裝配式鋼結構建筑在中亞地區工程應用前景分析

黃潤康 張 平 王漢文 徐周云 李兵兵

1. 中國石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2. 中油國際管道有限公司, 北京 102200

0 前言

中國—中亞某天然氣管道新項目(以下簡稱中亞新項目)是經中亞地區向中國輸送天然氣的一條新的能源通道,而在中亞地區建設油氣長輸管道站場卻存在諸多限制因素,如基礎條件差、工程進度慢、工程管控弱等[1]。裝配式鋼結構建筑具有輕質、耐震、工業化程度高、施工周期短、建造過程低污染等優勢[2],具備解決中亞地區油氣長輸管道站場建筑建設問題的條件,有必要對裝配式鋼結構建筑在中亞地區的工程應用前景開展進一步分析。

1 中亞地區工程建設需求

中亞新項目建設難度世界罕見,管線壓力高、輸量大,線路地形地貌復雜多樣,其中塔吉克斯坦段約60%管道穿越高烈度地震山區。沿線氣候條件惡劣、社會依托薄弱、交通設施限制、建筑減排降碳要求高等因素加大了施工難度。

1.1 施工人員

中亞地區建筑多以砌體結構和木結構為主,偶有框架結構和土坯房,當地施工水平較低。而油氣長輸管道站場建筑的主要形式為框架結構,若采用現場澆筑方式,需雇傭大量當地施工人員,施工周期較長,工程質量和建設成本難以控制。因此,在中亞地區建筑施工應盡量減少施工人員需求,提高機械化效率,縮減整體施工周期[3]。

1.2 抗震性能

中亞新項目途經多個地質斷裂帶,多座油氣長輸管道站場坐落于抗震設防烈度為9度的地區,沿線地震動速度峰值最高達到0.6 g,在高地震烈度區域建設油氣長輸管道站場,對站內建筑的抗震性能有很高要求[4]。

1.3 碳減排

在全球碳減排背景下,建設方對海外管道工程的碳排放量也提出了更高要求。由于中亞地區暫無規范對建筑的碳減排提出要求,油氣長輸管道站場建筑需滿足GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》[5](以下簡稱GB 55015—2021)中的建筑節能減排標準要求。油氣運輸屬于傳統高能耗行業,長輸管道工程建設過程中難免會產生大量碳排放,因此在油氣長輸管道站場建設時應采用更加綠色環保的施工方法和結構形式,有利于推動整體工程碳減排目標的實現[6]。

2 裝配式鋼結構建筑優勢

裝配式建筑按照建筑結構體系可分為預制混凝土結構、鋼結構和木結構[7],與傳統現場澆筑鋼筋混凝土結構、預制混凝土結構、木結構相比,裝配式鋼結構在使用期滿以后材質可重復利用,減少建筑垃圾,更契合低碳環保的理念。

2.1 抗震性能優異

鋼材具有優秀的延展性和抗拉能力,因此裝配式鋼結構建筑的綜合抗震性能比其他建筑綜合抗震性能更強。研究表明,采用裝配式鋼結構的中高建筑自重約為鋼筋混凝土結構建筑自重的2/3,建筑承受的地震作用相應減少,地面上單位面積的負荷也可減少25%以上。在強震區的大量工程實踐表明,建筑減重50%,則可將抗震設防烈度降低1度考慮。

2.1.1 強度高且自重輕

在材料性能方面,鋼材強度約為混凝土強度的8倍,而重量僅為其3.2倍,同等重量的鋼材承載能力遠高于混凝土承載能力。而從利用方式看,鋼材的可塑性更好,鋼構件截面設計可以實現深度優化,目前常見的鋼構件形式有空腹式、格構式等,在進一步提高構件承載能力的同時減輕了建筑總重。根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(2016版)[8]中5.2.1規定,結構的水平地震作用標準值應按式(1)確定:

F=α1G

(1)

2.1.2 彈塑性

材料的彈塑性主要以延伸率來衡量,鋼材的延伸率通常>20%,而普通混凝土延伸率<0.05%,且鋼材材質更為均勻可控,可以作為理想的彈塑性材料假定。對比鋼材和混凝土的應力應變曲線可知,鋼材的彈塑性大大優于混凝土彈塑性,在地震中裝配式鋼結構的變形能力可以削弱地震對結構的影響,從而弱化地震對建筑的危害。

