裝配式鋼結構在住宅的應用與展望

趙 君

(上海建工二建集團有限公司 上海 200090)

1 國內裝配式鋼結構住宅的現狀

1.1 裝配式建筑發展規模

近年來,隨著我國經濟的飛速發展,勞動力成本的不斷上升,材料及預制構件加工水平的提高和裝配式施工技術的完善以及國家政策導向的推動,預制裝配式建筑重新升溫,并呈現快速發展的態勢。根據2019年住建部發布的裝配式建筑發展情況報告(下簡稱報告),從2016年到2019年的4年時間里,全國新開工裝配式建筑面積平均增長率達55%,建筑類型上,住宅占比54.7%,結構類型上裝配式混土結構占比65%(見圖1)。

1.2 裝配式鋼結構住宅的應用與分析

國內的裝配式住宅發展迅速,但還是以裝配式混凝土結構形式為主,較之裝配式混凝土住宅,裝配式鋼結構住宅的發展相對落后。主要原因還是由于國內工業化起步晚,對于鋼結構住宅的科研和工程應用相對滯后。但隨著工業化程度提高,鋼材加工制造業產業鏈的完善和高質量鋼材產能的提高,為鋼結構住宅的發展創造了有利條件,國家對于節能環保、綠色建筑的推廣以及鋼結構住宅設計思路的創新和標準的不斷完善,為鋼結構住宅的發展提供了提供機遇。

針對國內現主要為100米以下的多高層住宅,國內現主要的應用于住宅的鋼結構形式包括:①鋼管混凝土束組合結構體系;②鋼管混凝土異形柱框架結構體系;③鋼扁柱框架—支撐(鋼板墻)結構體系(隱式框架—支撐(鋼板墻)結構體系)。

相對于裝配式混凝土結構,裝配式鋼結構在住宅建筑中存在以下優勢:

(1)構件自重輕、材料強度高

鋼材強度高,抗變形性能好。較之混凝土,鋼材密度與屈服強度的比值相對較低,在同樣受力條件下鋼結構的構件截面小,自重輕,便于運輸和安裝,適于高度、跨度較大的大空間、大載重的結構[1]。

(2)連接方式簡單

鋼結構體系的構件連接的主要形式為焊接、栓接及栓焊連接。連接形式簡單直接,工藝單一,操作便捷,無濕作業,且節點作業工序無覆蓋隱蔽,有利于施工質量控制,施工時無需繁復的配合措施,施工作業成本低,效率高。

(3)應力傳遞方式簡單,整體性能好

鋼結構在拼接組合成框架體系后,因構件材質單一,應力傳遞方式簡單,材料對結構體系的力學性能影響小,結構形變與設計模型接近,結構可靠性高。

(4)結構適應性強,有利于靈活多變的造型布局

鋼結構因構件加工方式便捷單一,主要采用原材切割焊接的形式,故在構件外形及結構造型上,相對需要制模的現澆及預制混凝土構件,更為靈活多變,符合當今建筑造型多變的趨勢[2]。

(5)構件加工制造具有高度機械化,周期短

鋼結構構件通常是通過對鋼管、鋼板等原材料進行切割、拼裝、矯正、焊接等方式加工成形,加工過程中無濕作業,工藝簡單,且隨著工業化的發展和加工新技術的研發,現主要用于鋼材切割的技術包括氣割、機械切割、等離子切割等,均可實現遠程數控化和流水線加工,機械化程度高,集成化生產能力強,相對于需要人工進行鋼筋綁扎、支模和濕作業及養護的預制混凝土構件,加工周期短。

(6)材料運輸靈活便捷

因構件自重輕,體積小,在整個加工至組裝的過程中,材料運輸靈活便捷。使用的運輸設備相對傳統預制混凝土構件,機械成本更低。

(7)施工方式簡單,施工成本低

鋼結構施工時主要采用吊裝來完成構件的現場拼接組裝,利用施工場地內現有的塔吊、汽吊的吊裝機具即可完成安裝的準備工作,施工便捷,人工成本低。而采用鋼筋混凝土現澆結構和預制裝配式混凝土結構,因其工藝的限制,多數情況下均需支設底部模板支撐,施工周期長,材料、人工成本高。

