廈門軟件園三期D09號樓鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用分析

潘惠芳

(廈門信息集團(tuán)建設(shè)開發(fā)有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

綠色環(huán)保再利用材料是建筑界永恒的主題，鋼材是一種理想的綠色環(huán)保建筑材料，具有非常高的再循環(huán)使用價值。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，自重輕，抗變形能力強(qiáng)，能很好地承受動力荷載，符合工程受力要求，具備優(yōu)良的抗震抗強(qiáng)風(fēng)性；同時，良好的機(jī)械加工性能，便于運(yùn)輸和安裝，適用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物結(jié)構(gòu)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場可采用螺栓連接或焊接，控制施工質(zhì)量，便于全裝配和拆卸，大大降低勞動強(qiáng)度，縮短施工工期，適合建造過程全裝配式建筑[1-3]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化標(biāo)準(zhǔn)施工、一體化整體裝修、信息化全過程管理等特征，尤其是將 BIM 技術(shù)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系有機(jī)地融合在一起，能快速實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。它是全壽命周期內(nèi)的綠色建筑，目前在歐洲、美國、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家是主要建筑結(jié)構(gòu)體系之一，也是我國貫徹落實(shí)新時代綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的首選類型，國家重點(diǎn)發(fā)展建造方式之一[4-8]。

為了促使裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在全社會推廣開來，2016年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，提出發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑，加大政策支持力度，力爭用約10年時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%。2017年3月，住建部發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動方案》明確指出，到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)15%以上，其中重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)達(dá)到20%以上[9]。自此，各省市先后開始落實(shí)推廣實(shí)施裝配式建筑構(gòu)造方案。基于此，本文以廈門軟件園三期D09號樓鋼結(jié)構(gòu)建筑為工程案例，分析、對比裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造與傳統(tǒng)鋼筯混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并提出廈門地區(qū)未來發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)的若干建議，供廈門地區(qū)乃至全國其他地區(qū)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)提供技術(shù)借鑒。

1 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目概況

根據(jù)國家政策，結(jié)合廈門市關(guān)于加快推進(jìn)軟件園三期建設(shè)的要求，2017年3月，廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)樓建設(shè)項(xiàng)目啟動。該項(xiàng)目占地面積22 299m2，建筑面積90 385m2，其中，地下室建筑面積30 250m2；地上13層，建筑面積60 135m2。基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，地下室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、主樓采用裝配式鋼構(gòu)，如圖1～圖2所示。項(xiàng)目總投資約39 779萬元。該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)主要施工案，采用裝配式鋼構(gòu)件工廠化、模塊化制作，鋼構(gòu)件的運(yùn)輸、堆放及安裝順序和位置的標(biāo)注，鋼構(gòu)件吊裝及現(xiàn)場安裝連接，安全質(zhì)量保障措施等BIM信息化設(shè)計(jì)和施工。

圖1 D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工

圖2 D09號樓竣工后

2 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造優(yōu)點(diǎn)

2.1 建筑重量對基礎(chǔ)的影響分析

D09號樓的地下室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主樓采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯高于混凝土強(qiáng)度，大大減少了框架柱和梁的截面，使混凝土用量大為減少，最主要是減少了結(jié)構(gòu)主體重量。表1對比了D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑重量，對比結(jié)果表明，該項(xiàng)目主體重量(柱、梁和板)降低約32.14%，大大減輕了主體重量荷載對地基的壓力，減少了基礎(chǔ)和樁基設(shè)計(jì)，同時也減少了工程量，節(jié)省了建設(shè)成本。

2.2 建筑的空間使用率影響分析

鋼筋混凝土建筑，在空間稍大的室內(nèi)就會出現(xiàn)斷面很大的混凝土結(jié)構(gòu)柱，嚴(yán)重影響室內(nèi)美觀和使用面積；鋼結(jié)構(gòu)建筑通過減少柱的截面面積和使用輕質(zhì)墻板，更易獲得大空間，提高室內(nèi)空間的使用率[10]。

D09號樓的鋼結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主構(gòu)件截面面積更小(柱截面小了1/6)，在同等情況下可增加使用面積36.87m2，擴(kuò)大了4.0%，不僅可以抵消一部分應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)體系而增加的主體費(fèi)用，同時也讓業(yè)主得到更多的有效使用面積，提高建筑空間使用率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 D09號樓(3#)裝配式鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑面積對比表

2.3 綠色環(huán)保影響分析

鋼筋混凝土建筑，主要采用現(xiàn)場手工作業(yè)，存在能耗高、污染嚴(yán)重等問題。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告，近幾年我國每年建筑垃圾排放總量約為14億t～24億t，占城市垃圾的比例約為40%；而鋼結(jié)構(gòu)施工基本是干作業(yè)，減少廢棄物對環(huán)境造成的污染，節(jié)約用水、噪音小、粉塵少，較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)垃圾排放量減少60%。

