裝配式鋼結構高層住宅建筑設計實踐與思考

徐 剛

（南京林業大學，江蘇 南京 210037）

1 裝配式鋼結構高層住宅建筑設計的必要性

1.1 主體結構系統所采用的材料和施工工藝分析

鋼結構住宅在房型構思設計上應具備較大的靈活性和通用性，從而使得相應的結構布置及尺寸的大小選用也更加靈活，而同時，型鋼的選擇無論是采用何種尺寸大小或是形狀，都可以根據住房建筑的實際要求對廠家要求定制，施工安裝采用現場焊接和螺栓連接。從具體的項目來說，這些個性化方案均不會影響到工程質量要求和施工期限要求，即便采用不同的型鋼尺寸，仍然可以滿足整體的規范化要求。

1.2 從樓板系統所選用的材料和施工工藝分析

從當前應用實際來看，現澆樓板系統是常用的施工方法，技術相對比較成熟且靈活性極高。雖然現場施工作業存在諸多問題，但對整個建筑的施工質量和工期影響并不大，它的靈活性并不和整個模塊的建筑體系有任何沖突。

1.3 從外墻圍護系統所選用的材料和施工工藝分析

外墻圍護結構的材料和施工工藝種類繁雜多樣，從材料的形態方面來看可簡單地分為小砌塊和大掛板，從施工的過程來看可分為砌體和干掛式安裝，不同材料和施工工藝的選擇最終將影響模塊化系統的構建。因此，外墻圍護體系的問題是構建模塊化體系的關鍵。事實上，在目前的鋼結構住宅施工過程中，圍護結構體系仍然是主要問題。目前外墻防護系統的設計和安裝已不能滿足現代工業化的要求。一方面與外墻構件工業生產件的不成熟有關，另一方面外墻防護系統在設計中沒有得到足夠的重視。因此只有優先進行圍護系統的系統化、模塊化設計才能有效發揮墻板生產安裝產業化的優勢，充分發揮整個系統的綜合效益。[1]

2 裝配式鋼結構住宅建筑的特點

2.1 裝配式與鋼結構

施工現場具有與構件的生產和組裝相關的鋼結構特點。在計算用料配比時，方便對建筑物主體結構、鋼結構施工的綜合效果得出評估，以便利用好鋼結構的優勢特點，由此，鋼結構就有了新的定義。在現有建筑鋼結構制造和生產的基礎上，又增加了標準化設計、制造和施工、綜合報表、信息管理、智能操作等流程和模塊。其中，預制鋼結構的施工不同于一般傳統施工。在現階段中，預制鋼結構的主要特點是鋼結構的標準化設計，與常態化發展不同，在螺栓層面則很難實施。例如，標準化設計應遵循以下原則：減少建筑的結構類型，增加模塊組合，減少類型，增加結構部件檢查，降低適應性，增加與電氣系統的兼容性，以促進不同系統之間接口的標準化，并根據項目參與者的基本特征，將傳統鋼結構與制造鋼結構區分開來。二者間的區別是傳統鋼結構工程中傳遞各方利益和擴大自身利益的核心，鋼結構工程各方應致力于提供完整的產品件，構建共同利益體，以最大程度地提升建筑項目的整體社會效益和經濟效益。

2.2 裝配式鋼結構與住宅戶型

當前，我國大多數高層住宅多采用有條件轉換墻體系，這個體系的產生益于住宅建筑的質量和社會效益的最大化，這一體系有著極強的適配性，和所有的建筑單元都能較好地融合，使一些特有的房屋建造形式所受到的限制得以改變，變得既可靠又合理。以這個形式為基礎，如果單元住宅的活動墻結構不能滿足適應鋼結構體系，則最終效果往往并不會很理想。例如，鋼結構使用時影響到內部空間，用外露柱和梁替換結構系統中的原始立墻和天花板等。此外，室內外住宅的類型多樣性對鋼結構體系的實際構建產生影響，使一些建筑體的建設使用成本上升。對這種情況如不加以限制，也必將給預制鋼結構住宅的長久安全使用留下了許多隱患，對推進預制鋼結構住宅的健康發展產生不利。因此，建筑類型和房屋類型在選用裝配式鋼結構中起著決定性的作用。合理的結構形式不僅可以合理避免裝配式鋼結構的缺陷，而且可以更好地發揮出鋼結構的優勢特點。建筑類型是決定裝配式鋼結構住宅質量的最重要因素。總的來說，這種因素貫穿于裝配式鋼結構住宅設計全過程，具有預前性和全局統領性。[2]

