裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐與思考

徐 剛

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)的必要性

1.1 主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所采用的材料和施工工藝分析

鋼結(jié)構(gòu)住宅在房型構(gòu)思設(shè)計(jì)上應(yīng)具備較大的靈活性和通用性，從而使得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置及尺寸的大小選用也更加靈活，而同時(shí)，型鋼的選擇無論是采用何種尺寸大小或是形狀，都可以根據(jù)住房建筑的實(shí)際要求對(duì)廠家要求定制，施工安裝采用現(xiàn)場(chǎng)焊接和螺栓連接。從具體的項(xiàng)目來說，這些個(gè)性化方案均不會(huì)影響到工程質(zhì)量要求和施工期限要求，即便采用不同的型鋼尺寸，仍然可以滿足整體的規(guī)范化要求。

1.2 從樓板系統(tǒng)所選用的材料和施工工藝分析

從當(dāng)前應(yīng)用實(shí)際來看，現(xiàn)澆樓板系統(tǒng)是常用的施工方法，技術(shù)相對(duì)比較成熟且靈活性極高。雖然現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)存在諸多問題，但對(duì)整個(gè)建筑的施工質(zhì)量和工期影響并不大，它的靈活性并不和整個(gè)模塊的建筑體系有任何沖突。

1.3 從外墻圍護(hù)系統(tǒng)所選用的材料和施工工藝分析

外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料和施工工藝種類繁雜多樣，從材料的形態(tài)方面來看可簡(jiǎn)單地分為小砌塊和大掛板，從施工的過程來看可分為砌體和干掛式安裝，不同材料和施工工藝的選擇最終將影響模塊化系統(tǒng)的構(gòu)建。因此，外墻圍護(hù)體系的問題是構(gòu)建模塊化體系的關(guān)鍵。事實(shí)上，在目前的鋼結(jié)構(gòu)住宅施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系仍然是主要問題。目前外墻防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)化的要求。一方面與外墻構(gòu)件工業(yè)生產(chǎn)件的不成熟有關(guān)，另一方面外墻防護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中沒有得到足夠的重視。因此只有優(yōu)先進(jìn)行圍護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)才能有效發(fā)揮墻板生產(chǎn)安裝產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的綜合效益。[1]

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的特點(diǎn)

2.1 裝配式與鋼結(jié)構(gòu)

施工現(xiàn)場(chǎng)具有與構(gòu)件的生產(chǎn)和組裝相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在計(jì)算用料配比時(shí)，方便對(duì)建筑物主體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)施工的綜合效果得出評(píng)估，以便利用好鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，由此，鋼結(jié)構(gòu)就有了新的定義。在現(xiàn)有建筑鋼結(jié)構(gòu)制造和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，又增加了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、制造和施工、綜合報(bào)表、信息管理、智能操作等流程和模塊。其中，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的施工不同于一般傳統(tǒng)施工。在現(xiàn)階段中，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，與常態(tài)化發(fā)展不同，在螺栓層面則很難實(shí)施。例如，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：減少建筑的結(jié)構(gòu)類型，增加模塊組合，減少類型，增加結(jié)構(gòu)部件檢查，降低適應(yīng)性，增加與電氣系統(tǒng)的兼容性，以促進(jìn)不同系統(tǒng)之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)項(xiàng)目參與者的基本特征，將傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)與制造鋼結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。二者間的區(qū)別是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工程中傳遞各方利益和擴(kuò)大自身利益的核心，鋼結(jié)構(gòu)工程各方應(yīng)致力于提供完整的產(chǎn)品件，構(gòu)建共同利益體，以最大程度地提升建筑項(xiàng)目的整體社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)與住宅戶型

當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)高層住宅多采用有條件轉(zhuǎn)換墻體系，這個(gè)體系的產(chǎn)生益于住宅建筑的質(zhì)量和社會(huì)效益的最大化，這一體系有著極強(qiáng)的適配性，和所有的建筑單元都能較好地融合，使一些特有的房屋建造形式所受到的限制得以改變，變得既可靠又合理。以這個(gè)形式為基礎(chǔ)，如果單元住宅的活動(dòng)墻結(jié)構(gòu)不能滿足適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)體系，則最終效果往往并不會(huì)很理想。例如，鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)影響到內(nèi)部空間，用外露柱和梁替換結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的原始立墻和天花板等。此外，室內(nèi)外住宅的類型多樣性對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際構(gòu)建產(chǎn)生影響，使一些建筑體的建設(shè)使用成本上升。對(duì)這種情況如不加以限制，也必將給預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅的長(zhǎng)久安全使用留下了許多隱患，對(duì)推進(jìn)預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅的健康發(fā)展產(chǎn)生不利。因此，建筑類型和房屋類型在選用裝配式鋼結(jié)構(gòu)中起著決定性的作用。合理的結(jié)構(gòu)形式不僅可以合理避免裝配式鋼結(jié)構(gòu)的缺陷，而且可以更好地發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。建筑類型是決定裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅質(zhì)量的最重要因素?？偟膩碚f，這種因素貫穿于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)全過程，具有預(yù)前性和全局統(tǒng)領(lǐng)性。[2]

