裝配式鋼結構關鍵點研究

陳家春

(福建省建筑輕紡設計院 福建福州 350001)

0 引言

2016年出臺的《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見要求》，明確要求我國建筑行業用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑比例的30%，同時明確要求各地積極推廣鋼結構建筑。2019年10月，《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》正式實施，促使了裝配式鋼結構的推廣與應用得到高效推動。

裝配式鋼結構與傳統鋼結構相比，具有標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修以及可信息化管理等特點，具有工期短，自重輕，可持續發展的優勢，是全壽命周期內的綠色建筑[1-2]。但是，現階段裝配式鋼結構在預制、吊裝、質量控制以及成本控制等方面仍存在較多問題，如裝配式鋼結構構件吊裝過程中碰撞問題、圍護墻體問題等，都各自影響著裝配式鋼結構的推廣使用。

目前，由于裝配式鋼結構中預制樓板、預制墻板等連接技術尚不成熟，尤其是預制墻板拼接處的裂縫、防水等問題尤為凸出，全裝配式結構的房屋，包括全裝配式混凝土結構、全裝配式鋼結構的房屋在實際工程尚較為少見。在滿足裝配率的前提下，業界通常將一些現場濕作業手段，以克服連接處的開裂和防水現狀，均統稱為裝配式結構。基此，本文立足裝配率要求，以及預制和濕作業相結合的裝配式鋼結構房屋，從裝配式鋼結構的深化設計和圍護墻體、施工控制等3個方面進行分析，探討其存在的難點及原因，并提出相應的對策，為裝配式鋼結構的工程運用推廣提供參考。

1 裝配式鋼結構的關鍵環節

當前階段，深化設計環節對裝配式鋼結構的質量、成本、安全尤其具有重要的影響。深化設計通常包括建筑深化設計、結構深化設計、管線深化設計3個方面。在建筑深化設計方面，廚衛其平面尺寸要符合標準化整體廚衛的要求、門窗的幾何尺寸要考慮預制構件的能力以及如何深度分析防滲漏和防水等問題以采用合理的接縫設計做法。因此，在進行結構深化設計時，應考慮好連接板和強度板等設計，臨時支撐的預埋件與永久使用預埋件不兼用。管線深化設計，借助BIM技術手段盡量減少碰撞，曲線管道或附件少的管道要盡量避讓直線型管道等[3]。

鋼結構主體結構雖已非常成熟，但裝配式鋼結構的圍護體系包括圍護墻體、樓蓋、屋蓋的技術相對滯后。因此，圍護體系如何適應鋼結構裝配化、輕量化、功能性、安全性等需求，同時又要適應集成化設計、協同設計、裝修一體化等性能要求，是裝配式鋼結構施工中的關鍵問題。圍護系統必須堅持系統化、產業化思維，即圍護系統的標準制定、設計深化、生產配套、安裝施工、信息管理、服務維護等環節，要形成產業化的整體解決方案，不宜單一地、割裂地、斷層式地去思考。為提升裝配化和效率，圍護體系的連接技術應盡量采用高強螺栓連接、卡扣件連接、模塊式連接等新技術和新工藝[4]。

2 裝配式鋼結構常見問題

2.1 深化設計環節階段

裝配式鋼結構具有工廠化加工制作、機械化現場安裝的優勢，但由于目前標準化、模數化的程度不高，造成了現場作業多、降低了施工效率。目前，裝配式鋼結構的標準主要還是綱領性文件，還需要設計單位、施工單位等進行細化。

在建筑深化設計階段，由于設計師與施工單位溝通交流不足，導致一些小型金屬構件、連接裝飾構件等預埋件的具體位置不準確或缺失，導致后期現場鉆孔等引起滲漏問題等。

在結構深化設計階段一般包括主體結構和附屬加強結構，深化設計往往重視主體的梁、柱等，而作為附屬結構如連接板、加強板等設計不被重視，出現強度、變形的驗算缺失甚至漏考慮的現象。此外，現場吊裝過程本應需要考慮吊環的承載力大小、位置，卻往往因為缺少溝通而導致預留不合理或缺失。

機電設備、管線深化設計階段，由于各專業之間的配合不夠，導致一些管槽位置預留存在變差、管道外露問題等。

2.2 圍護體系

(1)樓蓋體系

目前，在裝配式鋼結構中通常采用壓型鋼板組合樓板、預制混凝土疊合樓板、自承式鋼筋桁架樓承板等。壓型鋼板組合樓板可以減少模板、降低樓板混凝土的厚度，但防火性能差、底模不是平整往往要增加吊頂影響使用空間。預制混凝土疊合樓板，分為預制層和現場澆筑疊合層，不需要支模、工期短，但預制層較薄在施工過程容易出現斷裂、裂縫等問題。

自承式鋼筋桁架樓板是將樓板底部鋼筋加工成桁架，并將其與底模連成一體的組合壓型鋼板，相比壓型鋼板組合樓板，減少了現場鋼筋綁扎的工作量；相比預制混凝土疊合樓板，運輸過程安全可靠。自承式鋼筋桁架樓承板在鋼結構安裝完成后鋪設樓層板，然后澆筑砼，是屬于無支撐壓型組合樓承板。然而在實際工程中，往往由于結構的跨度較大，需要再增加一道支撐(圖1)，而當獨立支撐的穩定性較差、層高較高時，則不能滿足穩定性要求，需要進行另外的拉結，增加了附加的工序和成本[4]。

