裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系及低能耗技術(shù)探索研究與應(yīng)用

郝際平 薛強(qiáng) 樊春雷

一、概述

1.裝配式建筑體系

裝配式建筑是指標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用，并且支持標(biāo)準(zhǔn)化部品部件的建筑。發(fā)展裝配式建筑是推動(dòng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的客觀要求，不僅可以節(jié)約資源、減少施工污染、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，而且可促進(jìn)建筑業(yè)與信息化工業(yè)化深度融合，培育新產(chǎn)業(yè)新動(dòng)能、化解過(guò)剩產(chǎn)能，推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

將高效裝配技術(shù)與低能耗技術(shù)結(jié)合進(jìn)行研究和應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)：

（1）從建筑物全生命周期角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)階段采用低能耗設(shè)計(jì)技術(shù)；

（2）采用高效裝配和同時(shí)節(jié)能的圍護(hù)體系；

（3）注重建筑物全過(guò)程的節(jié)能減排，建筑體系盡量減少使用高能耗、不易回收材料，采用低能耗、可回收循環(huán)使用材料；

（4）通過(guò)BIM技術(shù)與綠色建筑相結(jié)合，提升建造的能力，同時(shí)有效降低能耗，節(jié)省材料，降低工期；

（5）降低建筑系統(tǒng)使用能耗，加大太陽(yáng)能等清潔能源的利用。

裝配式建筑按建造結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可分為以下三種：

木結(jié)構(gòu)—在我國(guó)主要應(yīng)用于低層別墅及景區(qū)建筑，不適用于解決大量人口居住問(wèn)題。

PC結(jié)構(gòu)—裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件或部件通過(guò)鋼筋，連接件或施加預(yù)應(yīng)力加以連接并現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土而形成整體的結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)—強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸小、工業(yè)化程度高。材料綠色環(huán)保。

2. 目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑存在的常見(jiàn)問(wèn)題

目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑還存在許多眾所周知的問(wèn)題，比如當(dāng)前造價(jià)不低；結(jié)構(gòu)體系超出相關(guān)規(guī)范規(guī)定，需要專(zhuān)門(mén)超限審查；結(jié)構(gòu)體系未發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)大跨度、大空間優(yōu)勢(shì)，仍然采用混凝土結(jié)構(gòu)思路；體系生產(chǎn)線投資高，需要專(zhuān)用設(shè)備生產(chǎn)，不利于產(chǎn)業(yè)化；未采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和采用工業(yè)化思路等。

當(dāng)前形勢(shì)下，阻礙裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展主要存在的問(wèn)題有三點(diǎn)：一是僅研發(fā)結(jié)構(gòu)體系，圍護(hù)體系成熟度低，結(jié)構(gòu)與圍護(hù)體系不配套，三板問(wèn)題突出；二是構(gòu)件及部品標(biāo)準(zhǔn)化程度低，同時(shí)未能較好應(yīng)用BIM技術(shù)；三是未注重成熟產(chǎn)品的“集成創(chuàng)新”，采用過(guò)多未經(jīng)檢驗(yàn)的新產(chǎn)品，新工法。

3.西建大裝配式建筑體系

針對(duì)上述一些問(wèn)題，西安建筑科技大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)科研團(tuán)隊(duì)以產(chǎn)品思維和細(xì)節(jié)思維出發(fā)，研發(fā)了一套獨(dú)有的裝配式建筑體系：以建筑功能為核心，結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)；注重集成，集合成熟可靠的圍護(hù)體系和精裝修技術(shù)；關(guān)注構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、信息化；注重全產(chǎn)業(yè)鏈思維和綜合投資成本，企業(yè)投資小，安裝簡(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化；結(jié)構(gòu)少規(guī)格，多組合，同時(shí)具有較好的抗震、抗風(fēng)性能。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑首先是一個(gè)建筑有機(jī)體，因此，必須改變傳統(tǒng)的用鋼結(jié)構(gòu)直接替換混凝土結(jié)構(gòu)的做法，摒棄“重結(jié)構(gòu)、輕建筑、無(wú)內(nèi)裝”的錯(cuò)誤觀念，從系統(tǒng)工程學(xué)的層面去看待，用系統(tǒng)論的方法來(lái)指導(dǎo)研究，以建筑功能為核心、以結(jié)構(gòu)布置為基礎(chǔ)、以工業(yè)化圍護(hù)和內(nèi)裝部品為支撐，整體提升鋼結(jié)構(gòu)住宅的使用功能和居住品質(zhì)。需要綜合考慮建筑功能、結(jié)構(gòu)、圍護(hù)、內(nèi)裝、機(jī)電，實(shí)現(xiàn)戶(hù)型、外立面、結(jié)構(gòu)體系、圍護(hù)系統(tǒng)、管線系統(tǒng)、防火、內(nèi)裝等各方面的協(xié)同與集成，最終實(shí)現(xiàn)住宅的工業(yè)化修建，類(lèi)似“制造汽車(chē)一樣建造房子”，像“做儀表一樣精密的建造房子”。

