工業(yè)化裝配式高層鋼結構新體系關鍵問題研究和展望

張愛林, 張艷霞

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044;2.北京市高層和大跨度預應力鋼結構工程技術研究中心， 北京 100124)

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工業(yè)化裝配式高層鋼結構新體系關鍵問題研究和展望

張愛林1,2, 張艷霞1

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044;2.北京市高層和大跨度預應力鋼結構工程技術研究中心， 北京 100124)

簡要分析了工業(yè)化裝配式鋼結構建筑發(fā)展面臨的重大機遇，指出我國建筑業(yè)粗放式的生產(chǎn)和建設模式必須向綠色化、工業(yè)化、信息化轉型升級，發(fā)展全壽命綠色建筑及工業(yè)化裝配式鋼結構體系是必由之路. 研發(fā)了工業(yè)化裝配式高層鋼結構多種新體系以及新節(jié)點和新構造，包括裝配式斜支撐高層鋼結構、桁架梁-方鋼管柱結構體系新體系、模塊化裝配式角鋼桁架梁柱體系、震后可恢復功能裝配式預應力鋼框架、裝配式摩擦耗能復位框架-支撐結構體系、蓋板裝配式鋼板剪力墻體系. 通過理論分析和實驗研究了工業(yè)化裝配式鋼結構整體穩(wěn)定、抗震性能、梁柱節(jié)點連接性能、裝配式鋼結構快速建造、全預制樓板體系和疊合式樓板體系性能、外掛式墻板配套連接構造性能等關鍵問題并取得成果. 對進一步推進工業(yè)化裝配式鋼結構建筑發(fā)展進行了展望.

工業(yè)化；新體系；裝配式鋼結構；關鍵問題；展望

1 工業(yè)化裝配式鋼結構發(fā)展重大機遇

作為世界第一產(chǎn)鋼大國，中國年產(chǎn)鋼10億t以上，占世界鋼產(chǎn)量的50%，產(chǎn)能嚴重過剩. 然而，我國鋼結構建筑仍沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，鋼結構建筑只占5%，而發(fā)達國家占到50%以上. 國家“十三五”規(guī)劃中強調(diào)：要研究并推廣在各類建筑中應用鋼結構新體系，擴大鋼結構的應用范圍；我國的鋼結構設計標準要與國際接軌、完善鋼結構設計規(guī)范和標準；為實現(xiàn)鋼結構建筑產(chǎn)業(yè)化提供成套技術，研制快速安裝、經(jīng)濟適用、安全可靠的鋼結構體系；爭取到2020年，我國鋼結構建筑占10%以上. 住房和城鄉(xiāng)建設部《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》明確提出，到2020年，裝配式建筑占新建建筑的比例30%以上，到2025年，裝配式建筑占新建建筑的比例50%以上. 2015年12月20日中央城市工作會議全面深刻地分析了我國建筑業(yè)存在的突出問題，明確提出了解決思路、關鍵環(huán)節(jié)和具體要求. 2016年9月14日李克強總理主持召開國務院常務會議，認為大力發(fā)展鋼結構、混凝土等裝配式建筑，具有發(fā)展節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)業(yè)、提高建筑安全水平、推動化解過剩產(chǎn)能等一舉多得之效. 發(fā)展建筑鋼結構符合時代背景，受到國家政策的鼓勵和支持，市場十分巨大，其發(fā)展前景十分廣闊[1-2].

2 工業(yè)化裝配式高層鋼結構關鍵問題研究

2.1 裝配式高層鋼結構體系創(chuàng)新研究

從2011年起，受遠大可建科技有限公司的委托并承擔了《湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關裝配式斜支撐鋼結構建筑技術研究與應用》項目，對裝配式斜支撐高層鋼結構體系(圖1)進行優(yōu)化設計研究，包括整體結構組成優(yōu)化、整體結構大震彈塑性分析、柱子承載力分析、主板承載力分析、框架承載力試驗、節(jié)點連接試驗與設計等一系列理論和試驗研究. 該體系是主板+立柱+斜撐模式，主板由工廠預制好的鋼筋混凝土壓型鋼板組合板、鋼桁架組成. 斜撐連接立柱和主板形成空間受力體系，保證鋼結構空間穩(wěn)定. 立柱承受豎向荷載并與斜支撐連接形成側向抗側力系統(tǒng). 針對我國工業(yè)化裝配式鋼結構標準規(guī)范空白的狀況，主編出版湖南省地方標準《裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結構技術規(guī)程》(標準編號：DBJ43/T311—2015，住房和城鄉(xiāng)建設部備案號：J13063—2015)，這是我國首部關于工業(yè)化裝配式鋼結構的標準規(guī)范.

