綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用

王巍

（山西省安裝集團股份有限公司，山西太原 030012）

0 引言

從我國建筑業的總體發展過程來看，裝配式建筑在每個發展階段都是一種獨特的產品，它有著時代的特征。與傳統的建筑結構相比，裝配式建筑所使用的建筑形式以鋼結構為主體，這種結構具有材料質地較輕、資源利用程度高、現場施工裝配化等明顯的特征，而且還可以在一定程度上賦予生產過程循環化的性質。將鋼結構應用到裝配式建筑中，不僅可以有效地節約能源，還可以減少嚴重的環境污染。

20世紀80年代以來，我國的建筑業經歷了一場巨大的變革，施工方式也從傳統的施工方式向現代化的施工方式轉變。而且，在低碳經濟、可持續發展思想的全面貫徹下，裝配式綠色建筑將是建筑業的發展趨勢。在2017年年初，我國國務院辦公廳發布的《關于促進建筑業持續健康發展的意見》中，更是明確了裝配式施工的重要意義。作為一種天然式的裝配式結構，鋼結構與傳統的鋼筋混凝土結構相比，具有顯著的優勢。而且，因為裝配式鋼結構可以快速地與標準化、模塊化、信息化以及工廠化等發展要求相匹配，還可以與現代“創新、綠色、開方、協調、共享”的發展理念相契合，它是推動國家建筑綠色環保與可持續發展的動力源泉。

1 綠色裝配式鋼結構建筑的特點

1.1 綠色裝配式鋼結構建筑的含義

“綠色”的鋼結構是在“綠色發展”的基礎上，將鋼結構設計標準化、生產工業化、施工組裝、裝修一體化、管理信息化和應用化，并支持進行構件標準化。裝配式鋼結構是一種節能減排、節能減排、促進工業結構優化、改善工程質量的新型建材。

1.2 綠色裝配式鋼結構建筑的特點

（1）生產特性。在鋼構件的組裝設計中，要求構件制造商根據鋼材的特性，采用現代工藝進行工藝制造。保證所加工制造的鋼結構部件達到設計的標準。在建設項目開始前，完成組裝鋼架的所有部件，并將其安全運送至工地，以便進行適當的存儲和存儲。由于在實際工程中，由于各部件之間的拼裝與連接所花費的時間相對較少，從而加速了建造速度，加速了建造的產業化進程，改善了建筑質量。在目前的市場經濟條件下，建設項目建設耗費了許多的人力物力，而在目前的市場經濟條件下，能耗高已經是社會普遍關心的問題，同時也是制約國家發展的一個瓶頸[1]。使用大量的鋼構件，以滿足鋼鐵生產的需求。而組裝型鋼架的各種部件也將在不同的工廠進行加工，從而促進了預制板的發展，從而促進了整個行業的發展。同時，采用組裝鋼制構件進行流水作業，使其工業化、工業化、機械化程度得到了改善，使其產品的智能化，使構件的制造水平得到了進一步的改善。

（2）能源和環境友好特性。裝配式鋼結構符合綠色環保的要求，降低了原材料的配比，例如，在建筑框架的安裝中，可以使圍護結構與保溫墻體更好的結合，并采用了新的砌體材料。在工程建設中要注意各種物料的用量，如砂石、水泥、塊兒料等，以防止建材的大量消耗[2]。同時，采用組合鋼混合體也能有效降低建筑廢棄物的產生。避免在建筑廢棄物治理中投入大量的金錢，減少對周圍建筑的污染，是一種可持續發展的環保理念。裝配式鋼結構如圖1所示。

圖1 裝配式鋼結構

1.3 信息化管理與智能化管理模式的應用

在生產過程中，部件的制造要給員工創造一個良好的工作環境，而且生產過程和質量檢驗都需要大量的員工，一個良好的工作環境可以減少員工的不確定因素。另外，在建筑工地進行鋼結構構件的安裝，以運輸和安裝為主，這將會大大減少建筑工人的數量，從而提高建筑安全管理法規的執行[3]。

