裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系研究

李其廉 仇紫璇 溫紅廣

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

預(yù)制裝配式建筑即集成房屋是將建筑的部分或全部構(gòu)件在工廠預(yù)制完成，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場將構(gòu)件通過可靠的連接方式組裝而建成的房屋[1]。近年來，我國城市建設(shè)發(fā)展迅速，高層建筑逐步增加，我國大力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化供給側(cè)改革。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國歷經(jīng)多年的發(fā)展，具有空間布置靈活，綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，自重輕、承載力高，質(zhì)量優(yōu)良、抗震性能好，建設(shè)簡易、施工工期短以及經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。

在我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展中，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系既要滿足輕質(zhì)的要求，又要有足夠的強(qiáng)度和剛度，達(dá)到綠色節(jié)能的效果，滿足密封性能、熱工性能、隔聲性能、裝飾性能的要求[2]，所以進(jìn)行建筑樓面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的研究，對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展尤為重要。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系國內(nèi)外發(fā)展優(yōu)勢

1.1 國外發(fā)展優(yōu)勢

國外裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的各項(xiàng)技術(shù)比較成熟完善，以墻體為代表的圍護(hù)體系也不例外[3]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在美國發(fā)展已較為成熟，鋼結(jié)構(gòu)建筑成功應(yīng)用于住宅、工業(yè)及公共設(shè)施領(lǐng)域。日本的鋼結(jié)構(gòu)住宅占七成以上的建筑市場份額，在日本的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，樓面板為鋼筋混凝土疊合現(xiàn)澆板，外墻板采用ALC板，內(nèi)墻板采用強(qiáng)化石膏板。新加坡大力推進(jìn)裝配式建筑，新加坡建設(shè)局采用Mech-c and PIP計劃，最高可獎勵采用先進(jìn)技術(shù)的企業(yè)20萬新幣，目前我國的海南省在裝配式施工階段也采用此計劃。

1.2 國內(nèi)發(fā)展優(yōu)勢

2017年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑提供了合理的發(fā)展條件。鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)就是適合工廠化進(jìn)行生產(chǎn)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在工廠內(nèi)制作，減少工人在工地的現(xiàn)場制作，提高了工程質(zhì)量，節(jié)約了施工現(xiàn)場的場地，便于施工現(xiàn)場文明施工，有利于現(xiàn)場的安全管理。在建造的過程中產(chǎn)生的垃圾和噪聲污染大大減少，促使各類環(huán)境問題得到有效的緩解，符合可持續(xù)發(fā)展。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用的材料可以實(shí)現(xiàn)再循環(huán)利用，減少資源的浪費(fèi)，體現(xiàn)了我國提倡的綠色環(huán)保理念。對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系來說，裝配式樓板和墻板可以大大地節(jié)省空間，提高建筑物的凈高，創(chuàng)造更多的空間，結(jié)構(gòu)布置也更加靈活。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓(屋)面板體系

樓面板在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑物中主要承受由樓板自重和活荷載組成的豎向荷載以及傳遞水平荷載，樓板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的樓板應(yīng)與結(jié)構(gòu)體系要求相適應(yīng)，達(dá)到工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并減輕自重。屋面板除要滿足樓面板防水、隔聲等使用功能外，還需要抵御外部環(huán)境的侵襲，如雨、雪和風(fēng)等，并達(dá)到保溫隔熱的效果。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的樓面板形式選用主要從抗震設(shè)防烈度、建筑高度、裝配化和造價等考慮，目前我國采用的樓面板類型主要有壓型鋼板組合樓板、鋼筋桁架樓承板、現(xiàn)澆混凝土樓板和預(yù)制混凝土疊合樓板。

壓型鋼板組合樓板是由鋪設(shè)在鋼梁上的凹凸薄鋼板與現(xiàn)澆混凝土結(jié)合而成，鋼梁有圓柱頭栓釘，可以對樓板的整體性進(jìn)行加強(qiáng)。壓型鋼板組合樓板可達(dá)到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的要求，施工效率快，但濕作業(yè)較大，適用于樓層凈高小的裝配式建筑，造價產(chǎn)生較高。

鋼筋桁架樓承板是由鋼桁架與底模鋼板焊接成一體的樓板，鋼桁架是由樓板底部鋼筋在工廠加工而成。樓面板施工效率快，一定程度上減少現(xiàn)場鋼筋綁扎的數(shù)量，不需要做防火與防腐，適用于低層工業(yè)裝配式建筑，但濕作業(yè)量較大，不易于開洞，設(shè)備安裝麻煩，需嚴(yán)格把控節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量。

現(xiàn)澆混凝土樓板在工程中應(yīng)用最廣，可以直接應(yīng)用在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，其施工技術(shù)簡單，成本低廉，便于設(shè)備的管道鋪設(shè)，但無裝配化，自重大，施工效率較其他三種樓面板低，進(jìn)而導(dǎo)致工期加長。

預(yù)制混凝土疊合樓板是由工廠預(yù)制板與現(xiàn)澆混凝土層組合而成。預(yù)制混凝土疊合樓板較其他三種樓板形式的濕作業(yè)量少，樓板剛度大，且造價適中，但疊合樓板密拼板縫處理技術(shù)及疊合樓板四周不出筋技術(shù)為施工主要難題[4]。

