基于裝配式建筑工程的鋼結構施工技術要點分析

高乾 黃興斌 黨利榮 曹家瑋 楊喆

0 引言

裝配式建筑是將工程中使用的電梯、樓板，以及墻壁等材料，通過工廠車間進行批量生產(chǎn)的建筑構件，送到工程所在地完成安裝工作的過程。此類建筑物具備綠色環(huán)保、結構安全、可壓縮的工期長等優(yōu)點。裝配式建筑的雛形是在17 世紀向美洲移民時期所采用的木構架拼裝房屋，1851 年世界上第一座大型裝配式建筑是倫敦的鐵骨架嵌玻璃的水晶宮，第二次世界大戰(zhàn)之后，由于歐洲國家房屋緊缺，裝配式建筑得到了前所未有的發(fā)展，到19 世紀60 年代，屬于裝配式建筑推廣期，裝配式建筑獲得了突飛猛進的發(fā)展。2015 年以后我國密集出臺裝配式建筑相關規(guī)劃：《工業(yè)化建筑評價標準》在2015 年年末的發(fā)布，標志著裝配式建筑在我國的廣泛推廣，并取得了輝煌的成果；而《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》的出臺，為裝配式建筑提出了兩個五年發(fā)展規(guī)劃；《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》則要求建筑領域要因地制宜地發(fā)展裝配式建筑。隨后相繼出臺了《國務院辦公廳關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》《住房城鄉(xiāng)建設部2016 年科學技術項目計劃裝配式建筑科技示范項目名單》《關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》《關于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見（國辦發(fā)〔2017〕19 號）》《關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》等，為我國裝配式建筑的發(fā)展提供了指導意見。

1 鋼結構的特點

鋼結構是目前較為常見的一種建筑結構類型。鋼結構是由鋼制材料組成的結構，主要包含型鋼和鋼板等材料通過采用硅烷化、純錳磷化、水洗烘干、鍍鋅等除銹防銹工藝制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件。鋼結構多用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物，因此其具備自重輕且強度高，材質均勻、結構可靠，鋼材韌性強、塑性好，機械化程度高，密封性能好，耐熱、低碳、節(jié)能、綠色環(huán)保，可重復使用等優(yōu)點。但由于鋼結構的一些特性，使其同時具備不耐火、耐腐蝕性差的缺點。

鋼結構的施工工藝，在型材的制造過程不需要投入過多的人力、物力，鋼結構的拆卸也較為簡易構件，可以運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行現(xiàn)場拼裝，將會大大縮短施工工期。在建筑建設中應用鋼材作為構建材料能夠使建筑物的整體抗震性和抗彎性良好，使工程建筑不僅具有較高的載荷能力，同時還滿足大部分造型設計的要求。鋼材料的強度和韌性都較高，能承受不同程度的動力荷載，不會因載荷過大而突然斷裂，因此，特別適合應用在跨度較大的構件組成。韌性強、塑性好，可以極大地提升建筑物的抗震性能，在地震來臨的時候，地面左右晃動會對建筑物產(chǎn)生一定的能量沖擊，這些能量恰好可以被鋼結構所吸收，同時由于晃動使建筑物產(chǎn)生一定塑性變形的過程中，鋼結構的延展性能夠保證建筑物不會因為塑性變形過大而崩塌，保證了居民的生活安全。

但是鋼材本身的耐腐蝕性、耐火性較差，因此在實施工程建設的過程中應該注意鋼材料的防腐、防火保護，特別是施工現(xiàn)場長期處于露天環(huán)境下會導致鋼材和空氣發(fā)生氧化反應或者因雨季潮濕而產(chǎn)生腐蝕。

