装配式钢结构高层住宅施工技术研究现状

段国庆，吕云杰，方 飞，陈凯杰，张浩远

（1.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100037；2.山东省建设监理咨询有限公司，山东 济南 250024）

0 引言

伴随着我国经济与科技的迅速发展，人们对建筑工程的需求也从传统的满足基本需要向追求工程质量高品质转变。随着“新型城镇化建设”的提出，我国城市建设和发展步入了新的阶段，城镇化水平和城市发展质量进一步提高，传统建筑施工工艺已难以满足我国现代化建筑行业转型发展，从而迫使建筑施工工艺向装配式化建筑转型升级。装配式钢结构建筑近些年来在建筑领域的应用，以其节能、环保、施工周期短、系统化、标准化的特点[1]，备受国内建设单位及建筑施工企业的青睐，目前装配式钢结构建筑已在我国建筑市场中占有一定比例。

1 研究进展

装配式钢结构因重量轻、强度高、布置灵活、空间大、得房率高、抗震性能好、施工周期短、工业化程度高、绿色环保等特点，拥有极大的发展优势，具有良好的应用前景，目前引起国内外学者广泛关注，其中对于装配式钢结构施工技术研究方面，主要集中在以下几个方面：

在施工工艺方面，祝振宇[2]依托装配式钢结构高层公共建筑施工实践，探究了与其适用的钢柱、钢梁、楼板、墙板施工技术，总结了相应施工重难点，并介绍了Tekla、BIM、3D 扫描技术等新技术在工程实践中的应用优势。胡备[3]结合装配式钢框架高层厂房工程实践，探究了钢构件、叠合板、墙板等关键节点施工工艺并探讨了塔吊固定对结构安全的影响。彭军[4]基于工程应用实践，在文中通过运用试验研究及有限元的分析方法，对混合框架—支撑体系钢结构住宅内墙板、外墙板的结构性能、安装工艺以及安装施工精度控制方法进行了探究。蔡小平、曹启光等[5-6]介绍了钢框架—钢板剪力墙形式高层住宅体系特点，并总结了相应施工部署、钢柱钢墙施工控制等建造要点及注意事项。李朝兵等[7]基于工程实践，介绍了高烈度地区钢框架—钢板墙核心筒超高层结构设计特点及配套施工流程、阻尼墙施工、钢板墙监测等技术。丁洁民等[8]进行了钢框架+钢支撑+黏滞阻尼墙结构体系与混凝土结构在超高层住宅中应用的选型对比，证明了装配式钢结构在超高层建造中的良好优势；李健、蓝华春[9-10]对六层钢框架装配式住宅体系特点及施工的控制因素进行分析，并通过数值模拟探究了装配方式、支撑形式对结构受力的影响。陈 芳等[11]结合钢框架—支撑高层住宅工程实践，阐述了其结构特点及在绿色节能环保等方面的良好表现。朱晓伟、施亮等[12-13]从一体化建造角度概括性地介绍了高层钢结构住宅设计的关键及施工工序、混凝土浇筑难点、外墙板安装等施工要点。晏金洲、陈耀刚、刘宏杰、陈 伟等[14-17]阐述了装配式高层钢结构住宅结构体系的特点，探究了钢结构高层住宅钢筋桁架楼承板及相应支撑体系施工技术，以及探讨了BIM 技术的应用。

在质量管控方面，郭彦林等[18]结合国内外大型复杂钢结构工程，基于全生命周期结构设计理念，提出了一体化协同时变分析系统，探究了施工方法、施工误差、施工环境温度、焊缝收缩等对施工过程及结构性能（质量）的影响。张海霞[19]结合层次分析法的研究，提出了关于装配式钢结构住宅的施工质量关键指标判定方法以及控制指标的划分。赵子豪[20]结合案例分析了装配式钢结构住宅质量影响因素，建立了相应装配式钢结构住宅质量缺陷案例库，并提出了基于案例推理的装配式钢结构住宅质量缺陷原因追溯方法。孙冠峰[21]基于全面质量管理理论，总结了装配式钢框架结构住宅在建设过程中常见的质量问题及产生原因，构建了相应项目质量管理体系。杨定国、廖立波、张学生等[22-24]通过高层钢框架—支撑装配式住宅建造实例，介绍了BIM 技术在预埋件精确定位、构件安装方面的良好应用，展现出BIM、智慧工地等信息化、精细化管理手段对质量提升的促进作用。闫爱环[25]以某单位钢框架结构建筑项目作为研究对象，对装配式钢结构建筑施工质量的影响因素进行了总结，案例中通过问卷调查等方式，识别出了其中的关键因素，并且基于 BIM 技术与精益生产工具相结合的方式设计出了关于装配式钢结构建筑施工质量的管控方案。吴戈[26]结合高层钢框架—组合钢板剪力墙结构及多层钢框架结构案例，归纳梳理了项目实施管理中的重点问题，并基于施工质量、进度、安全管控基本理论及BIM 新技术提出相应管控方法和措施。姚洪涛[27]从装配式钢结构质量管理及BIM 应用特点出发，确定了基于 BIM 的装配式钢结构工程质量管理途径，建立了更为科学、合理、符合实际工程特征的BIM 装配式钢结构工程质量管理评价模型。Caroline[28]基于项目实践，探究了BIM 技术在建筑工程全寿命周期中的全方位管理应用，研究结果表明BIM 技术是实现建筑业信息化跨越式发展的必然趋势。李元齐等[29]对装配式钢结构体系建筑全过程、全专业、全产业一体化建造技术进行了研究及探索，建立了基于BIM技术的一体化建造技术框架，开发了相应的一体化建造平台，并依托双层农旅房屋、钢框架＋组合剪力墙高层住宅验证了平台的合理性、有效性及优越性。

