裝配式鋼結構住宅體系的現狀與應用

彭光磊

(上海建工二建集團有限公司 上海 200090)

1 裝配式鋼結構住宅發展現狀分析

裝配式鋼結構的住宅建筑結構體系內的一項重要組成部分,以模塊化,工業化的鋼結構柱及鋼結構梁等為主要承重結構,配合以新型的墻體材料作為整個住宅結構的外圍護結構,以模塊化的壓型鋼板,鋼筋桁架樓板為主要樓板結構,組成的裝配式鋼結構住宅體系具有,重量輕,布局靈活,施工快速等諸多有點,相較于傳統的混凝土結構及裝配式混凝土結構具有天然的優勢,是我國住宅結構體系的重要發展方向之一。

1.1 國內裝配式鋼結構體系發展現狀

隨著中國建筑產業化的進一步升級,國內的鋼鐵產業也得到了進一步的發展,同時國內近幾年也成功的建設了一大批具有重要歷史意義的鋼結構標志性建設項目,該批項目的成功實施也同時促進了裝配式鋼結構體系的進一步完善和發展,2019年以后,在政策支持下,多層鋼結構發展明顯,比例同時也得到了明顯增加。

從住宅建筑工程的總體情況來看,由于住宅結構荷載相對較小,建筑的造型相對簡單,所以鋼結構無論從工業化的成熟程度,節點的連接速度,輔助材料的用量等都是普通混凝土結構所無法比擬的。

1.2 裝配式鋼結構體系優點

1.2.1 裝配式鋼結構重量輕、強度髙

裝配式鋼結構住宅體系是由鋼柱、鋼梁等鋼制構件,配合大量使用的預制輕質隔墻組成。與混凝土建筑結構相比,重量減小30%～50% ,極大的減輕了基礎所承受的荷載,對于基礎的要求大大降低,同時由于鋼材的勻質性和韌性好,可承受較大變形,在動力荷載作用下,有穩定的承載力和良好的抗震性能。

1.2.2 裝配式鋼構工業化程度更高

裝配式鋼結構住宅采用的鋼結構材料均有專業鋼結構加工廠進行生產加工,早期鋼結構加工廠采用人工為主的生產線,相對傳統混凝土結構采用的鋼筋混凝土而言已經具備了初步的工業化生產雛形,目前大量的鋼結構專業生產廠家已配備自動化的專業鋼結構加工生產設備,相對比目前國家同樣大力發展的裝配式混凝土結構構件,工業化程度更高,可以使得鋼結構的構件在精度,進度,質量上更能得到保證。

未來裝配式鋼結構住宅體系將設計、生產、施工安裝一體化,進一步提高鋼結構住宅結構體系的工業化水平。

1.2.3 裝配式鋼結構住宅布局更加靈活

傳統混凝土住宅體系,存在著結構形式較為復雜,特別是對于多層結構而言,次梁,主梁截面較大,框架柱截面從結構本體荷載而言無法進一步優化同墻體寬,這就導致住宅體系建筑結構功能分隔較為受限。而裝配式鋼結構建筑由于鋼結構柱截面尺寸小,與混凝土柱相比,截面50%以上,而且開間布置更加靈活,據多個項目對比統計,裝配式鋼結構住宅體系相較于傳統結構住宅可增加約7%的有效使用面積。

1.2.4 裝配式鋼結構建筑更加環保

鋼結構體系本身具有拆改容易,材料再生利用率高等優點,同時在采用裝配式鋼結構的建筑,施工場地占用更少,噪聲更小,施工過程中所產生的建筑垃圾相較于傳統混凝土,磚混等結構體系的工程來說更少,在建筑物拆除后產生的建筑垃圾鋼結構體系一般僅為鋼筋混凝土結構的25%。

拆除之后的廢鋼可回爐重新進行再生,做到資源循環再利用。所以裝配式鋼結構建筑符合環保的要求。

在歐洲等發達國家和地區,新建的裝配式鋼結構建筑已經占到全部新建建筑的50%以上,而在我國鋼結構建筑比例還很小,僅有不到10%,有鑒于鋼結構住宅的諸多優勢,該體系的發展潛力十分巨大。

2 裝配式鋼結構住宅體系選擇

2.1 裝配式鋼結構體系的分類

裝配式鋼結構體系發展至今,根據不同建筑高度,功能等衍生出了多種結構體系,目前應用較多的結構體系有:

鋼框架結構體系、鋼框架—剪力墻結構體系、鋼框架—支撐結構體系、鋼框架—核心筒結構體系、交錯鋼桁架結構體系等。

2.1.1 鋼框架結構體系

鋼框架結構體系是指在縱橫向方向均由鋼柱及鋼梁組成,且由框架承擔豎向及水平荷載的結構受力體系[1]。

2.1.2 鋼框架—支撐結構體系

鋼框架—支撐結構體系是在鋼框架結構基礎上框架柱之間設置豎向支撐,提高結構的整體抗側剛度。

結構受力方面鋼框架主要承受豎向荷載和少部分的水平荷載,鋼支撐則承擔水平荷載,形成雙重抗側力的結構體系。

2.1.3 鋼框架—剪力墻結構體系

鋼框架—剪力墻結構體系同樣是在框架結構體系中設置部分剪力墻,使框架和剪力墻兩者結合起來,取長補短,共同抵抗水平荷載,在此結構體系中,剪力墻分擔大部分的水平荷載,鋼框架承擔豎向荷載和少部分的水平荷載,使得建筑抗側向變形能力大大提升,該體系多應用于高層建筑結構。