2 鋼結構的設計要點

2.1 選材等級

鋼結構建筑中鋼材選擇必須滿足一定的建筑條件，比如：符合建筑所需的屈服強度、抗拉強度、冷彎、冷拉等，同時還應滿足鋼材的本身的化學成分，包含磷和硫等元素的含量等。在焊接類的結構選材過程中還應對碳含量進行選擇，在防震建筑設計中的鋼結構，還要滿足其具有良好的沖擊韌性，使裝配式建筑工程的鋼結構能夠滿足抗震設計的相關要求，為了滿足鋼材在焊接過程中對碳含量的要求，一般采用Q235b 及以上等級的碳素鋼或低合金高強度鋼。

2.2 節(jié)點設計

作為鋼結構設計中的重點，節(jié)點設計在整個施工過程中處于重要地位，因此，在節(jié)點設計時，要深入考慮節(jié)點的形式，觀察設計的節(jié)點和結構模型中的設定形式是否對應，在出現(xiàn)不對應的情況下，應當避免出現(xiàn)偏差范圍較大現(xiàn)象。同時，由于不同的鋼結構節(jié)點連接對鋼結構具有不同的影響，比如：有些鋼材的節(jié)點需要承受建設中的彎矩，在承受彎矩過程中將會出現(xiàn)較大的轉動，這種轉動脫離的設定情形，導致實際的建筑建設工程中鋼結構構件的變形與設計計算中的數(shù)據(jù)結果不一致。因此，在設計鋼結構節(jié)點時，應當充分考慮鋼結構構件變形與設計數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，盡量避免因數(shù)據(jù)不自知造成的建筑問題。

3 裝配式建筑工程鋼結構施工技術應用

3.1 構件分段技術

現(xiàn)場施工塔吊式的起重力量，不得超過塔吊的最大起重極限;結構分段技術應當嚴格按照運輸要求設置，當結構分段技術存在超長(大于12m)、超寬(大于2.8m)、超高(大于4.5m)時，綜合以上三個原因，科學合理的結構分段技術將是裝配式高層鋼結構施工的關鍵手段。

3.2 吊裝方案設計

施工吊裝方法的設計對高層建筑結構施工技術的運用來說，有重要意義，要想全面提高建筑物的結構施工技術使用安全，就必須加強對建筑結構施工技術使用方法的吊掛與設計的分析。在建筑施工過程中，對塔式起重機選型和布置主要考慮：（1）塔式起重機的吊裝范圍能涵蓋所有現(xiàn)場堆場；（2）塔吊的施工起重特性符合所有結構建筑施工吊裝的分段重量規(guī)定；（3）塔吊施工時起重性能必須符合結構構件卸車地點和吊運地點的規(guī)定；（4）塔式起重機械布置數(shù)量必須符合吊裝工期規(guī)定，一般情況下，根據(jù)塔式起重機構件可以吊裝的區(qū)域和高度運行，對其應用中的吊裝作業(yè)加以合理設計。

3.3 樓板體系

在高層建筑工程中所使用的樓板體系一般有兩類，分別為鋼筋桁架樓承板和預制的砼交疊樓板。首先，鋼筋桁架樓承板在澆筑操作方面非常簡便，且質地較輕、強度大。因此在進行鋼筋桁架板加工的時候，就必須嚴格根據(jù)建筑施工現(xiàn)場的具體規(guī)格來進行加工，在完成制作以后，只需在建筑施工現(xiàn)場進行簡易攤鋪，并將實木板和鋼梁的連接用栓釘焊接連接即可。鋪筑實木板以后，需要對分布筋進行簡易的綁扎就能夠直接對混凝土結構進行施工，既沒有進行滿堂腳手架的搭設，也沒有撐模，在澆筑的時候只需使用三腳架進行簡易的支承就能夠了，這樣在一定程度減少了澆筑工期，同時也降低了人工成本。而預制混凝土疊合樓板在進行澆筑的過程中，也使用了BIM 技術進行模型模擬，并且所有預留預埋的工作都在廠房內(nèi)部進行，只需要板材強度滿足設計標準之后就可以在現(xiàn)場完成吊掛。

