预制装配式钢结构建筑经济性研究

陈亮

摘 要：现代化的建筑工程中为了提升工程项目的质量，降低施工过程中的人工成本以及简化施工流程，在施工过程中使用预制好的钢结构作为建筑物的柱体、梁体以及主要的框架结构，然后在此基础上安装相应的墙板、楼板以及其他必要的建筑结构。这种组装式的施工技术可以大幅度提升工程效率，减少施工过程中的湿作业量以及降低人工成本。通过工程量以及工程造价来分析预制钢结构建筑相对于传统现浇混凝土建筑所具有的经济性特点。

关键词：预制装配式钢结构;经济性;建造成本

中图分类号：F426.9        文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2021）28-0143-05

传统的现浇混凝土施工技术在实践过程中逐渐表现出施工效率较低、人工成本高以及施工程序复杂等问题。预制钢结构施工技术可以让施工企业将预制好的钢梁、钢柱、墙板以及其他结构通过装配的方式来完成施工，进而可以在很大程度上提升建筑施工的效率、简化施工程序以及降低人工成本。但现阶段，预制钢结构建筑的整体施工成本还是比传统的混凝土施工方法更高一些。

一、相关概念和发展现状

（一）预制装配式钢结构概述

传统的钢筋混凝土建筑施工模式在实践中逐渐表现出工序复杂、安全风险高以及环保效应差等缺点，预制装配式施工利用在工厂中事先制造好的混凝土结构和钢结构等作为主要的施工材料，將这些预制好的材料运输到施工现场并通过焊接或者螺栓紧固等方式来进行组装和固定，这种施工方法呈现出装配式的特点。预制装配式钢结构建筑物主要采用预制好的钢梁、钢柱等作为主要的框架承重材料。钢结构相对于传统的钢筋混凝土结构具有重量轻、抗震性能好以及结构跨度大等优点。在生产厂房、高层住宅以及办公楼等建筑物的施工中可以大量采用钢结构作为施工材料，工程效率以及施工过程中的环保效应在这种施工技术支撑下可以得到大幅度提高[1]。主要原因在于这种施工技术可以大量采用吊装机械设备对已经预制完成的各种大型梁体、墙体或者其他构筑物进行吊装就位，施工人员只需要在各种结构基本就位的情况下对其进行有效的固定或者连接即可。

（二）发展现状

装配式建筑的相关概念在20世纪70年代在我国出现并逐步发展至今，空心楼板、预制屋面梁以及预制屋面板等预制结构是国内最早使用的预制装配式结构，不过当时非常有限的施工技术并不能保障施工质量和效果。现浇混凝土施工技术从20世纪90年代起在国内的建筑施工中得到了广泛的应用并在很大程度上延缓了装配式施工的发展。但是在最近十年，现浇混凝土施工技术逐渐暴露出人工成本高、工序复杂、质量缺陷多等一系列问题，最大的制约在于传统的现浇混凝土施工技术需要消耗大量的人力资源且整体成本在不断上涨。装配式钢结构施工技术可以大幅度简化施工流程以及降低施工现场的人工作业量，在现阶段人工成本大幅上涨的情况下可以借助装配式钢结构施工技术来降低人工成本[2]。

二、钢结构建筑的结构体系及主要构件

建筑工程的剪力墙、主体框架结构以及内筒结构等都属于常见的钢结构施工应用范围，在高层、多层以及超高层建筑施工中都可以应用这些常见的钢结构施工体系。

（一）框架体系

1.钢结构框架。建筑施工中需要通过一定的框架结构为楼层间的面板以及墙板等提供良好的支承和固定体系，在钢结构建筑中一般需要通过垂直布置的柱体以及水平布置的梁体来搭建出特定结构的框架。钢梁和钢柱的受弯承载能力对其侧抗刚度的大小具有决定性的作用。通常情况下，当钢结构建筑物的高度达到一定程度之后，就需要增大梁体和柱体的截面积，这样可以提高框架结构的强度。然而这种情况必然会导致钢结构框架的重量、成本等出现大幅度上涨并制约其使用范围，因而这种框架式结构在高层及超高层建筑中的使用相对比较少见。

