鋼結構裝配式建筑的技術難點

文／謝增興 雷州市代建項目管理中心 廣東湛江 524000

1.概述

1.1 鋼結構裝配式建筑的背景和意義

鋼結構裝配式建筑是一種先進的建筑技術，通過工廠預制和現場組裝的方式，將構件制造和建筑施工相分離，實現了高效、快速、高質量的建設。近年來，鋼結構裝配式建筑在全球范圍內迅速發展，并成為現代建筑領域的重要趨勢。

背景：傳統建筑方式存在一些問題，如施工周期長、施工質量難以保證、對資源的消耗大等。為了解決這些問題，鋼結構裝配式建筑應運而生。它利用工廠化生產的優勢，通過先進的生產設備和工藝，將構件制造標準化、精細化，然后在現場進行組裝，從而大大縮短了建設周期，提高了施工效率和質量。

意義：鋼結構裝配式建筑具有重要的意義和價值：

1.1.1 加快城市化進程

隨著城市化進程的加速，對住宅、商業、公共設施等建筑需求的增長迅速，傳統建筑方式已經難以滿足快速建設的需求。鋼結構裝配式建筑的快速施工特點使得城市建設能夠更加迅速地進行，滿足城市化進程的需要。

1.1.2 提高建筑質量

鋼結構裝配式建筑采用工廠預制和現場組裝的方式，可以通過精密加工和質量控制確保構件質量的一致性和高度可控性。與傳統現場施工相比，它具有更高的質量保證和施工精度，有效避免了人為因素對建筑質量的影響。

1.1.3 節約資源和環保

鋼結構裝配式建筑采用輕量化的鋼材作為主要結構材料，相對于傳統建筑材料如混凝土，減少了對資源的消耗和環境的影響。此外，工廠化生產能夠控制廢料產生，減少施工過程中的浪費，提高了資源利用效率。

1.1.4 促進產業升級和創新發展

鋼結構裝配式建筑的興起推動了建筑行業的產業升級和創新發展。它對建筑設計、結構計算、施工工藝等方面提出了新的要求，促進了建筑行業技術的進步和創新，推動了相關產業鏈的發展。

1.1.5 可持續發展

鋼結構裝配式建筑具有良好的可重復利用性和靈活性，可以拆卸和重組使用，減少資源浪費。同時，它也符合可持續發展的理念，通過節能減排、環境保護等方面的優勢，推動了建筑行業向可持續發展方向邁進。

1.2 鋼結構裝配式建筑的發展現狀和趨勢

1.2.1 鋼結構裝配式建筑的發展情況

（1）中國是全球最大的鋼結構裝配式建筑市場之一，該市場近年來快速發展。政府大力支持和推動鋼結構裝配式建筑的發展，提出了相關政策和標準。

（2）在住宅建筑領域，鋼結構裝配式建筑得到廣泛應用。例如，一些大型開發商和房地產公司在經濟型和中高端住宅項目中采用鋼結構裝配式建筑，實現了快速建設和高品質的住宅。

（3）在商業建筑領域，鋼結構裝配式建筑也取得了顯著進展。大型商場、辦公樓和酒店等商業項目采用鋼結構裝配式建筑，提高了施工效率和建筑質量。

（4）鋼結構裝配式建筑在工業建筑、公共設施和基礎設施領域也得到了廣泛應用。工廠、倉儲、體育館、展覽館、橋梁和車站等項目中的鋼結構裝配式建筑呈現出良好的發展態勢。

（5）鋼結構裝配式建筑技術在國內的研究與開發也取得了突破，涉及結構設計、連接方式、施工工藝和標準制定等方面的創新。

1.2.2 鋼結構裝配式建筑在可持續發展中的作用

鋼結構裝配式建筑在可持續發展中扮演著重要的角色，其作用體現在以下幾個方面：

（1）資源節約和環境保護：鋼結構裝配式建筑采用工廠化生產和現場組裝的方式，相對于傳統建筑方法減少了對土地資源的占用。此外，鋼材作為主要結構材料具有較高的回收利用率，可以通過回收再利用減少對原材料的需求。在施工過程中，控制廢料產生，減少對環境的負面影響，有助于推動綠色建筑和可持續發展。

