装配式钢结构建筑在中亚地区工程应用前景分析

黄润康 张 平 王汉文 徐周云 李兵兵

1. 中国石油天然气管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2. 中油国际管道有限公司, 北京 102200

0 前言

中国—中亚某天然气管道新项目(以下简称中亚新项目)是经中亚地区向中国输送天然气的一条新的能源通道,而在中亚地区建设油气长输管道站场却存在诸多限制因素,如基础条件差、工程进度慢、工程管控弱等[1]。装配式钢结构建筑具有轻质、耐震、工业化程度高、施工周期短、建造过程低污染等优势[2],具备解决中亚地区油气长输管道站场建筑建设问题的条件,有必要对装配式钢结构建筑在中亚地区的工程应用前景开展进一步分析。

1 中亚地区工程建设需求

中亚新项目建设难度世界罕见,管线压力高、输量大,线路地形地貌复杂多样,其中塔吉克斯坦段约60%管道穿越高烈度地震山区。沿线气候条件恶劣、社会依托薄弱、交通设施限制、建筑减排降碳要求高等因素加大了施工难度。

1.1 施工人员

中亚地区建筑多以砌体结构和木结构为主,偶有框架结构和土坯房,当地施工水平较低。而油气长输管道站场建筑的主要形式为框架结构,若采用现场浇筑方式,需雇佣大量当地施工人员,施工周期较长,工程质量和建设成本难以控制。因此,在中亚地区建筑施工应尽量减少施工人员需求,提高机械化效率,缩减整体施工周期[3]。

1.2 抗震性能

中亚新项目途经多个地质断裂带,多座油气长输管道站场坐落于抗震设防烈度为9度的地区,沿线地震动速度峰值最高达到0.6 g,在高地震烈度区域建设油气长输管道站场,对站内建筑的抗震性能有很高要求[4]。

1.3 碳减排

在全球碳减排背景下,建设方对海外管道工程的碳排放量也提出了更高要求。由于中亚地区暂无规范对建筑的碳减排提出要求,油气长输管道站场建筑需满足GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[5](以下简称GB 55015—2021)中的建筑节能减排标准要求。油气运输属于传统高能耗行业,长输管道工程建设过程中难免会产生大量碳排放,因此在油气长输管道站场建设时应采用更加绿色环保的施工方法和结构形式,有利于推动整体工程碳减排目标的实现[6]。

2 装配式钢结构建筑优势

装配式建筑按照建筑结构体系可分为预制混凝土结构、钢结构和木结构[7],与传统现场浇筑钢筋混凝土结构、预制混凝土结构、木结构相比,装配式钢结构在使用期满以后材质可重复利用,减少建筑垃圾,更契合低碳环保的理念。

2.1 抗震性能优异

钢材具有优秀的延展性和抗拉能力,因此装配式钢结构建筑的综合抗震性能比其他建筑综合抗震性能更强。研究表明,采用装配式钢结构的中高建筑自重约为钢筋混凝土结构建筑自重的2/3,建筑承受的地震作用相应减少,地面上单位面积的负荷也可减少25%以上。在强震区的大量工程实践表明,建筑减重50%,则可将抗震设防烈度降低1度考虑。

2.1.1 强度高且自重轻

在材料性能方面,钢材强度约为混凝土强度的8倍,而重量仅为其3.2倍,同等重量的钢材承载能力远高于混凝土承载能力。而从利用方式看,钢材的可塑性更好,钢构件截面设计可以实现深度优化,目前常见的钢构件形式有空腹式、格构式等,在进一步提高构件承载能力的同时减轻了建筑总重。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016版)[8]中5.2.1规定,结构的水平地震作用标准值应按式(1)确定:

F=α1G

(1)

2.1.2 弹塑性

材料的弹塑性主要以延伸率来衡量,钢材的延伸率通常>20%,而普通混凝土延伸率<0.05%,且钢材材质更为均匀可控,可以作为理想的弹塑性材料假定。对比钢材和混凝土的应力应变曲线可知,钢材的弹塑性大大优于混凝土弹塑性,在地震中装配式钢结构的变形能力可以削弱地震对结构的影响,从而弱化地震对建筑的危害。

