厦门软件园三期D09号楼钢结构建筑应用分析

2019-09-06潘惠芳

福建建筑 2019年8期

潘惠芳

(厦门信息集团建设开发有限公司福建厦门 361000)

0 引言

绿色环保再利用材料是建筑界永恒的主题，钢材是一种理想的绿色环保建筑材料，具有非常高的再循环使用价值。钢结构强度高，自重轻，抗变形能力强，能很好地承受动力荷载，符合工程受力要求，具备优良的抗震抗强风性；同时，良好的机械加工性能，便于运输和安装，适用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物结构。

装配式钢结构可实现工业化生产，现场可采用螺栓连接或焊接，控制施工质量，便于全装配和拆卸，大大降低劳动强度，缩短施工工期，适合建造过程全装配式建筑[1-3]。装配式钢结构建筑，具有标准化设计、工厂化生产、装配化标准施工、一体化整体装修、信息化全过程管理等特征，尤其是将 BIM 技术和装配式钢结构建筑体系有机地融合在一起，能快速实现建筑产业转型。它是全寿命周期内的绿色建筑，目前在欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家是主要建筑结构体系之一，也是我国贯彻落实新时代绿色发展和生态文明建设的首选类型，国家重点发展建造方式之一[4-8]。

为了促使装配式钢结构建筑在全社会推广开来，2016年2月，中共中央、国务院印发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出发展新型建造方式，大力推广装配式建筑，加大政策支持力度，力争用约10年时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。2017年3月，住建部发布《“十三五”装配式建筑行动方案》明确指出，到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达15%以上，其中重点推进地区达到20%以上[9]。自此，各省市先后开始落实推广实施装配式建筑构造方案。基于此，本文以厦门软件园三期D09号楼钢结构建筑为工程案例，分析、对比装配式钢结构建造与传统钢筯混凝土结构优缺点，总结装配式钢结构建筑应用经验，并提出厦门地区未来发展装配式钢结构的若干建议，供厦门地区乃至全国其他地区发展钢结构建设提供技术借鉴。

1 厦门软件园三期D09号楼装配式钢结构建筑项目概况

根据国家政策，结合厦门市关于加快推进软件园三期建设的要求，2017年3月，厦门软件园三期D09号楼装配式钢结构研发楼建设项目启动。该项目占地面积22 299m2，建筑面积90 385m2，其中，地下室建筑面积30 250m2；地上13层，建筑面积60 135m2。基础采用预应力管桩基础，地下室采用钢筋混凝土框架结构、主楼采用装配式钢构，如图1～图2所示。项目总投资约39 779万元。该项目钢结构主要施工案，采用装配式钢构件工厂化、模块化制作，钢构件的运输、堆放及安装顺序和位置的标注，钢构件吊装及现场安装连接，安全质量保障措施等BIM信息化设计和施工。

图1 D09号楼装配式钢结构吊装施工

图2 D09号楼竣工后

2 厦门软件园三期D09号楼装配式钢结构建造优点

2.1 建筑重量对基础的影响分析

D09号楼的地下室采用钢筋混凝土框架结构，主楼采用装配式钢结构。由于钢结构强度明显高于混凝土强度，大大减少了框架柱和梁的截面，使混凝土用量大为减少，最主要是减少了结构主体重量。表1对比了D09号楼装配式钢结构与钢筋混凝土结构的建筑重量，对比结果表明，该项目主体重量(柱、梁和板)降低约32.14%，大大减轻了主体重量荷载对地基的压力，减少了基础和桩基设计，同时也减少了工程量，节省了建设成本。

2.2 建筑的空间使用率影响分析

钢筋混凝土建筑，在空间稍大的室内就会出现断面很大的混凝土结构柱，严重影响室内美观和使用面积；钢结构建筑通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，更易获得大空间，提高室内空间的使用率[10]。

D09号楼的钢结构相比传统钢筋混凝土结构，主构件截面面积更小(柱截面小了1/6)，在同等情况下可增加使用面积36.87m2，扩大了4.0%，不仅可以抵消一部分应采用钢结构体系而增加的主体费用，同时也让业主得到更多的有效使用面积，提高建筑空间使用率，具体数据如表2所示。

表2 D09号楼(3#)装配式钢结构与钢筋混凝土结构建筑面积对比表

2.3 绿色环保影响分析

钢筋混凝土建筑，主要采用现场手工作业，存在能耗高、污染严重等问题。根据国家统计局及产业发展报告，近几年我国每年建筑垃圾排放总量约为14亿t～24亿t，占城市垃圾的比例约为40%；而钢结构施工基本是干作业，减少废弃物对环境造成的污染，节约用水、噪音小、粉尘少，较传统混凝土结构垃圾排放量减少60%。