在经济性分析方面，李素芳[30]基于成本估算原理，结合灰色系统相关理论，进一步得出了装配式建筑成本估算方法；武彦波[31]从装配式建筑结构的角度出发，对装配式建筑全生命周期的增量成本和增量效益进行了深度剖析，建立起了测算经济合理装配率的计算模型。吴梦菂[32]站在建设单位的角度，探究了影响装配式建筑的经济效益的因素，并通过层次分析法进行了权重计算和分析，建立了相应投入产出经济效益分析体系。何玲[33]基于价值工程理论，进行了装配式钢结构住宅和现浇钢筋混凝土住宅经济性分析，并结合层次分析方法进行了相应综合效益评价，展现了装配式钢结构住宅的优越性。崔璐、邹晶等[34-35]结合装配式钢框架结构在工程中的应用，探讨了装配式钢结构体系的结构选型以及主要构造，并将其与传统的建造方法进行经济性比对分析，探究了影响预制装配式钢结构建筑体系造价的主要因素。姚越[36]结合山西省地方标准《装配式钢结构建筑技术规程》的编制背景，进行了框架—中心支撑结构体系、框架—钢板剪力墙结构体系、框架—阻尼器体系三种广泛应用的装配式钢结构体系稳定性和经济性的对比探究，并提出推广应用的意见。徐锐[37]将电梯井位置混凝土剪力墙替换为钢板组合剪力墙，形成新型装配式高层住宅结构体系，并对其抗震性能及经济性能进行分析，归纳出导致钢结构造价高的关键因素，并总结出多层钢结构住宅土建造价随层数增长变化趋势。胡铭珊[38]基于层次分析法，建立了装配式钢结构住宅项目施工阶段的隐性成本影响因素分析与评价方法，并且提出关键因素控制对策；相应的，隋岩鹏[39]应用成本控制理论和风险控制理论，总结了装配式钢结构公建楼施工阶段成本风险关键影响因素，并运用模糊层次分析方法进行评价筛选，进而结合BIM 技术提出相应风险控制优化措施。

在研究现状总结方面，郝际平等[40]介绍了装配式建筑体系与相应配套低能耗技术情况，指出了装配式钢结构建筑在绿色建筑建造方面的显著优势。周绪红等[41]围绕国内钢结构住宅特点、产业化特征及发展现状，总结了国内钢结构住宅产业化与国外的差距，梳理了制约我国钢结构住宅产业化发展的瓶颈问题，主要涉及成本效益认识不足、技术政策不完善、产业链协同度较低等问题，提出了相应发展对策。张爱林[42]分析了在我国发展工业化装配式钢结构的必要性及当前装配式钢结构发展存在的关键问题，并提出相应发展建议。黄丹等[43]、郝际平等[44]、高占阳等[45]梳理了国家大力推进装配式建筑及钢结构建筑的相关政策，并从装配式钢结构建筑体系、项目全生命周期的各个阶段及项目本身各个专业等方面介绍了装配式高层钢结构住宅的特点、现状及发展瓶颈，并提出相应解决建议，研究指出当前装配式钢结构建筑体系发展中存在建设成本较高、标准化工业化程度不足、配套体系研究不完善等问题，相应解决思路可从加强装配式多高层钢结构建筑体系系统性研究、搭建基于建筑全生命周期的一体化协同工作平台等方面出发。邢妍菁[46]综合分析国内外建筑行业发展趋势，指出我国钢结构发展上升趋势，并以上海市为例，指出当前进一步推广钢结构住宅主要存在的配套支撑能力不足、产业链不够完善、规范政策涵盖不全三大问题及相应对策。刘学春[47]通过对国内外装配式钢结构建筑研究与实践进行综述，总结了装配式钢结构节点连接及装配式钢结构整体结构受力与抗震性能方面的研究成果及方法，并对革新抗震设计理念、加强适配规范编制等方面提出相应建议。张晨辉[48]对2010 年至2019 年国内外装配式建筑领域发展的科学理论和专利实践进行研究，通过相关数据展示了全球装配式建筑领域专利布局现状，分析了专利趋势和发展特征以及高产相关专利机构，其中研究显示国内外装配式领域热点关键词主要涉及抗震性能、有限元、装配式结构、钢框架、可持续性、BIM 技术等，针对装配式建筑设计、施工以及运维管理阶段研究较少，首要研究集中在抗震性能，相关的优化方法多数停留在连接节点方面，充分结合 BIM 技术建立设计施工一体化管理平台，串联建筑全寿命周期中的各个环节，解决装配式建造发展痛点十分必要。

