整体卫浴与主体结构连接的结构方案及标准化

 张壮南  陆东雷  李帼昌  赵凤凯

 （沈阳建筑大学，沈阳  110168）

摘要：整体卫浴是一种高度集成的新型工业化生产加工的卫浴间产品。根据常见的整体卫浴尺寸设计与主体结构相连接的角钢框架，提出整体卫浴与主体结构连接的两种结构方案：整体卫浴与柱的螺栓连接和整体卫浴与次梁的螺栓连接，并根据构造要求、结构的受力特点、力学性能、考虑地震作用对结构的影响给出了具体的连接形式和连接尺寸，以期新方案可以推进标准化内装，进而促进钢结构住宅的发展。

 装配式钢结构在我国迅速发展，整体卫浴作为标准化内装的一个单元，是促进装配式发展的重要组成部分。一套成型的整体卫浴是指在有限的空间内盥洗、如厕、洗浴等多种功能的独立卫生单元。与传统住宅钢筋混凝土卫浴相比，整体卫浴有如下优势：标准化生产；节省空间；防水效果好；维护与保养方便；施工安装方便；具有良好的环保效益。但是在现有设计中，整体卫浴的安装（固定）主要通过底部支座与楼板预埋件连接完成，无法实现整体卫浴中上部与主体结构的有效连接，大多根据构造要求来安排结构方案，所以在冲击荷载或地震作用下容易发生倾覆。目前对整体卫浴与主体结构连接的研究还很少，急需一种便于实现标准化设计、标准化连接、标准化施工安装、具有一定的结构强度和稳定性、又可以保证在地震作用时比较安全的整体卫浴与主体结构连接的结构方案。

 本文根据整体卫浴的使用需求，提出两种新型整体卫浴与主体结构连接的结构方案，满足整体卫浴的刚度、强度、稳定性，自身安装的连接和与主体结构的连接要求，尽可能将整体卫浴单元所承受的地震作用传递到主体结构上，保证连接节点的强度和刚度足够大，并且保证连接杆件不发生局部破坏和整体屈曲。分析研究后给出整体卫浴标准化的尺寸、连接标准和安装标准。从而推行整体卫浴的标准化、模数化，只有实现整体卫浴设计的标准化，整体卫浴才可能在装配式钢结构建筑中被广泛使用。

1  整体卫浴与主体结构连接方案

 根据本文设计的连接方案，需在整体卫浴单元外设计角钢框架，进而在角钢框架和主体结构间设置两种连接形式，方案一：整体卫浴与柱的连接；方案二：整体卫浴与次梁的连接。

1.1  位置选择

 整体卫浴安装位置应根据室内装修设计方案设置在一个有建筑平面凹角的位置。方案一凹角处必须要有角柱或边柱，以供L形水平支撑的连接。方案二则需要综合考虑整体卫浴的开口方法和次梁的布置方式，合理安放整体卫浴。此外还要尽量靠近给排水主管线，以方便管线的安装布置。

1.2  尺寸和材料

 考虑到盥洗、如厕、淋浴的多功能要求，整体卫浴常用外形组合尺寸为：2 400 mm x1 600 mm×2 200 mm。考虑到受力及方便实现标准化生产，所有角钢均采用统一规格L50 x50 x3，由构造要求螺栓全部采用普通螺栓M8，所用钢材均采用Q235B级，以便于构件的制作和加工。保证节点连接强度和角钢杆件强度满足使用要求，尽量减少构件种类。

1.3  构件选用

 根据设计需要，除整体卫浴与主体结构的连接形式不同外，两种方案选用规格一样的角钢和螺栓，选择一样尺寸的节点板和支座。除方案二需要设置一定数量的连接件外，其余构件的数量基本相同。

1.4  整体卫浴结构形式

1.4.1  整体卫浴与柱的连接

 两个沿宽度方向的水平支撑KZ1、KZ2与两个L形水平支撑CZ1、CZ2先在右夹角处相交，并通过螺栓连接在一起。再通过两个L形水平支撑CZ1、CZ2将整体卫浴连接到整体结构柱上。然后通过4个支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4与楼板上设置的预埋件进行连接，最后通过螺栓进行安装固定。结构三维模型如图1所示，连接详图见图2，各构件代号对应名称如表1所示。

1.4.2  整体卫浴与次梁的连接

 整体卫浴通过4个竖向角钢连接件LJ1、LJ2、LJ3、LJ4和2个水平角钢连接件LJ5、LJ6与次梁进行连接。且4个竖向角钢连接件的顶部边缘和2个水平角钢连接件的顶部边缘在同一竖直标高上。4个300 mm长的竖向角钢连接件LJ1、LJ2、LJ3、LJ4安装于整体卫浴4个顶角外侧，同时代替了顶角外侧的节点板，既实现了整体卫浴的安装，又保证了整体卫浴与次梁的连接。两个长度可根据次梁间距自由选择的水平角钢连接件LJ5、LJ6，通过螺栓安装在整体卫浴两侧的次梁下翼缘内侧，4个竖向连接角钢和2个水平连接角钢通过螺栓进行连接。然后通过4个支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4与楼板上设置的预埋件将上部结构连接到楼板上，最后通过螺栓进行安装固定，支座处的连接和预埋件的设置同方案一。三维模型如图3所示，连接件节点模型见图4。