二、建筑設(shè)計(jì)

1.全生命周期節(jié)能減排住宅

全生命周期住宅概念源于日本，其本質(zhì)在于通過(guò)空間的變化、功能的轉(zhuǎn)化，使住宅可以隨著家庭在不同階段的需求變更而“進(jìn)化”，契合不同生命階段的不同需求。我們建設(shè)全生命周期住宅的目的是提高住宅戶(hù)型適應(yīng)性，空間靈活性，提高建筑實(shí)際使用年限，節(jié)能減排，其方式是取消或減少室內(nèi)承重墻，采用輕質(zhì)隔墻，實(shí)現(xiàn)大跨度空間，為將來(lái)戶(hù)型的可變預(yù)留可能性和自由度，實(shí)現(xiàn)在不同家庭人口模式下，使用者可以根據(jù)居住人數(shù)來(lái)選擇居住房間的數(shù)量和大小，滿足不同人生階段家庭生活需要（圖2）。

全生命周期住宅意義重大，戶(hù)型設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)定制化設(shè)計(jì)，是一次對(duì)傳統(tǒng)住宅的劃時(shí)代革新，在“互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代”滿足年輕一代對(duì)住宅的實(shí)際需求，在全生命周期中為業(yè)主提供一個(gè)舒適的生活空間。西建大團(tuán)隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)化戶(hù)型和部品模塊上做了一些研發(fā)（圖3），通過(guò)模數(shù)化設(shè)計(jì)解決結(jié)構(gòu)和圍護(hù)系統(tǒng)工業(yè)化水平低的問(wèn)題。

2 .裝配式SI體系

在裝修方面，采用結(jié)構(gòu)與內(nèi)裝修分離的SI體系，同時(shí)解決了當(dāng)前一些裝配式建筑裝修敲擊有空鼓聲的問(wèn)題。

SI是支撐體Skeleton和填充體Infill的縮寫(xiě)，其核心是將住宅中不同壽命的主體結(jié)構(gòu)和內(nèi)裝及管線等填充體進(jìn)行分離。SI設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)與管線分離，如圖4所示，提高建筑物使用年限，打造百年住宅實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

鋼結(jié)構(gòu)與SI契合度非常高，鋼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大空間，利于SI的實(shí)現(xiàn)；鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝精度高，利于部品安裝；鋼梁腹板可以開(kāi)洞，利于管線的布置（圖5）。

SI完全符合全生命周期住宅要求，可以根據(jù)家庭構(gòu)成和居住者的生活方式的變化，改變房間的布局和內(nèi)部的裝修；居住體每10-30年就可以更新一次，自由地分隔空間，可變性強(qiáng)；主體結(jié)構(gòu)可維持50～100年；經(jīng)久耐用。

3 .風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

針對(duì)室內(nèi)不同區(qū)域風(fēng)流不同，對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，將戶(hù)內(nèi)分為四大區(qū)域，根據(jù)實(shí)際情況保證清風(fēng)流淌。

通過(guò)負(fù)壓窗設(shè)置，可以使得主臥及衛(wèi)生間利用氣壓原理讓風(fēng)流動(dòng)起來(lái)，還可以抬高門(mén)縫，讓其他區(qū)域通過(guò)抬高門(mén)縫與室內(nèi)其他房間空氣形成內(nèi)循環(huán)。

三、圍護(hù)體系

1.圍護(hù)體系

團(tuán)隊(duì)與圍護(hù)體系經(jīng)驗(yàn)豐富的廠家密切合作，將成熟圍護(hù)技術(shù)集成在體系里，采用以下幾項(xiàng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)：

（1）墻體技術(shù)：高效裝配、節(jié)能?chē)o(hù)體系，采用多層次構(gòu)造墻體，實(shí)現(xiàn)降低能耗目標(biāo)；

（2）冷熱橋處理技術(shù)：自主將研發(fā)的防火保溫一體化石膏基砂漿用于梁柱與板材的細(xì)部處理，該砂漿抗開(kāi)裂性好，做法有效的解決鋼結(jié)構(gòu)的墻板和冷橋問(wèn)題。

（3）節(jié)能門(mén)窗技術(shù)：門(mén)窗是能源損失最多的部品，采用節(jié)能門(mén)窗可以有效的節(jié)約能源。

2.節(jié)能外墻

節(jié)能外墻圍護(hù)體系采用了高效裝配、節(jié)能?chē)o(hù)體系技術(shù)，采用多層次構(gòu)造墻體，實(shí)現(xiàn)降低能耗目標(biāo)。如采用ALC雙層板體系+120（空氣層或巖棉）的復(fù)合結(jié)構(gòu)，復(fù)合保溫的方式具有良好的保溫性能，解決了冷橋效應(yīng)；防水性能好，中間留有空氣層，外層漏水不會(huì)影響室內(nèi)；施工速度快，濕作業(yè)量非常低，防火性能好。

