基于装配式建筑工程的钢结构施工技术要点分析

高乾 黄兴斌 党利荣 曹家玮 杨喆

0 引言

装配式建筑是将工程中使用的电梯、楼板，以及墙壁等材料，通过工厂车间进行批量生产的建筑构件，送到工程所在地完成安装工作的过程。此类建筑物具备绿色环保、结构安全、可压缩的工期长等优点。装配式建筑的雏形是在17 世纪向美洲移民时期所采用的木构架拼装房屋，1851 年世界上第一座大型装配式建筑是伦敦的铁骨架嵌玻璃的水晶宫，第二次世界大战之后，由于欧洲国家房屋紧缺，装配式建筑得到了前所未有的发展，到19 世纪60 年代，属于装配式建筑推广期，装配式建筑获得了突飞猛进的发展。2015 年以后我国密集出台装配式建筑相关规划：《工业化建筑评价标准》在2015 年年末的发布，标志着装配式建筑在我国的广泛推广，并取得了辉煌的成果；而《建筑产业现代化发展纲要》的出台，为装配式建筑提出了两个五年发展规划；《关于大力发展装配式建筑的指导意见》则要求建筑领域要因地制宜地发展装配式建筑。随后相继出台了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》《住房城乡建设部2016 年科学技术项目计划装配式建筑科技示范项目名单》《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》《关于促进建筑业持续健康发展的意见（国办发〔2017〕19 号）》《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》等，为我国装配式建筑的发展提供了指导意见。

1 钢结构的特点

钢结构是目前较为常见的一种建筑结构类型。钢结构是由钢制材料组成的结构，主要包含型钢和钢板等材料通过采用硅烷化、纯锰磷化、水洗烘干、镀锌等除锈防锈工艺制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件。钢结构多用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物，因此其具备自重轻且强度高，材质均匀、结构可靠，钢材韧性强、塑性好，机械化程度高，密封性能好，耐热、低碳、节能、绿色环保，可重复使用等优点。但由于钢结构的一些特性，使其同时具备不耐火、耐腐蚀性差的缺点。

钢结构的施工工艺，在型材的制造过程不需要投入过多的人力、物力，钢结构的拆卸也较为简易构件，可以运输到施工现场进行现场拼装，将会大大缩短施工工期。在建筑建设中应用钢材作为构建材料能够使建筑物的整体抗震性和抗弯性良好，使工程建筑不仅具有较高的载荷能力，同时还满足大部分造型设计的要求。钢材料的强度和韧性都较高，能承受不同程度的动力荷载，不会因载荷过大而突然断裂，因此，特别适合应用在跨度较大的构件组成。韧性强、塑性好，可以极大地提升建筑物的抗震性能，在地震来临的时候，地面左右晃动会对建筑物产生一定的能量冲击，这些能量恰好可以被钢结构所吸收，同时由于晃动使建筑物产生一定塑性变形的过程中，钢结构的延展性能够保证建筑物不会因为塑性变形过大而崩塌，保证了居民的生活安全。

但是钢材本身的耐腐蚀性、耐火性较差，因此在实施工程建设的过程中应该注意钢材料的防腐、防火保护，特别是施工现场长期处于露天环境下会导致钢材和空气发生氧化反应或者因雨季潮湿而产生腐蚀。

2 钢结构的设计要点

2.1 选材等级

钢结构建筑中钢材选择必须满足一定的建筑条件，比如：符合建筑所需的屈服强度、抗拉强度、冷弯、冷拉等，同时还应满足钢材的本身的化学成分，包含磷和硫等元素的含量等。在焊接类的结构选材过程中还应对碳含量进行选择，在防震建筑设计中的钢结构，还要满足其具有良好的冲击韧性，使装配式建筑工程的钢结构能够满足抗震设计的相关要求，为了满足钢材在焊接过程中对碳含量的要求，一般采用Q235b 及以上等级的碳素钢或低合金高强度钢。

2.2 节点设计

作为钢结构设计中的重点，节点设计在整个施工过程中处于重要地位，因此，在节点设计时，要深入考虑节点的形式，观察设计的节点和结构模型中的设定形式是否对应，在出现不对应的情况下，应当避免出现偏差范围较大现象。同时，由于不同的钢结构节点连接对钢结构具有不同的影响，比如：有些钢材的节点需要承受建设中的弯矩，在承受弯矩过程中将会出现较大的转动，这种转动脱离的设定情形，导致实际的建筑建设工程中钢结构构件的变形与设计计算中的数据结果不一致。因此，在设计钢结构节点时，应当充分考虑钢结构构件变形与设计数据不一致的现象，尽量避免因数据不自知造成的建筑问题。