目前，国内相关规范编制方面，在《高层民用建筑钢结构技术规程》[49]中，针对10 层及10 层以上或高度大于28m 的住宅建筑以及高度大于24m 的其它高层民用建筑钢结构的设计、制作与安装做了主要说明。《装配式钢结构建筑技术标准》[50]、《装配式钢结构住宅建筑技术标准》[51]、《装配式钢结构建筑技术规程》[52]对装配式钢结构建筑的设计、集成设计、部品部件生产制作、施工工艺安装、质量验收、使用、维护与管理等方面进行了规定。在《钢结构施工安全防护》[53]一文中，主要筛选并提供了有关钢结构施工中相对比较成熟和典型的安全防护形式，适合应用在工业与民用建筑钢结构施工现场的安全防护和管理当中。

2 结论及展望

装配式钢结构建筑是未来建筑业发展的方向，自“十四五”规划以来，装配式建筑在新型工业化、信息化、绿色等趋势发展迅速。目前，国内对装配式钢结构建筑研究取得一系列成果，在国内政策的引导下，装配式钢结构建筑发展迎来了重要机遇期。装配式钢结构建筑与传统建筑相比，采用规模化的集约式生产，能够一定程度上节能降耗，并降低了建筑垃圾的产生；在施工过程中装配式钢结构建筑采取机械化工艺安装，也进一步降低了噪声、废气、废物、废水排放。近年来，随着“碳中和”与“碳达峰”发展目标以及相应的国家政策的提出，装配式钢结构建筑绿色环保的优势也在工程领域进一步凸显。

根据国内现状，装配式钢结构建筑领域尚未形成成套的理论体系，在推进装配式钢结构建筑发展的同时，需在建筑工程项目全寿命周期各阶段进一步深化研究并提出相应策略，以进一步完善装配式钢结构建筑体系。针对装配式钢结构高层住宅施工建造过程中存在问题，可从开展以下三个方面研究：

（1）针对装配式钢结构施工阶段建造成本偏高、经营风险防控难度大问题，基于成本控制、风险控制理论，进行施工阶段成本影响因素识别分析及评价，并针对关键影响因素探究相应对策及防控措施，为施工企业成本控制、经营防控提供基础参考。

（2）针对当下大量研究主要侧重装配式钢结构体系、设计等研究，相应施工方面研究较少，具丰富管理经验、品控能力及科研总结能力的建设承包商少，具装配式钢结构施工经验专业工人少，相应施工水平滞后于设计水平，相应施工、检测、验收规范不完善，相关上下游产业链条不规范不完备，制约行业健康发展问题，结合本工程工期紧、工艺新、构件多、体量大、不确定因素多、要求严、管控难度高等特点，开展基于BIM 的装配式钢结构高层住宅质量管控研究，依托BIM、Tekla、二维码等技术，搭建基于建筑全生命周期的协同工作平台，通过构件编码、碰撞检查、施工组织模拟、深化设计、虚拟预拼装、可视化交底、物料追踪等手段，凝练一套行之有效、简单可靠的信息化管理方法，增强管理效能，减少现场误差，充分发挥装配式钢结构建筑建设优势。

（3）针对装配式钢结构施工中易发生的钢管柱内混凝土浇筑不密实、构件易变形安装精度难以把控、内隔墙板体门窗洞口区开裂等行业痛点，运用三维激光扫描、数值模拟分析等手段，开展构件安装精度控制、变形防控等关键施工工艺研究。