装配式钢结构被动房在岛礁工程独立房屋中的应用探讨.pdf

2 0 1 8年 第3期 海洋开发与管理 6 7 装配式钢结构被动房在岛礁工程 独立房屋中的应用探讨 商亦蓝, 高屹 海军后勤学院 天津 3 0 0 4 5 0 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 - 3 0; 修订日期 2 0 1 8 - 0 2 - 0 6 作者简介 商亦蓝, 硕士研究生, 研究方向为新型结构 摘要 装配式钢结构被动房是一种新型的节能环保建筑, 具有轻质高强、 施工快捷简便、 抗震性能 好、 对环境影响小等许多突出优点, 因而在独立房屋等岛礁建筑上有广阔的应用前景。文章对装 配式钢结构被动房的概念进行了简要介绍, 对其优点进行了针对性分析, 并在此基础上提出了装 配式钢结构被动房在岛礁独立房屋中应用的设想; 针对岛礁的特殊地理位置和恶劣的环境特征, 从运输、 施工、 使用和维护4个环节出发, 讨论了装配式钢结构被动房在岛礁工程实际应用中应注 意的运输困难、 能源匮乏、 锈蚀严重、 台风多发等主要问题, 并给出了装配式轻钢结构体系结合模 块化、 小型化运输的整体方案和锈蚀防护、 冷桥阻断等构造措施。 关键词 独立房屋; 装配式; 钢结构; 被动房; 岛礁工程; 应用探讨 中图分类号TU 3 9 1; P 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 5-9 8 5 72 0 1 80 3-0 0 6 7-0 5 P a s s i v eH o u s e i nI n d e p e n d e n tH o u s eo fR e e fE n g i n e e r i n g S HAN Gy i l a n,GAOy i I n s t i t u t eo fN a v a lL o g i s t i c s,T i a n j i n3 0 0 4 5 0,C h i n a A b s t r a c tT h ef a b r i c a t e ds t e e ls t r u c t u r ep a s s i v eh o u s ei san e wt y p eo fe n e r g ys a v i n ga n de c o - f r i e n d l yb u i l d i n g .I th a sm a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha sl i g h tw e i g h t,h i g hs t r e n g t h,q u i c k a n ds i m p l ec o n s t r u c t i o n,g o o ds e i s m i cp e r f o r m a n c ea n d l i t t l e i n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n tw h i c h l e a d t oab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h ec o n s t r u c t i o no fr e e fb u i l d i n g s,s u c ha s i n d e p e n d e n th o u s e . T h i sp a p e rg a v eab r i e f i n t r o d u c t i o no f t h ec o n c e p to f f a b r i c a t e ds t e e l s t r u c t u r ep a s s i v eh o u s ea n d a n a l y z e dt h e a d v a n t a g e s o f i t . O n t h i sb a s i s,t h e