裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的現(xiàn)狀與應(yīng)用

彭光磊

(上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200090)

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀分析

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的一項重要組成部分,以模塊化,工業(yè)化的鋼結(jié)構(gòu)柱及鋼結(jié)構(gòu)梁等為主要承重結(jié)構(gòu),配合以新型的墻體材料作為整個住宅結(jié)構(gòu)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),以模塊化的壓型鋼板,鋼筋桁架樓板為主要樓板結(jié)構(gòu),組成的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系具有,重量輕,布局靈活,施工快速等諸多有點(diǎn),相較于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)及裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有天然的優(yōu)勢,是我國住宅結(jié)構(gòu)體系的重要發(fā)展方向之一。

1.1 國內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國建筑產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一步升級,國內(nèi)的鋼鐵產(chǎn)業(yè)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展,同時國內(nèi)近幾年也成功的建設(shè)了一大批具有重要?dú)v史意義的鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)志性建設(shè)項目,該批項目的成功實(shí)施也同時促進(jìn)了裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步完善和發(fā)展,2019年以后,在政策支持下,多層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展明顯,比例同時也得到了明顯增加。

從住宅建筑工程的總體情況來看,由于住宅結(jié)構(gòu)荷載相對較小,建筑的造型相對簡單,所以鋼結(jié)構(gòu)無論從工業(yè)化的成熟程度,節(jié)點(diǎn)的連接速度,輔助材料的用量等都是普通混凝土結(jié)構(gòu)所無法比擬的。

1.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度髙

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是由鋼柱、鋼梁等鋼制構(gòu)件,配合大量使用的預(yù)制輕質(zhì)隔墻組成。與混凝土建筑結(jié)構(gòu)相比,重量減小30%～50% ,極大的減輕了基礎(chǔ)所承受的荷載,對于基礎(chǔ)的要求大大降低,同時由于鋼材的勻質(zhì)性和韌性好,可承受較大變形,在動力荷載作用下,有穩(wěn)定的承載力和良好的抗震性能。

1.2.2 裝配式鋼構(gòu)工業(yè)化程度更高

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅采用的鋼結(jié)構(gòu)材料均有專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行生產(chǎn)加工,早期鋼結(jié)構(gòu)加工廠采用人工為主的生產(chǎn)線,相對傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)采用的鋼筋混凝土而言已經(jīng)具備了初步的工業(yè)化生產(chǎn)雛形,目前大量的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)生產(chǎn)廠家已配備自動化的專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工生產(chǎn)設(shè)備,相對比目前國家同樣大力發(fā)展的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,工業(yè)化程度更高,可以使得鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在精度,進(jìn)度,質(zhì)量上更能得到保證。

未來裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系將設(shè)計、生產(chǎn)、施工安裝一體化,進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的工業(yè)化水平。

1.2.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅布局更加靈活

傳統(tǒng)混凝土住宅體系,存在著結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜,特別是對于多層結(jié)構(gòu)而言,次梁,主梁截面較大,框架柱截面從結(jié)構(gòu)本體荷載而言無法進(jìn)一步優(yōu)化同墻體寬,這就導(dǎo)致住宅體系建筑結(jié)構(gòu)功能分隔較為受限。而裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑由于鋼結(jié)構(gòu)柱截面尺寸小,與混凝土柱相比,截面50%以上,而且開間布置更加靈活,據(jù)多個項目對比統(tǒng)計,裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)住宅可增加約7%的有效使用面積。

1.2.4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑更加環(huán)保

鋼結(jié)構(gòu)體系本身具有拆改容易,材料再生利用率高等優(yōu)點(diǎn),同時在采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建筑,施工場地占用更少,噪聲更小,施工過程中所產(chǎn)生的建筑垃圾相較于傳統(tǒng)混凝土,磚混等結(jié)構(gòu)體系的工程來說更少,在建筑物拆除后產(chǎn)生的建筑垃圾鋼結(jié)構(gòu)體系一般僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的25%。

拆除之后的廢鋼可回爐重新進(jìn)行再生,做到資源循環(huán)再利用。所以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑符合環(huán)保的要求。

在歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū),新建的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)占到全部新建建筑的50%以上,而在我國鋼結(jié)構(gòu)建筑比例還很小,僅有不到10%,有鑒于鋼結(jié)構(gòu)住宅的諸多優(yōu)勢,該體系的發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?/p>

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系選擇

2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的分類

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系發(fā)展至今,根據(jù)不同建筑高度,功能等衍生出了多種結(jié)構(gòu)體系,目前應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系有:

鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系、交錯鋼桁架結(jié)構(gòu)體系等。

2.1.1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

鋼框架結(jié)構(gòu)體系是指在縱橫向方向均由鋼柱及鋼梁組成,且由框架承擔(dān)豎向及水平荷載的結(jié)構(gòu)受力體系[1]。

2.1.2 鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系

鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系是在鋼框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上框架柱之間設(shè)置豎向支撐,提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度。

結(jié)構(gòu)受力方面鋼框架主要承受豎向荷載和少部分的水平荷載,鋼支撐則承擔(dān)水平荷載,形成雙重抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。

2.1.3 鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系

鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系同樣是在框架結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置部分剪力墻,使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,共同抵抗水平荷載,在此結(jié)構(gòu)體系中,剪力墻分擔(dān)大部分的水平荷載,鋼框架承擔(dān)豎向荷載和少部分的水平荷載,使得建筑抗側(cè)向變形能力大大提升,該體系多應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)。

2.1.4 鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系

鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系由外側(cè)的鋼 框架和混凝土核心筒構(gòu)成的,其中混凝土核心筒由 四周封閉的現(xiàn)澆混凝土墻體形成,在此結(jié)構(gòu)體系中,核心筒抗側(cè)剛度極強(qiáng),承擔(dān)了絕大部分的水平荷載和大部分的傾覆力矩,鋼框架承擔(dān)了豎向荷載和少量的水平荷載。該體系多用應(yīng)用于高層和超高層建筑[2]。

2.1.5 交錯鋼桁架結(jié)構(gòu)體系

交錯桁架結(jié)構(gòu)體系主要是由鋼柱與鋼桁架組 成的,通過鋼柱、鋼桁架和樓板形成空間結(jié)構(gòu)抗側(cè) 力體。

2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的適用性

就一般而言低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑住宅(3層以內(nèi))結(jié)構(gòu)體系宜選擇輕鋼龍骨或輕型截面鋼框架(見圖1)。裝配式輕鋼組合結(jié)構(gòu)是指由10 mm 厚以內(nèi)的冷彎薄型鋼或普通型鋼與混凝土、結(jié)構(gòu)板材以及保溫材料等組成的輕鋼組合構(gòu)件,通過梁柱、墻板節(jié)點(diǎn)等連接構(gòu)造,采用螺栓、自攻釘或預(yù)埋件等緊固連接部件裝配而成。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)住宅

4～6層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑,結(jié)構(gòu)體系宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系。

12層以內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑,結(jié)構(gòu)體系宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架—支撐或鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

東航金葉苑3#地塊項目為高檔綜合性住宅小區(qū),共有37 棟多層、中層住宅及一層地下室,其中3棟精裝修公寓樓為地上8層,地下1層,建成后總高29.75 m。

34棟個性化裝修別墅樓為地上4層地下一層,建成后總高13.5 m。

項目住宅單體的結(jié)構(gòu)形式為鋼管柱-鋼框架形式,涉及主要鋼構(gòu)件為鋼柱、鋼梁、鋼梯,樓板主要采用鋁制可拆卸鋼筋桁架樓承板形式的現(xiàn)澆樓板,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為砌體墻形式。

3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅施工流程

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅總體施工流程以豎向結(jié)構(gòu)為先,水平結(jié)構(gòu)為后,結(jié)構(gòu)柱兩層一吊裝,采用了可拆卸的鋼筋桁架樓層板,免除了臨時支撐,在鋼結(jié)構(gòu)加工工廠內(nèi)集成了幕墻埋件,鋼梁內(nèi)先期留設(shè)了安裝套管使得整體施工流程進(jìn)一步簡化,加快施工效率。該工程鋼結(jié)構(gòu)總體流程如下:

吊裝鋼柱并臨時固定→吊裝框架梁→調(diào)整柱底標(biāo)高→校正柱垂直度→吊裝次梁→高強(qiáng)螺栓終擰→框架梁焊接→柱對接焊接→吊裝桁架板→綁扎鋼筋→澆筑混凝土樓板(見圖2)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)校正及焊接