2.1.4 鋼框架—核心筒結構體系

鋼框架—混凝土核心筒結構體系由外側的鋼 框架和混凝土核心筒構成的,其中混凝土核心筒由 四周封閉的現澆混凝土墻體形成,在此結構體系中,核心筒抗側剛度極強,承擔了絕大部分的水平荷載和大部分的傾覆力矩,鋼框架承擔了豎向荷載和少量的水平荷載。該體系多用應用于高層和超高層建筑[2]。

2.1.5 交錯鋼桁架結構體系

交錯桁架結構體系主要是由鋼柱與鋼桁架組 成的,通過鋼柱、鋼桁架和樓板形成空間結構抗側 力體。

2.2 裝配式鋼結構體系的適用性

就一般而言低層裝配式鋼結構建筑住宅(3層以內)結構體系宜選擇輕鋼龍骨或輕型截面鋼框架(見圖1)。裝配式輕鋼組合結構是指由10 mm 厚以內的冷彎薄型鋼或普通型鋼與混凝土、結構板材以及保溫材料等組成的輕鋼組合構件,通過梁柱、墻板節點等連接構造,采用螺栓、自攻釘或預埋件等緊固連接部件裝配而成。

圖1 鋼結構住宅

4～6層裝配式鋼結構建筑,結構體系宜采用鋼框架結構、鋼框架—支撐結構體系。

12層以內裝配式鋼結構建筑,結構體系宜采用鋼框架結構、鋼框架—支撐或鋼框架—剪力墻結構體系。

3 裝配式鋼結構住宅應用實例

3.1 工程概況

東航金葉苑3#地塊項目為高檔綜合性住宅小區,共有37 棟多層、中層住宅及一層地下室,其中3棟精裝修公寓樓為地上8層,地下1層,建成后總高29.75 m。

34棟個性化裝修別墅樓為地上4層地下一層,建成后總高13.5 m。

項目住宅單體的結構形式為鋼管柱-鋼框架形式,涉及主要鋼構件為鋼柱、鋼梁、鋼梯,樓板主要采用鋁制可拆卸鋼筋桁架樓承板形式的現澆樓板,圍護結構為砌體墻形式。

3.2 裝配式鋼結構住宅施工流程

裝配式鋼結構住宅總體施工流程以豎向結構為先,水平結構為后,結構柱兩層一吊裝,采用了可拆卸的鋼筋桁架樓層板,免除了臨時支撐,在鋼結構加工工廠內集成了幕墻埋件,鋼梁內先期留設了安裝套管使得整體施工流程進一步簡化,加快施工效率。該工程鋼結構總體流程如下:

吊裝鋼柱并臨時固定→吊裝框架梁→調整柱底標高→校正柱垂直度→吊裝次梁→高強螺栓終擰→框架梁焊接→柱對接焊接→吊裝桁架板→綁扎鋼筋→澆筑混凝土樓板(見圖2)。

圖2 鋼結構校正及焊接

3.3 鋼結構吊裝設備的選用

現場37棟單體,共計布置了11臺塔吊,1#～3#塔吊型號QTZ250(T7020-12KA),安裝高度為48.6 m、54.3 m,起重臂安裝長度為60m;4#～11#塔吊型號QTZ80(TC5610),安裝高度有29.3 m、34.9 m、40.5 m。

鋼結構施工過程中采用25 t及50 t的汽車吊若干,在整個鋼結構安裝過程中,主要以汽車吊作為鋼結構吊裝的起重設備,而塔吊主要以周轉場地內的材料為主,在現場材料駁運比較空閑的情況下配合吊運鋼結構材料吊運及安裝。

3.4 可拆卸桁架樓層板技術

該工程樓板采用組合拼裝可拆卸式鋼筋桁架樓承板(見圖3),該樓層板是一種運用輕質高強板材并與預加工桁架鋼筋組裝,通過擱置在結構梁柱等受力構件上的方式起到自行承載上部結構施工荷載從而代替普通模板體系形成的一種免支撐的新型模板技術。

圖3 可拆卸樓承板運用

該技術所使用的模板為車間和現場加工、組裝的形式,所使用的板材及配件具有模塊化、預制化、組合靈活、免模下支撐和可拆卸循環利用的特點,被主要應用于鋼結構建筑中樓板的支模。

通過類似PC中疊合板的安裝形式,將預加工完成的樓承板通過塔吊或汽車吊等起重機械,吊運至已完成的鋼框架結構的操作層面進行有序地鋪裝和節點處理,通過綁扎面層鋼筋形成完整的樓板鋼筋工程,并采用汽車泵或固定泵泵送混凝土的形式進行混凝土澆筑作業,形成最終的結構板面。