据分析，该项目D09号楼全寿命周期可以减少近万立方米建筑垃圾，大大减少木模板使用(木材的砍伐)，而且，钢结构建筑主体钢材回收率在90%以上，改建拆迁容易，施工过程无需水泥等传统建材，减轻了对环境的破坏，真正做到绿色无污染[11]，符合国家可持续发展的战略要求。

2.4 工程质量控制分析

现浇钢筋混凝土结构施工中质量控制点多，如外脚手架工程、模板工程、钢筋工程、混凝土质量控制、浇捣控制、养护控制等，难以避免存在一些质量缺陷和安全隐患；而钢结构的受力构件简单，可以在工厂进行批量生产，现代化设备生产，产品精度高；运输到工地后采用装配式组装，施工中隐蔽工程少，更易于管控质量，也能更好地保护工人人身安全。

D09号楼装配式钢结构现场施工，主要以螺栓的预埋、焊接工程、高强度螺栓连接工程、钢结构防火工程涂层，其质量均易于现场实施控制，竣工后D09号楼质量达到优良等级。

2.5 建设周期影响分析

D09号楼主体结构建设周期：装配式钢结构施工过程中，主体总荷载比钢筋混凝土结构工程总荷载降低约32.14%，钢结构工程地基基础结构工程量减少。根据《TY01-89-2016建筑安装工程工期定额》标准计算，节约定额工期30d。

地下室底板施工完毕后，地下室和主楼结构可以进行平行施工，主楼标准层单层施工周期为5d，每月施工完成6层。项目主体结构3#楼：底板于2017年9月23日施工，半地下室于2017年12月3日完成，主体结构于2017年12月22日封顶，上部钢结构比地下室工期多18d；若以钢筋混凝土结构施工，需要逐层进行施工，标准层单层施工周期为6.5d，每月施工完成4.5层，上部13层施工尚需78d。因此，在相同体量的情况下，钢筋混凝土结构施工期可以节约工期60d。

综上，两种质式结构对比，项目钢结构主体结构的地基基础比使用钢筋混凝土主体结构的地基基础施工周期缩短30d；3#楼主体钢结构比主体钢筋混凝土结构施工周期缩短60d；总体施工进度计划进行流水作业，总计可以缩短施工周期90d。

再从总体建设工期来看，钢结构施工速度快，工期优势较明显。混凝土结构浇捣完成后，存在支撑架、模板拆除的时间和砼养护时间，钢结构项目可以直接对楼层二次结构进行施工，加速后期的装修工程进场。装配式钢结构项目无外防护、无悬挑外架，幕墙工程可交叉施工，构件在工厂制作，工厂机械化生产的成品精度高、生产效率高；工地拼装机械化程度高，速度快、工期短，是工业化程度最高的一种结构，对以上各施工段均起到减少建设周期的效果。

2.6 抗震和抗风灾性能分析

近些年来，由于各种因素影响，世界各地地质类灾害不断，地震灾害屡见不鲜，严重威胁着人类的生命安全，而良好的抗震性能材料和结构是抵御地震灾害、尽量减少灾害损失的重要选择。

钢结构良好的延展性，较强的塑形变形能力，具有优良的抗震性能，在很大程度上提高了建筑物的安全性、可靠性。装配式钢结构建筑墙体，采用轻型节能标准化的C型钢、方钢、夹芯板，抗震度好；将钢结构体系用于住宅建筑，可充分发挥钢结构的延性好、塑性变形能力强等特性优势，尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，钢结构能够避免建筑物的倒塌性破坏[12]。如：屋面结构采用冷弯型钢构件制作成的三角型屋架体系，轻钢构件在封完结构性板材及石膏板之后，形成了非常坚固的“板肋结构体系”，有着更强的抗震及抵抗水平风荷载的能力，适用于抗震烈度为8度以上的地区。而且，型钢结构重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强，自重仅是钢筋混凝土结构的1/5，可抵抗70m/s的飓风，大大提高住宅的安全可靠性。

近年来，台湾海峡及附近地区多次遭受地震和台风影响，如2018年11月26日台湾海峡6.2级地震和2018年全年台风，D09号楼竣工后均能很好地承受住地震动荷载和台风荷载冲击，未受任何影响，充分地体现了装配式钢结构抗震和抗台风性能优异。因此，对身处东南沿海地震带和台风灾害频繁的厦门，钢结构建筑应用尤其更加具有更深远的影响。

2.7 耐久性、保温性、隔音性分析

耐久性方面，钢结构建筑采用冷弯薄壁钢构件体系组成，钢骨采用超级防腐高强冷轧镀锌板制造，有效避免钢板在施工和使用过程中的锈蚀影响，最长可达100年，增加了构件使用寿命。