2.1.3 耗能性能

材料的耗能性能可以通过施加循环荷载进行测试,其值约为所受动力和塑性形变的乘积,用以表示材料受力变形时的能量损耗。材料在循环加载过程中产生的应力—应变曲线称为滞回曲线,可用于模拟测试材料在地震作用下的恢复能力,是评价其抗震性能的重要参考。Q460D钢材循环加载滞回曲线见图2。

图2 Q460D钢材循环加载滞回曲线图

由图2可知,在多次加载后,钢材的变形能力越来越弱,刚度、强度也逐渐退化,但每次循环加载的耗能情况类似,且最终曲线仍然饱满,体现了钢材具备出色的弹性变形能力和耗能性能。以钢材为主材的装配式钢结构建筑在地震中即使出现形变仍能保证结构的整体安全性,较其它结构建筑的抗震性能更优秀。

2.2 施工周期短

装配式钢结构建筑的主体构件和外部围护结构均可在专业的装配式构件工场成批制造,只需运输到现场安装即可,没有了现浇钢筋混凝土结构的支模、浇筑、养护等流程,现场施工环节减少,建设进度显著加快[10-11]。

一般的住宅建筑若采用装配式钢结构建筑可缩短1/2～2/3的建造时间,而经过深化设计,水、电、暖、通等专业的大多数套管孔洞在构件工场即可预制完成,减少现场后续安装,进一步缩减施工周期。根据实际工程经验,1支10人施工队伍只需10 d即可完成2 000 m2的住宅施工,而建筑层数越多,施工周期缩减也更明显,40层的装配式钢结构住宅施工周期可缩短9～10个月。

油气长输管道站场建筑以低层为主,且建筑用途与民用建筑用途有所不同。为进一步验证站场装配式钢结构建筑的实际施工效果,以国内某长输管道工程的2座站场建筑为例进行对比。2座站场建筑分别采用了现浇钢筋混凝土框架结构和装配式钢框架结构,对2种结构建筑的施工工序及施工周期进行系统性比较,结果见表1。

表1 现浇钢筋混凝土结构与装配式钢结构施工工序及施工周期对比表

对比发现,2种结构建筑的施工流程与施工周期相差较大。装配式钢结构建筑主体施工以钢构件和楼板构件安装方式为主,无需现场浇筑,较现浇钢筋混凝土结构建筑施工减少多项流程,且采用预制墙板可提前布设各专业预埋管线,无需后期开槽布线,可节省大量施工周期和人力、机械资源,最终2种结构的建筑所用施工周期分别为143 d和78 d,装配式钢结构较现浇钢筋混凝土结构施工周期缩短了65 d,减少了约45.5%,极大提高了施工效率。

2.3 环保减排

装配式钢结构建筑中主体结构材料为钢材,围护结构多为蒸压轻质混凝土板(ALC条板)和保温装饰一体板,材料为水泥制品和保温装饰材料,没有使用烧结砖,减少了对土地的破坏。而且装配式钢结构建筑在施工过程中较少用到混凝土浇筑,多以构件安装为主,湿作业少,避免了建材运输过程中的粉尘污染及现场浇筑时的污水和噪音污染,减少了对周围环境的影响。另一方面,在装配式钢结构建筑到达使用年限拆除时,作为建筑主材的钢材可以实现高效回收利用,减少了建筑垃圾,有利于可持续发展[12]。

2.3.1 节省建材

装配式钢结构建筑主材为钢材,在减轻建筑自重的同时减少了混凝土材料的使用,节省了大量水泥和骨料,也避免了这些建材在生产、运输过程中的碳排放,符合国家的“双碳”战略。根据测算以及实际工程反馈,装配式钢结构建筑的钢材重新利用率可达到70%以上,实际使用过程中损耗较少,回收重铸的钢材也可作为后续建筑的建材使用。

2.3.2 节省水资源

水资源是工程建设的前提条件,传统建筑施工对水资源有巨大的依赖性,尤其是现浇钢筋混凝土结构施工,在浇筑阶段需要消耗大量水资源。这种施工方法不仅对水的利用率不高,存在大量浪费,还会产生建筑污水,影响周边环境。装配式钢结构建筑的现浇混凝土用量很少,在减少浇筑、冲洗用水的同时,也减少了施工人员的生活用水,工程用水量较传统现浇建筑工程用水量减少约1/4。

