裝配式鋼結構的發展及疊合樓板產業關鍵問題研究

雷成 徐馳 陳芮 熊振宇

摘?要：通過高度概括裝配式建筑國內外發展歷程、現狀與前景，系統歸納總結了裝配式疊合樓板的分類與特性，提出我國發展裝配式建筑產業化的關鍵性問題及解決辦法。

關鍵詞：裝配式建筑；疊合樓板；產業化

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.082

1?國內裝配式建筑發展

1.1?國內裝配式鋼結構住宅發展現狀

目前我國開始普及鋼結構裝配式住宅，在全國各地區都開始了鋼結構住宅試點工程，在國家和地區的政策扶持下，鋼結構的工藝得到逐步完善，施工流程也形成了一定的規范，我國建筑行業也趨向工業化。

調查顯示，2021年全國鋼結構建筑面積達到2.1億平方米，而在全國新建建筑占比只有6.9%。鋼結構建筑比我國只有5%～7%。因鋼結構的成本較高，以及防火抗震隔音等性能的不足，所以鋼結構在住宅領域的滲透率尤為低，鋼結構住宅在所有新建建筑的比例僅為1%。我國鋼結構建筑用鋼量僅為鋼產量的20%，建筑的主體結構大多還是采用鋼筋混凝土，鋼結構用量的占比很低。總的來說，我國住宅鋼結構裝配化的程度還很低。具有很大的發展空間。

1.2?裝配式鋼結構住宅的發展前景

近年來，在國家不斷出臺的政策支持下，我國鋼結構行業的科技創新和建設技術都得到了顯著的提升，鋼結構住宅技術不斷走向成熟。面對人口生育率降低，人口老齡化加劇的社會，傳統制造業正面臨人工成本日益提升的難題，這也影響著我國住宅產業從鋼筋混凝土向鋼結構的轉型。隨著居民購房和住房的需求不斷提升以及對住宅的質量要求的不斷提高，住宅產業化是我國住宅業發展的一大趨勢，而相對于鋼筋混凝土住宅，裝配式鋼結構住宅體系更具有符合工業化生產的條件。不僅是采用了節能環保的材料，而且施工產生的污染也遠遠小于混凝土建筑。裝配式鋼結構建筑在綠色環保，施工進度，建筑綜合性能，施工污染等方面具有較為明顯的優勢。推動裝配式鋼結構的發展不僅是推動我國建筑行業的發展，更是推動我國可持續發展戰略的實施。裝配式鋼結構住宅的優點將日益顯現，市場地位也將逐步提升，我國裝配式鋼結構住宅建筑產業化也會是建行行業發展的大趨勢。

2?國外裝配式建筑發展

2.1?國外裝配式建筑發展現狀

20世紀80年代以前，我國裝配式建筑還未開始發展。雖然現在我國裝配式建筑取得一定的進步，但仍處于低水平階段。我們仍需向發達國家學習裝配式建筑的發展。表1為世界裝配式建筑發達國家的技術發展成果對比。

2.2?國外裝配式建筑發展前景

全球方面，2022年全球裝配式建筑市場規模已達3588億美元。隨著工業化程度的提高，裝配式建筑的地位越來越重要，全球裝配式建筑市場也將迅速發展，預計到2026年全球裝配式建筑市場規模將突破6000億美元大關。

3?裝配式鋼結構疊合樓板設計

3.1?疊合樓板分類及構造

疊合樓板是使用預制板，現澆混凝土層共同合成打造的一種樓板，是一種組合板面。在工廠提前制成下部構件，混凝土是現場澆筑而成。疊合樓板分為預制板和現澆混凝土兩部分，同時具有預制構件和現澆構件的特點，綜合性能強，樓板的質量高，施工工期短，還可以節約成本，但在疊合面黏結力等方面還有所欠缺、比較容易產生裂縫。

文獻[1]規定疊合樓板中預制板厚度、后澆混凝土疊合層厚度均不宜小于60mm。疊合樓板的形式很多，不同的材料和構造形式使得受力性能和施工工藝有些差異。研究報告將現行疊合樓板大體為三類，一是傳統型疊合樓板，二是改進型疊合樓板，三是新型疊合樓板。