(8)結構組成簡單,利于質量把控

得益于鋼結構的施工工藝便捷,節點處理簡單,施工過程中質量控制關鍵要素少于現澆混凝土結構及裝配式混凝土結構,且對于結構安全性能檢測等較其余兩者更快,在同等規模體量下,質量把控易于現澆混凝土結構及裝配式混凝土結構。

(9)更利于環保理念的推廣

因鋼結構相對于混凝土結構回收再利用率更高,后期治理成本更具優勢,更符合時下節能環保的理念,可作為綠色建材進行推廣。

鋼結構在裝配式住宅中的應用相對于傳統現澆結構和預制裝配式混凝土結構存在巨大的優勢,為何仍未取代流行的預制裝配式或傳統的現澆混凝土結構呢,究其原因主要有一下幾點:

(1)耐腐蝕性弱

就鋼材本身而言,相對于混凝土優秀的抗酸和潮濕環境能力,存在明顯的短板,金屬材質的構成在酸堿和潮濕綜合的溶液條件下會發生氧化和鈍化反應,使材質發生性變,影響原有性能,降低了構件的耐久度。

(2)耐火性差

通常鋼材在600℃以上承載能力會有極大的損失,直接影響構件的和體系的強度、剛度,對于火災發生率相對較高的住宅建筑,存在火情的情況下,安全性能不如混凝土結構。

(3)低溫冷脆

據三點彎曲試驗、低溫沖擊韌性試驗相關試驗研究表明,隨著溫度的降低鋼材試件發生脆斷的可能性增加,沖擊功的數值與溫度呈現正相關性,鋼材明顯呈低溫脆性;沖擊韌性與板厚呈負相關,板厚越低,低溫脆性越明顯(見圖2、圖3)。

圖2 鋼結構力學指標—溫度變化曲線

圖3 溫度、鋼材厚度與脆性關系

(4)隔音效果較弱

基于鋼材本身的金屬屬性,具有優越的聲波傳導性能,但對于講求私密性的住宅來說,反而起到了反效果,使得結構體系的隔音效果明顯不如混凝土,對住宅的舒適性造成較大影響。

(5)材料成本更高

鋼材的成本主要影響因素包括原材料成本、能源成本、人工成本。現階段,受限于原料質量、提煉和鑄作工藝和前期的設備投入,及工業化、集成化加工和施工技術的發展起步較晚,致使鋼材的成本高于混凝土,導致鋼材在住宅中的運用相對混凝土不具優勢。

當然,隨著科技的進步、產業鏈的完善及建筑設計理念的改進和創新,是能夠有效解決鋼結構在裝配式住宅應用中的弱勢,且就目前國內建筑行業的情況而言,裝配式鋼結構在住宅領域的發展是可行的,且從發展的眼光來看,也是極具優勢的。

2 裝配式鋼結構在住宅中的實際應用

地處徐匯區龍耀路云錦路的東航金葉苑項目由37棟居住建筑(包括3 棟8 層和34 棟4 層居住建筑)、一棟4層商業配套建筑和一個地下1層車庫組成,總建筑面積154 831m2。工程單體的結構形式采用了類似鋼管混凝土異形柱框架結構的鋼管混凝土扁柱—鋼框架結構形式,屬于裝配式建筑體系,建筑單體預制率達46.56%,包含鋼梁、鋼柱、鋼樓梯,結構總用鋼量約13 000 t。單體圍護結構及套內填充墻采用150、200厚蒸壓加氣混凝土砌塊,建筑外立面采用以花崗巖為主的石材幕墻,是一功能齊全的群體住宅建筑。

2.1 隱框式鋼結構優化技術

該項目針對常規預制裝配式建筑住宅開間以及布局不靈活的缺點,采用了隱框式鋼結構優化技術。住宅建筑墻體多為150、200厚,采用單跨的小截面H型鋼梁和自密實混凝土灌芯的小截面鋼管柱為框架結構主要構件(見圖4),使得鋼柱在能很好的隱藏于延鋼柱長向砌筑的墻體裝飾面內,實現隱框效果,小截面的構件選型能在住宅布局時設計時更為靈活,減小了住宅建筑使用面積和凈高的損失(見圖5)。