（2）能源效益和節能減排：鋼結構裝配式建筑采用輕質的鋼材，相對于傳統建筑材料如混凝土，具有較低的自重，減少了建筑結構對基礎的負荷，降低了能耗。此外，鋼結構裝配式建筑在施工過程中通過優化設計和精細施工，可以實現更好的隔熱、保溫和通風效果，提高能源利用效率。減少能源消耗和碳排放，促進低碳環保發展。

（3）施工安全和質量控制：鋼結構裝配式建筑采用工廠化生產，構件在控制良好的生產環境下制造，減少了現場施工中的人員操作和高空作業，降低了施工安全風險。此外，工廠化生產能夠更好地實現質量控制，確保構件的質量一致性和可控性，提高了建筑的整體質量和可靠性。

（4）靈活適應和可拆卸性：鋼結構裝配式建筑的構件具有較好的可拆卸性，能夠滿足建筑的改造和擴展需求。當建筑功能發生變化或需要進行維修、改造時，可以對構件進行拆卸和重組，降低資源浪費，延長建筑的使用壽命，減少建筑的廢棄量。

（5）社會經濟效益：鋼結構裝配式建筑的快速建設和高效率施工，能夠縮短工期，提高項目的投資回報率。此外，鋼結構裝配式建筑的可預測性和可控性，使得建筑項目的預算和進度能夠更好地管理，減少不確定性和風險。

1.3 論文的研究目的和意義

論文的研究目的和意義：本論文的研究目的是深入探討鋼結構裝配式建筑的技術難點，分析其在結構設計、連接方式和施工工藝等方面所面臨的挑戰，并提出相應的解決方案和改進方法。通過研究，旨在推動鋼結構裝配式建筑技術的進一步發展和應用，并為相關領域的研究者、工程師和決策者提供參考和借鑒。主要體現在以下幾個方面：

（1）提供了對鋼結構裝配式建筑技術難點的全面認識和深入理解，有助于更好地應對相關挑戰和問題。

（2）分析了結構設計、連接方式和施工工藝等關鍵技術難點，并提出了解決方案和改進方法，為相關領域的實踐提供指導和參考。

推動鋼結構裝配式建筑技術的創新和發展，促進其在可持續發展中的應用，實現資源節約和環境保護的目標。

（3）增加學術界對鋼結構裝配式建筑的研究和討論，為相關領域的學術交流和知識分享提供平臺。

2.鋼結構裝配式建筑的定義和特點

2.1 鋼結構裝配式建筑的定義

鋼結構裝配式建筑是一種采用鋼材作為主要結構材料，通過工廠化生產和現場組裝的建筑方式。它包括工廠化制造的鋼結構構件和現場組裝的施工過程，以快速、高效地完成建筑項目。

2.2 鋼結構裝配式建筑的特點

（1）構件工廠化生產：鋼結構裝配式建筑的構件在工廠進行生產，具有高度的精確度和質量可控性。構件的加工、制造和質量控制環節更加規范化，減少了施工現場的誤差和質量問題。

（2）現場組裝施工：鋼結構裝配式建筑采用現場組裝的方式，將預制的構件在施工現場進行安裝和連接。施工過程中，工人通過簡單的組裝工作即可完成整個建筑的搭建，大大縮短了施工周期。

（3）設計靈活性：鋼結構裝配式建筑的設計靈活性較高，可以根據建筑需求和功能進行個性化定制。構件的尺寸、形狀和結構可以根據設計要求進行調整，滿足不同建筑形式和用途的需求。

