整體衛(wèi)浴與主體結構連接的結構方案及標準化
張壯南 陸東雷 李幗昌 趙鳳凱
（沈陽建筑大學，沈陽 110168）
摘要：整體衛(wèi)浴是一種高度集成的新型工業(yè)化生產加工的衛(wèi)浴間產品。根據(jù)常見的整體衛(wèi)浴尺寸設計與主體結構相連接的角鋼框架，提出整體衛(wèi)浴與主體結構連接的兩種結構方案：整體衛(wèi)浴與柱的螺栓連接和整體衛(wèi)浴與次梁的螺栓連接，并根據(jù)構造要求、結構的受力特點、力學性能、考慮地震作用對結構的影響給出了具體的連接形式和連接尺寸，以期新方案可以推進標準化內裝，進而促進鋼結構住宅的發(fā)展。
裝配式鋼結構在我國迅速發(fā)展，整體衛(wèi)浴作為標準化內裝的一個單元，是促進裝配式發(fā)展的重要組成部分。一套成型的整體衛(wèi)浴是指在有限的空間內盥洗、如廁、洗浴等多種功能的獨立衛(wèi)生單元。與傳統(tǒng)住宅鋼筋混凝土衛(wèi)浴相比，整體衛(wèi)浴有如下優(yōu)勢：標準化生產；節(jié)省空間；防水效果好；維護與保養(yǎng)方便；施工安裝方便；具有良好的環(huán)保效益。但是在現(xiàn)有設計中，整體衛(wèi)浴的安裝（固定）主要通過底部支座與樓板預埋件連接完成，無法實現(xiàn)整體衛(wèi)浴中上部與主體結構的有效連接，大多根據(jù)構造要求來安排結構方案，所以在沖擊荷載或地震作用下容易發(fā)生傾覆。目前對整體衛(wèi)浴與主體結構連接的研究還很少，急需一種便于實現(xiàn)標準化設計、標準化連接、標準化施工安裝、具有一定的結構強度和穩(wěn)定性、又可以保證在地震作用時比較安全的整體衛(wèi)浴與主體結構連接的結構方案。
本文根據(jù)整體衛(wèi)浴的使用需求，提出兩種新型整體衛(wèi)浴與主體結構連接的結構方案，滿足整體衛(wèi)浴的剛度、強度、穩(wěn)定性，自身安裝的連接和與主體結構的連接要求，盡可能將整體衛(wèi)浴單元所承受的地震作用傳遞到主體結構上，保證連接節(jié)點的強度和剛度足夠大，并且保證連接桿件不發(fā)生局部破壞和整體屈曲。分析研究后給出整體衛(wèi)浴標準化的尺寸、連接標準和安裝標準。從而推行整體衛(wèi)浴的標準化、模數(shù)化，只有實現(xiàn)整體衛(wèi)浴設計的標準化，整體衛(wèi)浴才可能在裝配式鋼結構建筑中被廣泛使用。
1 整體衛(wèi)浴與主體結構連接方案
根據(jù)本文設計的連接方案，需在整體衛(wèi)浴單元外設計角鋼框架，進而在角鋼框架和主體結構間設置兩種連接形式，方案一：整體衛(wèi)浴與柱的連接；方案二：整體衛(wèi)浴與次梁的連接。
1.1 位置選擇
整體衛(wèi)浴安裝位置應根據(jù)室內裝修設計方案設置在一個有建筑平面凹角的位置。方案一凹角處必須要有角柱或邊柱，以供L形水平支撐的連接。方案二則需要綜合考慮整體衛(wèi)浴的開口方法和次梁的布置方式，合理安放整體衛(wèi)浴。此外還要盡量靠近給排水主管線，以方便管線的安裝布置。
1.2 尺寸和材料
考慮到盥洗、如廁、淋浴的多功能要求，整體衛(wèi)浴常用外形組合尺寸為：2 400 mm x1 600 mm×2 200 mm。考慮到受力及方便實現(xiàn)標準化生產，所有角鋼均采用統(tǒng)一規(guī)格L50 x50 x3，由構造要求螺栓全部采用普通螺栓M8，所用鋼材均采用Q235B級，以便于構件的制作和加工。保證節(jié)點連接強度和角鋼桿件強度滿足使用要求，盡量減少構件種類。
1.3 構件選用
根據(jù)設計需要，除整體衛(wèi)浴與主體結構的連接形式不同外，兩種方案選用規(guī)格一樣的角鋼和螺栓，選擇一樣尺寸的節(jié)點板和支座。除方案二需要設置一定數(shù)量的連接件外，其余構件的數(shù)量基本相同。
1.4 整體衛(wèi)浴結構形式
1.4.1 整體衛(wèi)浴與柱的連接
兩個沿寬度方向的水平支撐KZ1、KZ2與兩個L形水平支撐CZ1、CZ2先在右夾角處相交，并通過螺栓連接在一起。再通過兩個L形水平支撐CZ1、CZ2將整體衛(wèi)浴連接到整體結構柱上。然后通過4個支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4與樓板上設置的預埋件進行連接，最后通過螺栓進行安裝固定。結構三維模型如圖1所示，連接詳圖見圖2，各構件代號對應名稱如表1所示。
1.4.2 整體衛(wèi)浴與次梁的連接
整體衛(wèi)浴通過4個豎向角鋼連接件LJ1、LJ2、LJ3、LJ4和2個水平角鋼連接件LJ5、LJ6與次梁進行連接。且4個豎向角鋼連接件的頂部邊緣和2個水平角鋼連接件的頂部邊緣在同一豎直標高上。4個300 mm長的豎向角鋼連接件LJ1、LJ2、LJ3、LJ4安裝于整體衛(wèi)浴4個頂角外側，同時代替了頂角外側的節(jié)點板，既實現(xiàn)了整體衛(wèi)浴的安裝，又保證了整體衛(wèi)浴與次梁的連接。兩個長度可根據(jù)次梁間距自由選擇的水平角鋼連接件LJ5、LJ6，通過螺栓安裝在整體衛(wèi)浴兩側的次梁下翼緣內側，4個豎向連接角鋼和2個水平連接角鋼通過螺栓進行連接。然后通過4個支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4與樓板上設置的預埋件將上部結構連接到樓板上，最后通過螺栓進行安裝固定，支座處的連接和預埋件的設置同方案一。三維模型如圖3所示，連接件節(jié)點模型見圖4。