（1）傳統型疊合樓板。傳統型疊合樓板是疊合板的基礎形式，這三類疊合板是其他的和樓板形成的基礎。劉洋指出疊合板主要通過提高底板帶肋、預應力、空腔三大技術來加強其受力性能。根據這三大技術，將傳統型疊合樓板分為三類預應力平板疊合樓板、倒“T”形疊合板、預應力空心疊合板。

（2）改進型疊合樓板。改進型疊合樓板應用較廣，改進傳統型疊合樓板的構造形式和材料，提高了疊合樓板的綜合性能。將改進型疊合樓板進行分類，可以分為三類，預制帶肋混凝土疊合樓板、鋼筋桁架混凝土疊合樓板、新型預應力空心疊合板。

（3）新型疊合樓板。除了傳統型和改進型疊合樓板，還有新型疊合樓板，但目前市場上并不普及，還需要深入地系統研究。但這類疊合板品種很多：陶粒疊合層疊合樓板、鋼筋桁架發泡水泥夾芯疊合樓板、預制帶肋鋼筋桁架疊合板、灌漿鋼管桁架疊合樓板、波紋鋼腹板預應力混凝土疊合樓板。

3.2?疊合樓板力學性能比較

疊合板按照力學性能分為一次構件和二次構件。若施工階段使用支撐，構件在使用階段開始承受荷載，這種方式生產的構件叫作一次構件；若施工階段不使用支撐，構件受力分為兩個階段，第一階段是預制層單獨承載荷載，第二階段是疊合樓板作為整體受力，這種方式生產構件叫作二次構件。文獻[3]、[4]、[5]規定平板疊合板和鋼筋桁架疊合板均需設置可靠支撐，預制帶肋底板疊合樓板按情況選擇是否需要設置可靠支撐。目前疊合樓板的受力性能和疊合樓板性能提高的改進因素是國內學者關注的重點。

（1）傳統型疊合樓板。2003年李耀莊、蔣青青等對預制倒“T”形疊合板和通過負彎矩鋼筋連接的兩跨倒“T”形疊合連續板進行均布靜荷載試驗。結果表明：連續板產生裂縫后，到達極限荷載，但未直接破壞，具有較好的延性，整體性能表現良好。

（2）鋼筋桁架混凝土疊合樓板。作為應用比較廣泛的一類疊合樓板，試驗主要集中于探討影響鋼筋桁架疊合樓板的因素。

2013年馬蘭、陳向榮等對尺寸為3900×2500×120的鋼筋桁架疊合樓板進行試驗研究，模擬增加施工荷載后的受力情況，對比分析疊合板和預制板的裂縫和撓度發展情況，研究發現：預制板在施工階段的短期剛度保證構件受力的合理性，疊合面不需要進行抗剪驗算。在?ANSYS有限元分析的基礎上，對帶支撐結構的短期剛度進行了分析，得出了鋼筋桁架的高度和上弦鋼筋的直徑對疊合板的短期剛度及強度有較大的改善作用。

2014年王元清等通過ABAQUS軟件對3600×3000×140的鋼筋桁架混凝土雙向疊合樓板進行有限元建模，探究在不同約束條件和不同疊合層厚度占比（含現澆板）對雙向疊合板受力性能的影響。荷載-撓度曲線表明：約束越強，疊合板承載能力越強。

（3）預制帶肋鋼筋混凝土疊合樓板。吳方伯團隊研究了多種疊合樓板的性能，提出了預制帶肋疊合樓板，針對這種疊合樓板進行了大量試驗，探討了兩種肋形的預制帶肋鋼筋混凝土疊合樓板的承載力、抗剪能力、疲勞性能等。

2011年對矩形肋的疊合樓板進行試驗研究，對疊合樓板進行靜載試驗，比較單跨和兩跨連續疊合樓板受力性能的差異。研究發現，在施工過程中，預制構件的受力性能基本達到了設計要求，在施工過程中不需要設置任何的支撐力。單跨疊合樓板的裂縫首先出現在跨中，疊合面始終未出現裂縫，疊合樓板出現裂縫的承載力小于極限承載力，單跨疊合樓板具有良好的延性和剛度。連續疊合樓板裂縫先出現在支座，提出取25%的支座調幅值，提高連續疊合樓板的抗裂性能。