3 装配式建筑工程钢结构施工技术应用

3.1 构件分段技术

现场施工塔吊式的起重力量，不得超过塔吊的最大起重极限;结构分段技术应当严格按照运输要求设置，当结构分段技术存在超长(大于12m)、超宽(大于2.8m)、超高(大于4.5m)时，综合以上三个原因，科学合理的结构分段技术将是装配式高层钢结构施工的关键手段。

3.2 吊装方案设计

施工吊装方法的设计对高层建筑结构施工技术的运用来说，有重要意义，要想全面提高建筑物的结构施工技术使用安全，就必须加强对建筑结构施工技术使用方法的吊挂与设计的分析。在建筑施工过程中，对塔式起重机选型和布置主要考虑：（1）塔式起重机的吊装范围能涵盖所有现场堆场；（2）塔吊的施工起重特性符合所有结构建筑施工吊装的分段重量规定；（3）塔吊施工时起重性能必须符合结构构件卸车地点和吊运地点的规定；（4）塔式起重机械布置数量必须符合吊装工期规定，一般情况下，根据塔式起重机构件可以吊装的区域和高度运行，对其应用中的吊装作业加以合理设计。

3.3 楼板体系

在高层建筑工程中所使用的楼板体系一般有两类，分别为钢筋桁架楼承板和预制的砼交叠楼板。首先，钢筋桁架楼承板在浇筑操作方面非常简便，且质地较轻、强度大。因此在进行钢筋桁架板加工的时候，就必须严格根据建筑施工现场的具体规格来进行加工，在完成制作以后，只需在建筑施工现场进行简易摊铺，并将实木板和钢梁的连接用栓钉焊接连接即可。铺筑实木板以后，需要对分布筋进行简易的绑扎就能够直接对混凝土结构进行施工，既没有进行满堂脚手架的搭设，也没有撑模，在浇筑的时候只需使用三脚架进行简易的支承就能够了，这样在一定程度减少了浇筑工期，同时也降低了人工成本。而预制混凝土叠合楼板在进行浇筑的过程中，也使用了BIM 技术进行模型模拟，并且所有预留预埋的工作都在厂房内部进行，只需要板材强度满足设计标准之后就可以在现场完成吊挂。

3.4 内墙体系

常用内墙系统主要有砌块墙体、轻钢龙骨隔墙、ALC 板等三种。通过调研分析上述三种内墙系统的优势，以及存在的主要问题。由于超高层建筑钢结构在水平负荷下的侧向变化很大，因此采用砌块墙体时容易产生开裂；轻钢龙骨隔墙舒适度低下，不能适应人类常规的家居体验；ALC 板式内墙砌块结构与传统砖墙相似，但稳定性较好，并且在预制阶段时，可通过BIM 技术，实现电气管线预埋。

3.5 绿色建筑技术

现代建筑行业的蓬勃发展，对于施工技术应用中的绿色施工技术运用已经日益完善，而这种绿色的施工技术运用已经成为现代建筑行业施工技术发展中的关键性施工技术手段。同时在建筑的设计流程中，也合理地转移了施工成本投入。

3.6 空间结构布局与高层建筑功能相配合

建筑工程项目通过使用装配式钢结构系统，有效提升了建筑材料使用质量，以达到对项目整体建筑功能的标准化要求，重点表现在如下三方面：（1）提高建筑外立面通透性，支撑、黏滞阻尼墙主要布设在公共交通区域的隔墙部位，以提高建筑物外立面视觉通透性。（2）灵活划分户型，在各户型的整个室内空间中，框架柱子数量最少，户型空间分割灵活。（3）缓解露、梁露柱问题。在结构设计中采用了将钢管或混凝土墙扁长化，以降低隔墙厚度，同时利用现代室内装饰技术，能有效缓解居室露梁、露柱问题。

3.7 钢柱定位设计

在进行装配式建筑工程钢结构施工的过程中，会应用到很多钢结构设计，而这一工作的前提就是对各类型的钢柱进行定位和分析，为后续的钢结构搭建提供具有实践意义的帮助，保证施工的准度和精度。在工作开展过程中，首先要做好钢结构原点的测试工作，确保整体结构的起点足够准确，可以有效地承担后续的结构任务，并开展多次、多角度测试，尽可能地保证整体钢柱位置符合建筑施工实际，在过程中应用最多的技术就是闭合方法。其次，还需要尽可能地应用锚固住支撑平台，这一平台的搭建和应用将进一步地确保钢结构自身的稳定性，在对钢柱进行定位设计时，则需要尽可能地保证整体柱体的建立。

