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基于“（功能基元）序构”装配式钢结构建筑设计研究新范式

发布于：2021-05-28 08:34:28 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

基于“（功能+基元）+序构”装配式钢结构建筑设计研究新范式

北京赛博思工程技术研究院蔡玉春

2021.5

来源：装配式标准化钢结构建筑

建筑物的宏观性质通常是由结构力学性能和材料的物理性能组合而成的固有属性，以及它们的序构决定。如果把具有某些功能性质的部品和部件组成的子结构单体看作是建筑物的构建基元，然后再把这些子结构单体按照一定的功能模块，空间序列设计，就可以得到具有特殊性能的新建筑。事实上，通过建造有序结构来实现特殊功能在自然界中早已存在。自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。例如，对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位置上，是有效的截面形状。有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论。如：“疾风知劲草”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的。支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由 3 个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角 109 ° 28 ’，锐角 70 ° 32 ’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。这些优异的功能大多是通过多层次、跨尺度的（功能 + 基元）按照一定的序构组成来实现的。

作为一种新型的人造产物 --- 装配式钢结构建筑，装配式钢结构建筑通过钢结构与新材料的结合在与各种外力的相互作用上，展现出的新功能和新现象远远超出了传统建筑。装配式钢结构建筑的主要特征性能取决于其单个结构基元的形状、尺寸、几何结构以及结构基元的空间序列。

目前，大多数的研究都集中在建筑结构与性能之间的关系上，但是基于（功能 + 基元） + 有序结构对建筑性能的影响却很少得到考虑。如果用大的模块（功能 + 基元）而不是单个构件或部件按一定的顺序排列和组装，这将产生异常（特殊）的建筑物理性质。通过设计和组装（功能 + 基元）的模块来追求新的性能，这些（功能 + 基元）可以是建筑围护材料的人工微结构，也可以是建筑结构本身的畴（结构类型）、相（构件相互作用）、孪晶（结构的堆垛层错）、或异质结构。本文作者通过总结这些工作，提出了一种基于“（功能 + 基元） + 序构”（ OSFUs ， ordered structures with functional units ）的装配式钢结构建筑设计研究“范式”。

（功能 + 基元）可以是其中轻质高强围护材料、结构功能模块组合以及钢结构构件的类型、堆垛层错方式等。通过控制有序结构的空间排列和（功能 + 基元）的类型，可以调节地震作用力、位移 / 传热系数和建筑之间的相互作用，显著改善或产生独特的光、电、磁、热和结构受力性能。

一．结构体系方面

在装配式钢结构建筑中，结构的安全性与可靠性是最基本的，它来源于外力对建筑结构的作用。例如，建筑的抗震设计须遵循“三水准，两阶段”的最基本的抗震设计理念，形成多道设防的目的，框架 - 核心筒是一个典型满足这一思想的结构体系，核心筒作为的第一道设防，框架作为第二道设防，要求两道设防协同工作，达到“刚柔相济”的目的。那么，例如我们在钢结构住宅设计中，如何应用该体系？是采用纯钢结构体系还是采用组合结构体系？也就是说，采用钢框架 - 钢筋混凝土核心筒体系还是采用钢框架 - 密柱深梁核心筒（框筒）体系？

我们从两个方面进行比较分析：

第一个方面，从材料使用方面进行分析：

外因：有一句话“抗震恒永久，牛二永流传”，说的是“地震作用力”是一种惯性力，组合结构或钢砼结构质量大，钢结构质量小。所以，在相同地震作用下，组合结构或钢砼结构受到的地震作用力比钢结构要大，这是外因。

举例来说，以 250X250 断面的 1 米的钢结构柱与 1 米的钢管混凝土柱来比较：

250X250X8 的方钢管柱的 1 米重量是： 60.79kg ；

250X250 的钢管混凝土柱的 1 米重量是： 197.68kg 。

两者的重量相差 3.25 倍。

按照地震作用力的计算公式： F=axm, 我们以不考虑计算地震作用影响系数 a 分析，可以看出钢管混凝土柱受到的地震作用力是钢结构柱受到的地震作用力的 3.25 倍 !!! 所以，如何使建筑物变“轻”，是在装配式钢结构建筑设计研究中需要考虑的重要方面因素。