2 基于生態理念的綠色裝配式鋼結構建筑體系方案

2.1 新型裝配式鋼結構體系配置

在對鋼結構系統進行創新和優化時，既要有先進的結構設計理論，又要對傳統的結構設計方法進行深入的探討。通過這種方式，既可以為結構系統的優化配置提供了有利的環境，也可以使技術人員了解到傳統的結構設計方法中的問題，從而從根本上提高住宅的經濟效益。因此，在實際的設計與施工中，要善于運用和運用新型的設計思想與傳統的設計問題，并提出一種新型的裝配式鋼結構系統的配置方案，既可以解決傳統的設計思想，又可以提高結構的整體性能，確保生態效益的實現[4]。

在設計階段，設計者必須正確認識建筑的基本位置，將先進的內部控制技術與整體設計思想結合起來，并進行相應的設計。其中，系統配置的基礎是建筑物的結構框架，此外還需要對梁體、柱體進行分析，將生態布局納入規劃中。在必要時，還要對系統進行技術評估，以確定系統結構的抗側力效應，并對不合理的地方進行適當的調整。同時，必須將基礎房屋的基礎構造納入設計中，并嚴格遵守《裝配式鋼結構建筑標準》的有關規定，以確保結構系統的精度。BIM技術是提高設計精度的一項重要技術，它可以應用于鋼結構裝配式建筑的設計。

2.2 新型圍護體系配置

新的圍護系統是對原有的鋼結構形式進行了優化與改進。新型建筑圍護結構的設計，強調結構、建筑、內部的一體化，形成了一種綠色、高效的新型結構與系統。以建筑的功能為中心，以框架為單元進行主體結構的施工，盡可能地使建筑的立柱、網狀等規格統一，并合理地安排房型的設計與功能布置。以鋼結構為基本條件，在滿足建筑功能的前提下，通過合理的鋼結構布局，能夠滿足大面積的室內布局要求，滿足實際的要求[5]。同時，要嚴格控制項目的成本，降低施工難度，從而有效促進建筑業的可持續、穩定發展。

2.3 模塊化、工廠化的新型建筑體系

綠色裝配式鋼結構可以達到工廠、模塊化的目的。利用預制件，可以使鋼結構的基礎框架迅速成型。在建筑工地上，實現了無濕操作，所有的預制件都是工廠化的，如可拆卸式活動房、模塊化的集裝箱房。可拆卸式活動房，其主體框架主要是輕型鋼結構。建筑圍護采用了彩色鋼板，采用了標準的模數組合，采用螺栓進行連接，安裝和拆卸速度較快，具有操作簡單、節省時間、環保、節能、建筑垃圾較少等優點[6]。模塊化的集裝箱，以箱子為基礎。以型鋼、薄鋼板為箱體骨架，采用不燃燒材料作外罩，箱室最大的特色就是內外裝飾均可在工廠內進行，無須重新裝修。與傳統的建筑系統相比，工廠化建筑結構、外墻、門窗、內部裝飾等都可以在工廠中實現。在工廠內進行生產，可以達到更好的一致性和規模，在質量管理系統的監管下，所有的預制件都要經過嚴格的質量檢查，然后才能出廠，保證工程完工后，不會有任何的問題。采用工業化生產技術，實現大規模、機械化生產，其生產、安裝效率比手工作業快10倍以上，而且物料利用率也比手工作業高，減少了大量的材料浪費，節約了施工總費用。對鋼結構的每一個生產環節都要進行嚴格的質量檢驗與控制，確保所有的部件都能達到國家的質量要求，從而保證工程的安全、質量，并能防止因材料不達標而導致工程停工、返工等問題，從而節省施工的時間，保證工程的順利完成。

2.4 工業化住宅建筑體系

工業化住宅建設是當前我國住宅建設的一個重要發展趨勢，傳統的房屋結構以鋼筋混凝土為主，使用水泥會產生大量的CO2，造成資源的浪費，同時產生的污水也會對周圍的環境造成一定的污染。鋼結構房屋的鋼可回收再利用，不會變成建筑廢棄物，不需投入大量的資金進行處置，而且滿足了住宅節能和環境保護的要求。預制件采用標準化的模數化設計，工廠內實現加工、制造.鋼結構住宅采用了新的建材，既滿足了綠色環保的需求，又具有抗震、防火的雙重作用。在住宅建筑的設計中，采用異地裝配的模數，對部件、部件進行標準化，形成標準化、系列化的居住產品。實現了部件部件的工業化生產，組合，降低了工程的難度。目前，我國鋼結構住宅發展并不順利，存在著鋼結構技術、外部環境等諸多問題。