3.裝配式內(nèi)墻系統(tǒng)

內(nèi)墻系統(tǒng)將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輕質(zhì)石膏基砂漿預(yù)制墻板干掛在輕鋼龍骨上形成復(fù)合墻體，可以將管線放在墻體內(nèi)，方便的實(shí)現(xiàn)管線分離，敲擊也沒(méi)有空鼓聲（圖9～10）。這種墻體具有裝配率高，構(gòu)造簡(jiǎn)單成熟，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)線投資低等特點(diǎn)。

4.冷熱橋處理—噴涂式包裹輕質(zhì)砂漿

熱橋是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱能力比較強(qiáng)，熱流比較密集，能量損失明顯高于附近區(qū)域的部位。熱橋部位是供暖和制冷期內(nèi)熱/冷損失最為突出的部位。熱橋會(huì)導(dǎo)致建筑物結(jié)露、發(fā)霉，提前破壞。

噴涂式包裹砂漿綠色環(huán)保，主要由灰漿混合料、聚苯乙烯顆粒和礦物基礎(chǔ)黏合劑等組成，該材料通過(guò)噴涂方式，快速初凝，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間養(yǎng)護(hù)，形成具有一定強(qiáng)度，并兼有良好保溫、隔聲以及耐火等性能的新型輕質(zhì)建筑材料。砂漿以電廠廢料石膏材料為主，水泥用量較少，是一種生產(chǎn)能耗較低的建筑材料。砂漿是可回收，循環(huán)使用的無(wú)污染的建筑材料。通過(guò)砂漿包裹，解決了圍護(hù)體系使用隔音、氣密性差等問(wèn)題，同時(shí)兼有保溫和防火效果。

噴涂式包裹輕質(zhì)砂漿凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可極大節(jié)約施工周期。這種技術(shù)簡(jiǎn)單有效的解決了隔聲、開(kāi)裂等問(wèn)題；具有良好的保溫、防火性能；能夠調(diào)節(jié)空氣干濕度，提高舒適度。

5.裝配式建筑配套高效節(jié)能門(mén)窗

據(jù)統(tǒng)計(jì)，不合格的門(mén)窗能耗占到建筑物總能耗的40%以上，裝配式建筑體系與門(mén)窗的配套節(jié)點(diǎn)和門(mén)窗是低能耗技術(shù)的關(guān)鍵。我國(guó)近年來(lái)也在不斷提高門(mén)窗的節(jié)能系數(shù)，門(mén)窗的節(jié)能性能得到了極大的發(fā)展，比如配合被動(dòng)房使用的門(mén)窗其K值可以達(dá)到0.8以下，通過(guò)斷橋技術(shù)、暖邊技術(shù)、多層真空或充填惰性氣體等方式可以極大提高門(mén)窗保溫性能（圖12）。

四、結(jié)構(gòu)體系

1.豎向構(gòu)件

鋼結(jié)構(gòu)體系具有生產(chǎn)能耗低，可回收，循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，是綠色建筑材料。為避免外露梁柱，同時(shí)考慮便于裝配和工業(yè)化生產(chǎn)，在西安建筑科技大學(xué)長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)上，以少規(guī)格、多組合思路，確定了幾種通用構(gòu)件，由通用構(gòu)件組成適用各種建筑功能的結(jié)構(gòu)體系。

除了鋼結(jié)構(gòu)裝配式通用構(gòu)件，發(fā)展了具有鋼結(jié)構(gòu)安裝特點(diǎn)的高強(qiáng)螺旋箍筋約束混凝土預(yù)制柱、型鋼混凝土預(yù)制柱。采用高強(qiáng)螺旋箍筋相比普通箍筋，可節(jié)約箍筋用鋼量一半，達(dá)到了節(jié)材的效果。

2.抗側(cè)力構(gòu)件

3.附屬構(gòu)件及樓板

4.高層住宅結(jié)構(gòu)體系

通過(guò)壁式鋼管混凝土柱與抗側(cè)力單元組成的高層住宅體系：壁式鋼管柱框架-支撐體系和壁式鋼管柱框架-組裝鋼板墻體系。

5.高層公建結(jié)構(gòu)體系

由鋼連梁連接壁柱形成密柱核心筒-外框架結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)螺旋箍筋約束混凝土預(yù)制柱與鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)體系，可廣泛應(yīng)用在公共建筑中。

五、智慧建造

1.BIM與綠色建筑結(jié)合技術(shù)