樓面板的設(shè)計分為施工階段和使用階段，在兩階段的計算中，應(yīng)參考現(xiàn)行GB 50010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和JGJ 138組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，按承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算強(qiáng)度和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算變形，做好組合樓板的設(shè)計與計算。四種類型的樓面板各有優(yōu)勢，不論采用哪種都需要確保樓板可以與鋼結(jié)構(gòu)較好的連接，連接節(jié)點(diǎn)問題不容忽視，并且保證樓板的整體性。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)外墻板體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)外墻板圍護(hù)系統(tǒng)是重要的組成部分，外墻板的裝配化是考核裝配式建筑的關(guān)鍵[5]。國家“墻改”政策的實(shí)施，推動了新型墻體的研發(fā)，這個“新型”主要在兩方面，一方面是新材料，另一方面是新的墻體連接技術(shù)，外墻板應(yīng)重點(diǎn)考慮與鋼結(jié)構(gòu)主體的配合，突出新材料和新型節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)勢。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，外墻類型主要有預(yù)制砌塊、預(yù)制條板、輕鋼龍骨大板和輕質(zhì)混凝土復(fù)合大板四類。預(yù)制砌塊裝配化低，濕作業(yè)量大且施工效率低，主要有輕質(zhì)加氣混凝土砌塊和混凝土小型空心砌塊；預(yù)制條板裝配化一般，會有部分濕作業(yè)且施工效率較高，但國內(nèi)預(yù)制條板的種類較少，技術(shù)落后；剩余兩種類型外墻裝配化高，兩者的濕作業(yè)量不多，但輕質(zhì)混凝土復(fù)合大板是由兩種以上材料結(jié)合而成，較輕鋼龍骨大板有相對高的抗彎承載力和高度，保溫性能更優(yōu)越。

在我國應(yīng)用較多的裝配式外墻板有輕質(zhì)蒸壓加氣混凝土板(NALC板)、玻璃纖維增強(qiáng)水泥板(GRC板)、輕質(zhì)水泥發(fā)泡夾心板、鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙烯夾芯板、鋼筋混凝土絕熱材料復(fù)合墻板、金屬復(fù)合板和輕鋼龍骨組合板，其中NALC板技術(shù)比較成熟，在國內(nèi)應(yīng)用最廣，被列為“國家住宅建設(shè)推薦產(chǎn)品”。裝配式外墻板在設(shè)計時，必須符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)墻板體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)墻板主要采用的是無機(jī)非金屬墻板，內(nèi)墻板分為分戶墻和內(nèi)隔墻，它可替代由空心磚或混凝土砌塊組成的非承重墻，達(dá)到更好的分室分戶的作用。裝配式內(nèi)墻板的主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、綠色環(huán)保、造價低、施工效率高、隔聲性能和防火性能好。

在我國應(yīng)用較多的裝配式內(nèi)墻板有植物纖維復(fù)合隔墻、空心石膏板隔墻和粉煤灰泡沫水泥墻板。植物纖維復(fù)合隔墻輕質(zhì)環(huán)保，施工速度快，墻體表面極其平整，較適合商業(yè)店鋪、酒樓、KTV等調(diào)整布局頻繁的場合?？招氖喟甯魤δ芷鸬秸{(diào)節(jié)室內(nèi)空氣中濕度的作用，構(gòu)造簡單，便于加工與安裝。粉煤灰泡沫水泥墻板是國家鼓勵發(fā)展的新型墻體材料，在缺乏輕質(zhì)集料的地區(qū)作用顯著，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

5 結(jié)語

目前圍護(hù)體系還存在一些問題，比如樓(屋)層板采用現(xiàn)場澆筑較多，但現(xiàn)場澆筑的樓層板耗時，并且也比較重，裝配式樓板除自重問題外還有施工問題，安裝水平較差，施工粗放式管理，導(dǎo)致板縫間誤差太大，后期彌補(bǔ)困難；外墻板組合材料的保溫性能還需進(jìn)一步研究；圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的連接技術(shù)問題是關(guān)鍵，內(nèi)外墻板的連接形式復(fù)雜，連接類型多，不能達(dá)到規(guī)范統(tǒng)一，連接后與主體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)部分處理復(fù)雜，施工技術(shù)不先進(jìn)，時間長久可能會滲漏和開裂。企業(yè)和高校科研機(jī)構(gòu)應(yīng)對連接技術(shù)問題深入研究并完善相應(yīng)設(shè)計理論，為推動我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展提供有力支撐。

經(jīng)過對我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的樓(屋)面體系、外墻板體系、內(nèi)墻板體系進(jìn)行系統(tǒng)分析，列出了當(dāng)前應(yīng)用較多的樓板和內(nèi)外墻板的類型及優(yōu)點(diǎn)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑既可實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排，又符合可持續(xù)發(fā)展的要求，加速我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、綠色化、標(biāo)準(zhǔn)化制作的目標(biāo)，推動綠色建筑事業(yè)和建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。