裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展與應用

崔曉江 李曉敏 田執(zhí)貴

（1、2山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590；3山東一順建設有限公司，山東濟寧272200）

1 綠色節(jié)能建筑現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

1.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色節(jié)能建筑的現(xiàn)狀

就發(fā)展來看，目前我國現(xiàn)階段采用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要應用在高層建筑中，以及一些大型鋼廠房和大型公用建筑中。住宅等建筑多以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的應用在這種住宅類型建筑中相對較少。

1.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色節(jié)能建筑的未來趨勢

裝配式建筑依舊是我國建筑行業(yè)的主要發(fā)展與研究方向，基于結(jié)構(gòu)形式以及造價等多因素的考慮，應用不多，起步較晚，沒有緊跟建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢。預制建筑因其綠色節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，在未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼耍磥斫ㄖ袠I(yè)要抓住機遇實現(xiàn)轉(zhuǎn)型，這是我國建筑行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢。

1.3 創(chuàng)新體系，改進建筑

過去因為各種因素使得這種建筑類型發(fā)展得到遏制，而發(fā)達國家在此時間段內(nèi)充分利用與改進此類結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在我國裝配式建筑雖然得到有序提升，但是在未來依舊需要以改變傳統(tǒng)為基礎，勇于創(chuàng)新新型的建筑體系。如何提升建筑體系，如何改進以往結(jié)構(gòu)形式，如何控制成本來改進空間制約問題，如何提高建筑整體安全性能，還需要我們仔細研究。如何改進建筑發(fā)展研究方向是需要我們政府機構(gòu)、結(jié)構(gòu)設計人員、業(yè)界專業(yè)人士共同來改進完善，勇于改變以往在各方面只注重建筑結(jié)構(gòu)而忽略建筑自身的情況。

1.4 更加完善新型建筑體系

以相同結(jié)構(gòu)形式的模數(shù)化設計會更加完善，運用實際工程中會更加合理安全。工廠化主要是改變以往的現(xiàn)場加工形式，在工廠加工完成后運輸?shù)浆F(xiàn)場吊裝安裝，隨著裝配式建筑的不斷發(fā)展，“模塊化”“工廠化”的新型建筑依舊會沿用質(zhì)量管理體系對出廠產(chǎn)品實施嚴格審核，嚴格吊裝、安裝，完善新型建筑體系的連接問題，在保證建筑質(zhì)量的同時降低建筑建造成本。

2 目前制約裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑常見的問題

在我國目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展過程中，建筑結(jié)構(gòu)等方面依舊存在許多問題，一是材料預制與吊裝建筑造價高，同時，不能滿足相關技術(shù)要求，設計理想狀態(tài)常常超出國家相關規(guī)范規(guī)定。二是以建筑住宅為體系的結(jié)構(gòu)體系不能充分發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)大跨度、大空間優(yōu)勢，依舊采用抗壓材料以混凝土結(jié)構(gòu)為主的思路。三是施工過程中生產(chǎn)線投資高，需要大量專用設備生產(chǎn)，大型機械設備吊裝運輸，不利于集體產(chǎn)業(yè)化，未采用標準化設計。四是注重研發(fā)結(jié)構(gòu)體系，圍護體系成熟度低，結(jié)構(gòu)與圍護體系不配套，強柱弱梁與強節(jié)點的連接等問題突出。在未來我們可以改變構(gòu)件及部分構(gòu)件標準化程度低、不能充分利用的問題，使其能應用到其他建筑中，同時在未來能較好應用BIM等計算機軟件技術(shù)，更加注重成熟產(chǎn)品的“集成創(chuàng)新”，采用更多經(jīng)檢驗合格的新產(chǎn)品、新工法，形成集約式發(fā)展，形成模數(shù)型裝配式綠色建筑的健康可持續(xù)發(fā)展。

3 基于BI M技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系

3.1 BI M技術(shù)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)的融合

未來的裝配式建筑符合建筑行業(yè)集約化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)要求，所需構(gòu)件能夠在穩(wěn)定的車間內(nèi)加工制作完成，批量化生產(chǎn)，有利于完善更加智力密集型體系，促進建筑業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，將BIM技術(shù)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系有機融合，充分利用大數(shù)據(jù)快處理的計算方式，快速實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，滿足信息化快速發(fā)展的需求。