通過(guò)BIM技術(shù)與綠色建筑相結(jié)合，提升建造的能力，同時(shí)有效降低能耗，節(jié)省材料，降低工期。整合相關(guān)技術(shù)手段，最終形成設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的數(shù)字化信息技術(shù)服務(wù)體。

2. 軟件開(kāi)發(fā)

裝配式體系在繪圖、放樣、施工等與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)均有不同，配合建筑體系，開(kāi)發(fā)了繪圖工具、計(jì)算工具、放樣工具、協(xié)同平臺(tái)。校核和深化設(shè)計(jì)輔助軟件TSST，可以進(jìn)行壁式柱校核、鋼梁校核，還可以深化設(shè)計(jì)專(zhuān)用參數(shù)化節(jié)點(diǎn)。

3 .智慧建造一體化協(xié)同管理平臺(tái)

智慧建造一體化協(xié)同管理平臺(tái)是一個(gè)基于建筑全生命周期的協(xié)同工作平臺(tái)。由于裝配式建筑參與方較多，它把項(xiàng)目周期中各個(gè)參與方集成在一個(gè)統(tǒng)一的工作平臺(tái)上，改變了傳統(tǒng)的分散交流模式，實(shí)現(xiàn)了信息的集中存儲(chǔ)與訪問(wèn)，從而縮短項(xiàng)目的周期，增強(qiáng)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高各參與方協(xié)同工作的效率。做到四個(gè)協(xié)同：設(shè)計(jì)協(xié)同、深化協(xié)同、加工協(xié)同、施工協(xié)同。同時(shí)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期管理，同時(shí)通過(guò)BIM4D、 BIM5D、進(jìn)度填報(bào)及成本預(yù)算等實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)成本有效過(guò)程管控。

4.裝配式生產(chǎn)線

體系具有全套核心技術(shù)，從裝配式鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線設(shè)備規(guī)劃、選型→配套圍護(hù)產(chǎn)品生產(chǎn)線設(shè)備規(guī)劃、設(shè)計(jì)→加工、施工工藝標(biāo)準(zhǔn)→EPC-BIM協(xié)同管理平臺(tái)→后期產(chǎn)品完善和研發(fā)，到各種建筑體系的設(shè)計(jì)，可以提供完備的全套解決方案和技術(shù)服務(wù)。也可以提供裝配建筑產(chǎn)業(yè)園的規(guī)劃和策劃服務(wù)。

六、其他體系配套低能耗技術(shù)

1.高效照明技術(shù)

絕大多數(shù)建筑都不能滿足于自然采光照明，因此照明是建筑設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也要注意能耗問(wèn)題。應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，選擇不同的照明方式和控制方式。照明采用高效熒光燈，局部照明采用LED燈，采用照明箱內(nèi)集中分區(qū)智能控制；辦公室采用高效熒光燈，吸頂或吊裝，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)控制；走道采用節(jié)能筒燈或緊湊型節(jié)能熒光燈，吸頂安裝，采用智能照明控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)控制。

2.太陽(yáng)能利用

利用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)為建筑工公共區(qū)域提供照明，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑一體化，該系統(tǒng)僅供公共區(qū)域照明，無(wú)需逆變并網(wǎng)，有效降低造價(jià)。

利用壁掛式太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)供居民生活熱水，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑一體化，同時(shí)美化建筑立面，圖29為該技術(shù)在蘭州新區(qū)23號(hào)裝配式示范樓項(xiàng)目的使用。

3.光導(dǎo)照明技術(shù)

光導(dǎo)照明系統(tǒng)是通過(guò)室外的采光裝置捕獲室外的自然光，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，然后經(jīng)過(guò)光導(dǎo)裝置強(qiáng)化并高效傳輸后，由漫射器將自然光均勻?qū)胧覂?nèi)需要光線的任何地方。從黎明到黃昏，甚至是陰天或雨天，該照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線仍然十分充足。平均節(jié)約80%以上的白天照明；沒(méi)有對(duì)環(huán)境的污染，不同于電力照明，不存在安全隱患；一次性投入，回收期短，不用后期維護(hù)。

七、結(jié)語(yǔ)

改變建筑業(yè)傳統(tǒng)粗放型的生產(chǎn)方式、踐行可持續(xù)發(fā)展理念是我們的初始動(dòng)力；降低建筑業(yè)的高耗能、高污染、高浪費(fèi)，穩(wěn)定提高建筑質(zhì)量，建造綠色建筑是我們的追求的目標(biāo)；實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、信息化、智能化建造的BIM是最佳選擇工具；裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的合理路徑。

鋼結(jié)構(gòu)建筑靈巧于裝配，升華于綠色，止于至美。

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（作者單位：西安建筑科技大學(xué)）

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU393

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2018）10-0019-07