内因：钢结构所用的钢材具有强度高，耗能强，是延性材料，有屈服台阶，通过包络曲线来实现耗能，而混凝土材料是脆性材料。钢结构所用的钢材大多是 Q355 ，钢结构的阻尼比一般在 0.01-0.02 之间，钢 - 砼组合结构的阻尼比一般在 0.025-0.035 之间，钢砼结构的阻尼比 0.03-0.08 之间，钢结构的阻尼比小，在地震作用下，变形大。因此，钢结构韧性好，通过变形消耗地震能量，且容易恢复，钢结构较为柔性，主要通过弹塑性变形吸收地震能量，较钢砼结构而言脆断的可能性低得多，一般钢结构建筑只要正确设计和使用不会发生倒塌事故。

第二个方面，从结构设计计算方式分析；

钢结构采用弹性理论设计，由于材料塑性、韧性好，能很好的承受地震动力荷载，钢材匀质性和各向同性好，属理想弹性体，其构件能够在地震作用下小幅度变形后恢复，最符合一般工程力学的基本假定。

钢砼结构或钢 - 砼组合结构（钢 - 砼组合结构无论是采用统一理论，还是采用折算理论（拟钢理论、拟砼理论、强度叠加理论））采用是刚性理论设计，在抗震设计中采用非线性分析方法，一般是全部结构构件都设为非线性材料参数，它与理想弹性分析结果不同，在实际地震作用过程中，如果核心筒发生明显破坏，整体刚度退化后，总的地震作用力降低，外框柱实际承担的地震作用力有可能提高也有可能降低，因此若采用理想弹性分析，采用弹性计算得到的内力结果进行外框柱设计是不能保证安全的。相反，若采用完全弹塑性方法分析，如果外框柱发生一定程度的损伤破坏，所得到的外框柱的内力也是偏小的，也就是说，若采用完全弹塑性方法分析的内力去设计构件从概念上也无法保证结构不发生破坏。因此，无论是线弹性分析，还是完全弹塑性方法分析得出的结果都不能作为外框柱的设计依据。

即便是目前在结构抗震设计中出现的现象：一是不少结构设计以经过振动台试验或塑性方法分析，在罕遇地震（大震）下基本还保持弹性，由此判断结构抗震性能良好，认为达到双重抗侧力的设计目标，这是不科学的；二是对于一些钢 - 砼组合结构（混合结构），试验或分析结果显示在罕遇地震（大震）下核心筒发生比较严重的损伤破坏，外框柱却几乎没有损坏，柱还处在弹性范围，而此前小震下外框柱分担剪力比例又很低（刚刚满足最小剪力系数限值），这种情况下简单的认为外框设计得太弱或太强也是片面的。要实现理想的双重抗震防线，应该满足在第一道防线出现严重破坏后，第二道防线能有效发挥作用，并且第二道防线不能有较严重的损坏，否则两道均严重破坏将导致结构倒塌的风险加大。

因此说，结构抗震的协同性是非常重要的。所以说，钢结构的抗震性能比钢砼结构的抗震性能好。

正是基于以上分析，笔者在钢结构住宅的研发设计中通过“基于（功能 + 基元） + 序构”方法，提出了“（钢框架 + 片墙支撑） + 密柱深梁核心筒”钢结构住宅结构体系。该体系利用住宅交通核中本身构造方面就需要较多的框架，形成密柱深梁核心筒（功能 + 基元）的第一道抗震防线（序构），同时因住宅楼栋面宽比较大，面宽处门窗多，容易使结构发生扭转，利用窗间墙位置（序构）设置片墙支撑（功能 + 基元）两者共同构成了第一道抗震防线。

通过对该体系开发得到启发，表明具有独特抗震性质的钢结构体系可以通过专门设计 OSFUs 来实现。用不同的“（功能 + 基元）”通过采用“序构”组合方来描述“功能 + 基元”与结构参数的关系，将对装配式钢结构建筑结构技术的发展具有重要的指导意义。

二．高性能建筑围护墙体新材料方面

装配式钢结构建筑要获得突破性的发展，特别是国家“十四五”规划纲要中，提到的发展钢结构住宅，其中最为关键的核心问题之一，是要有轻质高强高性能的围护系统材料与钢结构建筑体系性能相匹配，目前市面上的单一建筑材料难以适应钢结构建筑体系的要求。因此研究建筑先进高性能材料迫在眉睫，而传统材料的研究范式：从成分 - 结构 - 性能的思想难以实现大量变革性和颠覆性的高性能材料，所以，必须要有材料研究的新思想，新思维，新方法来解决装配式钢结构建筑新技术快速发展与现有材料不能满足需求的矛盾。而“功能 + 基元 + 序构”的新材料研究新范式的材料研究方法是重大突破，它有望实现大量变革性和颠覆性的轻质高强高性能新型建筑复合材料。

