淺析嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系

曲圣玉

1999 年，國(guó)務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了建設(shè)部等八部委《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提高住宅質(zhì)量若干意見(jiàn)》文件之后，各高校、科研院所和企業(yè)紛紛開(kāi)始對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)體系進(jìn)行研究。二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家大力推廣裝配式建筑產(chǎn)業(yè)政策的落地，以及推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的倡導(dǎo)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑又一次成為新型建筑工業(yè)化的主角，對(duì)其技術(shù)體系的研發(fā)也愈演愈烈。

目前國(guó)內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑代表性的技術(shù)體系大致有以下幾大體系。

（1）童根樹(shù)教授及其鐵木辛柯團(tuán)隊(duì)研發(fā)的TongMSK 寬管柱隱式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系[1]。

（2）婁宇大師和電子設(shè)計(jì)院研發(fā)的裝配式復(fù)合支撐墻鋼結(jié)構(gòu)住宅體系。

（3）重慶大學(xué)周緒紅教授與精工共同研發(fā)的綠筑集成—交錯(cuò)桁架成套系統(tǒng)。

（4）同濟(jì)大學(xué)陳以一教授與精工共同研發(fā)的綠筑集成—PEC 鋼混組合成套系統(tǒng)。

（5）天津大學(xué)陳志華教授和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的異形柱結(jié)構(gòu)體系。

（6）杭蕭鋼構(gòu)的鋼管束組合剪力墻體系。

（7）歐本鋼構(gòu)的捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)。

（8）龍?jiān)髦娜b配多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系（S—SYSTEM）。

（9）中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院和吉林省中潤(rùn)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司共同研發(fā)的嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系。

以上體系大多還停留在主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化的初級(jí)階段，更確切地說(shuō)還是結(jié)構(gòu)體系的裝配式，更多的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化基地也僅僅是在結(jié)構(gòu)體系工業(yè)化生產(chǎn)方面向數(shù)字化智能制造又邁進(jìn)了一步。如果以西安建筑科技大學(xué)郝際平教授裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)論的思想來(lái)看，上述體系中具備系統(tǒng)思想，以建筑為對(duì)象全面考慮系統(tǒng)集成的體系也不是絕對(duì)沒(méi)有，其中龍?jiān)髦腟 體系和中潤(rùn)鋼構(gòu)的嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)建筑體系就是比較成熟的建筑工業(yè)化系統(tǒng)的典范。

1.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的行業(yè)痛點(diǎn)

技術(shù)體系是指社會(huì)中各種技術(shù)之間相互作用、相互聯(lián)系，按一定目的、一定結(jié)構(gòu)方式組成的技術(shù)整體。通常所說(shuō)的建筑技術(shù)體系更確切地說(shuō)應(yīng)該是建筑的工業(yè)化技術(shù)體系，是決定建造方式的基礎(chǔ)，代表了建筑工業(yè)化的發(fā)展水平。國(guó)際上工業(yè)化建筑技術(shù)體系一般分為專用體系和通用體系，比如瑞典，目前是世界上工業(yè)化住宅最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以通用部件為基礎(chǔ)的通用體系。

我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的研發(fā)還處于專用體系的各種嘗試階段，雖然今年以來(lái)住建部又推出了《鋼結(jié)構(gòu)住宅主要構(gòu)件尺寸指南》《裝配式住宅設(shè)計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)》兩部規(guī)范，希望解決裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化戶型、標(biāo)準(zhǔn)化通用構(gòu)件兩大基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，但是受目前技術(shù)體系的限制，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化尚有差距，更不用說(shuō)實(shí)現(xiàn)部件的通用性、接口的標(biāo)準(zhǔn)化和可逆安裝了。倡導(dǎo)了多年的“少規(guī)格、多組合”的新型產(chǎn)品思維還有待繼續(xù)探索。

體系的問(wèn)題、主體結(jié)構(gòu)通用化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題，都制約了我們的工業(yè)化生產(chǎn)向數(shù)字化、規(guī)?；l(fā)展的邁進(jìn)，是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)面臨的根本問(wèn)題。除此之外，外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的集成技術(shù)也是制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸，尤其外圍護(hù)系統(tǒng)的產(chǎn)品成熟度較低，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑目前可選擇的圍護(hù)系統(tǒng)少之又少，極大限制了行業(yè)整體水平的提高。