2.框架剪力墙结构。在钢结构建筑施工中需要在框架结构的基础上按照一定的方向和位置来布置剪力墙结构，建筑物侧向位移的控制以及侧向刚度的提升都与钢结构—剪力墙体系的设置具有密切的联系。这种剪力墙结构在防火及耐火性能方面也具有非常显著的优势，但是这种结构体系在强烈地震作用的影响下会产生非常显著的应力集中并对局部的墙体结构产生一定的破坏[3]。

3.钢结构框架支撑体系。为了强化框架结构中部分柱体的侧抗力还需要在柱体之间设置一些横向的支撑，其主要原因在于钢结构柱体在承受上层结构的压力作用时可能会产生侧向的形变并造成结构失稳，在侧向设置一些横向的支撑能够大幅度提升其承载能力并确保钢结构系统的稳定性。这种结构模式可以在确保钢结构强度的基础上减少钢材的使用量以及节约建造成本。

4.钢结构内筒体系。在建筑结构的中心部位通过钢框架—内筒结构的体系来形成封闭的核心筒结构，建筑物在水平方向上的载荷全部都由这些筒体来承担。在高层以及超高层建筑中设置这种内筒结构可以有效地提升建筑物对地震的承受能力，其应对不良地质条件的能力也会全面提升[4]。

（二）楼面板体系

1.现浇的混凝土楼板。钢结构建筑中通常会采用已经发展非常成熟的现浇混凝土结构来作为楼板施工的材料，这种施工技术操作相对比较简便且浇筑完成的楼板结构具有良好的强度，同时钢筋混凝土材料可以有效地控制住楼板施工的经济成本。这些混凝土材料凝固之后可以与钢梁之间形成良好的固结效果，并产生协同工作的效应。其缺点是当建筑物的跨度比较大时楼板的安全性就难以满足工程需要，在这种情况下需要通过预应力技术来提升楼板的承载力并确保建筑物的安全性。混凝土材料消耗大、楼板重量大、混凝土结构易开裂以及施工周期比较长也是这种楼板施工技术的主要缺陷，整体而言，施工单位比较习惯于采用这种楼板施工技术[5]。

2.混凝土—压型钢板组合楼板。这种施工技术需要先在钢梁上设置一些薄钢板作为衬底，而且这些钢板之间呈现出凹凸相间的结构造型，完成这一步之后再在这些薄钢板上浇筑适当厚度的混凝土材料并使其形成良好的整体性，钢梁上的栓钉可以在很大程度上强化这种楼板结构的整体性和强度。这种施工方式在浇筑混凝土的过程中不用事先设置模板系统并节省相关的成本。为了加快施工速度，还可以采用多层同时施工的方案。这种施工技术可以在很大程度上提升大跨度楼板的整体性和刚度，且具有较强的施工便利性。但是这种施工方法因为使用了压型钢板而增加施工材料的费用，提升了建筑防腐和建筑装饰的要求[6]。压型钢板—混凝土组合楼板的最大跨度通常不能超过4米且一般控制在2—3米的范围内。

3.钢筋桁架混凝土楼板。这种楼板施工技术的特点是在预制厂中将钢筋材料制备成钢筋桁架并将其与钢板焊接在一起，相对于传统的施工方案，这种施工技术可以大幅度减少施工现场绑扎钢筋的工作量并有效地提升作业效率[7]。这种楼板材料在施工时需要先通过吊车等设备放置在相应的位置上，然后在其他条件满足要求的情况下进行混凝土二次浇筑作业，最终实现与现浇混凝土施工同等的效果。