“功能 + 基元 + 序构”的高性能围护材料研究新范式是以现有材料的功能 + 基元为基本单元，通过不同的材料空间序构的组合构成具有突破性，颠覆性宏观性能的高性能建筑围护材料，“功能 + 基元”是在特定材料层次和宏观性能之间引入具有特定功能的中间结构层次，“序构”是指人工设计制造的特定结构单元的堆垛及排列方式，如有序加工和梯度结构等。通过采用“功能 + 基元 + 序构”的新材料研究新范式可以突破材料种类的限制，为探索具有颠覆性和变革性的高性能建筑围护材料（超材料）提供了更大的空间。

以笔者研发的基于“功能 + 基元 + 序构”新材料开发方法课题的发泡陶瓷复合墙板材料为例来说明，下面将课题的研究目标、关键核心科学和技术问题以及重点研究方向作一简要介绍：

1. 研究目标

本研究瞄准高性能建筑围护材料的科学和技术前沿，通过不同的中间材料的功能基元采用有序结构及梯度结构的序构方式开发新型高性能建筑围护材料，满足建筑结构，建筑节能和服役工况条件复杂对建筑围护材料的需求，解决高性能建筑围护材料的关键核心科学和技术问题，揭示高性能建筑围护材料体系通过“功能 + 基元 + 序构”材料研究的新范式进行新材料开发所蕴含的规律，建立一套开发高性能建筑围护材料相适应的建筑围护材料系统设计理论，发展建筑围护材料设计的新原理和先进层压制备技术，逐步实现按需设计变革性和颠覆性新材料的目标，提高建筑围护材料领域的持续创新能力。

2. 高性能建筑围护材料的关键核心科学和技术问题

高性能建筑围护材料需要满足诸多服役工况复杂的性能要求与一体，例如，保温性能，隔热性能，耐久性能，防火性能，防水性能，抗震性能，抗风性能，装饰性能等一系列的性能要求，其中最为关键的核心科学和技术问题主要有以下四个方面的问题亟待研究解决：

1）建筑围护材料功能基元的本征特性对建筑围护体系宏观性能的影响规律及其调控机理，明确建筑围护材料的功能基元与建筑围护体系宏观性能的关联，发现和构筑影响建筑围护体系宏观新奇物性的建筑围护材料关键功能基元；

2）建筑围护材料功能基元的序构对建筑围护体系宏观性能优化增强的作用规律，序构引发的功能基元之间的耦合增强效应，明确序构影响建筑围护体系宏观性能的物理机制；

3）揭示建筑围护材料“功能 + 序构”的协同关联效应，揭示超越材料功能基元本身的的高性能甚至全新性能，阐明“功能基元 + 序构”与建筑围护体系宏观性能的关联，建立按需设计“功能基元 + 序构”的高性能建筑围护材料的方法；

4） “功能基元 + 序构”的高性能围护复合材料的制备技术和表征技术，发展多层层压制备“功能基元 + 序构”的高性能建筑围护材料（超材料）新方法与新技术，发展人工序构材料的结构和性能表征技术，探索其中的科学和技术问题。

3. 目前重点研究方向

当前制约装配式钢结构建筑，特别是“十四五”期间钢结构住宅要获得快速发展的问题是开发出与装配式钢结构建筑相匹配的高性能建筑围护材料，主要要开展以下两个方面的研究工作：

1）突破现有建筑围护材料的性能，重点解决传统建筑围护材料强度与韧性相矛盾的问题，实现综合性能优异的轻质高强的新材料；

2）面向保温隔热节能的绝缘材料，开发“无机 - 有机”复合“功能基元 + 序构”的高性能绝缘材料一体化新材料，满足低能耗和超低能耗的建筑节能要求，实现建筑业的“碳中和”。

