浅析严寒地区装配式钢结构建筑技术体系

曲圣玉

1999 年，国务院办公厅转发了建设部等八部委《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量若干意见》文件之后，各高校、科研院所和企业纷纷开始对钢结构住宅技术体系进行研究。二十一世纪以来，随着国家大力推广装配式建筑产业政策的落地，以及推动智能建造与建筑工业化协同发展的倡导，装配式钢结构建筑又一次成为新型建筑工业化的主角，对其技术体系的研发也愈演愈烈。

目前国内装配式钢结构建筑代表性的技术体系大致有以下几大体系。

（1）童根树教授及其铁木辛柯团队研发的TongMSK 宽管柱隐式钢结构住宅体系[1]。

（2）娄宇大师和电子设计院研发的装配式复合支撑墙钢结构住宅体系。

（3）重庆大学周绪红教授与精工共同研发的绿筑集成—交错桁架成套系统。

（4）同济大学陈以一教授与精工共同研发的绿筑集成—PEC 钢混组合成套系统。

（5）天津大学陈志华教授和团队研发的异形柱结构体系。

（6）杭萧钢构的钢管束组合剪力墙体系。

（7）欧本钢构的捷约预制装配框架系统。

（8）龙元明筑的全装配多高层钢结构住宅体系（S—SYSTEM）。

（9）中国建筑标准设计研究院和吉林省中润钢结构科技有限公司共同研发的严寒地区装配式钢结构建筑体系。

以上体系大多还停留在主体结构工业化的初级阶段，更确切地说还是结构体系的装配式，更多的钢结构装配式建筑产业化基地也仅仅是在结构体系工业化生产方面向数字化智能制造又迈进了一步。如果以西安建筑科技大学郝际平教授装配式钢结构建筑系统论的思想来看，上述体系中具备系统思想，以建筑为对象全面考虑系统集成的体系也不是绝对没有，其中龙元明筑的S 体系和中润钢构的严寒地区钢结构建筑体系就是比较成熟的建筑工业化系统的典范。

1.装配式钢结构建筑技术体系的行业痛点

技术体系是指社会中各种技术之间相互作用、相互联系，按一定目的、一定结构方式组成的技术整体。通常所说的建筑技术体系更确切地说应该是建筑的工业化技术体系，是决定建造方式的基础，代表了建筑工业化的发展水平。国际上工业化建筑技术体系一般分为专用体系和通用体系，比如瑞典，目前是世界上工业化住宅最发达的国家之一，已经实现了以通用部件为基础的通用体系。

我国装配式钢结构建筑技术体系的研发还处于专用体系的各种尝试阶段，虽然今年以来住建部又推出了《钢结构住宅主要构件尺寸指南》《装配式住宅设计选型标准》两部规范，希望解决装配式建筑标准化户型、标准化通用构件两大基础标准化问题，但是受目前技术体系的限制，我国的钢结构装配式建筑离设计标准化尚有差距，更不用说实现部件的通用性、接口的标准化和可逆安装了。倡导了多年的“少规格、多组合”的新型产品思维还有待继续探索。

体系的问题、主体结构通用化和接口标准化的问题，都制约了我们的工业化生产向数字化、规模化发展的迈进，是装配式钢结构建筑行业面临的根本问题。除此之外，外围护系统、内装系统的集成技术也是制约行业发展的瓶颈，尤其外围护系统的产品成熟度较低，装配式钢结构建筑目前可选择的围护系统少之又少，极大限制了行业整体水平的提高。

目前，在装配化施工方面存在着一个尴尬的局面，就是现场柱子的拼接节点和梁柱的刚接节点仍然存在大量的焊接作业，使钢结构装配式建筑与PC 结构相比，最突出的快速施工特点成了一句空话。全螺栓连接节点或者单边螺栓连接技术应该是解决这一难题的关键技术，是实现建筑产品化集成供应模式的课题之一。

在钢结构部件生产的信息化管理和智能制造方面，目前还是起步阶段，按住建部《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》提出的“大力发展装配式建筑、推动建立以标准部品为基础的专业化、规模化、信息化生产体系”的要求，还要有很长的路要走。推广应用钢结构构件智能制造生产线，实现MES系统和ERP系统的深度融合，这是建筑工业化初期的主要课题。

另外，《装配式建筑评价标准》中关于装配率的计算规则也制约了装配式建筑的发展，尤其是对围护系统分值的强制要求，大幅提高了装配式钢结构建筑的整体成本，使推广陷入了困境。

