装配式钢结构建筑体系概述与技术要点分析

刘志刚

摘要：“十九大”背景下的建筑产业，应结合生态、绿色的理念进行实践与应用，确保建筑经济及生态建设更为合理，装配式钢结构建筑采用了“一体化”的设计理念，减小了传统工程建筑所使用的材料支出，能够在生态基础上提高建筑产业的社会效益，因此，工作人员须全面认知绿色装配式建筑体系的内容，根据环境需求提高装配式钢结构的运行效益，这对于推动我国建筑产业发展提供了良好的推力。基于此，本文谨就装配式钢结构建筑体系及其技术特点进行探讨，以期为提高装配式钢结构建筑施工效率及工程质量的提升提供参考。

Abstract： The construction industry under the background of the Nineteenth National Congress of the Communist Party of China should be practiced and applied in combination with ecological and green concepts to ensure a more rational construction economy and ecological construction. The prefabricated steel structure adopts the "integrated" design concept， reduces the expenditure of materials used in traditional engineering construction and can improve the social benefits of the construction industry on an ecological basis. Therefore， staff must fully understand the content of the green prefabricated building system and improve the operation benefit of prefabricated steel structures according to environmental requirements， which provides a good boost for the development of China's construction industry. Based on this， this article discusses the prefabricated steel structure building system and its technical characteristics， with a view to providing reference for improving the construction efficiency and engineering quality of prefabricated steel structure buildings.

关键词：装配式钢结构;结构体系;绿色建筑

Key words： prefabricated steel structure;structural system;green building

中图分类号：TU3                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0020-03

0  引言

从建筑材料上分类，装配式建筑包括三类，即混凝土装配式、木结构装配式、钢结构装配式[1]。木结构的装配式建筑发展历史最为悠久。而钢结构装配式建筑因其强度高、抗震性能强、施工方便、热工性能良好等优点而被广泛应用。钢结构的装配式建筑从用途上分为重型钢结构建筑和轻型钢结构建筑。重型钢结构建筑的特点一般为跨度大、空间大、强度高、刚度大，比如高层钢结构、设备钢结构、桥梁钢结构等。而轻型钢结构主要是指普通的房屋建筑，比如普通住宅、度假村建筑、临时类建筑等，具有拆卸方便、结构安全、建筑设计年限短等特点[2]。

1  我国装配式钢结构发展现状

近三年，在政府部门的大力支持下，钢结构装配式建筑迎来了新的发展时期。2016年3月，李克强总理在《政府工作报告》中提出，要大力发展装配式建筑，积极推广绿色建材;同年9月，国务院印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中提出：“发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推進建筑业供给侧结构性改革的重要举措。”[3]国务院发布的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中指出，要求在10年之内使装配式建筑占新建建筑比例达到30%。党的十八大以来，各地政府多部门相继提出了发展装配式建筑的实施意见（见表1）[4]。

2  装配式钢结构建筑结构体系介绍

目前，装配式钢结构建筑主要有以下几种体系。

2.1 钢管混凝土装配式建筑体系

该体系以钢管混凝土为基本受力构件，同时设置钢板、核心筒、钢支撑等抗侧力构件。其围护结构以轻质混凝土砌块或新型轻质墙板为主，新型轻质墙板根据构造方式分为内嵌式、外挂式以及嵌挂结合式[5]，内嵌式墙板需要设置钢支撑，施工工序复杂，限制了其应用推广。常用的外挂式墙板有轻质混凝土夹芯板、太空复合板、增强夹芯板，嵌挂结合板有DK复合板、ALC板等。

该体系使用装配化的楼板，免去了支模施工工序，实现了部分装配化[6]。

与传统的钢柱建筑和钢筋混凝土建筑相比，装配化率达到 70%左右，力学性能、抗震性能和热工性能都优良，具有节省钢材、降低了造价、施工工期短等优点。但是，钢管混凝土装配式结构没有实现主体结构系统与外围护系统、内部管线设备系统的一体化建造。楼板施工中的水电管线等设备大都需要敷设在现浇层内，这还有待研究开发[7]。

2.2 新型模块化钢结构

新型模块化钢结构建筑体系一般用于工业建筑，装配化率超过90%。该体系目前主要有两类，模块化可建模式和盒子建筑。

模块化钢结构建筑体系的主体结构包括装配式主板和斜向支撑。装配式主板由工厂预制好，并与斜向支撑立柱共同组成空间受力体系。装配式主板由压型钢板组合板、支撑钢桁架组成，装配式主板内部嵌入空调、消防、水电等管线设备。该体系具有施工速度快、现场安装无垃圾等优点[8]。同时，建筑的户型以及门窗的位置可自由改变。但该结构还存在结构受力构件裸露以及隔音效果差等问题。

盒子建筑，是先将传统建筑房间按功能区域进行划分，由工厂提前预制好模块的立柱、墙体、楼板、门窗等构件，然后将箱型模块运输到现场进行整体吊装组合，其装配化程度高，建筑自重轻，工期短[9]。

盒子建筑在国内应用较少，目前还在研究阶段。对工厂要求较高，由于盒子建筑的构件尺寸较大，运输、吊装、施工都有困难，成本问题也是制约原因[10]。

2.3 钢管混凝土组合异形柱结构

钢管混凝土组合异形柱建筑体系通过竖向构件相互連接，并按设计要求设置纵横向加劲肋。从而能够使各异形柱之间形成有效地空间格构式整体结构，相互之间协同工作，具有很强的抗震能力。异形柱的截面尺寸较小，方便隐藏在墙体内部，房间布置灵活，可用于小高层项目中。