據(jù)分析，該項(xiàng)目D09號樓全壽命周期可以減少近萬立方米建筑垃圾，大大減少木模板使用(木材的砍伐)，而且，鋼結(jié)構(gòu)建筑主體鋼材回收率在90%以上，改建拆遷容易，施工過程無需水泥等傳統(tǒng)建材，減輕了對環(huán)境的破壞，真正做到綠色無污染[11]，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2.4 工程質(zhì)量控制分析

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工中質(zhì)量控制點(diǎn)多，如外腳手架工程、模板工程、鋼筋工程、混凝土質(zhì)量控制、澆搗控制、養(yǎng)護(hù)控制等，難以避免存在一些質(zhì)量缺陷和安全隱患；而鋼結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件簡單，可以在工廠進(jìn)行批量生產(chǎn)，現(xiàn)代化設(shè)備生產(chǎn)，產(chǎn)品精度高；運(yùn)輸?shù)焦さ睾蟛捎醚b配式組裝，施工中隱蔽工程少，更易于管控質(zhì)量，也能更好地保護(hù)工人人身安全。

D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工，主要以螺栓的預(yù)埋、焊接工程、高強(qiáng)度螺栓連接工程、鋼結(jié)構(gòu)防火工程涂層，其質(zhì)量均易于現(xiàn)場實(shí)施控制，竣工后D09號樓質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級。

2.5 建設(shè)周期影響分析

D09號樓主體結(jié)構(gòu)建設(shè)周期：裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，主體總荷載比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程總荷載降低約32.14%，鋼結(jié)構(gòu)工程地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程量減少。根據(jù)《TY01-89-2016建筑安裝工程工期定額》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，節(jié)約定額工期30d。

地下室底板施工完畢后，地下室和主樓結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行平行施工，主樓標(biāo)準(zhǔn)層單層施工周期為5d，每月施工完成6層。項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)3#樓：底板于2017年9月23日施工，半地下室于2017年12月3日完成，主體結(jié)構(gòu)于2017年12月22日封頂，上部鋼結(jié)構(gòu)比地下室工期多18d；若以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工，需要逐層進(jìn)行施工，標(biāo)準(zhǔn)層單層施工周期為6.5d，每月施工完成4.5層，上部13層施工尚需78d。因此，在相同體量的情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工期可以節(jié)約工期60d。

綜上，兩種質(zhì)式結(jié)構(gòu)對比，項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)比使用鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)施工周期縮短30d；3#樓主體鋼結(jié)構(gòu)比主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期縮短60d；總體施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行流水作業(yè)，總計(jì)可以縮短施工周期90d。

再從總體建設(shè)工期來看，鋼結(jié)構(gòu)施工速度快，工期優(yōu)勢較明顯?；炷两Y(jié)構(gòu)澆搗完成后，存在支撐架、模板拆除的時間和砼養(yǎng)護(hù)時間，鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目可以直接對樓層二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，加速后期的裝修工程進(jìn)場。裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目無外防護(hù)、無懸挑外架，幕墻工程可交叉施工，構(gòu)件在工廠制作，工廠機(jī)械化生產(chǎn)的成品精度高、生產(chǎn)效率高；工地拼裝機(jī)械化程度高，速度快、工期短，是工業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)，對以上各施工段均起到減少建設(shè)周期的效果。

2.6 抗震和抗風(fēng)災(zāi)性能分析

近些年來，由于各種因素影響，世界各地地質(zhì)類災(zāi)害不斷，地震災(zāi)害屢見不鮮，嚴(yán)重威脅著人類的生命安全，而良好的抗震性能材料和結(jié)構(gòu)是抵御地震災(zāi)害、盡量減少災(zāi)害損失的重要選擇。

鋼結(jié)構(gòu)良好的延展性，較強(qiáng)的塑形變形能力，具有優(yōu)良的抗震性能，在很大程度上提高了建筑物的安全性、可靠性。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑墻體，采用輕型節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化的C型鋼、方鋼、夾芯板，抗震度好；將鋼結(jié)構(gòu)體系用于住宅建筑，可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的延性好、塑性變形能力強(qiáng)等特性優(yōu)勢，尤其在遭遇地震、臺風(fēng)災(zāi)害的情況下，鋼結(jié)構(gòu)能夠避免建筑物的倒塌性破壞[12]。如：屋面結(jié)構(gòu)采用冷彎型鋼構(gòu)件制作成的三角型屋架體系，輕鋼構(gòu)件在封完結(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后，形成了非常堅(jiān)固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”，有著更強(qiáng)的抗震及抵抗水平風(fēng)荷載的能力，適用于抗震烈度為8度以上的地區(qū)。而且，型鋼結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度高、整體剛性好、變形能力強(qiáng)，自重僅是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/5，可抵抗70m/s的颶風(fēng)，大大提高住宅的安全可靠性。