同時研發(fā)了工業(yè)化裝配式高層鋼結構多種新體系以及新節(jié)點和新構造，包括桁架梁- 方鋼管柱結構體系新體系、模塊化裝配式角鋼桁架梁柱體系、震后可恢復功能裝配式預應力鋼框架、裝配式摩擦耗能復位框架- 支撐結構體系、蓋板裝配式鋼板剪力墻體系，獲得了50余項發(fā)明專利，并進行了系列試驗研究和樣板工程建設[3-6].

工業(yè)化裝配式柱貫通梁實腹式鋼結構框架體系由裝配式梁板和裝配式立柱采用螺栓裝配而成，如圖2所示. 柱與柱之間未采用法蘭板連接，且連接處設在理論反彎點的位置. 裝配式梁板包括型鋼梁和樓板，在工廠預制成為一體,在施工現(xiàn)場將裝配式梁板通過其梁端封板及梁上蓋板與裝配式立柱的梁柱節(jié)點相互拼接.

圖3所示為模塊化裝配式桁架梁- 方鋼管柱結構體系[7]. 該體系包括裝配式梁板模塊和裝配式法蘭柱模塊，裝配式梁板模塊包括配有角鋼腹桿的格構式桁架梁、柱座節(jié)點和樓板；裝配式法蘭柱模塊位于裝配式桁架板上的柱座節(jié)點上；通過構造上的改進使得模塊化拆分更加科學，所有板塊的拼接處均位于軸線處，更加利于設計和施工.

圖4～圖6提出3種震后可恢復功能裝配式鋼框架體系[8-10]. 并進行了節(jié)點、平面框架、空間框架、整體結構分析和性能化設計系列研究工作. 該體系通過預應力和阻尼器作用能夠實現(xiàn)結構震后復位和恢復功能.

2.2 裝配式鋼結構典型節(jié)點連接性能研究

為了研究新型工業(yè)化裝配式斜支撐鋼框架的桁架梁和斜支撐傳力路徑、受力性能、破壞機理[11-13]，設計了4個足尺的一層兩跨單榀框架靜力試驗(如圖7、圖8)，并與無斜撐鋼框架進行了對比(如圖9). 研究表明：裝配式帶斜撐鋼框架延性好，抵抗水平荷載的能力強，結構塑性變形均發(fā)生在桁架梁和斜支撐上，滿足規(guī)范強柱弱梁的規(guī)定；斜撐作為支撐構件，對抵抗水平荷載和變形起著至關重要的作用.

研發(fā)了多種新型裝配式鋼結構梁柱節(jié)點. 圖10為一種Z字形懸臂梁段拼接的梁柱節(jié)點. 設計了6組試件進行試驗研究，如圖11所示. 結果表明：該節(jié)點能有效利用拼接區(qū)摩擦面滑移、螺栓和孔壁擠壓以及板件屈服實現(xiàn)耗能；減少翼緣高強螺栓數(shù)目能有效提高節(jié)點延性性能和塑性轉動能力.

圖12為帶有桁架梁的梁柱節(jié)點[14]. 該節(jié)點采用類似于實腹梁的腹板拼接和上下蓋板螺栓連接，利于實現(xiàn)施工現(xiàn)場的無火、無塵、全螺栓拼接. 并且又對焊接、栓焊混合連接和全螺栓連接節(jié)點的受力性能進行了試驗和有限元對比分析[15]，如圖13.

課題組對模塊化裝配式角鋼桁架梁進行了靜力性能試驗研究如圖14，并進行了有限元分析，研究結果表明：各桁架梁試件破壞位置、變形發(fā)展情況一致. 而腹桿剛度強于弦桿，未發(fā)生屈服，強剪弱彎，受力合理.

圖15、圖16為震后可恢復功能裝配式鋼框架節(jié)點試驗、有限元和理論滯回曲線對比[8-10]，三者吻合較好.