发泡陶瓷是一种新型的烧结墙体材料，具有容重轻（ 400kg/m 3）、强度高、闭孔不渗水等优良特征，是一种难得与钢结构建筑体系相匹配的材料，但同时其脆性大，笔者在研究中，为了克服其脆性，通过 A2 矿物防火板采用双界面的结构梯度引入 A2 矿物防火板应用 OSFUs 方法来制造致密的“超材料”。这种发泡陶瓷复合板“超材料”的强度和韧性显著提高，不仅是由于 A2 矿物防火板纤维作为功能基元的排列更加整齐，同时，在处理过程中，功能 + 基元之间引入了许多化学键，从而有效地促进了功能 + 基元的有序化和致密化。我们观察到有序的间隙配合物的形成，有助于提高发泡陶瓷复合板的强度和延展性。在这这种情况下，功能 + 基元可以调节位错的类型，调节位错运动和增殖的平衡，从而改善发泡陶瓷复合板的力学性能。该例子清楚地证明了 OSFUs 策略可以帮助开发高性能的力学材料。

三．装配式外墙外保温系统方面

“ 开裂、空鼓、脱落；保温却不阻燃；阻燃又不能满足节能建筑保温要求， 这已成为

外墙保温行业的三大‘痛点’。”

回顾外墙保温 系统采用何种技术 的争议 可归纳为 ：

（一）选用内保温 系统 还是外保温 系统

在我国强调采用 建筑节能 50%标准 初始阶段，国内企业的技术水平大都是做内保温。 但 内保温技术不断的被冷桥、结露、霉变等现象困扰， 同时 随节能标准提升 65%—75%，乃至超低能耗标准 ，外墙 外保温技术 逐渐 成为了 建筑 节能技术主体。

（二 ）应该用保温层去保护结构，还是用结构保护保温层

问题的实质 钢筋混凝土剪力墙结构住宅是采用外墙 外 保温系统 还是外墙 夹心保温 系统 之争， 这其实可以从外墙的温度梯度结构的非稳定理论和 从建筑 全寿命周期 去研究，就可以很清楚的了解 ，外墙 外保温 系统 延长了 建筑结构的 寿命， 外墙 夹心保温 系统使建筑 结构成为终生不稳定构造，大大缩短了结构寿命 ， 而且关键是“ 热桥 ” 较多，保温隔热效率大大打折扣 。

（三）外墙 外保温 是 选用材料防火还是选用构造防火路线 与满足保温隔热节能标准不断提高的要求

外墙 外保温 防火技术的选用 经历了 材料与构造 两种防火技术路线激烈的争论， 大家都知道像PIR（聚氨酯）等有机材料节能性能好但阻燃性能差，像岩棉等无机材料阻燃性能好但节能性能较PIR要差，这就是保温却不阻燃，阻燃却又不能满足建筑节能保温要求的现象， 对生产企业 影响 很大， 一段时间内大家都不知道采用什么方法，最 终 产生了 于许多 不同的材料 构造防火的技术措施， 但保温节能 标准越提高， 外墙保温 构造防火越需完善。

（四 ）现场作业的 分层施工方法的 繁 与装配式一体板的简

外保温轻质柔性粘结受力的特点决定了它是一种在结构上现场施工成型的技术，外保温预制构件要有利于方便或增强粘结受力，否则要靠锚固力就成为幕墙受力模式。

（五 ）各种保温材料陷入套用薄抹灰一种做法

聚苯板薄抹灰是外来技术，原用于别墅外墙，现我国形成多种材料的行业标准套用此技术用于高层建筑，发生了众多工程事故，因此形成众多技术纷争。

目前外墙外保温系统存在大量缺陷和界面诱导的强散射。为了降低保温材料的导热系数，人们设计了各种有序结构，如链取向的改善、单分子膜的自组装等。笔者在研究中发现，外应力可以调节微观结构的有序性，从而调节导热系数。 A2 矿物防火板具有核壳结构，核由大量纤维制成。更具体地说，纤维由两种交替排列的矿物质组成，它们由弹簧状螺旋结构连接。 A2 矿物防火板本身由高度定向排列的的片状纤维构成，嵌入矿物链和适度定向的螺旋结构中，使得外墙外保温装饰一体板保温材料与面板形成“刚柔相济”的相容性，从我们的抗拔试验中表明，断裂层在保温层中。在装配式外墙外保温系统中，采用绝缘连接件在应力作用下显示出较强的有序性。这些发现很好地证明了 OSFUs 与热性能之间的强相关性。