i d e ao f i t s a p p l i c a t i o n i n i n d e p e n d e n t h o u s e s o n t h e r e e f sw a sp u t f o r w a r d . A c c o r d i n g t o t h e s p e c i f i cg e o g r a p h i c a l l o c a t i o na n db a de n v i r o n m e n t a l c h a r - a c t e r i s t i c so f t h er e e f s,t h em a i np r o b l e m st h a ts h o u l db en o t i c e di na p p l i c a t i o nw e r ed i s c u s s e d f r o mf o u r d i f f e r e n t a s p e c t st r a n s p o r t a t i o n,c o n s t r u c t i o n,u s e a n dm a i n t e n a n c e . T h e s ep r o b l e m s i n - c l u d e dt r a n s p o r t a t i o nd i f f i c u l t i e s,l a c ko f e n e r g y,s e v e r e r u s t,t y p h o o n s a n ds oo n . M o r e o v e r,t h eo - v e r a l lp l a n o f a s s e m b l y l i g h t s t e e ls t r u c t u r e s y s t e m a l o n g w i t h m o d u l a r a n d m i n i a t u r i z e d t r a n s p o r t a t i o na n ds t r u c t u r em e a s u r e s l i k e c o r r o s i o np r o t e c t i o na n db r e a ko f c o l db r i d g ew e r ep r e s e n t e d . K e yw o r d sI n d e p e n d e n th o u s e,F a b r i c a t e d,S t e e l s t r u c t u r e,P a s s i v eh o u s e,R e e f e n g i n e e r i n g,A p p l i - c a t i o nd i s c u s s i o n s 6 8 海洋开发与管理2 0 1 8年 1 引言 近年来, 岛礁及其海洋权益日益被人们所重 视, 小型无人岛礁的开发建设也逐渐提上日程。与 内陆的传统建筑不同, 岛礁的特殊地理位置和严酷 环境特征给独立房屋等基础设施的建设带来了新 的问题和挑战。 近几年来逐渐兴起的装配式钢结构被动房十 分适合应用于岛礁工程中, 但目前仍缺乏相应的研 究和工程实践, 需要结合岛礁工程背景和独特环境 特征对装配式被动房在岛礁工程中的应用进行探 讨, 并提出针对性的解决策略。 2 装配式钢结构和被动式房屋的概念 装配式钢结构是指预先在工厂内依照标准的 规格将钢材制作成建筑单元或部件, 之后运输至施 工现场进行装配, 最终组成完整建筑的结构。与传 统的结构形式相比, 装配式钢结构具有空间设计灵 活、 集成化程度高、 自重轻、 承载力高、 建造周期短、 产品质量高、 可回收再利用等许多优点[ 1]。 被动式房屋建筑 简称被动房 是一种不使用 或不依赖主动能源的超低能耗建筑形式, 是许多年 来国外倡导的一种全新节能建筑概念, 现在已然成 为国际公认的建筑节能新标准。