2.严寒地区装配式钢结构建筑体系的突出特点

严寒地区装配式钢结构建筑技术体系是针对严寒地区的气候特点，在2014年新疆装配式钢结构住宅设计施工实践经验的基础上，总结梳理形成的一套钢结构建筑工业化体系和一体化集成技术。该体系以钢框架—支撑结构体系为核心，通过一体化集成设计和系统集成技术，创造了一套充分体现技术融合产品思维的开放式体系。该体系具有以下几大特点：

（1）该体系实现了构件的通用化和接口的标准化，进而实现了设计的标准化。以长春润德华城示范项目的两栋18 层钢结构住宅为例，主体结构所采用的型钢方管柱截面尺寸只有三种：350mm、400mm、450mm，窄翼缘H 型钢梁组合构件截面的高度也不超过两种，且通用构件的规格均适用住建部发布的《钢结构住宅主要构件尺寸指南》的标准规格尺寸，梁柱刚接节点的设计也满足《装配式住宅建筑设计标准》定型化和通用化的要求。

（2）该体系建立了以标准部件为基础的工业化生产体系的基础，可实现数字化、智能化升级，可采用智能制造生产线进行信息化、专业化、规模化生产加工。

（3）该体系采用了一体化集成设计技术，突出了新型建筑工业化系统集成的特点。引进了中国建筑标准院百年住宅集成设计的方法，通过与BIM 技术相结合，实现了不同专业、四大系统部品部件、全生命周期各阶段的协同，同时也创新了一套一体化成套建造技术，充分体现了新型建筑工业化系统集成、技术融合的特色。

（4）该体系是一个具有自我发展、自我完善功能的，兼容、开放的体系。打破了行业内钢结构装配式建筑技术体系的专用属性和闭锁体系的限制，以成熟的钢框架—支撑体系为主体，更具可复制、可推广的意义。适用工业化生产体系的主体结构与其他系统的建筑部品部件具有更高的匹配度，且能随着外围护系统、内装部品等的发展而自我改进、自我适应。

（5）该体系更适合严寒地区的气候条件。针对严寒地区的气候特点，该体系从设计和建造两个维度提出了多项专项措施，改进了外围护系统的保温技术，对冷桥等薄弱部位采取了加强保温措施。

3.严寒地区装配式钢结构建筑技术体系的系统集成

3.1 结构系统

主体结构采用框架—支撑体系，柱为钢管混凝土柱、梁为窄翼缘焊接H 型钢梁、支撑为H 型钢或方钢管支撑，梁柱节点采用隔板贯通式连接（见图1）。

图1 梁柱贯通式隔板做法（选自中润钢构企业图集）

通过标准化设计方法，基本实现了主体结构通用性构件规格的标准化，方管可以采用型材，H 型钢也可以和钢厂协议以标准型材供应，使工厂的生产流程从传统的粗加工向二次数控加工转化，更方便数字化、规模化流水生产，更符合建筑工业化的发展要求。

节点的贯通式隔板设计不仅具备了装配式建筑接口标准化的特征，且在工业化生产中更适合焊接机器人作业，为智能制造提供了充分条件。

3.2 外围护系统

装配式建筑的外围护系统始终是个解决不好的难题，目前的解决方案也不外乎两种：一体化产品方案和分离式装配方案。

装配式钢结构建筑更适合幕墙系统，或者类似幕墙系统的产品方案。所以单元体幕墙和整体式一体化墙板是研发方向。目前，行业内的通常做法依然是ALC 条板和保温装饰一体板的分离式装配方案。随着各地相继开始限制使用岩棉薄抹灰外墙外保温系统和保温装饰一体化系统，结构保温装饰一体化产品的研发已经迫在眉睫[2]。

外围护系统的产品方案直接决定了严寒地区装配式钢结构建筑的保温节能效果。针对这一需求，该体系专门研发了一款实体芯墙龙骨桁架的整体式复合围护系统，该系统针对主体结构钢柱外凸的特点，设计了系列标准单元墙板、柱单元封板等部品和拼缝连接标准配件产品，使墙板单元和主体结构实现了弹性连接，可适应层间位移和结构变形，同时拼缝的防水保温材料都是标准产品，更换简单，解决了幕墙拼缝密封胶的耐候性和维修难题。

