s之间，建筑室外人行区风环境较好。
静风区分析 场地夏季近地面1.5m高处局部风速分布，由于既有建筑遮挡，局部存在风速小于0.2m/s的静风区和无风区（红色外区域），但分布比例不大，且多处于设计场地外。分布于场地西侧的微小静分区将通过树木景观加强室外遮阳，以保证室外人行活动区风速较小条件下的热舒适度。 场地处于东侧居住区多层建筑风影区内，风速减小到0.6m/s-1.2m/s，对建筑的开窗自然通风有局部影响，立面设计适当加大了通风口面积，以保证自然通风有效性。 场地冬季风环境模拟结果 场地区域冬季主要室外人行活动场地距地面1.5m高处风速分布 风速评估 场地冬季主要室外人行活动场地距地面1.5m高处风速大小分布（冬季开阔地按3.9m/s计算）：A区域风速：0.4m/s-1.0m/s；B区域风速：0.2m/s-1.0m/s； C区域风速：1.9m/s-2.2m/s ;D区域风速：0.8m/s-1.7m/s。均满足《绿色建筑评价标准》中小于5m/s 场地冬季东西垂直截面上风速分布：基地内建筑为东侧居住区局部建筑提供了形成了较好的冬季风屏障。风速由2.3m/s减小到0.3m/s。基地内建筑背风面的风速均有明显降低，大多处于0.1m/s-0.7m/s。 场地冬季主要室外人行活动场地距地面1.5m高处流线分布，人行活动区域涡流不明显。
场地光环境模拟分析 全年太阳阴影分析 场地全年日照阴影范围：场地内设计建筑基本不受周边建筑遮挡。 大寒日正午太阳阴影分析 场地冬至日(12月22日)正午阴影范围： 场地内设计建筑不受遮挡，采光情况较好。
居住单元室内亮度分析 居住模块室内生活区亮度达到1900cd/㎡，具有较好的采光。
居住单元室内照度计采光系数分析 根据《室内采光设计标准》规定，住宅建筑的卧室、起居室（厅）的采光不应低于采光等级Ⅳ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于2．0％，室内天然光照度不应低于300lx。 ● 由分析结果可知，室内0.75高度分析面的生活区照度值满足大于300lux的要求。 ● 51.7%面积一半以上的时间只需自然采光即可满足需求。其中桌面及床面全年照度值处于500lux—2000lux之间。 ●冬至日正午0.75m标高处主要生活区的采光系数大于3%，根据《室内采光设计标准》规定达到三级采光等级。 ● 窗地面积0.35大于1/5得8分（绿色建筑评价标准）。
能耗模拟分析 ●能耗模拟采用依托Rhino平台的Honeybee插件，调用外部Energyplus进行计算，模拟模型分层处理，同一使用功能的空间处理为单一zone。 ● 由全年总负荷（冷负荷+热负荷）图可以看出，北向建筑以及顶层建筑耗能稍大，全年最大值达到约80kwh/meter²。 ●内部共享空间能耗相对较低，约处于5kwh/meter²-22kwh/meter²之间。 ●西侧居住单元夏季冷负荷较大，通过布置绿色庭院空间，加强自然通风及遮阳效果，可有效降低能耗。 ● 通过对于外墙保温性能以及气密性的改善，冬季热负荷以及夏季冷负荷得到降低，但顶层仍需特殊处理。 Annual total thermal load(cooling + heating) 02 结构设计方案 模块建筑是将传统房屋以单个房间或一定的三维建筑空间为建筑模块单元进行划分，其每个单元都在工厂内完成预制且进行精装修，单元运输到工地进行装配连接而成的一种新型建筑形式。 •结构组成上的特点：由若干个的稳定且自承重的空间子结构组成，通过适当方式沿竖向和水平方向的拼接，最终形成完整结构体系。•建造方式上的特点：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。 模块-钢框架(支撑)混合结构体系 •模块单元自身构件不连续，相同截面条件下抗侧能力相对有限，因此高层模块建筑选用模块-钢框架（支撑）混合结构体系提高整体抗侧能力。 项目概况 本项目为高层单元式公寓。无地下室，地上11层局部15层，结构主体高度48米，建筑面积约为33013平方米。结构体系为钢框架支撑和钢模块混合体系。中庭与L型角部为钢框架支撑结构，居住单元为钢模块结构。 设计依据 1.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》（GB50017-2003） 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010） 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012） 《建筑地基基础设计规范》（GBJ50007-2011 2.结构设计使用年限：50年； 结构安全等级：二级； 3.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； 4.