（4）可重復利用性：鋼結構裝配式建筑的構件可以拆卸和重組使用，具有良好的可重復利用性。在建筑需要改造、擴建或搬遷時，可以對構件進行拆卸和再利用，減少資源浪費。

（5）輕質化和節能環保：鋼結構裝配式建筑采用輕質的鋼材作為主要結構材料，相對于傳統建筑更加輕盈。鋼材的使用能有效降低建筑自重，提高抗震性能，并減少對土地資源的占用。此外，鋼結構裝配式建筑在施工過程中能夠有效控制廢料產生，減少對環境的影響。

（6）高質量和安全性：鋼結構裝配式建筑的構件在工廠化生產過程中進行嚴格質量控制，保證了構件的一致性和高質量。施工現場的組裝過程較簡單，降低了人員的高空作業和風險，提高了施工的安全性。

（7）快速和高效：鋼結構裝配式建筑具有施工速度快、周期短的特點。工廠化生產和現場組裝的方式大大提高了施工效率，減少了工期延誤的可能性。

3.鋼結構裝配式建筑的優勢和應用領域

3.1 鋼結構裝配式建筑的優勢

（1）快速建設：鋼結構裝配式建筑采用工廠預制和現場組裝的方式，施工速度比傳統建筑快很多。這種快速建設能夠縮短工期，減少工程周期對投資回報的影響。

（2）高質量和可控性：由于鋼結構裝配式建筑的構件在工廠預制，可以通過精密加工和質量控制確保構件質量的一致性和高度可控性。

（3）靈活性和可定制性：鋼結構裝配式建筑的設計靈活性強，可以根據建筑功能和需求進行個性化定制。構件的尺寸、形狀和結構可以根據設計要求進行調整，滿足不同建筑形式和用途的需求。

（4）輕量化和節能環保：鋼結構裝配式建筑采用輕質的鋼材作為主要結構材料，相對于傳統建筑更加輕盈。這不僅減少了基礎負荷，提高了抗震性能，還降低了對土地資源的占用。此外，鋼結構裝配式建筑在施工過程中能夠有效控制廢料產生，減少對環境的影響。

（5）可重復利用性：鋼結構裝配式建筑的構件可以拆卸和重組使用，具有良好的可重復利用性。在建筑需要改造、擴建或搬遷時，可以對構件進行拆卸和再利用，減少資源浪費。

（6）抗震性能優越：鋼結構具有優良的抗震性能，能夠有效吸收和分散地震能量，保證建筑的整體穩定性和安全性。

3.2 鋼結構裝配式建筑的應用領域

（1）住宅建筑：鋼結構裝配式建筑在住宅建筑領域得到廣泛應用。通過工廠化生產和現場組裝，可以實現住宅建筑的快速建設，并提供高品質、可定制的居住空間。

（2）商業建筑：鋼結構裝配式建筑在商業建筑項目中應用廣泛，如辦公樓、商場、酒店等。其快速建設和設計靈活性使得商業建筑能夠快速適應市場需求。

（3）工業建筑：鋼結構裝配式建筑在工業建筑領域有著重要的應用，如工廠、倉儲等。其高質量和可控性，以及靈活的設計和擴展性，滿足了工業建筑對大空間、抗震和可變性的需求。

（4）公共設施：鋼結構裝配式建筑在公共設施方面的應用也日益增多，如體育館、展覽館、教育設施等。其快速建設和靈活性使得公共設施能夠更好地滿足不同活動和需求。

（5）基礎設施：鋼結構裝配式建筑在基礎設施領域有著廣泛的應用，如橋梁、車站等。其輕質化、抗震性能和快速建設特點，使得基礎設施能夠更好地滿足交通和運輸的需求。

4.東盛路南側公共租賃住房項目的技術難點

4.1 工程概況

東盛路南側公共租賃住房項目位于廣東省湛江市赤坎區東盛路南側，東臨福田路、西臨華田路。地上3 棟住宅，分別為地上32 層、30 層及28 層，項目設置二層地下室。建筑高度控制在100m 以內。

建筑抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為7 度（設計基本地震加速度為0.10g），設計一組，特征周期0.45s，場地類別為Ⅲ類。基本風壓為0.80kN/m2(50 年一遇)，地面粗糙度：A 類，體型系數1.3。