1.5 整體衛(wèi)浴底盤
整體衛(wèi)浴防水底盤是SMC板材經(jīng)過熱塑加工后制成的槽形構件。為了能夠與角鋼底框完全吻合，四邊上彎90°，卷邊高31 mm。豎直立面高度31 mm（大于25 mm），可以保證與底框和壁板有充足的搭接長度和安裝尺寸。壁板與防水底盤接觸面可能留有縫隙，可以通過安裝時沿板縫處進行打膠處理加以克服，以方便日后清潔，如圖5所示。
2 整體衛(wèi)浴的模數(shù)化標準化
標準化是指在經(jīng)濟、技術、科學和管理等社會實踐中，通過制訂、發(fā)布和實施標準達到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會效益。建筑標準化指在建筑工程方面建立和實現(xiàn)有關的標準、規(guī)范、規(guī)則等的過程。
標準化促進工業(yè)化，工業(yè)化提高勞動生產率、節(jié)約勞動成本�；跇藴驶木薮髢�(yōu)勢，為了給出新型鋼結構整體衛(wèi)浴的標準情況，本文根據(jù)最不利情況進行對比分析，然后給出新型鋼結構整體衛(wèi)浴的標準化情況。
2.1 整體衛(wèi)浴間常用模數(shù)尺寸
整體衛(wèi)浴尺寸一般按100 mm的模數(shù)取值。水平長邊a一般取900，1 400，1 600，1 800，2 000，2 400，3 000 mm；水平短邊b一般取900，1 200，1 400，1600，2 000 mm；高度hJ般取2 100，2 200 mm。整體衛(wèi)浴的常用組合尺寸如表2所示。
2.2 選材的標準化
根據(jù)構造要求和對新型鋼結構整體衛(wèi)浴的受力分析，并綜合考慮經(jīng)濟因素和安全儲備，整體衛(wèi)浴角鋼規(guī)格、螺栓規(guī)格標準化如表3所示，鋼材型號為Q235B。
2.3 角鋼件的標準化
新型鋼結構整體衛(wèi)浴的角鋼柱、水平支撐、連接件等角鋼件尺寸的標準化，當整體衛(wèi)浴與柱連接時如表4所示，當整體衛(wèi)浴與次梁連接時如表5所示。
2.4 防水底盤的標準化
在地震力等水平外荷載的作用下不考慮防水底盤受力，其外形尺寸可以任意調整，只要能夠與整體衛(wèi)浴底盤進行匹配安裝即可，所以可以根據(jù)底框Kz直接確定其尺寸。
L為防水底盤的卷邊高度，當選用邊長50 mm的角鋼時，取L= 31 mm；當選用邊長60 mm的角鋼時，取L= 37 mm。
2.5 施工安裝的標準化
新型鋼結構整體衛(wèi)浴屬于裝配式結構，且構件質量輕巧，施工方便快捷。需要工作人員4名，安裝工具：角磨機2只600 W，手槍電鉆2只300 W。電動螺絲刀2只（含充電器）、螺絲刀、手錘若干、電箱2個、13 mm活絡扳手或套管扳手2個。
安裝前應先根據(jù)圖紙準確定位并標好孔洞的部位，然后在工廠內部加工構件。安裝時首先根據(jù)衛(wèi)浴間平面尺寸，在樓板上設置預埋鐵件，預埋件標高要統(tǒng)一，待預埋件連接強度滿足施工要求時再開始進行上部結構的安裝。安裝時將支座下部節(jié)點板螺栓孔對準預埋件上的螺栓桿套入，然后擰緊螺母，用同樣方法安裝4個支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4。安裝完畢后應保證支座與底框K2的接觸表面水平，且4個支座表面標高相同。
支座安裝完畢后，將矩形底框K1放置在支座之上，后將開洞后的防水底盤置于底框上，按設計要求四周與底框盡量貼緊，然后安裝4個角鋼柱Z1、Z2、Z3、Z4和壁板，采用每兩個角鋼柱加一塊壁板的方式進行安裝，用同樣方法安裝4塊壁板和門板。
壁板安裝結束后安裝頂框K2和頂板，先將頂板安裝在頂框上，頂板四周與頂框盡量貼緊。再將頂板連同頂框一起安裝在角鋼柱上，用螺栓和節(jié)點板固定，接著將門板安裝固定在前壁板上。然后安裝支撐和頂部的連接件，最后進行整體衛(wèi)浴間與主體結構的連接。
3 結束語
本文根據(jù)裝配式鋼結構的發(fā)展需求，提出了兩種專供鋼結構建筑使用的新型鋼結構整體衛(wèi)浴架結構方案，分別為整體衛(wèi)浴與柱的螺栓連接和整體衛(wèi)浴與次梁的螺栓連接。
1)兩種新型鋼結構整體衛(wèi)浴在外荷載作用下具有優(yōu)良的力學性能，完全滿足使用要求。
2)分析后分別歸納給出兩種新型鋼結構整體衛(wèi)浴標準化的連接及構件尺寸和數(shù)量以及安裝標準化。
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