圖17、圖18是提出的一種多蓋板裝配式鋼板剪力墻節(jié)點并進行試驗與有限元分析，研究表明設計合理的節(jié)點傳力性能良好.

2.3 裝配式鋼結構抗震性能研究現(xiàn)狀

裝配式鋼結構的抗震性能尤為重要，課題組對裝配式鋼結構進行了框架抗震性能試驗和整體結構彈塑性分析工作，如圖19～圖21所示.

2.4 裝配式鋼結構快速裝配研究

針對裝配式鋼結構建筑，研究柱- 柱節(jié)點、梁柱節(jié)點和樓板分塊快速吊裝方案，如圖23所示.

2.5 裝配式樓板和圍護結構

針對裝配式鋼結構建筑，提出裝配式鋼結構樓板體系[16]如圖24、圖25，分別為全預制樓板體系和疊合式樓板體系，并且對兩種樓板進行了試驗.

針對當前工程中外掛式墻板配套連接構造對裝配式建筑的適用性差，安裝存在現(xiàn)場焊接、濕作業(yè)、安裝過于繁瑣等問題，課題組提出一種整體裝配式ALC外墻[17-18]，使外墻裝配過程更加便捷，吊裝過程如圖26所示.

在以上研究基礎上，進行了兩個實際工程試點，如圖27、圖28所示.

3 工業(yè)化裝配式鋼結構建筑展望

3.1 遵循全壽命過程綠色建筑理念構建全產(chǎn)業(yè)鏈

工業(yè)化裝配式鋼結構體系符合全壽命綠色建筑理念，必須針對我國目前建筑領域全壽命過程的節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)保的共性關鍵問題，以提升建筑能效、品質和建設效率. 抓住新能源、新材料、信息化科技帶來的建筑行業(yè)新一輪技術變革機遇，通過基礎前沿、共性關鍵技術、集成示范和產(chǎn)業(yè)化全鏈條設計，加快研發(fā)綠色建筑及建筑工業(yè)領域的下一代核心技術和部品，使我國在建筑節(jié)能、環(huán)境品質提升、工程建設效率和質量安全等關鍵環(huán)節(jié)的技術體系和產(chǎn)品裝備達到國際先進水平，為我國綠色建筑及建筑工業(yè)化實現(xiàn)規(guī)?；?、高效益和可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐[19].

3.2 加快工業(yè)化建筑設計關鍵技術的研究

英國已經(jīng)建造出3D打印的工業(yè)化模式房屋，建造機器人技術、自動化技術和工業(yè)化技術正在全球建筑領域刮起風暴.

我國裝配式高層鋼結構建筑要想做到工業(yè)化生產(chǎn)，必須要有健全的產(chǎn)業(yè)鏈，從取材、設計、制造、運輸、安裝乃至使用過程中的物業(yè)服務等各個環(huán)節(jié)入手，針對每一環(huán)節(jié)的運轉機制提出相應的工業(yè)化生產(chǎn)、信息化管理技術和方法. 研發(fā)裝配式高層鋼結構創(chuàng)新體系及快速裝配式節(jié)點構造、圍護體系和部品配套、快速裝配施工建造技術等產(chǎn)業(yè)化體系. 研究裝配式、模塊化鋼結構體系設計技術和裝配式高性能結構體系及其連接節(jié)點工作機理及設計技術；研究工業(yè)化建筑圍護體系、構配件及部品的高效連接節(jié)點設計技術及主體結構與圍護結構、建筑設備、裝飾裝修一體化集成設計技術. 要大力推動建造方式創(chuàng)新，以推廣裝配式建筑為重點，通過標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用，并建成一批產(chǎn)業(yè)化的有影響力的示范工程，促進我國建筑產(chǎn)業(yè)轉型升級.

