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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一等奖，来自中国京冶工程技术有限公司、同济大学代表队的作品——“城市魔方”。 “城市魔方”。这个名字有多重含义：首先，这是一个由单体模块组成的建筑，建筑像魔方一样；其次，这个建筑可以根据城市需要快速的转换功能，可以是酒店可以是人才公寓也可以是创业办公楼，功能像魔术一样可变；最后，因为模块建筑可以快速拆装变化到另外一个场地，这个建筑是可以根据城市需要快速变化，体量也像魔术一样可大可小。所以说这是一个可以很好适应城市需要的魔方。 模块化可以快速拆装这一特点可以使得建筑快速适应城市需要，需求减少时可以减少院子直到最后只剩一栋高层；需求增加时可以通过增加裙房层数增加面积，或者整体增加裙房院子数量扩大建筑体量，直到最后成为一个建筑群，甚至成为一个功能复合的城市街区。 可持续建设展望 这是我们方案的生成过程，首先是像魔方单元一样的单体模块，这样的模块可以组成高层或者院子或者单列的房间，在组成院子的单体里我们通过退台的形式丰富建筑的体形变化，一方面可以很好体现模块这种建造特点，另一方面提供了很好的室外活动空间。在这样的基础上，我们先把模块组成一个高层单体，然后分部加入两个配套裙房，最后在裙房上增加退台和局部架空使建筑整合成一个整体。 生成图解 正一点透视 正鸟瞰 剖透视 人视点 把这个整体进一步拆解可以看到建筑的各个组成部分，主体高层的一二层考虑到单体模块因为运输原因高度只有3.3米难以满足大堂、会议等功能要求，采用钢结构框架结构用两层4.95米高的钢结构取代三层模块成为建筑底下两层的配套用房，主体高层因为高度原因全部用模块自我堆叠难以满足结构抗震要求，还植入了抗侧力钢框架，建筑外观也直接反应了这些抗侧力的结构构件。两个院子作为建筑的附属功能，其中一个完整方形的院子还考虑可以利用四周模块作为支撑在顶部增加钢结构的屋顶形成室内的多功能大厅。另外院子的退台、出入口处的架空模块、院子内的景观设计都是丰富建筑造型和完善建筑功能必不可少的部分。 在基本模块的基础上我们还增加了一个模块内部可变化的部分，通过一个可抽拉小阳台的加入，可以让单体模块很好适应季节变化，冬季是小模块闭合形成封闭的整体，夏季时小模块抽出提供一个半室外的小阳台，也增加了室内的通风散热。这样小模块的抽拉也可以很好的丰富建筑外观的变化。 模块类型分析 在绿色建筑方面，我们通过常规节能措施基本可以达到绿建二星的标准，另外进一步深化，通过高效冷热源设备、可再循环利用材料、灵活隔断等措施可以提高得分，达到绿色三星的标准。
在具体技术上方案设计时我们就采用室外风环境模拟进行方案优化，确定了庭院入口架空的模块数量，针对单元模块进行自然通风和采光模拟也进一步证实我们单体小模块抽拉可以很好的改善室内自然采光和通风效果。 采光系数 自然通风-模块1 自然通风-模块2 室外风环境-整体1 室外风环境-整体2 对于这样由基本模块单元组成的一栋高层和两个庭院，为了保证结构的规则性，设置抗震缝对整体结构进行分割。由于项目地处唐山市，抗震要求较高，因此引入具有专利技术的减震产品，形成减震结构体系。下面介绍针对多层裙房和高层主楼提出的两种不同的结构体系。
裙房部分属于低多层建筑，以承受竖向荷载为主，水平荷载较小，因此可采用全模块的结构体系。
当建筑位于地震高烈度地区，可在模块内合适的位置布置小型抗侧构件，以增强建筑的抗侧能力。本方案采用了具有耗能减震功能的波纹钢板剪力墙。波纹钢板墙一般由波纹钢板以及两侧的竖向边缘构件组成。波纹钢板墙有着不影响建筑功能空间、不易变形、耗能减震等优点。
主楼为高层结构，下面两层为满足建筑功能的层高需求，采用了钢结构框架支撑结构体系。而三层及以上的标准层都由标准模块和框架支撑核心筒两部分组成。为减少结构扭转，在南侧布置了两跨片状框架支撑结构，与北侧的核心筒相对应。所有支撑均为屈曲约束支撑。
本方案提出了将结构的竖向承载体系和抗侧体系分离的设计思路，将模块作为竖向承载体系，而抗侧刚度大的框架支撑结构作为主要的抗侧体系，形成一种新型的模块-框撑组合结构体系。
高层：模块-框撑组合结构体系 该体系荷载传递路径明确，构件承载效率优越，可有效减小结构构件尺寸，降低用钢量。本方案采用了具有消能减震功能的消能-承载钢支撑，进一步增强了结构的抗震性能。
模块间连接节点的具体构造，以角部连接为例。在梁端和柱端预先焊有连接件，连接件内设有加劲肋。连接板位于上下连接件之间，通过高强度螺栓连接。连接板上带有L形抗剪定位双功能键，双功能键在施工时能保证安装的精度，在服役时又能起到抵抗剪力的作用。类似地，还有侧面模块连接节点。 根据模块-框撑组合结构体系的受力特点，模块与框撑结构的连接节点应只传递水平力，不传递竖向力。本方案提出了一种新型的滑动连接节点，构造如右图所示。黄色部分为专门设计的节点板，蓝色部分为框架柱节点域内部设置的滑轨，节点板安装就位后卡在滑轨内，但可以上下移动。 模块连接-模块与框撑结构连接节点设计 展示下连接节点的安装流程，框架柱安装就位后，先吊装下部模块，然后安装节点板，最后吊装上部模块，节点安装结束。
计算得出整体结构的用钢量，项目用钢量64.72kg/m2。
方案创新点： 1.模块化建造。通过模块化设计实现100%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。 2.可变的建筑功能。平面设计多样，建筑可以在酒店、公寓、办公中灵活转换，并可以快速变化体量大小适应城市不同的需求。 3.连接节点研发。模块间连接节点采用的定位抗剪双功能键，在安装时提供定位，方便模块就位；服役时传递剪力，保证结构安全。模块与框架连接采用的水平传力节点，在释放竖向荷载前提下可有效传递水平力。 4.消能减震技术。体系中使用的波纹钢板剪力墙、消能-承载钢支撑具备消能减震功能，可以根据性能需求灵活选用，不影响室内空间的使用。
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