2.1.3 耗能性能

材料的耗能性能可以通過施加循環荷載進行測試,其值約為所受動力和塑性形變的乘積,用以表示材料受力變形時的能量損耗。材料在循環加載過程中產生的應力—應變曲線稱為滯回曲線,可用于模擬測試材料在地震作用下的恢復能力,是評價其抗震性能的重要參考。Q460D鋼材循環加載滯回曲線見圖2。

圖2 Q460D鋼材循環加載滯回曲線圖

由圖2可知,在多次加載后,鋼材的變形能力越來越弱,剛度、強度也逐漸退化,但每次循環加載的耗能情況類似,且最終曲線仍然飽滿,體現了鋼材具備出色的彈性變形能力和耗能性能。以鋼材為主材的裝配式鋼結構建筑在地震中即使出現形變仍能保證結構的整體安全性,較其它結構建筑的抗震性能更優秀。

2.2 施工周期短

裝配式鋼結構建筑的主體構件和外部圍護結構均可在專業的裝配式構件工場成批制造,只需運輸到現場安裝即可,沒有了現澆鋼筋混凝土結構的支模、澆筑、養護等流程,現場施工環節減少,建設進度顯著加快[10-11]。

一般的住宅建筑若采用裝配式鋼結構建筑可縮短1/2～2/3的建造時間,而經過深化設計,水、電、暖、通等專業的大多數套管孔洞在構件工場即可預制完成,減少現場后續安裝,進一步縮減施工周期。根據實際工程經驗,1支10人施工隊伍只需10 d即可完成2 000 m2的住宅施工,而建筑層數越多,施工周期縮減也更明顯,40層的裝配式鋼結構住宅施工周期可縮短9～10個月。

油氣長輸管道站場建筑以低層為主,且建筑用途與民用建筑用途有所不同。為進一步驗證站場裝配式鋼結構建筑的實際施工效果,以國內某長輸管道工程的2座站場建筑為例進行對比。2座站場建筑分別采用了現澆鋼筋混凝土框架結構和裝配式鋼框架結構,對2種結構建筑的施工工序及施工周期進行系統性比較,結果見表1。

表1 現澆鋼筋混凝土結構與裝配式鋼結構施工工序及施工周期對比表

對比發現,2種結構建筑的施工流程與施工周期相差較大。裝配式鋼結構建筑主體施工以鋼構件和樓板構件安裝方式為主,無需現場澆筑,較現澆鋼筋混凝土結構建筑施工減少多項流程,且采用預制墻板可提前布設各專業預埋管線,無需后期開槽布線,可節省大量施工周期和人力、機械資源,最終2種結構的建筑所用施工周期分別為143 d和78 d,裝配式鋼結構較現澆鋼筋混凝土結構施工周期縮短了65 d,減少了約45.5%,極大提高了施工效率。

2.3 環保減排

裝配式鋼結構建筑中主體結構材料為鋼材,圍護結構多為蒸壓輕質混凝土板(ALC條板)和保溫裝飾一體板,材料為水泥制品和保溫裝飾材料,沒有使用燒結磚,減少了對土地的破壞。而且裝配式鋼結構建筑在施工過程中較少用到混凝土澆筑,多以構件安裝為主,濕作業少,避免了建材運輸過程中的粉塵污染及現場澆筑時的污水和噪音污染,減少了對周圍環境的影響。另一方面,在裝配式鋼結構建筑到達使用年限拆除時,作為建筑主材的鋼材可以實現高效回收利用,減少了建筑垃圾,有利于可持續發展[12]。

2.3.1 節省建材

裝配式鋼結構建筑主材為鋼材,在減輕建筑自重的同時減少了混凝土材料的使用,節省了大量水泥和骨料,也避免了這些建材在生產、運輸過程中的碳排放,符合國家的“雙碳”戰略。根據測算以及實際工程反饋,裝配式鋼結構建筑的鋼材重新利用率可達到70%以上,實際使用過程中損耗較少,回收重鑄的鋼材也可作為后續建筑的建材使用。

2.3.2 節省水資源

水資源是工程建設的前提條件,傳統建筑施工對水資源有巨大的依賴性,尤其是現澆鋼筋混凝土結構施工,在澆筑階段需要消耗大量水資源。這種施工方法不僅對水的利用率不高,存在大量浪費,還會產生建筑污水,影響周邊環境。裝配式鋼結構建筑的現澆混凝土用量很少,在減少澆筑、沖洗用水的同時,也減少了施工人員的生活用水,工程用水量較傳統現澆建筑工程用水量減少約1/4。