2.3.3 节省电力

电力资源对建筑施工来说同样必不可少,用电量往往与施工周期长短成正比。采用装配式钢结构建筑不仅减少了现场作业量和施工人员数量,还可缩减整体建设施工周期,综合节电量达到了20%。

3 工程应用前景

装配式钢结构建筑在社会依托差的油气长输管道站场进行应用优势显著,可极大缩短现场施工周期。但在中亚地区直接大面积进行装配式钢结构工程应用也将面临众多问题,如中亚地区建筑工业化发展程度相对较低,建筑产品链不完善,建材匮乏,主材机配套的部品、部件需要从国内采购,存在清关和汇率变化等风险;装配式钢结构建筑的抗震能力较为突出,但在高烈度地区应用,相应的配套图集和节点构造仍难以满足工程建设的要求,需采用减隔震措施;装配式钢结构建筑在海外项目的施工周期及节能减排效果能否达到预期目标也需要进一步验证。这些问题能否有效解决是装配式钢结构建筑是否能够在中亚地区顺利应用的关键。

3.1 建材供应

当前中国西北地区大力推动装配式钢结构建筑和建筑产业化的发展,各种装配式钢结构建筑超低能耗示范性建筑、绿色装配式钢结构住宅已建成使用,对西北地区特殊的气候环境和高抗震烈度区域特点适应性良好[13-14]。中国西北地区与中亚地区地理环境、气候条件较为相似,装配式钢结构建筑在西北地区的建设使用经验对中亚地区工程建设有较大的借鉴价值。且西北地区已建成6个国家级装配式建筑产业基地,相应生产企业和厂家可提供完备的装配式钢结构设计施工方案,同时与中亚地区有着丰富的贸易往来,运输通道畅通,可保证建材按时抵达建设场地[15]。

3.2 抗震设计

装配式钢结构建筑抗震设计由来已久,传统的思路通常是从提升建筑结构的刚度或延性实现抗震目的:即通过提升构件的截面尺寸来提高刚度,减小地震中的结构变形;通过优化节点设计增强结构的延性,使钢结构在地震荷载下发生循环非弹性变形和能保持稳定的塑性行为,通过适度变形来吸收、消耗地震作用。而另一种思路则是钢结构的减隔震设计,提高部分非承重构件的变形能力或在构件连接处设置消能装置消耗地震能量[16]。通过对减隔震联用结构隔震效果的具体分析,采用减隔震联用隔震技术后,可对钢结构建筑进行降低1度设防。且隔震结构在地震下的反应是传统结构的1/4～1/12[17],有效减轻了非结构构件因振动和翻倒造成的损害,极大提升了装配式钢结构建筑的抗震性能。

3.3 一体化建筑方案综合减排

目前中国油气长输管道站场建筑较为成熟的装配式钢结构一体化建筑总体方案为:结构体系(装配式钢结构框架)+外围护系统(ALC条板+保温装饰一体板)+轻质隔墙(非砌筑内隔墙+装配式内装修)+钢筋桁架楼承板+钢楼梯+管线分离+集成厨卫系统[18-20],在提升施工效率的同时大幅节省了现场资源,降低了建设施工期间的碳排放,节能减排效果优于GB 55015—2021对新建公共建筑的相关要求。在中亚地区采用装配式钢结构,大多数构件来自中国,增加了运输过程的碳排放,但综合采用节能减排技术措施后,可有效降低碳排放。

4 结论

中亚新项目天然气管道工程途经中亚多国,到达中国境内。管道站场分布地域广,地质复杂多样,穿越戈壁荒漠,高山沟壑。工程的社会依托差、环境敏感点多、湿作业建筑垃圾排放多、施工质量和施工周期控制难度大。而装配式钢结构建筑具有轻质耐震、建设施工周期短、施工污染小等综合优势,可以适应中亚地区油气长输管道站场建筑的建设需求,并有效提高建筑抗震性能、降低施工难度、加快施工进度、节能减排,装配式钢结构建筑在中亚地区或其它海外油气长输管道站场建设项目中具有广阔的应用前景。