目前，在裝配化施工方面存在著一個(gè)尷尬的局面，就是現(xiàn)場(chǎng)柱子的拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱的剛接節(jié)點(diǎn)仍然存在大量的焊接作業(yè)，使鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑與PC 結(jié)構(gòu)相比，最突出的快速施工特點(diǎn)成了一句空話。全螺栓連接節(jié)點(diǎn)或者單邊螺栓連接技術(shù)應(yīng)該是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品化集成供應(yīng)模式的課題之一。

在鋼結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)的信息化管理和智能制造方面，目前還是起步階段，按住建部《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出的“大力發(fā)展裝配式建筑、推動(dòng)建立以標(biāo)準(zhǔn)部品為基礎(chǔ)的專業(yè)化、規(guī)?；?、信息化生產(chǎn)體系”的要求，還要有很長(zhǎng)的路要走。推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能制造生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的深度融合，這是建筑工業(yè)化初期的主要課題。

另外，《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于裝配率的計(jì)算規(guī)則也制約了裝配式建筑的發(fā)展，尤其是對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)分值的強(qiáng)制要求，大幅提高了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體成本，使推廣陷入了困境。

2.嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的突出特點(diǎn)

嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系是針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，在2014年新疆裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)梳理形成的一套鋼結(jié)構(gòu)建筑工業(yè)化體系和一體化集成技術(shù)。該體系以鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系為核心，通過(guò)一體化集成設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成技術(shù)，創(chuàng)造了一套充分體現(xiàn)技術(shù)融合產(chǎn)品思維的開(kāi)放式體系。該體系具有以下幾大特點(diǎn)：

（1）該體系實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的通用化和接口的標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。以長(zhǎng)春潤(rùn)德華城示范項(xiàng)目的兩棟18 層鋼結(jié)構(gòu)住宅為例，主體結(jié)構(gòu)所采用的型鋼方管柱截面尺寸只有三種：350mm、400mm、450mm，窄翼緣H 型鋼梁組合構(gòu)件截面的高度也不超過(guò)兩種，且通用構(gòu)件的規(guī)格均適用住建部發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)住宅主要構(gòu)件尺寸指南》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸，梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也滿足《裝配式住宅建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》定型化和通用化的要求。

（2）該體系建立了以標(biāo)準(zhǔn)部件為基礎(chǔ)的工業(yè)化生產(chǎn)體系的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化升級(jí)，可采用智能制造生產(chǎn)線進(jìn)行信息化、專業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)加工。

（3）該體系采用了一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù)，突出了新型建筑工業(yè)化系統(tǒng)集成的特點(diǎn)。引進(jìn)了中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)院百年住宅集成設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)與BIM 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)、四大系統(tǒng)部品部件、全生命周期各階段的協(xié)同，同時(shí)也創(chuàng)新了一套一體化成套建造技術(shù)，充分體現(xiàn)了新型建筑工業(yè)化系統(tǒng)集成、技術(shù)融合的特色。

（4）該體系是一個(gè)具有自我發(fā)展、自我完善功能的，兼容、開(kāi)放的體系。打破了行業(yè)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑技術(shù)體系的專用屬性和閉鎖體系的限制，以成熟的鋼框架—支撐體系為主體，更具可復(fù)制、可推廣的意義。適用工業(yè)化生產(chǎn)體系的主體結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)的建筑部品部件具有更高的匹配度，且能隨著外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝部品等的發(fā)展而自我改進(jìn)、自我適應(yīng)。

（5）該體系更適合嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，該體系從設(shè)計(jì)和建造兩個(gè)維度提出了多項(xiàng)專項(xiàng)措施，改進(jìn)了外圍護(hù)系統(tǒng)的保溫技術(shù)，對(duì)冷橋等薄弱部位采取了加強(qiáng)保溫措施。

3.嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的系統(tǒng)集成

3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

主體結(jié)構(gòu)采用框架—支撐體系，柱為鋼管混凝土柱、梁為窄翼緣焊接H 型鋼梁、支撐為H 型鋼或方鋼管支撐，梁柱節(jié)點(diǎn)采用隔板貫通式連接（見(jiàn)圖1）。