2.3.3 節省電力

電力資源對建筑施工來說同樣必不可少,用電量往往與施工周期長短成正比。采用裝配式鋼結構建筑不僅減少了現場作業量和施工人員數量,還可縮減整體建設施工周期,綜合節電量達到了20%。

3 工程應用前景

裝配式鋼結構建筑在社會依托差的油氣長輸管道站場進行應用優勢顯著,可極大縮短現場施工周期。但在中亞地區直接大面積進行裝配式鋼結構工程應用也將面臨眾多問題,如中亞地區建筑工業化發展程度相對較低,建筑產品鏈不完善,建材匱乏,主材機配套的部品、部件需要從國內采購,存在清關和匯率變化等風險;裝配式鋼結構建筑的抗震能力較為突出,但在高烈度地區應用,相應的配套圖集和節點構造仍難以滿足工程建設的要求,需采用減隔震措施;裝配式鋼結構建筑在海外項目的施工周期及節能減排效果能否達到預期目標也需要進一步驗證。這些問題能否有效解決是裝配式鋼結構建筑是否能夠在中亞地區順利應用的關鍵。

3.1 建材供應

當前中國西北地區大力推動裝配式鋼結構建筑和建筑產業化的發展,各種裝配式鋼結構建筑超低能耗示范性建筑、綠色裝配式鋼結構住宅已建成使用,對西北地區特殊的氣候環境和高抗震烈度區域特點適應性良好[13-14]。中國西北地區與中亞地區地理環境、氣候條件較為相似,裝配式鋼結構建筑在西北地區的建設使用經驗對中亞地區工程建設有較大的借鑒價值。且西北地區已建成6個國家級裝配式建筑產業基地,相應生產企業和廠家可提供完備的裝配式鋼結構設計施工方案,同時與中亞地區有著豐富的貿易往來,運輸通道暢通,可保證建材按時抵達建設場地[15]。

3.2 抗震設計

裝配式鋼結構建筑抗震設計由來已久,傳統的思路通常是從提升建筑結構的剛度或延性實現抗震目的:即通過提升構件的截面尺寸來提高剛度,減小地震中的結構變形;通過優化節點設計增強結構的延性,使鋼結構在地震荷載下發生循環非彈性變形和能保持穩定的塑性行為,通過適度變形來吸收、消耗地震作用。而另一種思路則是鋼結構的減隔震設計,提高部分非承重構件的變形能力或在構件連接處設置消能裝置消耗地震能量[16]。通過對減隔震聯用結構隔震效果的具體分析,采用減隔震聯用隔震技術后,可對鋼結構建筑進行降低1度設防。且隔震結構在地震下的反應是傳統結構的1/4～1/12[17],有效減輕了非結構構件因振動和翻倒造成的損害,極大提升了裝配式鋼結構建筑的抗震性能。

3.3 一體化建筑方案綜合減排

目前中國油氣長輸管道站場建筑較為成熟的裝配式鋼結構一體化建筑總體方案為:結構體系(裝配式鋼結構框架)+外圍護系統(ALC條板+保溫裝飾一體板)+輕質隔墻(非砌筑內隔墻+裝配式內裝修)+鋼筋桁架樓承板+鋼樓梯+管線分離+集成廚衛系統[18-20],在提升施工效率的同時大幅節省了現場資源,降低了建設施工期間的碳排放,節能減排效果優于GB 55015—2021對新建公共建筑的相關要求。在中亞地區采用裝配式鋼結構,大多數構件來自中國,增加了運輸過程的碳排放,但綜合采用節能減排技術措施后,可有效降低碳排放。

4 結論

中亞新項目天然氣管道工程途經中亞多國,到達中國境內。管道站場分布地域廣,地質復雜多樣,穿越戈壁荒漠,高山溝壑。工程的社會依托差、環境敏感點多、濕作業建筑垃圾排放多、施工質量和施工周期控制難度大。而裝配式鋼結構建筑具有輕質耐震、建設施工周期短、施工污染小等綜合優勢,可以適應中亞地區油氣長輸管道站場建筑的建設需求,并有效提高建筑抗震性能、降低施工難度、加快施工進度、節能減排,裝配式鋼結構建筑在中亞地區或其它海外油氣長輸管道站場建設項目中具有廣闊的應用前景。