2.3 建筑需求與結構體系

鋼結構的制造質量與房屋建筑質量密切相關，結構體系的選用起著重要作用。在結構方面，最基本的因素就是建筑安全問題，除此之外，經濟性、施工質量的要求和整個施工的階段性要求是鋼結構住宅的三大要求。鋼結構住宅建設初期，一般來說會面臨鋼材供應不足或鋼材料的價格波動大等問題。所以說經濟性是制約鋼結構住宅發展的一個重要方面。從經濟性方面出發，早期的鋼結構住宅建筑設計大多采用S 型鋼框架、鋼桁架墻和鋼芯支撐等鋼結構，合理的結構輪廓和有效應力可最大程度上節省鋼材消耗。

隨著社會經濟的發展和人們生活質量不斷地提高，人們對建筑質量的要求也更高，鋼結構住宅體系發展初期存在著更多缺點和不足，嚴重影響人們的住房居住生活質量，在不斷的演化過程中，中期鋼結構住宅體系有了新的改進，如應用偏心支撐鋼框架、異形支撐柱框架等。柱分格與柱的不同部位互相連接，或與相關框架柱相比降低高度和寬度，以最大程度保護內柱，不得使用全間距的專用運輸工具對能夠滿足施工類型要求的構件施加側向力等新的措施。

新時期，隨著建筑新業態的不斷擴大發展，作為建筑業的新的建筑形式，裝配式鋼結構的發展需求也與日增加。目前來看，早期鋼結構和中期整配式鋼結構房屋都被廣泛地定義為裝配式房屋構型。在住宅建筑過程中，要充分考慮到建筑的經濟效果和建筑質量，選用合理的構型結構，靈活適配應用鋼框架，以使其更具靈活性，無露柱或少露柱，確保鋼結構建筑體的安全、經濟和高質量。還要注意減少全螺栓連接和干相連接的現場工序操作。

3 裝配式鋼結構在高層住宅建筑中的優勢

裝配式鋼結構在高層住宅設計應用實踐中要始終遵循國家標準和技術規范，減少構件的規格和種類，增加通用性。鋼結構及檢修系統、鋼結構的連接節點在廠區加工生產完成后應成體系運至施工現場進行現成安裝調試和施工。與普通住宅相比，高層鋼結構住宅具有多項明顯優勢，具體主要表現在以下幾個方面。

3.1 高凈空大空間和自重輕抗震性能強

與普通住宅相比，采用由鋼結構組成的建筑結構體系會獲得更多更大的建筑使用空間，提高了有限空間的合理利用。居住者可利用的住房空間需求得到了最大滿足，這充分體現了鋼結構住房結構的整體穩定性，還體現了空間利用率高、空間使用效能大的優勢。從結構構型看，采用由鋼結構組成的建筑結構體系，鋼結構的扇形尺寸小于傳統混凝土構件的扇形尺寸，由此可知鋼結構的自重會相對更輕。在滿足充足的空間使用需求的同時，還有效節省了建筑材料成本，且鋼材的載荷、強度和密度具有更為顯著的優勢。它降低了施工返工風險，確保了良好的性能和避震抗震安全性，讓居住者生活居住放心、舒心。

3.2 綠色可循環利用的建筑材料

《中共中央、國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》是新時期提出的可推進節能型城市和綠色建材建設的行政指導意見。作為一種工業用料，鋼具有良好的密度、抗拉伸變形、耐化學性和抗風性。此外，使用鋼結構具有良好的經濟性，其經濟成本約為傳統混凝土的50%左右，可大大降低施工成本。最后，與傳統建筑相比，鋼結構可以回收二次利用，拆除的一部分建筑材料經回爐冶煉還具有其他的使用價值。在整個建筑物生命周期里，鋼結構住宅建筑設計滿足并完全符合我國“十四五”時期規劃提出的“減量化、再利用、循環利用”的循環經濟實用發展原則，即對環境性能影響最小的建筑結構體系。[3]

3.3 輕量化、快速高效的施工工藝及方法

預制施工方案中的零件來源主要是由建筑構件制造商制造和加工完成提供的，建筑施工現場主要是對預制零件的施工和組裝調配。與傳統施工方法不同的是，現場作業更為簡單，一定程度上可縮短建筑施工工期，且減少了其他施工輔料的用料比例，對建筑周圍的環境破壞或不利影響也較小，用料比例的減少及施工噪聲相對較少，對周圍的生態環境還有居民生活質量都有著一定程度的改善。通過標準化設計和整體的模塊化施工，可根據主體結構的施工規模提前在室內制作并安裝好一部分預制構件。施工速度更快了，施工的時間較以往的施工時間縮短近四分之一或三分之一，當然，其不僅是縮短了施工的時間，還降低了最終施工現場所造成的資源浪費和能源消耗。此外，依賴成熟高效的制造模式和工業效率，建筑構件的質量將在一定程度上得到提高，并提高預制結構件的性價比，這一系列優點都對住宅建筑的高效施工有著極大的促進作用。