3.3 加快制定和完善裝配式建筑相關標準

發(fā)展裝配式鋼結構建筑必須有設計、制造、安裝施工和驗收評定等一系列標準、規(guī)范的編制與實施，讓專業(yè)技術人員有規(guī)可循. 目前我國現(xiàn)有標準規(guī)范已不適應工業(yè)化裝配式鋼結構建筑的快速發(fā)展，甚至出現(xiàn)空白，嚴重阻礙我國建筑業(yè)的轉型升級. 在規(guī)范標準編制和完善的過程中，管理部門、高校、科研單位和建筑企業(yè)要協(xié)同創(chuàng)新，完善現(xiàn)有標準規(guī)范，編制新的標準規(guī)范. “產(chǎn)、學、研”相結合，以高層裝配式鋼結構建筑為載體，開發(fā)新型節(jié)能墻體和環(huán)保低碳的建筑體系，促進建筑行業(yè)技術革新；對新體系、新技術的可靠性進行專業(yè)評估，確保鋼結構建筑或產(chǎn)品經(jīng)濟環(huán)保、技術先進、符合模數(shù)標準、利于推廣使用.

3.4 健全與裝配式鋼結構相適應的項目管理體制

目前，很多建設總承包企業(yè)不具備工廠專業(yè)化裝配式生產(chǎn)和安裝能力，而少數(shù)具備能力的企業(yè)卻又無承包資格，傳統(tǒng)建筑行業(yè)的項目建設管理體制相對于鋼結構建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展形勢卻很陳舊，亟需體制的自我升級，健全與裝配式建筑相適應的發(fā)包承包、施工許可、工程造價、竣工驗收等制度，實現(xiàn)工程設計、部品部件生產(chǎn)、施工及采購統(tǒng)一管理和深度融合. 加強對裝配式建筑企業(yè)的管理，強化全過程監(jiān)管，確保裝配式鋼結構建筑出精品工程.

3.5 培養(yǎng)新型技術人才及管理人才

培養(yǎng)技術人才和管理人才盡快到位同樣是推廣高層裝配式鋼結構建筑的關鍵一步. 目前，我國建筑企業(yè)還處在農(nóng)民工時代，建筑工人大多數(shù)沒有經(jīng)受過專門學習和專業(yè)訓練，除簡單施工勞動，難以承擔工業(yè)化、現(xiàn)代化的建筑施工作業(yè)，與建筑業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展要求差距巨大. 農(nóng)民工要市民化，要成為建筑產(chǎn)業(yè)工人，才能結束我國建筑業(yè)的農(nóng)民工時代. 我國建筑業(yè)只有走工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化道路才能實現(xiàn)現(xiàn)代化. 建筑施工現(xiàn)場若要實現(xiàn)像裝配飛機那樣把標準化、模塊化、裝配式的建筑構件或部品快速安裝施工，相關新型建筑產(chǎn)業(yè)技術人才和管理人才是不可缺少的.

工業(yè)化裝配式高層建筑產(chǎn)業(yè)化是發(fā)展我國全壽命綠色建筑、促進建筑產(chǎn)業(yè)化轉型升級，實現(xiàn)我國建筑業(yè)現(xiàn)代化的必由之路. 因此加強工業(yè)化建筑設計關鍵技術的研究迫在眉睫，加快制定和完善裝配式建筑相關標準勢在必行，新型技術人才及管理人才的培養(yǎng)不可或缺，健全與裝配式建筑相適應的項目建設管理體制至關重要. 今后要打破部門壁壘，多領域部門協(xié)同推進，形成工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化推廣環(huán)境，完成工業(yè)化裝配式鋼結構建筑的歷史性突破.

[1] 中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要[Z].2016

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要[Z].2016

[3] 張愛林. 工業(yè)化裝配式高層鋼結構體系創(chuàng)新、標準編制及產(chǎn)業(yè)化關鍵問題[J]. 工業(yè)建筑, 2014(8):1-6

[4] 張愛林. 工業(yè)化裝配式多高層鋼結構住宅產(chǎn)業(yè)化關鍵問題和發(fā)展趨勢[J]. 住宅產(chǎn)業(yè), 2016(1):10-14

[5] 張愛林. 工業(yè)化裝配式高層鋼結構體系創(chuàng)新研究[N]. 中國建設報,2015-01-19(8)

[6] 張愛林，趙越，劉學春,等. 一種工業(yè)化裝配式柱貫通梁實腹式鋼結構框架體系[P].中國專利：1310195604.1，2013-05-23

[7] 倪真，趙越，劉學春，張愛林. 模塊化裝配式鋼結構桁架梁承載力性能研究[J]. 工業(yè)建筑,2014，44(8)：14-18

[8] Zhang Ailin, Zhang Yanxia. Cyclic behavior of a prefabricated self-centering beam-column connection with a bolted web friction device[J]. Engineering Structures,2016,111:185-198