圖1 梁柱貫通式隔板做法（選自中潤(rùn)鋼構(gòu)企業(yè)圖集）

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，基本實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)通用性構(gòu)件規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化，方管可以采用型材，H 型鋼也可以和鋼廠協(xié)議以標(biāo)準(zhǔn)型材供應(yīng)，使工廠的生產(chǎn)流程從傳統(tǒng)的粗加工向二次數(shù)控加工轉(zhuǎn)化，更方便數(shù)字化、規(guī)?；魉a(chǎn)，更符合建筑工業(yè)化的發(fā)展要求。

節(jié)點(diǎn)的貫通式隔板設(shè)計(jì)不僅具備了裝配式建筑接口標(biāo)準(zhǔn)化的特征，且在工業(yè)化生產(chǎn)中更適合焊接機(jī)器人作業(yè)，為智能制造提供了充分條件。

3.2 外圍護(hù)系統(tǒng)

裝配式建筑的外圍護(hù)系統(tǒng)始終是個(gè)解決不好的難題，目前的解決方案也不外乎兩種：一體化產(chǎn)品方案和分離式裝配方案。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑更適合幕墻系統(tǒng)，或者類似幕墻系統(tǒng)的產(chǎn)品方案。所以單元體幕墻和整體式一體化墻板是研發(fā)方向。目前，行業(yè)內(nèi)的通常做法依然是ALC 條板和保溫裝飾一體板的分離式裝配方案。隨著各地相繼開(kāi)始限制使用巖棉薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)和保溫裝飾一體化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)保溫裝飾一體化產(chǎn)品的研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫[2]。

外圍護(hù)系統(tǒng)的產(chǎn)品方案直接決定了嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的保溫節(jié)能效果。針對(duì)這一需求，該體系專門研發(fā)了一款實(shí)體芯墻龍骨桁架的整體式復(fù)合圍護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)主體結(jié)構(gòu)鋼柱外凸的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系列標(biāo)準(zhǔn)單元墻板、柱單元封板等部品和拼縫連接標(biāo)準(zhǔn)配件產(chǎn)品，使墻板單元和主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了彈性連接，可適應(yīng)層間位移和結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)拼縫的防水保溫材料都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，更換簡(jiǎn)單，解決了幕墻拼縫密封膠的耐候性和維修難題。

3.3 其他系統(tǒng)集成技術(shù)介紹

圖2 實(shí)體芯墻龍骨桁架整體式復(fù)合圍護(hù)系統(tǒng)拼裝節(jié)點(diǎn)

圖3 實(shí)體芯墻龍骨桁架整體式復(fù)合圍護(hù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)單元墻板部品示意圖

該體系作為開(kāi)放式系統(tǒng)，本身就具有自我完善的能力，基于通用的集成設(shè)計(jì)規(guī)則和接口規(guī)則，能完全適應(yīng)其中四大系統(tǒng)各自的更新?lián)Q代及其升級(jí)產(chǎn)品的集成。

除了上述的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和外圍護(hù)系統(tǒng)，該體系的內(nèi)隔墻可以適用各類條板隔墻和龍骨隔墻，包括各種裝配式內(nèi)裝部品；樓板體系可以采用可拆底模的鋼筋桁架樓承板、桁架鋼筋混凝土疊合樓板或PK 板等工業(yè)化部品[3]。

4.嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的應(yīng)用介紹

嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系于2019 年6 月26 日通過(guò)了住建部產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心在長(zhǎng)春市組織的國(guó)內(nèi)專家論證，認(rèn)為可滿足嚴(yán)寒地區(qū)氣候條件下的使用要求，可通過(guò)試點(diǎn)示范項(xiàng)目加以推廣。期間，以中潤(rùn)鋼構(gòu)綜合樓作為試點(diǎn)項(xiàng)目，取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，2021年又以長(zhǎng)春市潤(rùn)德華城項(xiàng)目13＃、15＃樓作為示范項(xiàng)目，采用EPC 總承包的模式進(jìn)行了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑推廣應(yīng)用的初步探索（見(jiàn)圖4）。

圖4 潤(rùn)德華城項(xiàng)目13＃樓示范項(xiàng)目施工場(chǎng)景

5.嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的保溫措施

以中潤(rùn)鋼構(gòu)的綜合樓試點(diǎn)項(xiàng)目為例，根據(jù)長(zhǎng)春氣候特點(diǎn)經(jīng)計(jì)算后，外墻采用200 厚ALC 條板和100 厚巖棉保溫裝飾一體板，傳熱系數(shù)k ≤0.4 W/（m2·k）。按照室外溫度-30℃，室內(nèi)溫度18℃，相對(duì)濕度60%計(jì)算，梁和柱位置熱橋內(nèi)表面溫度為14.8℃，高于接露點(diǎn)溫度12℃。