2.4 整体式空间钢网格盒式结构

空间钢网格盒式结构多应用于高层建筑中。空间钢板网格结构或钢框架-核心筒结构作为竖向承重外墙及分户墙，横向钢网格楼盖作为建筑的楼板，两者连接后其结构形式就形成了三维受力结构[11]。空间钢板网格结构或钢框架-核心筒结构可以根据建筑功能自由划分，居室布置较为灵活。

2.5 钢管束组合剪力墙结构

该体系由钢管束剪力墙作为竖向承重构件，钢筋桁架作为楼板体系。在钢管束内浇筑混凝土，使钢管束和混凝土协同工作。同时，可根据需要将钢管任意排列，解决了梁柱在室内容易暴露的问题。其缺点是用钢量多，施工工作量大。

3  装配式钢结构施工体系技术分类

装配式钢结构体系的技术要点主要有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、智能化应用、信息化管理为六大典型特征[12]。钢结构住宅施工技术按照不同的划分方式，可划分为“三大体系”，即结构支撑体系、外围护体系和内装体系。

3.1 结构支撑体系

钢结构住宅的结构体系可划分为：钢框架体系、钢框架-混凝土剪力墙结构体系、钢框架-钢支撑结构体系、钢框架-核心筒体系等[13]，随着技术进步，会出现更新型的结构体系。钢框架体系和钢框架-混凝土剪力墙结构体系较为常见。钢框架结构体系建筑平面布置灵活，可做成需要大空间的会议室、餐厅、办公室等。钢框架-混凝土剪力墙结构体系有效的将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点结合起来。变形较小，舒适性好，且造价较低，易于推广。

3.2 外围护体系

外围护体系按照构造形式分类主要有砌块式、条板式、大板式等。应用比较广泛的有幕墙、PC挂板等;但成本较高，只能应用于高档项目。为了推广应用，应加强研发外围护与保温装饰一体化产品，研发外墙板与钢结构的连接技术，其连接节点更加适应钢结构建筑。

3.3 内装体系

目前内装体系与结构体系不分离的特点，严重制约着钢结构装配式产业现代化工业化的发展;而装配式建筑设备管线分离，水电管线埋在装饰层中，同时还应进一步加强研发一体化产品及其与钢结构的连接技术。

4  装配式钢结构体系应用的优势及亟待解决的问题

4.1 应用优势

4.1.1 建造质量好，施工精度高

钢结构构件是由各种型材组成，制作简便、工业化程度高、加工精度高;现场装配采用螺栓或焊接连接，能确保施工的精度，为外围护墙和内隔墙的安装及装饰装修提供了方便。钢结构相关企业质量体系均比较健全，钢结构建筑的建造质量容易保证。构件属于绿色建材，污染小，材料可回收。

4.1.2 施工速度快，有效缩短工期

构件均为工厂化生产，现场装配，施工速度很快;外围护墙和内隔墙采用工厂生产的一体化墙板运到现场进行装配，不仅能保证质量，且能缩短工期[14]。

4.1.3 抗震性能好

钢结构建筑重量轻、延性好、塑形变形能力强，抗震性能良好尤其适用于高烈度区幼儿园、学校、医院重点设防类建筑。

4.2 装配式钢结构存在的问题

4.2.1 围护体系有待改进

建筑围护结构的性能直接关系到应用效果。目前，在隔热、隔音等技术指标上建筑存在问题。墙体和钢梁钢柱连接措施不完善，易引起漏水、开裂等，墙体接缝处理也存在问题。

4.2.2 设备管线系统发展滞后

目前尚未重视配套管线设备研究。无法发挥出“结构、围护、管线一体化”优势，设计标准不一致，未合理布置梁柱墙体等与设备管线的关系。工程建成后易出现了管线不匹配、设备不协调等情况。

前期没有结构、围护、管线一体化设计，就会影响了施工成本和效率，施工中存在开槽开洞情况。如在预制构件中预埋暖通管线，楼板多为半预制半现浇。

4.2.3 钢梁钢柱外露

大开间、大跨度的建筑由于对强度和刚度要求，钢梁钢柱尺寸较大难于隐藏。同时，钢结构斜撑、加劲肋等构件也不便隐藏。

5  结语

进行钢结构装配式建筑体系设计和施工时，应基于建筑功能设计装配式钢结构构件，满足安全性、个性化，充分考虑实用性、经济性，不断推动建筑行业可持续发展。

参考文献：

[1]苗昊逸.新型城镇化装配式建筑标准化研究[D].太原理工大学，2018.

[2]赵彧洋.装配式钢结构建筑体系发展与应用[A].第十七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津大学，2017：7.

[3]李素兰.装配式建筑的现状与发展[J].上海建材，2018（05）：27-35.

[4]贺婷.装配式混凝土民用建筑经济性研究[D].华南理工大学，2017.

[5]安百平.装配式建筑外围护系统分析[J].建筑技术，2018.

[6]李胜才.钢结构建筑中节点系统的解析与建构[D].同济大学，2007.

[7]郭德坤.装配式建筑的方案及造价分析[D].郑州大学，2017.

[8]温宇.适应工业化建设的城市住宅建筑体系研究[D].西安建筑科技大学，2005.

[9]高颖.住宅产业化—住宅部品体系集成化技术及策略研究[D].同济大学，2006.

[10]钟敦字.产业化促进与普通住宅设计策略[D].重庆大学，2007.

[11]彭登.新型装配整体式空间钢网格“筒中筒”盒式结构在超高层结构的研究与应用[D].贵州大学，2014.

[12]蔡玉春.面向产业化的钢结构住宅工程管理模式研究[D].武汉理工大学，2010.

[13]席晖.多高层钢结构住宅设计研究[D].河北工业大学，2006.

[14]丁颖.高层新型工业化住宅设计与建造模式研究[D].东南大学，2018.