圖4 鋼構件典型截面

圖5 隱框式鋼結構實拍效果

2.2 鋼管混凝土柱鋼框架住宅體系優化

鋼柱采用了多層一節鋼管柱內灌混凝土的設計,通過鋼板與混凝土的結合保證了構件的強度、框架的整體剛度,同時利用了不同材料性能的互補配合現場焊接的對接連接方式,減少現場鋼柱吊裝的工作量;梁為單跨H 型鋼梁,梁柱節點采用簡單直接的托板式的栓焊連接,降低了現場吊裝作業的難度,鋼梁的平均重量在200 kg左右,鋼柱的平均重量在1 000 kg左右,同截面情況下自重遠小于常規預制裝配建筑的構件,相較于混凝土結構體系的住宅,裝配式鋼結構住宅重量可減輕至少30%,相對于常規的預制裝配建筑施工,作業難度,施工周期,吊裝成本顯著降低。

2.3 可拆卸樓承板底模施工技術

針對項目單體多,面積大,樓板常規支模施工工作體量巨大的情況,采用了可拆卸樓承板底模施工技術(見圖6)。可拆卸鋼筋桁架樓承板是通過預制桁架鋼筋與帶邊肋的金屬底模以專用螺絲和卡件相互連接并通過預制桁架鋼筋端部擱置實現“一體化、模塊化、輕量化”的免模免撐樓板施工技術。結合結構尺寸特征進行標準化、模塊化的分塊尺寸設計,通過一定模數的組合可滿足多種樓板尺寸要求,樓承板在施工時無需模板排架支撐臨時施工措施,標準層施工時間因此減少2天,單向桁架筋在工廠提前預制,可減少現場60%左右的鋼筋綁扎工作,標準層施工時間因此減少1天。

圖6 樓承板鋪設實拍

樓板養護完成后進行拆除底模回收再加工利用,輕質高強的底模和超高的周轉率也減少了模板材料的浪費,在項目大面積開展施工能大幅降低樓板作業成本和縮短作業周期(見圖7)。

圖7 澆筑后拆模效果實拍

2.4 超前預埋施工技術

針對項目外立面為幕墻體系,預埋構件多,住宅機電暖通專業全,預埋管線多的情況,預埋工作量極大的情況,優化了超前預埋的施工技術。結合幕墻和室內機電安裝的的設計要求,所有埋件和管道預留洞在鋼構件加工制作過程同步完成,減少了現場埋件的加工量,提高了預埋精度,大幅降低了返工。預留尺寸和形式可模塊化管理,幕墻和機電安裝的施工便捷且選擇多樣性,顯著縮短了施工周期(見圖8、圖9)。

圖8 幕墻龍骨超前預埋

圖9 機電超前預埋

3 裝配式鋼結構住宅中有待完善的幾個方面

3.1 節點的防滲漏

目前鋼結構住宅中主要采用砌塊結構或板塊結構作為外墻圍護,然而板塊間及板塊與構件之間都存在較多的拼縫,鋼構件相對于混凝土構件更容易產生熱膨脹變形,增加了滲漏隱患,尤其更不利于住宅建筑。由此應更注重節點的防滲漏處理,建議可以采用延展性更好地柔性防水材料做加強處理。

3.2 施工過程管理

對于目前裝配式住宅體系而言,因住宅建筑既要考慮合理布局,又要具備一定的建筑美感,相對預制裝配式混凝土結構,構件數量更大及類別更多,且配式鋼結構在住宅中的應用相對于裝配式混凝土結構占比少,施工管理經驗不足,更需要一套先進的精細化的管理方法,可以結合當下BIM、智慧建造等信息化管理技術改進完善。

4 結語

目前,我國裝配式住宅主體結構以裝配式混凝土體系為主,裝配式鋼結構較于裝配式混凝土結構在耐腐蝕、耐火、低溫冷脆、隔音性能以及材料成本等方面還不具備優勢,但隨著科技的進步、產業鏈的完善及建筑設計理念的改進和創新,結合鋼結構“輕、便、靈、快”的優勢,裝配式鋼結構在住宅領域的發展還是非常值得推廣的。因此,應加大力度推廣裝配式鋼結構住宅在城市建設水平,促進的住宅產業化發展,從而實現我國住宅產業的經濟效益、社會效益的共同發展。