3.5 高精度三維掃描測量技術

裝配式鋼結構施工過程中由于所有構件均為裝配形式進行,組裝的過程中,不可避免的產生施工偏差及誤差,誤差會對后期幕墻及裝飾裝修的精確度產生影響。

通過三維掃描設備Faro 350 輔助Lecia TCA 2003 全站儀進行掃描作業。掃描形成的數據通過點云處理軟件Scene和Revit軟件進行數據基本功能處理后,進入三維檢測軟件Geomagic,將深化設計Tekla模型與三維激光掃描的點云數據進行數據匹配。再進入軟件Geomagic對比分析界面進行空間對比分析,精確檢測出鋼結構安裝情況與深化設計Tekla模型的偏差,包括定位偏差、構件變形、柱子傾斜度等達到精準調差的目的。

3.6 全過程數字化技術

項目采用全過程5D 智慧現場管理系統(見圖4),通過監控識別,設備安全保護系統,可視化施工現場模擬系統等為現場的精細化管理起到保障的作用。

圖4 智慧工地建設

監控系統:現場監控48臺,包含槍機32臺,球機16臺,實現了施工現場監控全覆蓋,可實時掌握現場動態情況,部分探頭具備AI智能監控(安全帽佩戴識別、反光衣著裝識別、明火煙霧識別、區域入侵識別)。

塔吊安全保護系統:對超重、安全限位、塔身傾斜、塔吊間碰撞等進行實時預警,同時采用人臉識別對塔吊司機進行持證上崗管控,避免無證或未上報人員對塔吊進行操作。實現數據對接平臺。

通過BIM 對重難點方案進行可視化施工模擬及交底,目前經過BIM 建模優化的方案有挖土方案、深基坑施工方案、高支模方案、腳手架方案、鋼結構施工方案等。

4 裝配式鋼結構住宅問題及建議

4.1.1 模塊化程度不足

裝配式鋼結構住宅目前的設計思想較多的還是停留在傳統混凝土結構住宅模式,模塊化思想還不夠深入,各種造型類的構件較多,該些構件重量往往較輕,數量較多,相對于傳統的垂直運輸機械——施工塔吊無法完全發揮塔吊的垂直運輸能力,導致現場需要排布大量的汽車吊,用以輔助生產吊裝。嚴重的影響了現場項目的施工進度。

未來可向發展傳統的鋼結構全裝配式的鋼結構住宅體系,全模塊化,實現快速化的現場安裝,工廠內初步預制,現場進一步預制,利用施工機械進行滿載的吊裝拼接。實現真正意義上的預制裝配式鋼結構住宅。

4.1.2 鋼結構防火措施有待加強

裝配式鋼結構建筑受火時,高溫作用下,鋼材的彈性模量和屈服強度在高溫的作用下會不斷降低,直接造成結構內部產生不均勻的溫度場,最終導致結構整體破壞。

目前而言鋼結構防火措施一般使用防火涂料和防火板材。對于住宅和高層鋼結構建筑,防火板材可將建筑裝飾和結構防火融為一體,安裝方便快捷。

但防火板材施工過程中,對于板材的安裝質量,要求等要求很高,對于鋼結構自身的防火能力,未來可在鋼結構進一步發展耐熱鋼等先進材料,目前裝配式鋼結構的防火問題還有待于進一步研究與完善。

4.1.3 材料加工與現場需求平衡

裝配式鋼結構住宅體系往往具有,構件數量多,種類多,材料的加工滯后往往成為施工現場順利實施的掣肘。

應提前結合施工既定計劃、計劃工作量、現場階段場地布置情況、勞動力機械配備情況,梳理擬定合理的材料供貨計劃,并根據現場擬定的供貨計劃匹配滿足產能的材料供應單位,防止后續因產能不足造成施工無法正常開展。擬定材料供貨計劃時應預留充分的準備時間包括圖紙深化時間、加工計劃單形成時間、原材料采購時間、生產時間和運輸到貨時間等,此外構件的復雜程度也是影響材料加工實際產能的重要因素。

5 結語

裝配式鋼結構住宅體系相較于傳統混凝土住宅體系,有著低碳環保,建筑布局靈活,工業化程度高等一系列優勢,是住宅結構體系中的一個重要的發展方向,特別是在國家大力發展建筑工業化的大背景下,裝配書鋼結構住宅體系是目前最適用于工業化建設的住宅體系之一。

對于裝配式住宅體系而言,面對不同的住宅高度,建筑形式的需求尋找合適的結構形式至關重要,同時,對于鋼結構而言仍舊存在著模塊化程度不足,防火措施有待加強及優化,工業化程度仍舊無法完全滿足現有的生產需求等問題,但在正視該些問題的基礎上,在新型構件、新型節點、新型結構體系不斷涌現和改進的基礎上,在不遠的將來,裝配式住宅結構體系一定能滿足越來越多不同種類不同形式的住宅建筑使用功能和美觀要求。