1 9 8 8年, 被动式房 屋的概念由瑞典德隆大学的A d a m s o n教授和德国 的F e i s t博士提出, 而第一座“ 被动房” 建筑于1 9 9 1 年在德国的达姆施塔特市建成, 至今运行良好, 平 均能耗不到1 5W/h [2]。 被动式房屋有其独特的技术特征, 首先是保温 性优越的结构体系和隔热性能突出的门窗框和门 窗玻璃; 然后是无热传导设计和构造, 还有密闭的 围护结构; 最后是高效热回收系统或能源新风系 统。其中, 优越的保温性能、 无热传导设计和构造 以及密闭的围护结构是被动式房屋节能的三大要 素, 它们不仅造就了被动式房屋良好的物理特性, 也延长了被动房结构的使用寿命。 3 岛礁工程独立房屋的建造分析 岛礁工程独立房屋是指位处偏远岛礁, 独立存 在 远离主要功能区 , 体量比较小, 同时能源保障 不是十分不便, 需要利用自然资源进行自给自足保 障的建筑。 在岛礁工程独立房屋建设中考虑采用装配式 钢结构被动房有以下几点原因。 1 运输问题是岛礁工程建设的首要问题, 岛 礁工程独立房屋远离内陆, 距离的增加带来的是运 输成本和运输难度的提升, 采用钢结构, 尤其是轻 钢结构, 由于其自重较轻的特点可以有效减轻运输 的压力, 降低运输成本。 2 能源问题是独立房屋正常工作的核心问 题, 一方面由于孤悬海外, 岛礁上能源供给缺乏; 另 一方面我国许多岛礁地处热带, 气候炎热, 由于功 能要求导致较大的室内外温差, 这又给岛礁建筑带 来了更多的能源消耗, 在这一背景下, 被动式房屋 卓越的隔热性能就能得到充分的发挥, 节约大量的 能源, 减轻能源供应压力。 3 施工困难是岛礁工程中的突出问题, 采用装 配式的施工方法可以让施工过程更加简便、 快捷, 干 法施工对现场条件要求低, 对环境的污染也更小。 4 岛礁一般地势复杂, 故而土地资源也相对 稀缺, 采用钢结构可以为建筑设计带来更大的自由 度, 灵活的设计可以有效提高出房率[ 3]。 5 我国岛礁大多位处太平洋板块和印度板块 交界位置, 地震频发, 而钢结构作为一种延性材料 具有更好的抗震性能, 同时装配式结构通过节点的 半刚性处理, 也可以有效地缓解地震作用, 减轻地 震灾害。 综合上述原因, 装配式钢结构被动房在岛礁独 立房屋建设中有着广阔的应用前景, 但与此同时, 我们也应意识到由于岛礁的特殊环境, 即便是采用 了装配式钢结构被动房的结构形式, 在工程施工中 仍有许多潜在的问题, 需要特别注意。 4 装配式钢结构被动房在岛礁特殊环境中 应用需注意的问题及应对策略 4 . 1 运输过程中需注意的问题及应对策略 岛礁工程独立房屋建设在运输过程中主要有 以下4点需要注意的问题。 1 海上远距离运输困难。岛礁孤悬海外, 工 程材料和相关机具设备陆路运输无法到达, 只能采 用海运, 而海上远距离运输常受到恶劣天气和自然 第3期商亦蓝, 等 装配式钢结构被动房在岛礁工程独立房屋中的应用探讨6 9 灾害的影响, 如台风、 雷电、 暴雨等特殊情况的出现 都可能影响到运输环节。 2 大型船只靠岸困难。一些岛礁周围会有暗 礁分布, 大型船只往往难以接近岛屿, 同时当海浪 过大时船舶也难以靠岸。 3 靠岸后卸载困难。开发程度低的小型岛礁 往往没有建设可以用于货物装卸的设施, 船只靠岸 后难以顺利卸载。 4 岛礁上的二次运输困难。对于一些面积较 大的岛礁, 有可能独立房屋建设所在地与船舶停靠 点有较远的距离, 这时就需要对工程材料和相关机 具设备进行岛上的二次搬运, 而岛礁上往往地形复 杂且无交通道路, 这就给岛上的二次运输带来了 困难[ 4]。 针对以上4点问题, 要解决运输困难的问题, 最 重要的就是要减少建筑材料的自重, 同时也应减少 大型设备的使用。采取钢结构形式可以有效减轻 建筑的自重, 缓解运输压力, 降低运输成本。装配 式的施工方法则可以减少大型设备的使用, 从而简 化施工过程。 在此基础上, 还可以注重构配件的模块化和小 型化, 这样就可以减小运输的规模, 减少大型船只 的使用, 也可以减小卸载和二次运输的难度。