3.3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝設(shè)備的選用

現(xiàn)場37棟單體,共計布置了11臺塔吊,1#～3#塔吊型號QTZ250(T7020-12KA),安裝高度為48.6 m、54.3 m,起重臂安裝長度為60m;4#～11#塔吊型號QTZ80(TC5610),安裝高度有29.3 m、34.9 m、40.5 m。

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中采用25 t及50 t的汽車吊若干,在整個鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中,主要以汽車吊作為鋼結(jié)構(gòu)吊裝的起重設(shè)備,而塔吊主要以周轉(zhuǎn)場地內(nèi)的材料為主,在現(xiàn)場材料駁運(yùn)比較空閑的情況下配合吊運(yùn)鋼結(jié)構(gòu)材料吊運(yùn)及安裝。

3.4 可拆卸桁架樓層板技術(shù)

該工程樓板采用組合拼裝可拆卸式鋼筋桁架樓承板(見圖3),該樓層板是一種運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)板材并與預(yù)加工桁架鋼筋組裝,通過擱置在結(jié)構(gòu)梁柱等受力構(gòu)件上的方式起到自行承載上部結(jié)構(gòu)施工荷載從而代替普通模板體系形成的一種免支撐的新型模板技術(shù)。

圖3 可拆卸樓承板運(yùn)用

該技術(shù)所使用的模板為車間和現(xiàn)場加工、組裝的形式,所使用的板材及配件具有模塊化、預(yù)制化、組合靈活、免模下支撐和可拆卸循環(huán)利用的特點(diǎn),被主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑中樓板的支模。

通過類似PC中疊合板的安裝形式,將預(yù)加工完成的樓承板通過塔吊或汽車吊等起重機(jī)械,吊運(yùn)至已完成的鋼框架結(jié)構(gòu)的操作層面進(jìn)行有序地鋪裝和節(jié)點(diǎn)處理,通過綁扎面層鋼筋形成完整的樓板鋼筋工程,并采用汽車泵或固定泵泵送混凝土的形式進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè),形成最終的結(jié)構(gòu)板面。

3.5 高精度三維掃描測量技術(shù)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程中由于所有構(gòu)件均為裝配形式進(jìn)行,組裝的過程中,不可避免的產(chǎn)生施工偏差及誤差,誤差會對后期幕墻及裝飾裝修的精確度產(chǎn)生影響。

通過三維掃描設(shè)備Faro 350 輔助Lecia TCA 2003 全站儀進(jìn)行掃描作業(yè)。掃描形成的數(shù)據(jù)通過點(diǎn)云處理軟件Scene和Revit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)基本功能處理后,進(jìn)入三維檢測軟件Geomagic,將深化設(shè)計Tekla模型與三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。再進(jìn)入軟件Geomagic對比分析界面進(jìn)行空間對比分析,精確檢測出鋼結(jié)構(gòu)安裝情況與深化設(shè)計Tekla模型的偏差,包括定位偏差、構(gòu)件變形、柱子傾斜度等達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)差的目的。

3.6 全過程數(shù)字化技術(shù)

項目采用全過程5D 智慧現(xiàn)場管理系統(tǒng)(見圖4),通過監(jiān)控識別,設(shè)備安全保護(hù)系統(tǒng),可視化施工現(xiàn)場模擬系統(tǒng)等為現(xiàn)場的精細(xì)化管理起到保障的作用。

圖4 智慧工地建設(shè)

監(jiān)控系統(tǒng):現(xiàn)場監(jiān)控48臺,包含槍機(jī)32臺,球機(jī)16臺,實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場監(jiān)控全覆蓋,可實(shí)時掌握現(xiàn)場動態(tài)情況,部分探頭具備AI智能監(jiān)控(安全帽佩戴識別、反光衣著裝識別、明火煙霧識別、區(qū)域入侵識別)。

塔吊安全保護(hù)系統(tǒng):對超重、安全限位、塔身傾斜、塔吊間碰撞等進(jìn)行實(shí)時預(yù)警,同時采用人臉識別對塔吊司機(jī)進(jìn)行持證上崗管控,避免無證或未上報人員對塔吊進(jìn)行操作。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對接平臺。