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) 。 采用Midas软件对建筑结构进行分析，得到结构主要控制参数。 结构模型示意图 构件信息 •框架梁、柱、支撑等主要构件钢材采用Q345型钢，龙骨及辅助钢构件采用Q235型钢。 •框架柱采用矩形钢管截面，框架梁采用焊接H型钢截面，支撑采用矩形钢管截面，模块单元采用矩形钢管截面。 采用MidasGen 建立空间有限元模型进行分析计算，如图所示。梁和柱采用梁单元模拟，支撑采用桁架单元模拟。模块单元柱底约束为铰接，框架柱底约束为固接。 模块单元间连接：每一楼层设置两道梁，分别为上层模块的低梁和下层模块的顶梁。上、下层模块梁柱节点分别向下、上延伸一短柱用以模拟角件和连接件，并提取短柱的受力进行连接件的强度分析。偏安全的将两个短柱的交点设置为铰接节点，并连接下层模块间的节点来模拟模块单元间的连接。 设计结果 表1 结构自振周期（Midas计算结果） 周期比T3/T1=0.76＜0.85，满足规范要求 表2 结构振型质量参与系数（Midas计算结果） 质量参与系数均大于90%，满足规范要求 节点设计 模块单元间连接件分为4部分：连接板部分、上旋转件部分、下旋转件部分和螺母部分。 角件设计 角件上下开洞的作用是将连接件插入角件中进行连接，四周相邻两面口便于旋转工具旋转连接件。 连接件验算 1. 轴向拉力 连接件的设计满足承载力要求，连接件可以做到在多遇地震下保持弹性，在罕遇地震作用下不屈服。 连接件安装顺序 基础设计 模块柱基础采用便于预制和吊装的柱下独立基础，当地质条件较差时可采用其他基础形式以减小地震作用和防止沉降。 模块柱基础设计方案 框架柱与基础连接采用锚栓螺栓连接，属于环保快捷的干作业模式。框架柱柱脚出地面做法如图所示。 框架柱基础设计方案 03 维护体系 钢结构住宅外墙的独特性能需求： 1、外墙板结构具备高耐久性，与主体同寿命； 2、良好的防火性能、隔声性能、防水性能、热工性能; 3、钢结构体系变形大，小震下允许层间位移角1/250，要求外围护体系具备高变形适应性; 4、钢结构住宅的优势是自重小，建筑外墙宜轻量化。 ALC板安装节点 模块单元节点 04 施工组织 施工技术 模块单元采用钢框架结构，由角部的4根模块柱、底梁、顶梁以及次梁构成，外侧墙体采用波纹板。根据建筑功能的要求，项目共采用三种不同尺寸的模块单元，在满足建筑方案和结构受力合理的情况下尽量规则并减少模块单元种类。 吊装顺序 在建筑体系组装和安装方法上，把整个模块-钢框架支撑体系分解成若干个模块单元和钢框架，吊装施工分层进行。首先按照工序进行钢框架施工组装，然后组装模块单元，可多个模块单元同时从L形角部向两端进行组装，扩大了施工作业面，缩短了组装周期；采用分段立体式组装，有利于安装质量的控制和提高。 模块单元制作 模块单元在工厂内进行粗加工，在流水线上加工模块单元的骨架，一天可以生产约3个模块骨架。 （模块就位、水电装配、内部装配、内部配饰） 管线排布 进行完粗加工后，对模块单元内部进行管线安装和内部装修，一天可完成5个模块单元的精装修，最后达到现场安装后不需要进行二次装修的水平。 模块内部装修 对模块建筑内的管线进行拼接，模块单元内效果及走廊效果如图所示。 模块单元运输 一辆运输车上装有2个模块单元，运输高度满足限高4.5m，限宽4.5m的要求。 （选择运输车、合理规划路线、满足公路限高） 现场吊装 模块单元需要按照指定的安装顺序在现场进行起吊，吊装完成1个单元需要约25分钟。 模块单元就位 设计的连接件在现场安装方便，操作简单，吊装时精准度高，对工程的快速安全施工起到了关键作用。 现场安装 项目的模块单元吊装共用时3个月，后续对建筑进行防水和外延的施工即可。 （单元编号、随运随走、定位放线、复测连接件确保安装精度、对接线路、完成外装饰） 05 方案总结 1.模块化建造。通过模块化设计可实现超过90%的装配率，现场施工周期可缩短50%以上，可提高施工质量，具有很强适应性和扩展性。建造方式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.建造层数及建造速度。推广了模块建筑在高层中的应用，一层楼46个模块同时吊装作用下，一天可以完成一层的模块吊装，3个月即可完成模块建造工作（包括内部装饰），在施工现场整洁干净,无噪声,无需脚手架;作业面很小,作业环境干净、简单、安全、环保,人海战术不再出现;劳动强度低,机械化作业率很高。 3.建筑多样化。使用模块-钢框架支撑混合结构体系既提高了装配率缩短了工期又避免了纯模块在高层建筑抗侧能力弱的弊端，增强了体系整体抗侧能力。 4.节点形式。使用旋转式角件连接节点，主要传递剪力和拉力，操作较为简便，更易实现快速拼接。 旋转式角件连接节点
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