所谓 的模块化是指解决复杂问题时将整个系统划分成 若干模块的过程, 装配式建筑的核心思想就是建筑 整体的模块化, 模块化过程将钢结构划分为钢梁、 钢柱、 楼板等若干部分, 在工厂分批完成预置, 运至 现场后再进行拼装, 在工厂中分块、 分批次完成可 以提升不同生产区间的针对性, 提高生产效率, 在 运输过程中合理分批, 组合运输则更体现了统筹学 的思想, 可以大大节约运输成本, 减小运输难度; 而 小型化则更强调拆分部件的体量尽可能缩小, 例如 一种新型的无比钢结构体系, 其基本构件就是由轻 型薄壁方钢管和V型连接件连接而成的小型桥架, 建筑体系中的墙、 柱、 梁等均由此基本构件拼装组 合而成, 这样的小型化设计无疑可以进一步地方便 部件的生产和运输[ 5]。 4 . 2 施工过程中需注意的问题及应对策略 4 . 2 . 1 高温、 高湿、 高盐雾带来生锈隐患 一些岛礁常年处于高温状态下, 而风速常年维 持在58级, 海风刮起海浪后会在空气中形成高浓 度盐离子的腐蚀性雨雾, 在高温、 高湿、 高盐雾三者 的综合作用下钢铁制品很容易生锈。传统的镀锌 钢材可以在一定程度上防止锈蚀, 但是在岛礁恶劣 环境中往往也难以为继, 例如在某岛礁进行的轻钢 结构施工过程中发现, 2 8 7g /m 2的热镀锌钢构件室 外暴露3天后就会腐蚀发黑, 严重影响工程的施工 质量, 故而, 在岛礁特殊环境下需要在施工过程中 采取特殊的防锈处理, 钢构件运至现场后, 需要首 先在构件表面进行除锈操作, 将运输中可能产生的 锈迹除去, 保证构件表面光滑后, 在表面刷上一层 氟碳油漆, 涂层厚度需达到2 0 0μm以上, 以延长构 件的防锈时间。 此外, 在节点处如果采取传统的焊接方法进行 连接, 则焊缝处很容易在水、 盐、 高温的综合作用下 氧化, 严重影响节点的强度和结构整体的安全性 能。如果在焊接完成后同样进行表面除锈, 并喷防 锈漆, 可以有效缓解焊接点的锈蚀, 但同时也增大 了工作量, 人工操作的不确定性也给焊接点防锈的 可靠性和耐久度带来了考验。 针对这一问题, 可以采用自攻螺钉的连接方 式, 钢结构部件运至现场后直接采用预先经过防锈 处理的自攻螺钉连接, 不仅操作简单, 施工可靠性 高, 而且无薄弱环节, 整体耐锈蚀性好, 非常适合在 岛礁工程中应用。 4 . 2 . 2 台风等季节性气候条件影响施工 我国许多岛礁都位于台风多发区域, 每年的 1 0月至翌年的3月东北季风盛行,59月西南季风 盛行, 而台风的旺季为每年的71 0月, 平均每年发 生台风67次, 较多的年份可达1 0余次。台风和 伴随的暴雨等恶劣气候不仅推迟了工程进度, 影响 工程质量, 还威胁到施工人员的生命安全。此外, 相比于传统的混凝土和砖砌结构, 钢结构由于其自 重较轻, 风灾带来的破坏往往更大, 而装配式结构 虽然施工速度较快, 但如果刚好在装配过程中遭遇 台风则极易带来毁灭性破坏。针对这一问题, 施工 应尽可能避免台风多发季节, 同时施工过程中应做 好台风监控和预测信息的收集, 合理安排工期进 度, 如果施工过程中遭遇到较大规模台风, 应尽快 7 0 海洋开发与管理2 0 1 8年 做好现场结构支护固定和人员疏散工作, 将损失降 低到最小。 4 . 2 . 3 装配过程中吊装困难 岛礁环境的特殊性导致大型设备难以进场, 这 就会导致装配施工过程中吊装的困难, 应对方法与 运输过程相同, 也是强调构配件的模块化和小型 化, 将构配件尺寸减小后只需少量小型的吊装设备 即可完成吊装过程。 4 . 3 使用过程中需注意的问题及应对策略 4 . 3 . 1 “ 冷桥” 现象影响被动房性能 优越的隔热性能是被动式房屋节能的重要因 素, 故而要在使用过程中应尽可能避免“ 冷桥” 现象 的产生。 所谓冷桥, 是指整个结构覆盖的隔热层中存在 的一些空隙或者薄弱部位, 冷桥的存在会直接导致 该处存在热量传递, 也影响了整体建筑的隔热性 能。这些薄弱点常见于保温棉被挤压的部分、 建筑 结构与地坪交界处、 屋面天窗及墙面门窗的孔口 处、 外挑阳台板的连接处等部位。