近年來，臺灣海峽及附近地區(qū)多次遭受地震和臺風(fēng)影響，如2018年11月26日臺灣海峽6.2級地震和2018年全年臺風(fēng)，D09號樓竣工后均能很好地承受住地震動荷載和臺風(fēng)荷載沖擊，未受任何影響，充分地體現(xiàn)了裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震和抗臺風(fēng)性能優(yōu)異。因此，對身處東南沿海地震帶和臺風(fēng)災(zāi)害頻繁的廈門，鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用尤其更加具有更深遠(yuǎn)的影響。

2.7 耐久性、保溫性、隔音性分析

耐久性方面，鋼結(jié)構(gòu)建筑采用冷彎薄壁鋼構(gòu)件體系組成，鋼骨采用超級防腐高強(qiáng)冷軋鍍鋅板制造，有效避免鋼板在施工和使用過程中的銹蝕影響，最長可達(dá)100年，增加了構(gòu)件使用壽命。

保溫性方面，保溫隔熱材料是以玻纖棉為主，具有良好的保溫隔熱效果，運(yùn)用以外墻的保溫板，將有效避免墻體“冷橋”現(xiàn)象，達(dá)到更好的保溫效果(約100mm厚的R15保溫棉熱阻值可相當(dāng)于1m厚的磚墻)。

隔音性能方面，D09號樓裝飾，窗戶采用了中空玻璃，隔音達(dá)40dB以上；由輕鋼龍骨、保溫材料石膏板組成的墻體，其實(shí)測隔音效果甚至高達(dá)60dB。

3 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造缺點(diǎn)

3.1 建筑成本造價分析

雖然裝配式鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，但在造價方面會比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高約14%，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)差異和主體結(jié)構(gòu)差異。下文從D09號樓基礎(chǔ)造價、主體結(jié)構(gòu)造價、使用面積和資金成本等四方面，具體分析其建筑成本構(gòu)成。

3.1.1基礎(chǔ)造價分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程荷載588 853t，樁基直接工程費(fèi)12 736 060元，其單價為212元/m2；鋼結(jié)構(gòu)工程荷載39 936t，樁基直接工程費(fèi)8 711 101元，其單價為144元/ m2。鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單價費(fèi)用約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程樁基費(fèi)用的2/3。

3.1.2主體結(jié)構(gòu)造價分析

裝配式鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼這兩種質(zhì)式結(jié)構(gòu)造價差異，主要表現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)的造價差異。在建筑布局和功能需求一致的情況下，基礎(chǔ)土方、門窗工程、防水工程、樓地面工程、墻柱面工程、天棚工程、裝飾裝修工程、幕墻工程、安裝工程等方面造價基本一致，費(fèi)率取費(fèi)按同等條件計(jì)取，限于篇幅，不進(jìn)行對比。

廈門軟件園三期D09號樓地下室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單獨(dú)對上部60 135m2主體結(jié)構(gòu)采用兩種不同的質(zhì)式結(jié)構(gòu)分析如表3所示：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程對勞動力需求大，工資的漲幅對建筑成本的增加明顯；鋼結(jié)構(gòu)工程的勞務(wù)工資比重低，勞務(wù)工資增加對總成本的增加只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程的20%左右。建筑鋼材價格的漲跌幅對鋼結(jié)構(gòu)的造價變化影響巨大，鋼材價格漲跌對鋼結(jié)構(gòu)建筑總成本的增加是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的2.85倍。

表3 D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主體單價分析表

3.1.3使用面積成本差異

D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑比鋼筋混凝土建筑使用面積增加了4%，按60 135m2建筑面積測算，增加使用面積2405m2，按園區(qū)內(nèi)目前銷售均價5190元/m2，增加效益207元/m2。

3.1.4資金成本差異

廈門軟件園三期項(xiàng)目總投資39 779萬元，一年期貸款基準(zhǔn)利率4.9%，工期縮短按平均126d計(jì)算，資金成本節(jié)約：39 779萬元×4.9%×(126/365)=672萬元/60 135m2=112元/m2。