結構形式為：地下室現澆鋼筋混凝土框架結構；塔樓鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構；裙房（塔樓外）鋼框架結構。

抗震等級：鋼框架二級，鋼筋混凝土核心筒一級；地下室（塔樓外）上部結構周邊外延三跨范圍內同上部結構，其余無上部結構的框架抗震等級為三級；地下二層：相應地下一層降低一級。圖1 及圖2 均為項目現場實景圖。

圖1 項目實景（虛線框范圍為本工程）

圖2 項目實景

本人作為該項目的負責人，本人全程參與了設計方案的研討和確定過程。該項目的關鍵點及難點主要集中在如下幾點：

4.2 高風壓地區高層建筑的結構平面

本工程位于臺風侵襲頻繁的高風壓地區（位置詳圖3項目區位圖），設計高層鋼結構裝配式住宅體系面臨著一系列具有挑戰性的任務。

圖3 項目區位圖

本工程基本風壓為0.80kN/m2（50 年一遇），地面粗糙度：A 類，體型系數1.3 高風壓地區的建筑需要考慮強大的風力作用，因此結構舒適性是一個關鍵挑戰。設計應注重減小結構的風振響應，通過合理的結構布局、減震措施等，提高居住者的舒適感受。

（項目距離湛江水道500m，周邊建筑物普遍以多層或者底層為主，根據《建筑結構荷載規范GB50009-2012》地面粗糙度取為A 類）

高層鋼結構裝配式住宅需要具備出色的性能化構造體系，以滿足強大的風壓、抗震和抗振性能要求。該體系應在結構剛性、穩定性和可靠性方面表現出色，確保建筑在惡劣環境中的安全性和穩定性。戶型比選詳見圖4 及圖5。

圖4 標準層平面方案比選

圖5 塔樓標準層結構布置圖（鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構）

為了滿足裝配式鋼結構建筑在高風暴地區的結構舒適性要求，首先進行了平面方案比選，以確定最適合的點式平面布局方案。隨后，采用YJK 軟件對鋼框架-中心支撐結構、鋼框架-混凝土核心筒結構和鋼框架-鋼板剪力墻結構進行了詳細分析，比較了三種結構布置方案，旨在選擇出頂點風振加速度最小且經濟性指標較好的方案。

進一步地，通過YJK 軟件、Midas 軟件以及風洞試驗數據（圖6 風洞試驗圖）對選定的結構方案進行了深入分析，重點關注振動頻率、振動加速度和振動持續時間等參數。綜合考慮各項指標后，確定了采用鋼框架-混凝土核心筒結構體系作為最佳方案，以最大程度地提高風震舒適度。

圖6 風洞試驗圖

通過系統而專業的研究和分析，確保裝配式鋼結構建筑在高風壓具備良好的結構舒適性。科學的方法和專業的模型分析使得我們能夠選擇出最佳的結構方案，保證建筑在高風暴地區的結構穩定性和居住舒適性，為居民和工作人員提供更為安全舒適的環境。

4.3 內外隔墻構造體系

4.3.1 圍護墻體系

為了滿足在高風壓地區的建筑要求，本工程采用了一種先進的圍護墻體系，包括ALC 條板、鋁板幕墻和鋁合金外門窗，并將保溫隔熱裝飾融合到整體設計中。這種一體化的設計方案在以下方面具有專業優勢和技術特點：

ALC 條板作為主要材料之一，具有輕質、保溫和隔熱的特性，為建筑提供了結構強度和隔熱性能。

鋁板幕墻作為外立面裝飾材料，不僅賦予建筑美觀的外觀，還具備優異的防水、防風和隔熱功能。

鋁合金外門窗采用高密封性設計，有效降低室內外熱量傳遞，提升室內舒適度。

整體設計將保溫隔熱裝飾與圍護墻體系有機結合，進一步提升建筑的隔熱性能，實現節能效果。墻板構造做法見圖7 和圖8。

圖7 圍護墻構造做法

圖8 ALC 墻板施工相片

4.3.2 內隔墻體系

在內隔墻的選擇方面，本工程根據具體用途和要求，采用了不同的材料：

對于分戶墻和戶內隔墻，采用了ALC 條板或加氣混凝土砌塊墻。這些材料具備輕質、隔熱和隔聲的特性，既能有效劃分房間空間，又能提供良好的隔聲和隔熱效果，做法見圖9 內隔墻做法圖[1]。