通常采取的办法 是采用双层保温棉并采取错开搭接的布设方式, 以 充分保证连接处的隔热性能; 门窗等孔洞无疑是另 一种影响建筑物隔热性能的部位, 外部的各种孔口 都是容易产生冷桥的薄弱点, 故而被动房建筑的窗 户宜采用3层夹胶中空钢化玻璃, 门窗洞口的处理 则宜将次结构处的保温棉布设, 窗框、 门框中的发 泡剂 填 充 和 连 接 洞 口 的 聚 氨 酯 泡 沫 板 构 造 相 结合[ 6]。 在岛礁施工中宜采用自攻螺钉的连接方式, 但 岛礁上空气湿度大, 部分自攻螺钉又贯穿室内外, 在室内外温差作用下容易形成冷凝水, 一方面可能 加速钢构件的锈蚀, 影响结构的安全性能; 另一方 面冷凝水的存在作为一种传热介质也容易形成“ 冷 桥” , 所以施工中宜在自攻螺钉连接的部位增设硬 质板隔热块, 来缓解其中的热能传递[ 7]。 4 . 3 . 2 岛礁能源、 水资源缺乏 岛礁能源供给是岛礁工程使用过程中的重要 问题, 由于岛礁电力资源保障不便, 柴油机自发电 成本高, 所以应采用开源节流的方法, 一方面充分 利用岛礁上的其他能源如太阳能、 风能等[ 8], 建立相 关的发电设施实现能源供给; 另一方面则应充分发 挥被动房的节能优势, 做好隔热构造, 维持相对恒 定的室内温度, 减少能耗, 最终实现独立房屋能源 自给自足的目标。 岛礁上淡水资源的缺乏也是生产生活中的一 大难题, 除了日常的节约用水和一水多用以外, 还 可以采用收集净化雨水、 太阳能海水淡化等手段获 取淡水资源, 解决用水难题。 4 . 3 . 3 岛礁垃圾难于处理 岛礁生态环境相对脆弱, 施工完成后的建筑垃 圾或是后续生产生活中的日常垃圾如不妥善处理 极易污染海洋环境, 破坏生态平衡, 故而一定要重 视岛礁垃圾问题。采用装配式钢结构, 由于构配件 都是工厂预置, 施工完成后剩余的建筑耗材较少, 现场装配带来的污染也极为有限, 故而可以考虑将 剩余的少量建筑垃圾分类处理后, 用于修建周边景 观中的建筑小品, 充分利用资源, 变废为宝[ 9]。而针 对生产生活中的日常垃圾, 由于岛礁土地资源的稀 缺, 应尽可能减少填埋处理, 而是考虑垃圾的分类 处理和回收利用, 实现资源的循环利用, 对于无法 回收利用的无害垃圾, 优先考虑焚烧的处理方法, 对于有害垃圾则应妥善收集, 根据不同有害物特性 分批次针对性地处理。 4 . 4 维护过程中需注意的问题及应对策略 由于岛礁环境的特殊性, 维护环节是岛礁工程 中不可忽视的一环, 而其中最重要的就是钢结构的 日常防锈维护, 根据钢结构规范中的防腐维护要 求, 每年需要进行一次防腐蚀保护层外观检查, 检 查涂层的破损情况, 每5年需要进行防腐蚀保护层 防腐蚀性能检查和腐蚀量检查, 检查结构的鼓泡、 剥落、 锈蚀情况并测定钢结构壁厚, 根据检查的结 果确定钢结构的锈蚀情况, 确定修复或更新的范 围, 进行准确到位的防腐蚀维护[ 1 0]。由于岛礁往往 属于强腐蚀性环境, 如果条件允许应将此时间适当 缩短, 以保证结构的安全。同时, 在台风、 地震等重 大自然灾害后应对钢结构腐蚀情况进行全面检查 并做好维护工作。 5 总结 装配式钢结构被动房在岛礁独立房屋建设中 第3期商亦蓝, 等 装配式钢结构被动房在岛礁工程独立房屋中的应用探讨7 1 有着巨大的优势和广阔的应用前景, 但岛礁环境的 特殊性也给装配式钢结构被动房的应用带来了新 的问题, 本研究针对装配式钢结构被动房在岛礁独 立房屋应用中可能会遇到问题, 从运输、 施工、 使用 和维护4个方面进行了具体的分析和探讨, 提出了 相关的应对策略。目前装配式钢结构被动房在岛 礁工程中的应用还处于初期探索阶段, 缺乏深入的 研究和相关的实践, 相信随着有关研究的进一步深 入, 在得到丰富的实验数据和实践经验后, 装配式 钢结构被动房会在岛礁工程中得到充分的发展和 应用。 参考文献 [1] 卢俊凡, 王佳, 李玮蒙, 等.装配式钢结构住宅体系的发展与应 用[J].城市住宅, 2 0 1 48. 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