1.5  整体卫浴底盘

 整体卫浴防水底盘是SMC板材经过热塑加工后制成的槽形构件。为了能够与角钢底框完全吻合，四边上弯90°，卷边高31 mm。竖直立面高度31 mm（大于25 mm），可以保证与底框和壁板有充足的搭接长度和安装尺寸。壁板与防水底盘接触面可能留有缝隙，可以通过安装时沿板缝处进行打胶处理加以克服，以方便日后清洁，如图5所示。

2  整体卫浴的模数化标准化

 标准化是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中，通过制订、发布和实施标准达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。建筑标准化指在建筑工程方面建立和实现有关的标准、规范、规则等的过程。

 标准化促进工业化，工业化提高劳动生产率、节约劳动成本。基于标准化的巨大优势，为了给出新型钢结构整体卫浴的标准情况，本文根据最不利情况进行对比分析，然后给出新型钢结构整体卫浴的标准化情况。

2.1  整体卫浴间常用模数尺寸

 整体卫浴尺寸一般按100 mm的模数取值。水平长边a一般取900，1 400，1 600，1 800，2 000，2 400，3 000 mm；水平短边b一般取900，1 200，1 400，1600，2 000 mm；高度hJ般取2 100，2 200 mm。整体卫浴的常用组合尺寸如表2所示。

2.2  选材的标准化

 根据构造要求和对新型钢结构整体卫浴的受力分析，并综合考虑经济因素和安全储备，整体卫浴角钢规格、螺栓规格标准化如表3所示，钢材型号为Q235B。

2.3  角钢件的标准化

 新型钢结构整体卫浴的角钢柱、水平支撑、连接件等角钢件尺寸的标准化，当整体卫浴与柱连接时如表4所示，当整体卫浴与次梁连接时如表5所示。

2.4  防水底盘的标准化

 在地震力等水平外荷载的作用下不考虑防水底盘受力，其外形尺寸可以任意调整，只要能够与整体卫浴底盘进行匹配安装即可，所以可以根据底框Kz直接确定其尺寸。

 L为防水底盘的卷边高度，当选用边长50 mm的角钢时，取L= 31 mm；当选用边长60 mm的角钢时，取L= 37 mm。

2.5  施工安装的标准化

 新型钢结构整体卫浴属于装配式结构，且构件质量轻巧，施工方便快捷。需要工作人员4名，安装工具：角磨机2只600 W，手枪电钻2只300 W。电动螺丝刀2只（含充电器）、螺丝刀、手锤若干、电箱2个、13 mm活络扳手或套管扳手2个。

 安装前应先根据图纸准确定位并标好孔洞的部位，然后在工厂内部加工构件。安装时首先根据卫浴间平面尺寸，在楼板上设置预埋铁件，预埋件标高要统一，待预埋件连接强度满足施工要求时再开始进行上部结构的安装。安装时将支座下部节点板螺栓孔对准预埋件上的螺栓杆套入，然后拧紧螺母，用同样方法安装4个支座ZZ1、ZZ2、ZZ3、ZZ4。安装完毕后应保证支座与底框K2的接触表面水平，且4个支座表面标高相同。

 支座安装完毕后，将矩形底框K1放置在支座之上，后将开洞后的防水底盘置于底框上，按设计要求四周与底框尽量贴紧，然后安装4个角钢柱Z1、Z2、Z3、Z4和壁板，采用每两个角钢柱加一块壁板的方式进行安装，用同样方法安装4块壁板和门板。

 壁板安装结束后安装顶框K2和顶板，先将顶板安装在顶框上，顶板四周与顶框尽量贴紧。再将顶板连同顶框一起安装在角钢柱上，用螺栓和节点板固定，接着将门板安装固定在前壁板上。然后安装支撑和顶部的连接件，最后进行整体卫浴间与主体结构的连接。

3  结束语

 本文根据装配式钢结构的发展需求，提出了两种专供钢结构建筑使用的新型钢结构整体卫浴架结构方案，分别为整体卫浴与柱的螺栓连接和整体卫浴与次梁的螺栓连接。

 1)两种新型钢结构整体卫浴在外荷载作用下具有优良的力学性能，完全满足使用要求。

 2)分析后分别归纳给出两种新型钢结构整体卫浴标准化的连接及构件尺寸和数量以及安装标准化。