2014年對不帶肋、無孔洞的矩形肋、有孔洞的矩形肋疊合樓板，進行單向擬靜力試驗，探究預制帶肋混凝土疊合樓板的抗剪能力。結果表明：在80%的極限荷載時，疊合樓板出現第一條裂縫，有孔洞的矩形肋疊合樓板裂縫沒向水平向發展。從滯回曲線、骨架曲線看，有孔洞的帶肋疊合樓板承載力更強，疊合面的抗滑移能力更好。

（4）預應力空心疊合樓板。

2005年趙成文、陳洪亮通過整澆板和空腹疊合樓板的對比試驗，探究疊合樓板的抗剪能力、承載力。單跨簡支疊合樓板疊合接觸比例16%時，荷載尚未達到抗裂檢驗荷載允許值時疊合樓板開裂、未達承載力檢驗值時疊合層破壞。加大疊合層接觸比例至27%，抗剪性能提高，疊合層未出現滑移。連續疊合樓板中跨的承載能力明顯高于低跨疊合樓板。

2007年劉亞敏、吳方伯等未澆注疊合層與澆注疊合層兩種情況下的圓形疊合樓面板進行了靜力加載試驗，對其受力特性及失效模式進行了分析。實驗結果顯示，該結構在破壞過程中表現出了顯著的延時破壞特點。試驗結果表明，在標準荷載作用下，各構件均未發生裂紋，且在極限承載力作用下，疊合板在水平方向上的抗裂性和抗剪性均較好。在標準荷載作用下，疊合層板彎矩很小，跨中彎矩/跨距只有1/835的1/835，因此，在實際應用中無需對疊合層板彎矩進行校核。

（5）新型疊合樓板。

2013年侯和濤、馬天翔等通過單向均布加載試驗，研究上翼緣厚度、腹板有無開孔、腹板厚度對波紋鋼腹板疊合樓板受力性能的影響。結果表明：構件最終被鋼腹板切裂破壞，建議加強鋼腹板與混凝土的黏結。腹板厚度1.5mm、2mm時，荷載-撓度曲線幾乎重合，推測2700mm跨度時，腹板厚度選用1.5mm最佳。上翼緣厚度由30mm增至35mm時，剛度提高，極限承載力增加約15%，推測出上翼緣厚度的增加對抗彎極限承載力和抗彎剛度的增強有利。

2017年侯和濤、藍如海等對兩端簡支的鋼筋桁架疊合板和灌漿鋼筋桁架疊合板進行均布荷載試驗，分析撓度值和開裂情況。出現第一條裂縫后，鋼筋桁架混凝土疊合樓板的荷載-撓度曲線迅速變化，不滿足荷載要求。灌漿鋼筋混凝土疊合樓板4.16?kN/m2出現第一條裂縫到4.16?kN/m2混凝土破壞過程中，撓度變大，但仍可以承受荷載，屬于延性破壞。提出計算撓度時，砂漿和鋼管看作整體，統一換算成混凝土截面，灌漿鋼筋混凝土疊合樓板的剛度由底板混凝土截面和換算后的混凝土截面共同組成。

4?產業化關鍵性問題

4.1?設計方面

在預制裝配式建筑構件系統中，裝配式建筑模板在力學性能和抗震性方面還有所缺陷，不能應用于地震多發帶。

在多、高層的建筑結構中，樓板作為主要水平構件，但傳遞，分配，協調各種水平荷載。但是，當前的樓蓋設計多考慮了垂直荷載，而對水平荷載的研究較少，導致了結構抗震連接的薄弱。

對疊合樓蓋而言，其抗剪、抗拉主要依靠現澆混凝土和鋼筋，而預埋件則幾乎沒有抗剪、抗拉的作用。

4.2?施工方面

（1）疊合板運輸難度大。PC預制構件中疊合樓板生產完成后，在運輸和吊裝的時候很容易產生裂縫或者是斷裂的現象，疊合板的運輸難度較大，實際施工過程中應該制定合理的運輸方案。

（2）疊合板拼接構造處理。錯位，灌漿不足等現象在PC預制構件中疊合樓板在拼接時也會經常出現。在實際操作中灌漿作業內部結構復雜，灌漿工作的檢驗困難。

4.3?政策扶持

國家及各地方政府均制定了相關的規定文件，在一定程度促進了裝配式建筑的發展，然而對我國建筑領域而言，在許多地區，雖然采用了裝配式建筑模式，但政策落實效果未能達到預期效果。這也使得裝配式建筑的發展任重而道遠。