[9] 張愛林，張艷霞，趙微，費晨超. 可恢復功能的裝配式預應力鋼框架擬動力試驗研究[J].振動與沖擊,2016,35:207-215

[10] 張愛林，張艷霞，陳媛媛，王宗洋. 中間柱摩擦阻尼器的預應力鋼框架靜力推覆試驗研究[J].建筑結構學報，2016, 37(3):125-133

[11] 張愛林，惠怡，劉學春. 斜撐對裝配式鋼框架梁柱拼接節(jié)點抗震性能影響研[J]. 工業(yè)建筑，2014，44(8)：35-38

[12] 張愛林，馬靖，劉學春. 裝配式斜支撐鋼框架承載力性能試驗研究[J]. 工業(yè)建筑，2014，44(8)：10-14

[13] 劉學春，張愛林，黃歡，葉全喜，周湘江，譚永強. 模塊化裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架試驗研究[J]. 北京工業(yè)大學學報,2015(6):880-889

[14] 劉學春，徐阿新，張愛林等. 一種多裝配式高層鋼結構體系的梁柱節(jié)點連接裝置[P].中國專利：ZL201210574890.8，2015-05-27

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[16] 張愛林,趙越,劉學春. 裝配式鋼結構新型輕質疊合樓板設計研究[J].工業(yè)建筑,2014(8):46-49

[17] 胡婷婷.裝配式鋼結構建筑整體裝配外墻連接構造設計與試驗研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2014

[18] 馬林.整體裝配式外墻與主結構連接承載力與抗震性能研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2016

[19] 綠色建筑及建筑工業(yè)化2016年度項目申報指南[Z].2016

[20] Lin,Y.C.,Sause,R., and Ricles,J.M. Seismic Performance of Steel Self-Centering, Moment-Resisting Frame: Hybrid Simulations under Design Basis Earthquake[J]. Struct. Eng., 2013,139(11):1823-1832

[21] Lin,Y.C.,Sause,R., and Ricles,J.M.Seismic Performance of a Large-Scale Steel Self-Centering Moment-Resisting Frame: MCE Hybrid Simulations and Quasi-Static Pushover Tests[J]. Struct. Eng., 2013,139(7):1227-1236

[責任編輯：佟啟巾]

Study and Overview of Critical Problems for the New System of Industrialized Prefabricated Tall Steel Structure

Zhang Ailin1,2, Zhang Yanxia1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.Beijing Engineering Research Center of High-Rises and Large-Span Prestressed Steel Structure，Beijing 100124)

Magnificent opportunities for the development of the industrialized prefabricated steels structure have been analyzed in the thesis briefly. It has been pointed out that transformation and upgrades towards greenization, industrialization and informatization of the extensive production and construction modes of our country, and the development processes of the whole life-cycle green constructions and industrialized prefabricated steel structure systems are necessary. Various types of new industrialized prefabricated tall steel structure systems, new connections and new construction, including the prefabricated tall steel structure with sway braces, the new system by adopting truss beam-cube steel column structural systems, the modularized prefabricated angle steel truss beam-column system, the resilient prefabricated prestressed steel structure, the prefabricated self-centering frame-support structure with friction energy dissipating devices and the prefabricated cover plate steel shear wall system are researched and developed. The overall stability, seismic performance, connecting capacity of beam-column connection, rapid construction of prefabricated steel structure, the performance of the precast floor system and superposed floor system and the performance of the supporting connection construction of out-hung walls are studied through the theoretical analysis and experiments, and some achievements have been accomplished. The overview of the prompting the development of the industrialized prefabricated steel structure is carried out.

industrialization; new system; prefabricated steel structure; critical problems; overview

1004-6011(2016)03-0021-08

2016-09-08

國家自然科學基金項目(51278010)；國家重點研發(fā)計劃“綠色建筑及建筑工業(yè)化”重點專項(2016YFC0701500)

張愛林(1961—)，男，教授，博士生導師，博士，研究方向：現(xiàn)代預應力鋼結構和工業(yè)化裝配式鋼結構.

TU391

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