圖9 內隔墻做法圖

衛生間、管井和樓梯間采用了加氣混凝土砌塊砌筑。加氣混凝土砌塊具有輕質、吸聲和隔熱的特點，特別適用于濕度較高的衛生間，并提供了良好的結構強度和防火性能[2]。

綜上，這種專業的圍護墻體系和內隔墻體系設計方案，充分考慮了高風壓地區的建筑要求和功能需求，融合了不同材料的優勢，以實現結構性能、隔熱性能和舒適性的最佳平衡。這種綜合設計的方法能夠滿足建筑的功能需求，同時提高能效性能和環境適應性，為建筑行業的可持續發展做出貢獻。

4.4 標準化的裝配式設計

為提高施工效率和質量一致性，裝配式設計應注重定型化和標準化。通過設計模塊化構件和標準連接方式，簡化施工流程，實現快速裝配和高質量建造，從而滿足項目的時間和成本要求。

在本項目中，各層平面設計采用了標準化的方法，以確保平面的規整性和一致性。平面布局經過精心設計，遵循建筑功能和結構抗震安全要求，并注重形體的統一性，避免過大的凹凸變化。

為了實現平面的標準化，每個樓棟都利用了標準戶型進行組合和拼接。標準戶型是事先設計好的一套具有一定面積和布局特點的房間組合，通過靈活的組合方式可以滿足不同的住房需求。通過這種標準化的設計方法，可以實現戶型的一致性和標準化，提高施工效率和質量的一致性。

此外，為了保證結構的整體穩定性，承重墻在各層上下貫通，確保了垂直方向的結構連續性和傳力路徑。這種設計能夠提高建筑的整體穩定性和抗震安全性。見圖10標準層平面。

圖10 標準層平面圖

總體而言，本項目通過各層平面的標準化和規整化設計，承重墻的貫通設計，以及利用標準戶型進行組合和拼接，實現了戶型的標準化和規范化。這種設計方法不僅符合建筑的功能需求和結構抗震安全要求，還提高了施工效率和質量的一致性[3]。

4.5 BIM 的應用

在本項目中，BIM 技術得到了廣泛應用，主要用于鋼結構安裝、裝配式設計和管線碰撞檢測等關鍵領域。為了充分發揮BIM 技術的優勢，制定了詳細的BIM 實施方案，并嚴格按照該方案進行BIM 應用的實施。

首先，通過創建與施工范圍完全匹配的深化設計模型、施工模型和竣工模型，確保模型的準確性和一致性。這些模型綜合考慮了項目的具體要求和施工特點，為后續的應用提供了可靠的基礎。

其次，利用深化設計模型和施工模型開展了多項BIM應用。通過模擬施工方案和優化施工流程，我們能夠提前發現潛在的施工問題，優化施工策略，提高施工效率和質量。同時，通過施工方案交底，我們能夠清晰地傳達施工要求和方法，確保所有參與方對設計意圖有充分理解，并按照要求進行施工。

在施工階段，利用模型與其他相鄰工程進行協同工作，進行碰撞檢測和施工界面的合理劃分。這樣的協同工作有助于及時發現和解決碰撞問題，確保施工的順利進行。

最后，根據設計變更圖紙及時更新施工模型，確保模型與實際施工保持一致，并進行相應的調整和優化。

通過這些專業的BIM 應用措施，能夠在鋼結構安裝、裝配式設計和管線碰撞檢測等關鍵領域實現高效、精確的施工過程，提升項目的質量和施工效率，同時降低施工風險和成本。這種綜合應用BIM 技術的方法為工程項目的成功實施和可持續發展提供了重要支持。見圖11 標準層BIM 模型圖。