5?疊合樓板產業化問題的解決

產業化的本質是建筑設計的構件、部品要實現標準化、模塊化。國外的鋼結構產業化較成熟，我國可以借鑒國外的經驗實現鋼結構住宅產業化。

5.1?標準規劃體系

國務院和各省市指導意見中重點指出了要建立健全標準規劃體系，實現裝配式建筑的規模化發展。標準規劃體系建設需要政府引導，企業、學校、研究所互相探討，理論聯系實際，積極推進出臺相關圖集、技術標準、計價定額等。

5.2?疊合樓板產業化工作流程分析

（1）標準化設計。我國有鋼結構體系，但是缺乏配套的墻板、樓板體系。完善配套的三板體系，需要實現設計、生產、施工的一體化，國家需要出臺成套的標準規范，指導設計、生產、施工。建筑部2015年頒布文獻，從主體、內裝、外裝三部分推進實現建筑產業化。鋼結構中需繼續完善設計規范、施工指導規范、節點連接等。疊合板方面，已有文獻[5]規范圖集規定疊合樓板的尺寸、構造，但是疊合樓板種類多，政府應該加強和高校的合作，加快推進更多性能優良的疊合樓板的規范建設，實現設計的標準化、模數化。

（2）工廠化生產。疊合樓板的預制層施工順序如圖2，實現在工廠機械化加工，提高勞動生產率，縮短施工工期，降低成本。由于工廠只是完成疊合樓板制作的一部分，預制層還需要在施工現場和現澆層結合，形成整理，共同承受能力，所以預制層制作需要滿足規定，表面做成凹凸不小于4mm的人工粗糙層，保證疊合層的抗剪能力。混凝土澆筑完成后，按照規定進行放置養護，養護成型后，應當對疊合層進行處理，出模后應對粗糙面進行沖洗，以防沖刷不掉。

（3）裝配化施工。疊合樓板預制層在工廠提前加工生產完成，預制層只需運至現場進行拼裝，拼裝完成后作為模板，可以直接澆筑現澆層混凝土。圖3詳述了疊合樓板施工的工藝順序，安裝支撐、吊裝、拼縫處理是疊合樓板施工的關鍵工序。主流的連接方式有兩種，機械式連接和澆筑式連接，一般情況選擇機械式連接，雙向疊合樓板采用后澆帶形式連接，接縫設置在受力較小部位；單向疊合樓板增加構造鋼筋，加強連接。

6?結論

隨著我國建筑裝配式的推進和鋼結構住宅的推廣，裝配式鋼結構住宅的優勢也將越發顯現，我們更應加強對配套三板體系的重視。本研究報告基于此，分析歸納了多種疊合樓板，總結了疊合樓板的不同形式和特點，探究不同疊合樓板的受力性能。結合國家關于推進裝配式建筑的相關政策，從標準化設計、工廠化加工、裝配化施工三個維度探討了疊合樓板的產業化，希望各方能夠積極配合，盡早出臺技術標準、圖集，積極研發新材料、新技術、新工藝，實現裝配式建筑的產業化。

在對疊合樓板的探討研究中發現我國和國外的成熟體系還有一定的差距，針對上述的研究，對疊合樓板的發展和產業化提出以下建議：

（1）嚴格遵守現行標準和技術規程，進一步提出并完善疊合樓板相關規范。疊合樓板設計和施工應嚴格遵守混凝土結構設計、施工技術及施工質量驗收規范的規定，發布了相關技術規程的疊合樓板類型可參考規程要求。有關部門加快出臺疊合樓板的產品標準，統一對質量的檢驗和評定，規范疊合樓板的設計和施工。

（2）對不同類型的疊合樓板進一步深入和系統地研究和分析。除正常使用荷載下的加載試驗外，加強對破壞性試驗的研究，分析疊合樓板在二次受力特征下的內力分布特征，探討對內力分布產生影響的各種因素。

（3）完善施工工藝，加強施工方案設置。保證結構的安全性和施工的簡便性，充分發揮疊合樓板綠色、施工快的優點。

（4）試點推行疊合樓板，選擇部分地區，使用疊合樓板。一方面，政策激勵、推動疊合樓板的發展研究，另一方面，通過實踐，改進完善疊合樓板的不足，致力于研究一款施工方便、承載力強的疊合樓板。

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