3.3 其他系统集成技术介绍

图2 实体芯墙龙骨桁架整体式复合围护系统拼装节点

图3 实体芯墙龙骨桁架整体式复合围护系统标准单元墙板部品示意图

该体系作为开放式系统，本身就具有自我完善的能力，基于通用的集成设计规则和接口规则，能完全适应其中四大系统各自的更新换代及其升级产品的集成。

除了上述的结构系统和外围护系统，该体系的内隔墙可以适用各类条板隔墙和龙骨隔墙，包括各种装配式内装部品；楼板体系可以采用可拆底模的钢筋桁架楼承板、桁架钢筋混凝土叠合楼板或PK 板等工业化部品[3]。

4.严寒地区装配式钢结构建筑技术体系的应用介绍

严寒地区装配式钢结构建筑技术体系于2019 年6 月26 日通过了住建部产业化促进中心在长春市组织的国内专家论证，认为可满足严寒地区气候条件下的使用要求，可通过试点示范项目加以推广。期间，以中润钢构综合楼作为试点项目，取得了成功的应用经验，2021年又以长春市润德华城项目13＃、15＃楼作为示范项目，采用EPC 总承包的模式进行了装配式钢结构建筑推广应用的初步探索（见图4）。

图4 润德华城项目13＃楼示范项目施工场景

5.严寒地区装配式钢结构建筑技术体系的保温措施

以中润钢构的综合楼试点项目为例，根据长春气候特点经计算后，外墙采用200 厚ALC 条板和100 厚岩棉保温装饰一体板，传热系数k ≤0.4 W/（m2·k）。按照室外温度-30℃，室内温度18℃，相对湿度60%计算，梁和柱位置热桥内表面温度为14.8℃，高于接露点温度12℃。

外墙构造做法和热桥位置计算过程见图5。

图5 热桥位置最低温度计算和外墙构造做法

综合楼建成投入使用后，委托进行了建筑节能工程检测，检测结果显示，围护系统的传热系数在0.35～0.37之间。外围护系统热工缺陷检测显示，热桥部位在室外-30℃时内表面的最低温度为14.9℃，接近设计计算结果。

图6 围护系统缺陷检测报告提供的热桥位置红外热像图

6.严寒地区装配式钢结构建筑技术体系的防腐防火措施

钢结构作为主体受力结构，令人担忧的还是防腐和防火问题，在公共建筑和住宅建筑中尤为明显，且不可回避。

讨论这个问题之前，先引入一个概念：防腐、防火和装饰一体化设计方法。采用该方法进行防火计算后，防火层厚度与构件的实际受力有关，比单纯的构件试验得到的厚度更有针对性、更经济合理。以中润综合楼项目为例，防火设计考虑了装饰设计钢结构外包硅酸钙板有防火作用，并进行了等效厚度转换，防火板的等效厚度一定程度上减小了防火涂料涂层的厚度，使防火措施更接近实际效果[4]（如图7 所示）。

图7 钢柱钢梁防火与装饰做法（选自中润钢构企业图集）

而密封在防火装饰板内装系统里的钢构件，按照环境介质腐蚀等级的划分，最多是C1、C2 级，在这种轻微腐蚀环境中的钢构件，外有有效期30 年以上防火涂料的保护，内有满足使用寿命25 年以上的涂装体系的防护，如果没有火灾、地震等自然灾害发生，钢构件表面基本不能受到外界的侵蚀。且处于C1 级环境中的钢构件，在完全裸露毫无防护的情况下，腐蚀速率按百年计算，也不过是2mm 的厚度损失，完全可以在设计时增加腐蚀裕量加以保证。其实，钢结构防腐更多的还是认知问题，伴随重防腐涂装体系的发展和耐候钢的普及，这一问题将不再困扰行业的发展。

7.结语

从严寒地区装配式钢结构建筑技术体系的研发和应用可以看出，在实现新型建筑工业化的道路上，最缺少的是把建筑当作有机整体的系统协同观念、缺少一体化产品方案的建筑围护系统的技术研发、缺少整体协调的成套建造技术、缺少可实现智能制造的标准化构件体系和通用接口，缺少信息化、专业化、规模化的工业生产体系的落地，缺少涵盖全产业链融合一体的智能建造产业体系的形成。因此要坚持装配式钢结构建筑集成产品供应模式下的产品思维和系统思想，坚持系统集成技术和部品部件的创新研发，坚持一体化集成设计方法和工业化智能制造的转型升级，在设计标准化和构件标准化、通用化实现较困难的当下阶段，探索工业化定制模式下钢结构装配式建筑的发展，从定制化设计入手解决工业化生产的规模化问题，为钢结构装配式的发展开辟出一条可行的中间道路。