圖11 標準層BIM 模型圖

4.6 連接方式的選擇與應用

本工程主要采用螺栓連接和焊接連接作為鋼結構的連接方式，以滿足不同部位的連接需求。

螺栓連接適用于需要頻繁拆卸和調整的部位，如設備支撐架和連接節點。螺栓連接具有可調性和可拆卸性的特點，允許通過調整緊固程度來滿足結構安裝的精度要求，并便于維修和更換部件。

焊接連接則主要應用于承受較大力和剛度要求的部位，如主梁、柱子和框架。焊接連接提供了高強度和剛性的連接，能夠滿足結構的承載和抗震要求。此外，焊接連接的緊湊性可以減少結構重量和節省空間，對于大型結構和長期使用的工程來說，也具備一定的經濟性。

通過選擇螺栓連接和焊接連接，本工程在鋼結構的連接方面兼顧了靈活性、可調性和強度要求。這樣的連接方式選擇不僅能夠確保連接的安全可靠，還能提高施工效率和質量，滿足工程的要求和標準。圖12 和圖13 是鋼構標準做法節點大樣。

圖12 梁柱標準節點大樣

5.討論與總結

5.1 鋼結構裝配式建筑的技術難點回顧

通過本項目的實例，我們可以總結出鋼結構裝配式建筑在高風壓地區的技術難點：

結構舒適性：在高風壓地區，結構舒適性是一個重要的挑戰。設計中需要采取措施來減小結構的風振響應，確保居住者的舒適感受。

性能化的構造體系：鋼結構裝配式建筑需要具備出色的風壓、抗震和抗振性能。設計中應注重結構的剛性、穩定性和可靠性，以確保建筑在惡劣環境中的安全性和穩定性。

定型化、標準化的裝配式設計：為提高施工效率和質量一致性，裝配式設計應注重定型化和標準化。通過設計模塊化構件和標準連接方式，簡化施工流程，實現快速裝配和高質量建造[4]。

5.2 案例分析的經驗和啟示

通過本案例的分析，我們得到了以下經驗和啟示：

結構平面設計：在高風壓地區的鋼結構裝配式建筑設計中，需要注重平面的規整性和一致性，減少過大的凹凸變化，確保承重墻的上下貫通，滿足結構的連續性和穩定性。

圍護墻體系和內隔墻體系：在圍護墻和內隔墻的選擇方面，應考慮高風壓地區的要求和功能需求，采用適當的材料和一體化設計方案，如ALC 條板、鋁板幕墻和鋁合金外門窗的組合，以及ALC 條板和加氣混凝土砌塊墻的應用。

BIM 的應用：BIM 技術在鋼結構裝配式建筑的設計和施工中起到了重要作用。通過BIM 模型的創建和應用，能夠實現鋼結構安裝、裝配式設計和管線碰撞檢測等關鍵領域的高效、精確施工，提升項目的質量和施工效率。

5.3 鋼結構裝配式建筑的未來發展方向

鋼結構裝配式建筑在可持續發展中具有廣闊的應用前景。未來的發展方向主要包括：

技術創新：加強鋼結構裝配式建筑技術的創新研究，開發新材料、新構造和新連接方式，提高建筑的性能和質量。

設計優化：通過優化設計和模塊化構件的應用，進一步提高施工效率和質量一致性，降低建筑成本。

可持續性發展：注重建筑的能源效益、環境友好性和資源利用率，推動鋼結構裝配式建筑朝著綠色、低碳、可循環的方向發展。

數字化技術應用：進一步推廣BIM 技術的應用，實現設計、施工和運營的數字化管理，提高建筑的整體效能和可持續發展水平。

通過不斷的技術創新和持續發展，鋼結構裝配式建筑將在未來發揮更重要的作用，為建筑行業的可持續發展做出更大的貢獻。