装配式钢结构关键点研究

陈家春

(福建省建筑轻纺设计院 福建福州 350001)

0 引言

2016年出台的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见要求》，明确要求我国建筑行业用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑比例的30%，同时明确要求各地积极推广钢结构建筑。2019年10月，《装配式钢结构住宅建筑技术标准》正式实施，促使了装配式钢结构的推广与应用得到高效推动。

装配式钢结构与传统钢结构相比，具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修以及可信息化管理等特点，具有工期短，自重轻，可持续发展的优势，是全寿命周期内的绿色建筑[1-2]。但是，现阶段装配式钢结构在预制、吊装、质量控制以及成本控制等方面仍存在较多问题，如装配式钢结构构件吊装过程中碰撞问题、围护墙体问题等，都各自影响着装配式钢结构的推广使用。

目前，由于装配式钢结构中预制楼板、预制墙板等连接技术尚不成熟，尤其是预制墙板拼接处的裂缝、防水等问题尤为凸出，全装配式结构的房屋，包括全装配式混凝土结构、全装配式钢结构的房屋在实际工程尚较为少见。在满足装配率的前提下，业界通常将一些现场湿作业手段，以克服连接处的开裂和防水现状，均统称为装配式结构。基此，本文立足装配率要求，以及预制和湿作业相结合的装配式钢结构房屋，从装配式钢结构的深化设计和围护墙体、施工控制等3个方面进行分析，探讨其存在的难点及原因，并提出相应的对策，为装配式钢结构的工程运用推广提供参考。

1 装配式钢结构的关键环节

当前阶段，深化设计环节对装配式钢结构的质量、成本、安全尤其具有重要的影响。深化设计通常包括建筑深化设计、结构深化设计、管线深化设计3个方面。在建筑深化设计方面，厨卫其平面尺寸要符合标准化整体厨卫的要求、门窗的几何尺寸要考虑预制构件的能力以及如何深度分析防渗漏和防水等问题以采用合理的接缝设计做法。因此，在进行结构深化设计时，应考虑好连接板和强度板等设计，临时支撑的预埋件与永久使用预埋件不兼用。管线深化设计，借助BIM技术手段尽量减少碰撞，曲线管道或附件少的管道要尽量避让直线型管道等[3]。

钢结构主体结构虽已非常成熟，但装配式钢结构的围护体系包括围护墙体、楼盖、屋盖的技术相对滞后。因此，围护体系如何适应钢结构装配化、轻量化、功能性、安全性等需求，同时又要适应集成化设计、协同设计、装修一体化等性能要求，是装配式钢结构施工中的关键问题。围护系统必须坚持系统化、产业化思维，即围护系统的标准制定、设计深化、生产配套、安装施工、信息管理、服务维护等环节，要形成产业化的整体解决方案，不宜单一地、割裂地、断层式地去思考。为提升装配化和效率，围护体系的连接技术应尽量采用高强螺栓连接、卡扣件连接、模块式连接等新技术和新工艺[4]。

2 装配式钢结构常见问题

2.1 深化设计环节阶段

装配式钢结构具有工厂化加工制作、机械化现场安装的优势，但由于目前标准化、模数化的程度不高，造成了现场作业多、降低了施工效率。目前，装配式钢结构的标准主要还是纲领性文件，还需要设计单位、施工单位等进行细化。

在建筑深化设计阶段，由于设计师与施工单位沟通交流不足，导致一些小型金属构件、连接装饰构件等预埋件的具体位置不准确或缺失，导致后期现场钻孔等引起渗漏问题等。

在结构深化设计阶段一般包括主体结构和附属加强结构，深化设计往往重视主体的梁、柱等，而作为附属结构如连接板、加强板等设计不被重视，出现强度、变形的验算缺失甚至漏考虑的现象。此外，现场吊装过程本应需要考虑吊环的承载力大小、位置，却往往因为缺少沟通而导致预留不合理或缺失。

机电设备、管线深化设计阶段，由于各专业之间的配合不够，导致一些管槽位置预留存在变差、管道外露问题等。

2.2 围护体系

(1)楼盖体系

目前，在装配式钢结构中通常采用压型钢板组合楼板、预制混凝土叠合楼板、自承式钢筋桁架楼承板等。压型钢板组合楼板可以减少模板、降低楼板混凝土的厚度，但防火性能差、底模不是平整往往要增加吊顶影响使用空间。预制混凝土叠合楼板，分为预制层和现场浇筑叠合层，不需要支模、工期短，但预制层较薄在施工过程容易出现断裂、裂缝等问题。

自承式钢筋桁架楼板是将楼板底部钢筋加工成桁架，并将其与底模连成一体的组合压型钢板，相比压型钢板组合楼板，减少了现场钢筋绑扎的工作量；相比预制混凝土叠合楼板，运输过程安全可靠。自承式钢筋桁架楼承板在钢结构安装完成后铺设楼层板，然后浇筑砼，是属于无支撑压型组合楼承板。然而在实际工程中，往往由于结构的跨度较大，需要再增加一道支撑(图1)，而当独立支撑的稳定性较差、层高较高时，则不能满足稳定性要求，需要进行另外的拉结，增加了附加的工序和成本[4]。