（三）墙板体系

1.轻型砌筑墙体。鉴于钢结构框架所具备的良好承重性能，此处所说的轻型砌筑墙体主要指的是建筑结构中不承担承重作用的轻质强体结构，此类墙体在建筑材料方面主要采用石膏切块、蒸汽加压混凝土块或者空心砖等砌体材料。传统的黏土砖在烧制的过程中需要消耗较多的化石燃料、产生较多的碳排放以及污染气体，而且有不少黏土砖是由一些生产工艺简单、安全条件较差的小型砖窑生产而成的，其环保效应和安全效应都比较差。新型的砌体材料在回收利用各种矿物生产废料的同时，还可以提升砌体结构在防火、防水以及保温等多个方面的性能。但是这些砌体材料在施工过程中不可避免地需要使用水泥砂浆作为粘接的材料并可能对钢材产生一定的腐蚀性。因此，在钢结构建筑物的建造过程中并不适宜大量采用这种容易对钢结构产生腐蚀作用的材料来开展施工[8]。

2.轻质板材墙体。利用混凝土材料制备而成的轻质板材或者在板材中加入保温隔热材料制备而成的夹芯板材也是常用的墙体板材。现阶段这种板材结构可以通过工厂的预制化生产进行大规模的制造并形成统一的质量标准，再运输到建筑施工现场并通过专业的起重机械设备来进行吊装就位以及安装固定。常用板材如下：一是轻质加压蒸汽混凝土板。这种板材是通过在蒸汽加压混凝土材料中加入一定数量的钢筋网片之后加工制备而成的，这种板材内部形成了很多密闭的气孔并有着非常显著的保温性能、隔热性能以及防噪声性能。这种新型墙板材料技术发展已经非常成熟且在住宅项目的建设中被列为推荐使用的施工材料。二是钢筋混凝土绝热材料复合板。这种板材在中间的夹层内设置了岩棉或者聚苯板而最外面的两层为薄壁钢筋混凝土。中间的夹层材料具有非常良好的隔热保温效果。这种施工板材在现场安装过程中主要采用装配式的施工方法且具有较高的安装效率。三是金属复合板材。这种墙体施工材料的两个面层常常使用不锈钢板或者镀锌钢板而内部的夹层使用聚苯板等保温材料，这种墙体施工材料的主要优点在于强度高、安装速度快以及拆装效率高等[9]。

三、经济性分析

在进行经济性分析的过程中需要通过一定的数据对比来确定施工方案是否具有良好的成本控制效果，此处根据某预制装配式钢结构工程的实际造价情况来分析这种施工方案的经济性。本文主要通过对比钢结构建筑和传统的现浇混凝土建筑之间的建造成本来分析前者的经济性。

（一）成本因素

工程项目成本的主要造成因素可划分为直接费用、利润、税金以及间接费用等。建筑工程项目的主要成本费用通常都集中在其直接费用上且这一费用的变化将决定其整体的营收效益[10]。在分析钢结构建筑和传统现浇混凝土建筑的成分造价时需要格外重视影响其直接费用的主要因素。这两种建筑模式在直接费用的构成方面主要存在以下几个方面的差异：一是预制钢结构建筑需要花费较大的费用来完成预制构件的生产、运输和安装;二是钢结构材料的防火费用和防腐费用较低;三是传统的现浇混凝土施工方案需要花费较多的模板费用和脚手架搭建费用，而装配式施工可以大幅减少这两方面的费用支出;四是这两种施工模式在保温费用、维护费用以及抹灰费用等方面也存在较多的差异性。

（二）成本对比

根据本次研究中所参照的某实际项目情况制作出两种施工方式的主体工程量对比，项目总建筑面积大约在3 800平方米且不同部分的工程量见表1。分析结果如下：传统的现浇混凝土施工方案需要开展大量的湿作业且混泥土浇筑时还需要搭建模板和脚手架。采用预制装配式钢结构施工方案之后可以大幅度降低混凝土的使用量并减少现场湿作业的工作量，模板和脚手架的搭建也因此而出现了大幅度的减少。从表1中的数据可知，混凝土材料的使用量减少了大约56%。而该项目预制钢结构建筑施工消耗的钢材量大约为传统现浇混凝土施工模式的1.466倍。