3.1.5綜合成本分析

通過以上對兩種質(zhì)式建筑的基礎(chǔ)造價、主體結(jié)構(gòu)造價、使用面積成本差異和資金成本差異等分析，裝配式鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合成本單價分析如表4所示：裝配式鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)造價是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價的178.8%，加上鋼結(jié)構(gòu)面積增加及資金成本效益，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)造價減少到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價的149.3%。可見鋼板材料的價格趨勢對裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程投資起決定因素。裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程帶來的最大效益，是工期縮短帶來的利息減少、鋼材具有很高的再循環(huán)使用價值及有效使用面積的增加；此外，銷售均價對鋼結(jié)構(gòu)使用面積的增加產(chǎn)生的效益也有巨大的影響。

從水、暖、電、幕墻等工程總造價來看，裝配式鋼結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高16.92%。裝配式鋼結(jié)構(gòu)使用面積增加及資金成本效益，使鋼結(jié)構(gòu)工程總造價比鋼筋混凝土造價高11.39%。

表4 D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合成本單價分析表

3.2 受鋼材價格和物流成本影響

廈門周邊生產(chǎn)鋼構(gòu)件廠家少、產(chǎn)能低，采購環(huán)節(jié)在運(yùn)輸和加工容易受到物流、材料價差影響。如何減少裝配式鋼結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)件成本價格和降低物流成本，這是今后需要重點(diǎn)考慮的問題。

3.3 耐火與防腐性能差，需檢查與養(yǎng)護(hù)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)耐火性能較差，當(dāng)溫度在150℃以下時，鋼材性質(zhì)變化很小，但結(jié)構(gòu)表面要采用隔熱板加以保護(hù)。溫度在300℃～400℃時。鋼材強(qiáng)度和彈性模量均顯著下降。溫度在600℃左右時，鋼材的強(qiáng)度趨于零。鋼結(jié)構(gòu)另一個缺點(diǎn)是耐久防腐性(國家規(guī)定15年)，在生產(chǎn)和施工過程中需要注意除銹和防腐處理；后續(xù)維護(hù)復(fù)雜，需要定期防銹防腐保護(hù)、防火處理保護(hù)、定期變形監(jiān)測維護(hù)、其他病害的定期檢查與維護(hù)，因此需要研究防高溫、防腐等高性能鋼材，在有特殊防火需求的建筑中，須采用耐火材料加以保護(hù)并提高耐火等級[10]。

4 結(jié)語

通過對廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用分析，并與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較，裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

(1)具有較高的室內(nèi)空間的使用率。該項(xiàng)目室內(nèi)使用面積增加了4%，若為超高層建筑則將增加更多?？臻g使用率和銷售均價對產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益有較大的影響。

(2)大幅降低了建設(shè)周期。該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)節(jié)省工期19.5%。超高層建筑使用裝配式鋼結(jié)構(gòu)形式對建設(shè)周期的縮短更加明顯；同時，具有綠色環(huán)保優(yōu)勢和優(yōu)異抗震和抗風(fēng)災(zāi)性能。

(3)主體結(jié)構(gòu)造價較高。裝配式鋼結(jié)構(gòu)造價是鋼筋混凝土造價的149.3%，加上水、暖、電、幕墻等工程的建安總造價增加了11.39%。

(4)裝配式鋼結(jié)構(gòu)在廈門軟件園三期D09號樓建造過程中，雖然體現(xiàn)了其建造過程中的多種優(yōu)勢，但未來要在廈門地區(qū)的發(fā)展和壯大，建議在以下幾方面加以完善和改進(jìn)：

①建筑成本和建筑經(jīng)驗(yàn)約束發(fā)展。鋼材價格、運(yùn)輸成本和現(xiàn)場吊裝占據(jù)成本最大，缺乏成熟的建造經(jīng)驗(yàn)，需要加大廈門地區(qū)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑工廠化建設(shè)，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，集約化生產(chǎn)，降低成本。

②裝配式鋼結(jié)構(gòu)耐腐和耐火性能較差。在今后的建設(shè)中需要加強(qiáng)鋼材防銹、防腐等高性能試驗(yàn)研究。同時，在建筑物使用過程中，需加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)防火、耐火的保護(hù)措施和保護(hù)方式的研究。

③信息化標(biāo)準(zhǔn)體系不完善。在推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)時，若能從設(shè)計(jì)、模塊化制造、運(yùn)輸、安裝和管理多環(huán)節(jié)著手，建立信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)管理和協(xié)調(diào)，加快建設(shè)周期，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，將更加體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)勢。

④推廣BIM技術(shù)。利用BIM軟件實(shí)現(xiàn)對裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)3D模型的創(chuàng)建,并對完成的BIM模型進(jìn)行碰撞檢查及優(yōu)化,使設(shè)計(jì)方案更加合理化,以提高工作效率,減少現(xiàn)場返工和整改。