图1 钢筋桁架楼承板示意图

此外，自承式钢筋桁架楼承板属于标准化产品，必须事先进行深化设计、排布,如果排布不当，现场进行临时切割较为麻烦，如图2所示。

图2 现场切割桁架筋楼承板

(2)围护墙体

钢结构中墙体的主要作用以分隔和围护为主，不承担竖向荷载，主要承担自重、风荷载和水平地震荷载。在装配式钢结构中，围护墙体必须与其工业化相符，达到标准化设计、工业化生产和装配化施工的要求。目前常用的围护墙体有：ALC板条、EPS砼复合夹心板条、陶粒混凝土空心板条、轻钢龙骨墙体、轻钢龙骨灌浆墙体等。然后，相应的节点构造做法，并不成熟，导致施工工序依然较繁琐，现场依然有较多的湿作业，板与板之间依然需要采用砂浆进行连接，如图3所示。而且，相比传统的现场砌筑的做法，采用预制墙板的形式更容易因为收缩、变形而产生裂缝。

图3 内墙预制板施工图

2.3 施工控制问题

(1)运输及安置不当

运输距离、运输路径和运输时段对成本有显著影响。运输过程由于保护不力的原因极易发生构件变形、脱漆等问题；预制构件在施工现场被无序堆放延缓施工流程，也会影响实际施工组织流水正常进行。

(2)吊装效率问题

吊装效率直接影响工程施工成本。吊装之前需对构件的吊装位置与吊装方式进行严谨的测量与规定，避免其在吊装过程出现旋转、翻身甚至碰撞、掉落、定位不准导致钢柱垂直度不符合要求等问题，进而影响安装效率

钢构件的制作工艺对尺寸的要求是正3负0mm，但这仅仅对构件整体尺寸而言，比如斜度和孔距就不能按照此要求。由于钢结构的精度要求高，预制过程难免存在尺寸偏差，增加钢构件现场吊装的难度。例如，螺栓与栓孔无法对齐、构件之间无法紧密衔接等问题[5]。

(3)装配过程的附加措施

装配式钢结构建筑在全寿命周期中具有更好的经济性，钢框架较混凝土框架相比，工期缩短高达58.4%，可大大提高施工效率，节约人工成本[6]。但在装配式钢结构吊装过程有较多的附加措施使建安成本上升，如临时支撑、运输、吊装、就位等无不增加了施工安装费用。 例如，钢柱需要制作钢梯、吊装装置等，如图4所示。

图4 施工现场钢构件图

3 改进建议

(1)完善深化设计，做好预埋件布置

加强装配式建筑标准化、模式化的建设，为设计单位、施工单位、预制厂提供统一的标准。各单位、各专业之间加强沟通交流，协调，尤其是设计单位、施工单位、预制厂之间的沟通交流。如充分了解施工单位的吊装方案、顺序、塔吊的吊装能力(臂长、高度)、临时固定措施等，在构件拆分阶段，在构件连接位置的设计上除了考虑受力性能同时兼顾施工方便性，则可降低整体的成本。例如，在柱子拼接过程预先设计了临时连接件，则方便施工单位定位和临时固定，如图5所示。

图5 钢结构柱节间拼接示意图

(2)优化轻质墙板嵌缝材料

预制轻质墙板的接缝，是施工后容易由于温度、沉降等影响产生裂缝。因此，在设计施工过程，接缝处的处理尤为重要，一般要通过留置分隔缝并通过耐候胶予以嵌缝。但是，由于耐候胶属于化学基材料，其耐久性不如水泥基材料，耐久性较差，基于目前，已有研究者标明，橡胶粉末或颗粒掺入的水泥砂浆中其耐久性得到了显著的改善，本研究建议采用橡胶水泥砂浆进行嵌缝，利用橡胶良好的变形能力实现分隔缝处的左右变形、减少变形附加应力的产生。

(3)细化施工方案

细化施工方案是提高施工效率的有效途径之一。目前，BIM技术已逐渐被运用到施工，确定预埋件位置、碰撞问题等。加强一些关键工序的监控，如构件吊装。施工方及预制厂应分别根据不同类型预制构件的特点及受力要求，单独制定吊装、运输、施工方案。同时，按照方案对相关的吊装吊具提前进行准备，以提高吊装效率。如吊装运输过程坚持先吊先运原则，应考虑运输过程中构件的稳定性等问题。在对构件进行有序安置的同时应保证构件存放状态与安装受力状态一致，避免由于存放不合理导致构件翻身或受力破坏。例如，钢筋桁架楼承板或预制叠合板等起吊时，可采用4点点吊装梁进行吊装，吊索之间的夹角应介于60°～120°之间，严禁超过120°。

4 结论

(1)装配式建筑的深化设计结构由于标准化、模板化不高，而且各单位、各专业之间沟通交流不足，导致深化的精度不足，影响结构的质量和效率。

(2) 装配式钢结构的围护体系改进已经取得了一些进展，如自承式钢筋桁架楼板的运用、轻质隔墙的运用等，但在施工连接节点做法、便利性上仍存在一些不足。

(3)施工方案不精细也是目前吊装效率低、施工成本增加的原因之一，建议利用BIM技术细化施工方案，尤其是关键工序提高装配式钢结构施工质量和效率。