（三）工程造价对比

在工程造价对比方面主要根据本次研究项目所在省份（四川省）的建筑工程定额信息以及工程造价信息（成都市）来获取材料价格信息，进而计算出两种建造模式下的工程总造价，具体见下页表2。

采用现浇混凝土技术来完成以上工程作业内容时产生的工程量以及相关的造价如表3所示。

通过对表2和表3的内容进行对比可以分析出以下结论。

1.预制钢结构建筑物的单方造价达到了981.71元/平方米，而传统的现浇混凝土建筑单方造价为626.87元/平方米，也就是说前者每平方米的造价比后者高出了354.84元，造价高出了不少。

2.预制装配式钢结构建筑的梁体单方造价达到了257.66元/平方米，现浇混凝土建筑的梁体单方造价达到了125元/平方米，这两种建造方式的柱体单方造价分别达到了179.90元平方米/和103.11元/平方米。仅仅从这两种承重结构的造价来分析，预制装配式钢结构建筑物明显要高于现浇混凝土建筑的造价。

3.以上两种建造方式的墙体结构单方造价则分别达到了303.25元/平方米和191.09元/平方米，预制钢结构建筑中的墙体单方造价明显更高。

4.通过测算得出预制装配式钢结构建筑的人工费用成本占传统现浇混凝土建筑成本的62%，而且前者的施工总项目数量占后者的60%。也就是说，预制装配式建筑施工方法在人工费用以及施工程序上较之传统的现浇混凝土施工模式具有更加显著的优势，但总体上前者的造价更高。

结语

预制装配式钢结构建筑在施工过程中表现出程序更加简单、人工成本相对更低以及施工效率更高等优点，而且钢结构在组装过程中可以大量使用机械方式来进行装配，人工作业量、湿作业量以及高风险的作用量也都因此而大幅度减少。传统的现浇混凝土施工技术使用得非常成熟，但总体上存在工序比较复杂、质量控制难度较大以及人工作业量比较大等特点，而且施工工程中的安全风险和环境污染情况也比装配式施工更高。在选择施工方案时需要综合考虑质量、安全、造价控制以及环境保护等多方面的因素，此次对这两种施工方法的成本进行分析和对比，得出的结论是预制钢结构施工技术的整体成本相对于传统的现浇混凝土施工方案更高。

参考文献：

[1]  刘永霞.预制装配式钢结构建筑设计要点及经济性研究[J].中国新技术新产品，2016，（21）：167-168.

[2]  罗庆.刍议预制装配式钢结构建筑经济性[J].建筑工程技术与设计，2018，（2）.

[3]  吕广杰.预制装配式钢结构建筑经济性分析[J].名城绘，2019，（6）：1.

[4]  崔静涛.预制装配式钢结构建筑经济性浅析[J].城市建筑，2016，（21）：50-50.

[5]  楊珺.预制装配式钢结构建筑设计方法及经济性探析[J].建筑技术开发，2017，（7）.

[6]  秦国锋，包朋华.钢，木，混凝土结构装配建筑经济性比较分析[J].风景名胜，2019，（4）：149-150.

[7]  沈毅峰.钢结构装配式建筑施工状况及其经济性分析[J].居业，2018，（9）：73-75.

[8]  侯和涛，吕忠珑，周健.预制装配式钢框架结构体系的设计及经济性分析[J].钢结构，2014，（1）：20-24.

[9]  韩建.装配式钢结构建筑体系经济性分析[J].装饰装修天地，2019，（7）：46.

[10]  谭新城.预制装配式建筑的经济性分析及发展前景[J].建材与装饰，2018，（41）：175-176.

[责任编辑 文 远]