4 裝配式鋼結構高層住宅建筑設計的難點

4.1 裝配式鋼結構高層住宅建筑設計理念和設計思維的滯后

從理論到實踐的轉變是一個長期且相對漫長過程，同樣也是一個需要不斷努力和提升的過程。在裝配式鋼結構高層住宅建筑設計過程中，固有的設計概念和傳統設計思維不能得到突破創新是阻礙建筑設計發展的一個重要因素。傳統的設計概念標準相對較低，整個設計過程相對自由，這與裝配式預制鋼結構住宅設計的概念相悖。建筑設計師的標準化和一體化設計能力決定了住宅建筑的最終效果，對住宅設計進行總結，宏觀、全面和系統的思考能力是新時期對建筑設計師的時代要求和命題。

4.2 非標準化和非一體化的裝配式鋼結構高層住宅建筑設計

過去的設計理念更新速度跟不上建筑形態變化的市場情況下，一些地區出現了一批設計規范不完善的裝配式鋼結構住宅項目。這些采用鋼結構材料和裝配工藝的工程項目，雖在一定程度上符合或勉強達到了國家關于裝配式鋼結構住宅建筑的評定標準，但離真正的標準化設計目標相距甚遠。在一些地區的試點項目如經濟適用房住宅項目中，因為住房的公共租賃或保障性住房的公益特性，房地產開發商所獲經濟效益相對低，因而這類房屋在建造過程中開發商往往會以片面經濟利益為追求目的，使用非標準化和非一體化的裝配式鋼結構設計，這將影響到作為行業指標的預制鋼結構的標準化和整體設計理念推廣。鋼結構裝配施工后要切實符合建筑行業評級標準的評級要求，但在實踐中，因設計周期長，設計造價高，建筑裝配結果往往與理想、舒適、標準的建筑效果存有差距。[4]

5 裝配式鋼結構高層住宅建筑設計的實踐

5.1 圍護體建筑設計要點

第一，圍護體系選擇須滿足建筑系統總體性能要求。第二，所裝配模塊間接觸面應平直整齊，外墻板及構件、門窗件、陽臺件、空調板件、窗戶及復雜構件的連接結構應科學合理。第三，內部管道應與墻壁盡量貼合，圍護體模塊接觸面不得有溝槽和墊層，以便對管線的后期維護和更換。

5.2 平面設計要點

為提高裝配式鋼結構高層住宅建筑工程的質量，降低建筑工程的施工成本，在高層裝配式鋼結構住宅的設計中，應注重考慮模塊間的協調性，根據模塊的規模大小和使用性質以及支撐構件的標準化、分類性和通用性等因素合理裝配。建筑空間布局科學，豎向受力構件布置均勻合理，設備和管道鋪裝裝配好，是實現裝配式鋼結構高層住宅建筑全生命周期的空間適配性和可變性的前提。應充分考慮整體布局和廚衛等空間的方位位置設計，以及管線輔料設備從采購到裝配的全流程把控。[5]

5.3 立面設計要點

高層鋼結構應結合預制標準、模塊和系統進行全方位系統化設計。外墻構件可使用不同的成品材料來完成不同的設計要求。通過靈活組合裝配不同的外墻構件等形式來實現裝配式鋼結構高層住宅建筑的總體設計要求。應用已組合完成的鋼結構外墻構件來滿足建筑體的復雜功能，實現滿足多元多樣化的建筑設計要求。在整體設計、整體加工、整體施工中，很難在室內一次完成的大型預制外墻結構件可在施工現場對分段模塊再結合并裝配。

6 結語

鋼結構高層住宅建筑發展至今已有百余年歷史，但還未得到充分發展和為大眾所接受，鋼結構高層住宅建筑的長期耐用以及高層安全等問題仍受到社會各方面的質疑。目前，裝配式鋼結構的發展仍處于研究階段，許多施工裝配技術、結構創新和優化措施等問題解決仍處于探索階段。但有一點是可以肯定的，即系統的鋼結構高層住宅建筑理論已得到科學確立，鋼結構高層住宅建筑的完成需要建筑、結構、電氣、設備材料工藝加工以及裝配調試等多方面緊密配合。它也是一個各學科間不斷創新、整合和協調配合的過程。