目前，最常用的是鋼管束組合系統的結構模型，它采用了一種基于“鋼管束組合”的結構模型，它可以將一個整體的模型結合起來，通過仿真試驗，得到了鋼管的承載能力和剛度。而成板的構造則要求采用“H型”鋼筋桁架，能很好地解決接頭承載能力的問題。同時，新型的剪力墻也要加大研究力度，相比于傳統的鋼板剪力墻，它的優點是重量輕，地震作用小，可以靈活的安裝，更多的空間，可以代替鋼結構，改善房屋的使用效果和安全性[7]。通過對住宅的布局、承重設計和剪切效應的試驗，確定住宅建筑所需的鋼料量，從而保證住宅的安全。

3 裝配式鋼結構建筑體系的應用

3.1 裝配式鋼結構中梁柱的連接節點

根據連接剛度的不同，可以將梁柱連接方式劃分為剛性連接、半剛性連接、鉸接連接。根據連接方式，可以將梁柱連接方式分為全焊接連接、栓焊混合連接、全螺栓連接。在多層鋼結構中，梁、柱的連接可以采用剛性連接，即梁的翼緣與腹板的整體焊接，也可以通過翼緣的焊接、腹板的螺栓、翼緣和腹板的螺栓等來實現。采用全焊接方法可以達到等強度剛接的鋼結構，但是由于現場焊接作業繁重，而且受多種因素的制約，使得焊接施工中出現了許多質量問題。此外，由于焊接殘余應力大，在實際焊接中很難進行，而且對其進行質量檢驗的成本也很高，因此，在鋼梁和柱間進行焊接時，不宜采用就地焊接[8]。采用栓焊復合接頭，不但施工簡便，而且可以確保焊接強度與完全焊接接頭的強度相當。美國、日本的大地震后，鋼結構雖然強度高、塑性好、韌性好，但在大地震的沖擊下，還是會導致梁柱的一些節點產生脆性斷裂，而斷裂的部位主要集中在梁下翼緣和立柱的焊縫處。同時也充分暴露了鋼結構焊接接頭的缺陷。

因此，對于梁柱節點，應采取螺栓聯接形式，以加快其安裝速度，確保其施工質量。盡管采用這種螺栓連接方法，其節點數量要多于焊接節點，而且實際節點也要大，但是其整體經濟效益要比現場焊接的造價要低一些。梁柱全螺栓聯結既可達到剛性聯結又可實現半剛性聯結，而剛性聯結方法的計算方法相對簡便，在實踐中得到了廣泛的應用。而半剛性接頭的實際能耗較高，螺栓用量少，經濟效益高，但其實際計算和分析比較煩瑣。這兩種方法均適用于在多發性地震條件下的裝配式、高層鋼結構工程。

3.2 支撐與框架兩者間的連接節點

由于建筑施工中高層建筑數量的增加，單純的框架結構在經濟上的應用日益減少。而中央支承框架與偏心支承框架結構在經濟上表現出更高的優越性，但其支承強度也比較大。對于裝配式鋼結構，支架和支架之間的連接也多為全螺栓連接，這樣可以方便施工單位在現場進行組裝和維修。在支撐框架系統中，一般都是采用板型節點，將其與梁柱相連，從而提高了結構的整體穩定性。

4 結語

在我國，裝配式鋼結構的綠色環保技術已成為建筑業發展的必然趨勢。所以，在具體的應用中，設計者要積極地將各種技術理論相結合，積極使用綠色環保的建筑材料，利用一體化的設計思想，推動結構與其他輔助設施的結合，使建筑結構的各個組成部分成為一個有機的整體，在一個好的結構體系的協同下，使其他設施的運作效率也能獲得提高，從而實現可持續發展。并圍繞此展開全面改進與優化，進而從根本上促使綠色裝配式鋼結構技術實踐效果的有效提升。