通過BIM 對重難點(diǎn)方案進(jìn)行可視化施工模擬及交底,目前經(jīng)過BIM 建模優(yōu)化的方案有挖土方案、深基坑施工方案、高支模方案、腳手架方案、鋼結(jié)構(gòu)施工方案等。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅問題及建議

4.1.1 模塊化程度不足

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅目前的設(shè)計思想較多的還是停留在傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)住宅模式,模塊化思想還不夠深入,各種造型類的構(gòu)件較多,該些構(gòu)件重量往往較輕,數(shù)量較多,相對于傳統(tǒng)的垂直運(yùn)輸機(jī)械——施工塔吊無法完全發(fā)揮塔吊的垂直運(yùn)輸能力,導(dǎo)致現(xiàn)場需要排布大量的汽車吊,用以輔助生產(chǎn)吊裝。嚴(yán)重的影響了現(xiàn)場項目的施工進(jìn)度。

未來可向發(fā)展傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)全裝配式的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系,全模塊化,實(shí)現(xiàn)快速化的現(xiàn)場安裝,工廠內(nèi)初步預(yù)制,現(xiàn)場進(jìn)一步預(yù)制,利用施工機(jī)械進(jìn)行滿載的吊裝拼接。實(shí)現(xiàn)真正意義上的預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅。

4.1.2 鋼結(jié)構(gòu)防火措施有待加強(qiáng)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑受火時,高溫作用下,鋼材的彈性模量和屈服強(qiáng)度在高溫的作用下會不斷降低,直接造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的溫度場,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。

目前而言鋼結(jié)構(gòu)防火措施一般使用防火涂料和防火板材。對于住宅和高層鋼結(jié)構(gòu)建筑,防火板材可將建筑裝飾和結(jié)構(gòu)防火融為一體,安裝方便快捷。

但防火板材施工過程中,對于板材的安裝質(zhì)量,要求等要求很高,對于鋼結(jié)構(gòu)自身的防火能力,未來可在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展耐熱鋼等先進(jìn)材料,目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)的防火問題還有待于進(jìn)一步研究與完善。

4.1.3 材料加工與現(xiàn)場需求平衡

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系往往具有,構(gòu)件數(shù)量多,種類多,材料的加工滯后往往成為施工現(xiàn)場順利實(shí)施的掣肘。

應(yīng)提前結(jié)合施工既定計劃、計劃工作量、現(xiàn)場階段場地布置情況、勞動力機(jī)械配備情況,梳理擬定合理的材料供貨計劃,并根據(jù)現(xiàn)場擬定的供貨計劃匹配滿足產(chǎn)能的材料供應(yīng)單位,防止后續(xù)因產(chǎn)能不足造成施工無法正常開展。擬定材料供貨計劃時應(yīng)預(yù)留充分的準(zhǔn)備時間包括圖紙深化時間、加工計劃單形成時間、原材料采購時間、生產(chǎn)時間和運(yùn)輸?shù)截洉r間等,此外構(gòu)件的復(fù)雜程度也是影響材料加工實(shí)際產(chǎn)能的重要因素。

5 結(jié)語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系相較于傳統(tǒng)混凝土住宅體系,有著低碳環(huán)保,建筑布局靈活,工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)勢,是住宅結(jié)構(gòu)體系中的一個重要的發(fā)展方向,特別是在國家大力發(fā)展建筑工業(yè)化的大背景下,裝配書鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是目前最適用于工業(yè)化建設(shè)的住宅體系之一。

對于裝配式住宅體系而言,面對不同的住宅高度,建筑形式的需求尋找合適的結(jié)構(gòu)形式至關(guān)重要,同時,對于鋼結(jié)構(gòu)而言仍舊存在著模塊化程度不足,防火措施有待加強(qiáng)及優(yōu)化,工業(yè)化程度仍舊無法完全滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求等問題,但在正視該些問題的基礎(chǔ)上,在新型構(gòu)件、新型節(jié)點(diǎn)、新型結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)和改進(jìn)的基礎(chǔ)上,在不遠(yuǎn)的將來,裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系一定能滿足越來越多不同種類不同形式的住宅建筑使用功能和美觀要求。