3.4 內(nèi)墻體系

常用內(nèi)墻系統(tǒng)主要有砌塊墻體、輕鋼龍骨隔墻、ALC 板等三種。通過調(diào)研分析上述三種內(nèi)墻系統(tǒng)的優(yōu)勢，以及存在的主要問題。由于超高層建筑鋼結構在水平負荷下的側向變化很大，因此采用砌塊墻體時容易產(chǎn)生開裂；輕鋼龍骨隔墻舒適度低下，不能適應人類常規(guī)的家居體驗；ALC 板式內(nèi)墻砌塊結構與傳統(tǒng)磚墻相似，但穩(wěn)定性較好，并且在預制階段時，可通過BIM 技術，實現(xiàn)電氣管線預埋。

3.5 綠色建筑技術

現(xiàn)代建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于施工技術應用中的綠色施工技術運用已經(jīng)日益完善，而這種綠色的施工技術運用已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑行業(yè)施工技術發(fā)展中的關鍵性施工技術手段。同時在建筑的設計流程中，也合理地轉移了施工成本投入。

3.6 空間結構布局與高層建筑功能相配合

建筑工程項目通過使用裝配式鋼結構系統(tǒng)，有效提升了建筑材料使用質量，以達到對項目整體建筑功能的標準化要求，重點表現(xiàn)在如下三方面：（1）提高建筑外立面通透性，支撐、黏滯阻尼墻主要布設在公共交通區(qū)域的隔墻部位，以提高建筑物外立面視覺通透性。（2）靈活劃分戶型，在各戶型的整個室內(nèi)空間中，框架柱子數(shù)量最少，戶型空間分割靈活。（3）緩解露、梁露柱問題。在結構設計中采用了將鋼管或混凝土墻扁長化，以降低隔墻厚度，同時利用現(xiàn)代室內(nèi)裝飾技術，能有效緩解居室露梁、露柱問題。

3.7 鋼柱定位設計

在進行裝配式建筑工程鋼結構施工的過程中，會應用到很多鋼結構設計，而這一工作的前提就是對各類型的鋼柱進行定位和分析，為后續(xù)的鋼結構搭建提供具有實踐意義的幫助，保證施工的準度和精度。在工作開展過程中，首先要做好鋼結構原點的測試工作，確保整體結構的起點足夠準確，可以有效地承擔后續(xù)的結構任務，并開展多次、多角度測試，盡可能地保證整體鋼柱位置符合建筑施工實際，在過程中應用最多的技術就是閉合方法。其次，還需要盡可能地應用錨固住支撐平臺，這一平臺的搭建和應用將進一步地確保鋼結構自身的穩(wěn)定性，在對鋼柱進行定位設計時，則需要盡可能地保證整體柱體的建立。

4 重點問題

4.1 重型鋼結構

重型鋼結構建筑項目隨著建筑技術的不斷進步和發(fā)展如同雨后春筍般飛速發(fā)展。然而重型鋼結構建筑的主要材料則為重型鋼材料，一般采用螺栓連接或焊接工藝進行施工。如鳥巢主要應用鋼結構建設的超裝配式建筑，建設耗費的鋼材料高達600 000t。裝配式重型鋼結構工程設計的標準要比鋼筋混凝土結構建筑要高，將傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構和鋼結構的建設工程相結合，并詳細掌握兩者之間的關系，不斷發(fā)揮兩種結構之間的優(yōu)勢，提高重型鋼結構建筑項目的穩(wěn)定性。

4.2 吊裝技術

吊裝技術是鋼結構建筑施工中常見的施工手段，其科學性和可實施性決定著整個施工過程的進展，因此，吊裝設備在準備階段要根據(jù)施工現(xiàn)場情況制定合理的方案，在方案制定過程中，首先要進行對現(xiàn)場進行勘測，切勿紙上談兵。其次要根據(jù)調(diào)查報告，通過匯總資料，有的放矢的進行吊裝設計方案的規(guī)劃，在制定方案時，則必須將實際施工中所遇到的各種突發(fā)情況。最后在施工過程中要以設計的方案作為基礎方案，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況進行調(diào)整，不僅要滿足吊裝施工的相關規(guī)定，還要具備突發(fā)事件的應急能力。同時，也要將吊裝施工過程中的安全問題作為施工的首要問題，不斷的發(fā)現(xiàn)問題，進而解決具體施工過程中出現(xiàn)的問題，摒除安全隱患，降低在作業(yè)過程中的危險系數(shù)，提高工程進度。