外墻構(gòu)造做法和熱橋位置計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 熱橋位置最低溫度計(jì)算和外墻構(gòu)造做法

綜合樓建成投入使用后，委托進(jìn)行了建筑節(jié)能工程檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，圍護(hù)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)在0.35～0.37之間。外圍護(hù)系統(tǒng)熱工缺陷檢測(cè)顯示，熱橋部位在室外-30℃時(shí)內(nèi)表面的最低溫度為14.9℃，接近設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

圖6 圍護(hù)系統(tǒng)缺陷檢測(cè)報(bào)告提供的熱橋位置紅外熱像圖

6.嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的防腐防火措施

鋼結(jié)構(gòu)作為主體受力結(jié)構(gòu)，令人擔(dān)憂的還是防腐和防火問(wèn)題，在公共建筑和住宅建筑中尤為明顯，且不可回避。

討論這個(gè)問(wèn)題之前，先引入一個(gè)概念：防腐、防火和裝飾一體化設(shè)計(jì)方法。采用該方法進(jìn)行防火計(jì)算后，防火層厚度與構(gòu)件的實(shí)際受力有關(guān)，比單純的構(gòu)件試驗(yàn)得到的厚度更有針對(duì)性、更經(jīng)濟(jì)合理。以中潤(rùn)綜合樓項(xiàng)目為例，防火設(shè)計(jì)考慮了裝飾設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)外包硅酸鈣板有防火作用，并進(jìn)行了等效厚度轉(zhuǎn)換，防火板的等效厚度一定程度上減小了防火涂料涂層的厚度，使防火措施更接近實(shí)際效果[4]（如圖7 所示）。

圖7 鋼柱鋼梁防火與裝飾做法（選自中潤(rùn)鋼構(gòu)企業(yè)圖集）

而密封在防火裝飾板內(nèi)裝系統(tǒng)里的鋼構(gòu)件，按照環(huán)境介質(zhì)腐蝕等級(jí)的劃分，最多是C1、C2 級(jí)，在這種輕微腐蝕環(huán)境中的鋼構(gòu)件，外有有效期30 年以上防火涂料的保護(hù)，內(nèi)有滿足使用壽命25 年以上的涂裝體系的防護(hù)，如果沒(méi)有火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害發(fā)生，鋼構(gòu)件表面基本不能受到外界的侵蝕。且處于C1 級(jí)環(huán)境中的鋼構(gòu)件，在完全裸露毫無(wú)防護(hù)的情況下，腐蝕速率按百年計(jì)算，也不過(guò)是2mm 的厚度損失，完全可以在設(shè)計(jì)時(shí)增加腐蝕裕量加以保證。其實(shí)，鋼結(jié)構(gòu)防腐更多的還是認(rèn)知問(wèn)題，伴隨重防腐涂裝體系的發(fā)展和耐候鋼的普及，這一問(wèn)題將不再困擾行業(yè)的發(fā)展。

7.結(jié)語(yǔ)

從嚴(yán)寒地區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系的研發(fā)和應(yīng)用可以看出，在實(shí)現(xiàn)新型建筑工業(yè)化的道路上，最缺少的是把建筑當(dāng)作有機(jī)整體的系統(tǒng)協(xié)同觀念、缺少一體化產(chǎn)品方案的建筑圍護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)、缺少整體協(xié)調(diào)的成套建造技術(shù)、缺少可實(shí)現(xiàn)智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件體系和通用接口，缺少信息化、專業(yè)化、規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)體系的落地，缺少涵蓋全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系的形成。因此要堅(jiān)持裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑集成產(chǎn)品供應(yīng)模式下的產(chǎn)品思維和系統(tǒng)思想，堅(jiān)持系統(tǒng)集成技術(shù)和部品部件的創(chuàng)新研發(fā)，堅(jiān)持一體化集成設(shè)計(jì)方法和工業(yè)化智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化實(shí)現(xiàn)較困難的當(dāng)下階段，探索工業(yè)化定制模式下鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的發(fā)展，從定制化設(shè)計(jì)入手解決工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)?；瘑?wèn)題，為鋼結(jié)構(gòu)裝配式的發(fā)展開(kāi)辟出一條可行的中間道路。