圖1 鋼筋桁架樓承板示意圖

此外，自承式鋼筋桁架樓承板屬于標準化產品，必須事先進行深化設計、排布,如果排布不當，現場進行臨時切割較為麻煩，如圖2所示。

圖2 現場切割桁架筋樓承板

(2)圍護墻體

鋼結構中墻體的主要作用以分隔和圍護為主，不承擔豎向荷載，主要承擔自重、風荷載和水平地震荷載。在裝配式鋼結構中，圍護墻體必須與其工業化相符，達到標準化設計、工業化生產和裝配化施工的要求。目前常用的圍護墻體有：ALC板條、EPS砼復合夾心板條、陶粒混凝土空心板條、輕鋼龍骨墻體、輕鋼龍骨灌漿墻體等。然后，相應的節點構造做法，并不成熟，導致施工工序依然較繁瑣，現場依然有較多的濕作業，板與板之間依然需要采用砂漿進行連接，如圖3所示。而且，相比傳統的現場砌筑的做法，采用預制墻板的形式更容易因為收縮、變形而產生裂縫。

圖3 內墻預制板施工圖

2.3 施工控制問題

(1)運輸及安置不當

運輸距離、運輸路徑和運輸時段對成本有顯著影響。運輸過程由于保護不力的原因極易發生構件變形、脫漆等問題；預制構件在施工現場被無序堆放延緩施工流程，也會影響實際施工組織流水正常進行。

(2)吊裝效率問題

吊裝效率直接影響工程施工成本。吊裝之前需對構件的吊裝位置與吊裝方式進行嚴謹的測量與規定，避免其在吊裝過程出現旋轉、翻身甚至碰撞、掉落、定位不準導致鋼柱垂直度不符合要求等問題，進而影響安裝效率

鋼構件的制作工藝對尺寸的要求是正3負0mm，但這僅僅對構件整體尺寸而言，比如斜度和孔距就不能按照此要求。由于鋼結構的精度要求高，預制過程難免存在尺寸偏差，增加鋼構件現場吊裝的難度。例如，螺栓與栓孔無法對齊、構件之間無法緊密銜接等問題[5]。

(3)裝配過程的附加措施

裝配式鋼結構建筑在全壽命周期中具有更好的經濟性，鋼框架較混凝土框架相比，工期縮短高達58.4%，可大大提高施工效率，節約人工成本[6]。但在裝配式鋼結構吊裝過程有較多的附加措施使建安成本上升，如臨時支撐、運輸、吊裝、就位等無不增加了施工安裝費用。 例如，鋼柱需要制作鋼梯、吊裝裝置等，如圖4所示。

圖4 施工現場鋼構件圖

3 改進建議

(1)完善深化設計，做好預埋件布置

加強裝配式建筑標準化、模式化的建設，為設計單位、施工單位、預制廠提供統一的標準。各單位、各專業之間加強溝通交流，協調，尤其是設計單位、施工單位、預制廠之間的溝通交流。如充分了解施工單位的吊裝方案、順序、塔吊的吊裝能力(臂長、高度)、臨時固定措施等，在構件拆分階段，在構件連接位置的設計上除了考慮受力性能同時兼顧施工方便性，則可降低整體的成本。例如，在柱子拼接過程預先設計了臨時連接件，則方便施工單位定位和臨時固定，如圖5所示。

圖5 鋼結構柱節間拼接示意圖

(2)優化輕質墻板嵌縫材料

預制輕質墻板的接縫，是施工后容易由于溫度、沉降等影響產生裂縫。因此，在設計施工過程，接縫處的處理尤為重要，一般要通過留置分隔縫并通過耐候膠予以嵌縫。但是，由于耐候膠屬于化學基材料，其耐久性不如水泥基材料，耐久性較差，基于目前，已有研究者標明，橡膠粉末或顆粒摻入的水泥砂漿中其耐久性得到了顯著的改善，本研究建議采用橡膠水泥砂漿進行嵌縫，利用橡膠良好的變形能力實現分隔縫處的左右變形、減少變形附加應力的產生。

(3)細化施工方案

細化施工方案是提高施工效率的有效途徑之一。目前，BIM技術已逐漸被運用到施工，確定預埋件位置、碰撞問題等。加強一些關鍵工序的監控，如構件吊裝。施工方及預制廠應分別根據不同類型預制構件的特點及受力要求，單獨制定吊裝、運輸、施工方案。同時，按照方案對相關的吊裝吊具提前進行準備，以提高吊裝效率。如吊裝運輸過程堅持先吊先運原則，應考慮運輸過程中構件的穩定性等問題。在對構件進行有序安置的同時應保證構件存放狀態與安裝受力狀態一致，避免由于存放不合理導致構件翻身或受力破壞。例如，鋼筋桁架樓承板或預制疊合板等起吊時，可采用4點點吊裝梁進行吊裝，吊索之間的夾角應介于60°～120°之間，嚴禁超過120°。

4 結論

(1)裝配式建筑的深化設計結構由于標準化、模板化不高，而且各單位、各專業之間溝通交流不足，導致深化的精度不足，影響結構的質量和效率。

(2) 裝配式鋼結構的圍護體系改進已經取得了一些進展，如自承式鋼筋桁架樓板的運用、輕質隔墻的運用等，但在施工連接節點做法、便利性上仍存在一些不足。

(3)施工方案不精細也是目前吊裝效率低、施工成本增加的原因之一，建議利用BIM技術細化施工方案，尤其是關鍵工序提高裝配式鋼結構施工質量和效率。