保温性方面，保温隔热材料是以玻纤棉为主，具有良好的保温隔热效果，运用以外墙的保温板，将有效避免墙体“冷桥”现象，达到更好的保温效果(约100mm厚的R15保温棉热阻值可相当于1m厚的砖墙)。

隔音性能方面，D09号楼装饰，窗户采用了中空玻璃，隔音达40dB以上；由轻钢龙骨、保温材料石膏板组成的墙体，其实测隔音效果甚至高达60dB。

3 厦门软件园三期D09号楼装配式钢结构建造缺点

3.1 建筑成本造价分析

虽然装配式钢结构优势明显，但在造价方面会比传统钢筋混凝土结构高约14%，主要表现在基础差异和主体结构差异。下文从D09号楼基础造价、主体结构造价、使用面积和资金成本等四方面，具体分析其建筑成本构成。

3.1.1基础造价分析

钢筋混凝土结构工程荷载588 853t，桩基直接工程费12 736 060元，其单价为212元/m2；钢结构工程荷载39 936t，桩基直接工程费8 711 101元，其单价为144元/ m2。钢结构基础单价费用约为钢筋混凝土结构工程桩基费用的2/3。

3.1.2主体结构造价分析

装配式钢结构、钢筋混凝土结构钢这两种质式结构造价差异，主要表现在主体结构的造价差异。在建筑布局和功能需求一致的情况下，基础土方、门窗工程、防水工程、楼地面工程、墙柱面工程、天棚工程、装饰装修工程、幕墙工程、安装工程等方面造价基本一致，费率取费按同等条件计取，限于篇幅，不进行对比。

厦门软件园三期D09号楼地下室为钢筋混凝土结构，单独对上部60 135m2主体结构采用两种不同的质式结构分析如表3所示：钢筋混凝土结构工程对劳动力需求大，工资的涨幅对建筑成本的增加明显；钢结构工程的劳务工资比重低，劳务工资增加对总成本的增加只有钢筋混凝土结构工程的20%左右。建筑钢材价格的涨跌幅对钢结构的造价变化影响巨大，钢材价格涨跌对钢结构建筑总成本的增加是钢筋混凝土结构的2.85倍。

表3 D09号楼装配式钢结构与钢筋混凝土结构主体单价分析表

3.1.3使用面积成本差异

D09号楼装配式钢结构建筑比钢筋混凝土建筑使用面积增加了4%，按60 135m2建筑面积测算，增加使用面积2405m2，按园区内目前销售均价5190元/m2，增加效益207元/m2。

3.1.4资金成本差异

厦门软件园三期项目总投资39 779万元，一年期贷款基准利率4.9%，工期缩短按平均126d计算，资金成本节约：39 779万元×4.9%×(126/365)=672万元/60 135m2=112元/m2。

3.1.5综合成本分析

通过以上对两种质式建筑的基础造价、主体结构造价、使用面积成本差异和资金成本差异等分析，装配式钢结构与钢筋混凝土结构综合成本单价分析如表4所示：装配式钢结构的基础及主体结构造价是钢筋混凝土结构造价的178.8%，加上钢结构面积增加及资金成本效益，装配式钢结构的结构造价减少到钢筋混凝土结构造价的149.3%。可见钢板材料的价格趋势对装配式钢结构工程投资起决定因素。装配式钢结构工程带来的最大效益，是工期缩短带来的利息减少、钢材具有很高的再循环使用价值及有效使用面积的增加；此外，销售均价对钢结构使用面积的增加产生的效益也有巨大的影响。

从水、暖、电、幕墙等工程总造价来看，装配式钢结构比钢筋混凝土结构高16.92%。装配式钢结构使用面积增加及资金成本效益，使钢结构工程总造价比钢筋混凝土造价高11.39%。

表4 D09号楼装配式钢结构与钢筋混凝土结构综合成本单价分析表

3.2 受钢材价格和物流成本影响

厦门周边生产钢构件厂家少、产能低，采购环节在运输和加工容易受到物流、材料价差影响。如何减少装配式钢结构的钢构件成本价格和降低物流成本，这是今后需要重点考虑的问题。

3.3 耐火与防腐性能差，需检查与养护

装配式钢结构耐火性能较差，当温度在150℃以下时，钢材性质变化很小，但结构表面要采用隔热板加以保护。温度在300℃～400℃时。钢材强度和弹性模量均显著下降。温度在600℃左右时，钢材的强度趋于零。钢结构另一个缺点是耐久防腐性(国家规定15年)，在生产和施工过程中需要注意除锈和防腐处理；后续维护复杂，需要定期防锈防腐保护、防火处理保护、定期变形监测维护、其他病害的定期检查与维护，因此需要研究防高温、防腐等高性能钢材，在有特殊防火需求的建筑中，须采用耐火材料加以保护并提高耐火等级[10]。