3.2 基于BI M技術(shù)能夠快速實現(xiàn)價值

BIM技術(shù)能解決在未來施工中遇到的協(xié)作風險，用提前避免碰撞來提高施工效率，降低建造施工成本。考慮到未來建筑建造因素，可以實現(xiàn)縮短施工周期，節(jié)省重復利用大量的人力、物力，減少犯錯，減輕建筑工人的勞動強度，提高施工速度，從而縮短工期。BIM技術(shù)能夠提高建筑施工整體質(zhì)量，將整個建筑部件化，裝配式材料大部分加工、制作都在生產(chǎn)車間進行，到現(xiàn)場安裝施工的量較傳統(tǒng)濕作業(yè)工藝大大減少，降低了濕作業(yè)的影響因素，因此實現(xiàn)了減小對現(xiàn)場施工環(huán)境依賴性，借助軟件的虛擬建造技術(shù)，將質(zhì)量控制范圍前移擴大，保證了部構(gòu)件質(zhì)量，有效地提高了整體施工質(zhì)量。BIM技術(shù)使得建筑更加綠色環(huán)保，綜合效益極大提高。裝配式鋼結(jié)構(gòu)采用鋼材作承重結(jié)構(gòu)，降低了鋼筋與混凝土的使用量，綜合效益與質(zhì)量極大提高。我國堅持可持續(xù)發(fā)展的原則，BIM技術(shù)下可以提高建筑使用效率，提高建筑工程的質(zhì)量。

4 某工程在實際應用中考慮的問題與因素

在某工程采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應用，形成了裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑方案，該方案真正實現(xiàn)了規(guī)范化、標準化、模塊化。但是，如何更好地運用到其他工程中，如何更加方便利用同批次產(chǎn)品，在以后的工程實際應用中如何用于控制成本，降低施工難度，并形成批量是此次實際項目中一項關鍵設計原則。結(jié)構(gòu)方案與建筑戶型的充分融合，在結(jié)構(gòu)形式中規(guī)避缺陷的關鍵設計思想，遵循鋼結(jié)構(gòu)體系力學邏輯，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)大空間優(yōu)勢，揚長避短，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型布局的多樣性和可組合性，這些都是不同于傳統(tǒng)住宅的重要特點。在此工程中，結(jié)構(gòu)體系選擇力求技術(shù)成熟、效率高、造價優(yōu)、符合裝配式建筑技術(shù)發(fā)展，不過其中鋼框架——混凝土剪力墻體系仍然需要現(xiàn)場綁扎鋼筋、澆筑混凝土，并且與鋼結(jié)構(gòu)施工存在工序交叉，與裝配式技術(shù)發(fā)展有悖，鋼框架——延性墻板體系需通過結(jié)構(gòu)變形發(fā)揮耗能機制優(yōu)勢，對圍護結(jié)構(gòu)適應變形能力有較高要求，適宜于幕墻圍護體系的住宅，Y形柱對于建筑立面影響較大。

按照規(guī)定高度小于80m的鋼結(jié)構(gòu)建筑不需要驗算舒適度，但是在此項目中鑒于項目設計類型是住宅類建筑，鋼結(jié)構(gòu)體系剛度相對較小，并且對舒適性的要求敏感，特別是在沿海地區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)和大型風荷載區(qū)域，因此，考慮到各種因素，在實際工程應用中，所述結(jié)構(gòu)頂點的風加速度應被控制為小于0.20m/s。外圍護系統(tǒng)一直是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的技術(shù)難點。目前，該項目考慮了典型外墻系統(tǒng)的選擇和鋼結(jié)構(gòu)連接的約束。輕鋼龍骨復合外墻系統(tǒng)成本較高、性能好，適用于風大多雨的沿海地區(qū)。其自重的特性有點偏離輕質(zhì)高強鋼結(jié)構(gòu)的特性，這對鋼的用量有很大影響。

綜上所述，裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在未來不僅有技術(shù)方面的因素，還有各種各樣的困難和問題，此類建筑形式依然還需要不斷地結(jié)合建筑工程，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，不斷優(yōu)化施工技術(shù)和制造鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，更加優(yōu)化組織設計，合理利用發(fā)展裝配式綠色建筑空間。建筑綠色住宅是一個非常重要的建筑形式，所制作的鋼結(jié)構(gòu)需要整合建筑行業(yè)上下一起來建設，探索更適合的施工技術(shù)和解決方案，減少施工，同時確保施工品質(zhì)。在規(guī)避風險的同時，實現(xiàn)工程建設健康、持續(xù)創(chuàng)新。