4 重点问题

4.1 重型钢结构

重型钢结构建筑项目随着建筑技术的不断进步和发展如同雨后春笋般飞速发展。然而重型钢结构建筑的主要材料则为重型钢材料，一般采用螺栓连接或焊接工艺进行施工。如鸟巢主要应用钢结构建设的超装配式建筑，建设耗费的钢材料高达600 000t。装配式重型钢结构工程设计的标准要比钢筋混凝土结构建筑要高，将传统的钢筋混凝土结构和钢结构的建设工程相结合，并详细掌握两者之间的关系，不断发挥两种结构之间的优势，提高重型钢结构建筑项目的稳定性。

4.2 吊装技术

吊装技术是钢结构建筑施工中常见的施工手段，其科学性和可实施性决定着整个施工过程的进展，因此，吊装设备在准备阶段要根据施工现场情况制定合理的方案，在方案制定过程中，首先要进行对现场进行勘测，切勿纸上谈兵。其次要根据调查报告，通过汇总资料，有的放矢的进行吊装设计方案的规划，在制定方案时，则必须将实际施工中所遇到的各种突发情况。最后在施工过程中要以设计的方案作为基础方案，并根据现场具体情况进行调整，不仅要满足吊装施工的相关规定，还要具备突发事件的应急能力。同时，也要将吊装施工过程中的安全问题作为施工的首要问题，不断的发现问题，进而解决具体施工过程中出现的问题，摒除安全隐患，降低在作业过程中的危险系数，提高工程进度。

4.3 构件拼接

装配式建筑工程施工过程中钢结构构件连接方式主要有焊接工艺、螺栓链接等。焊接工艺是一种采用局部高温加热、融化、冷却的过程，使构件两端自然连成一体的工艺手段，在焊接的过程中，构件容易变形，因此为了避免或降低焊接应力变形，选择合适的焊接技术和焊接顺序尤为重要。在根据施工设计图纸进行作业时，要根据焊接材料、气体以及工艺手段的设备进行选择钢材的类型，从而保证施工的规范性、降低裂纹、固体夹杂等焊接问题的发生概率。当遇到焊接缺陷问题发生时，首先要找到发生焊接缺陷问题的原因，明确缺陷类型，根据不同的原因和缺陷类型，选择恰当的处理方式。比如当出现焊接瘤问题，则要思考引起焊接瘤出现的原因，通过技术手段确定焊接瘤产生是由那种问题引起的，根据引起问题的原因找出焊接缺陷的解决方案。

螺栓连接通常包括普通螺栓连接和高强度螺栓连接，普通螺栓连接通常采用半永久性的链接螺栓，因此，在施工过程中如果采用的是普通螺栓链接，则需要认真全面检查普通螺栓的质量，保证普通螺栓的部件完整性，避免因部件不完整造成的反工。另外还应当注意垫圈的使用，每个螺栓只能使用一个垫圈，更不能用大螺母代替垫圈，特别注意，在重要部位或动力载荷区域使用的弹簧垫圈的规格和材质的规范。在施工过程中采用高强度螺栓连接，首先要确定好链接方式（平接、搭接或者T 型链接等）。根据不同的工艺要求和材料，采用不同的链接方式，无论采用那种方式的链接，在施工过程中都要从中间开始，然后按照顺序通过对称的两侧进行紧固，其中，紧固标准也要遵守施工工艺的基本要求。

4.4 涂装工艺

涂装工艺是装配式建筑施工中钢结构表面的涂层作业，其主要作用是隔离、防腐、防氧化，提高钢结构的寿命，将钢结构与空气隔开，从而能够使钢结构的使用寿命满足建筑物的整体质量标准。涂装工艺的施工主要包含：防腐涂装、防火涂装。防腐涂装首先要选用耐腐蚀性的涂装材料，然后做到对钢结构的表面进行清洁处理，保证钢结构在防腐涂装的过程中的洁净。同时在防腐材料涂刷前，要注意防腐材料的粘度和均匀性，以保证防腐材料能够保持平稳、均匀地涂在钢结构的表面。

5 结语

随着我国建筑技术的不断更新，装配式建筑在施工过程中的影响越来越大。装配式建筑优良的性能和良好的外观形象被大范围的应用。但是由于我国装配式建筑发展相对较晚，虽然其各项性能处于优势，但在装配式建筑工程钢结构施工过程中依然存在一些问题。因此，需要不断地对装配式建筑的施工工艺进行深入研究，不断在实践中总结装配式建筑的结构特征，不断更新施工工艺并总结施工案例，不断提升装配式建筑工艺要求。