4.3 構件拼接

裝配式建筑工程施工過程中鋼結構構件連接方式主要有焊接工藝、螺栓鏈接等。焊接工藝是一種采用局部高溫加熱、融化、冷卻的過程，使構件兩端自然連成一體的工藝手段，在焊接的過程中，構件容易變形，因此為了避免或降低焊接應力變形，選擇合適的焊接技術和焊接順序尤為重要。在根據(jù)施工設計圖紙進行作業(yè)時，要根據(jù)焊接材料、氣體以及工藝手段的設備進行選擇鋼材的類型，從而保證施工的規(guī)范性、降低裂紋、固體夾雜等焊接問題的發(fā)生概率。當遇到焊接缺陷問題發(fā)生時，首先要找到發(fā)生焊接缺陷問題的原因，明確缺陷類型，根據(jù)不同的原因和缺陷類型，選擇恰當?shù)奶幚矸绞健１热绠敵霈F(xiàn)焊接瘤問題，則要思考引起焊接瘤出現(xiàn)的原因，通過技術手段確定焊接瘤產(chǎn)生是由那種問題引起的，根據(jù)引起問題的原因找出焊接缺陷的解決方案。

螺栓連接通常包括普通螺栓連接和高強度螺栓連接，普通螺栓連接通常采用半永久性的鏈接螺栓，因此，在施工過程中如果采用的是普通螺栓鏈接，則需要認真全面檢查普通螺栓的質量，保證普通螺栓的部件完整性，避免因部件不完整造成的反工。另外還應當注意墊圈的使用，每個螺栓只能使用一個墊圈，更不能用大螺母代替墊圈，特別注意，在重要部位或動力載荷區(qū)域使用的彈簧墊圈的規(guī)格和材質的規(guī)范。在施工過程中采用高強度螺栓連接，首先要確定好鏈接方式（平接、搭接或者T 型鏈接等）。根據(jù)不同的工藝要求和材料，采用不同的鏈接方式，無論采用那種方式的鏈接，在施工過程中都要從中間開始，然后按照順序通過對稱的兩側進行緊固，其中，緊固標準也要遵守施工工藝的基本要求。

4.4 涂裝工藝

涂裝工藝是裝配式建筑施工中鋼結構表面的涂層作業(yè)，其主要作用是隔離、防腐、防氧化，提高鋼結構的壽命，將鋼結構與空氣隔開，從而能夠使鋼結構的使用壽命滿足建筑物的整體質量標準。涂裝工藝的施工主要包含：防腐涂裝、防火涂裝。防腐涂裝首先要選用耐腐蝕性的涂裝材料，然后做到對鋼結構的表面進行清潔處理，保證鋼結構在防腐涂裝的過程中的潔凈。同時在防腐材料涂刷前，要注意防腐材料的粘度和均勻性，以保證防腐材料能夠保持平穩(wěn)、均勻地涂在鋼結構的表面。

5 結語

隨著我國建筑技術的不斷更新，裝配式建筑在施工過程中的影響越來越大。裝配式建筑優(yōu)良的性能和良好的外觀形象被大范圍的應用。但是由于我國裝配式建筑發(fā)展相對較晚，雖然其各項性能處于優(yōu)勢，但在裝配式建筑工程鋼結構施工過程中依然存在一些問題。因此，需要不斷地對裝配式建筑的施工工藝進行深入研究，不斷在實踐中總結裝配式建筑的結構特征，不斷更新施工工藝并總結施工案例，不斷提升裝配式建筑工藝要求。