2.3 建筑需求與結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量與房屋建筑質(zhì)量密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)體系的選用起著重要作用。在結(jié)構(gòu)方面，最基本的因素就是建筑安全問題，除此之外，經(jīng)濟(jì)性、施工質(zhì)量的要求和整個(gè)施工的階段性要求是鋼結(jié)構(gòu)住宅的三大要求。鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)初期，一般來說會(huì)面臨鋼材供應(yīng)不足或鋼材料的價(jià)格波動(dòng)大等問題。所以說經(jīng)濟(jì)性是制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的一個(gè)重要方面。從經(jīng)濟(jì)性方面出發(fā)，早期的鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計(jì)大多采用S 型鋼框架、鋼桁架墻和鋼芯支撐等鋼結(jié)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)輪廓和有效應(yīng)力可最大程度上節(jié)省鋼材消耗。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量不斷地提高，人們對(duì)建筑質(zhì)量的要求也更高，鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展初期存在著更多缺點(diǎn)和不足，嚴(yán)重影響人們的住房居住生活質(zhì)量，在不斷的演化過程中，中期鋼結(jié)構(gòu)住宅體系有了新的改進(jìn)，如應(yīng)用偏心支撐鋼框架、異形支撐柱框架等。柱分格與柱的不同部位互相連接，或與相關(guān)框架柱相比降低高度和寬度，以最大程度保護(hù)內(nèi)柱，不得使用全間距的專用運(yùn)輸工具對(duì)能夠滿足施工類型要求的構(gòu)件施加側(cè)向力等新的措施。

新時(shí)期，隨著建筑新業(yè)態(tài)的不斷擴(kuò)大發(fā)展，作為建筑業(yè)的新的建筑形式，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求也與日增加。目前來看，早期鋼結(jié)構(gòu)和中期整配式鋼結(jié)構(gòu)房屋都被廣泛地定義為裝配式房屋構(gòu)型。在住宅建筑過程中，要充分考慮到建筑的經(jīng)濟(jì)效果和建筑質(zhì)量，選用合理的構(gòu)型結(jié)構(gòu)，靈活適配應(yīng)用鋼框架，以使其更具靈活性，無露柱或少露柱，確保鋼結(jié)構(gòu)建筑體的安全、經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量。還要注意減少全螺栓連接和干相連接的現(xiàn)場(chǎng)工序操作。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅建筑中的優(yōu)勢(shì)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐中要始終遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，減少構(gòu)件的規(guī)格和種類，增加通用性。鋼結(jié)構(gòu)及檢修系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)在廠區(qū)加工生產(chǎn)完成后應(yīng)成體系運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)成安裝調(diào)試和施工。與普通住宅相比，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅具有多項(xiàng)明顯優(yōu)勢(shì)，具體主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 高凈空大空間和自重輕抗震性能強(qiáng)

與普通住宅相比，采用由鋼結(jié)構(gòu)組成的建筑結(jié)構(gòu)體系會(huì)獲得更多更大的建筑使用空間，提高了有限空間的合理利用。居住者可利用的住房空間需求得到了最大滿足，這充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住房結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，還體現(xiàn)了空間利用率高、空間使用效能大的優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)構(gòu)型看，采用由鋼結(jié)構(gòu)組成的建筑結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)的扇形尺寸小于傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件的扇形尺寸，由此可知鋼結(jié)構(gòu)的自重會(huì)相對(duì)更輕。在滿足充足的空間使用需求的同時(shí)，還有效節(jié)省了建筑材料成本，且鋼材的載荷、強(qiáng)度和密度具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)。它降低了施工返工風(fēng)險(xiǎn)，確保了良好的性能和避震抗震安全性，讓居住者生活居住放心、舒心。

3.2 綠色可循環(huán)利用的建筑材料

《中共中央、國(guó)務(wù)院關(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》是新時(shí)期提出的可推進(jìn)節(jié)能型城市和綠色建材建設(shè)的行政指導(dǎo)意見。作為一種工業(yè)用料，鋼具有良好的密度、抗拉伸變形、耐化學(xué)性和抗風(fēng)性。此外，使用鋼結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，其經(jīng)濟(jì)成本約為傳統(tǒng)混凝土的50%左右，可大大降低施工成本。最后，與傳統(tǒng)建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)可以回收二次利用，拆除的一部分建筑材料經(jīng)回爐冶煉還具有其他的使用價(jià)值。在整個(gè)建筑物生命周期里，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計(jì)滿足并完全符合我國(guó)“十四五”時(shí)期規(guī)劃提出的“減量化、再利用、循環(huán)利用”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)用發(fā)展原則，即對(duì)環(huán)境性能影響最小的建筑結(jié)構(gòu)體系。[3]

3.3 輕量化、快速高效的施工工藝及方法

預(yù)制施工方案中的零件來源主要是由建筑構(gòu)件制造商制造和加工完成提供的，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)主要是對(duì)預(yù)制零件的施工和組裝調(diào)配。與傳統(tǒng)施工方法不同的是，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)更為簡(jiǎn)單，一定程度上可縮短建筑施工工期，且減少了其他施工輔料的用料比例，對(duì)建筑周圍的環(huán)境破壞或不利影響也較小，用料比例的減少及施工噪聲相對(duì)較少，對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境還有居民生活質(zhì)量都有著一定程度的改善。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和整體的模塊化施工，可根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模提前在室內(nèi)制作并安裝好一部分預(yù)制構(gòu)件。施工速度更快了，施工的時(shí)間較以往的施工時(shí)間縮短近四分之一或三分之一，當(dāng)然，其不僅是縮短了施工的時(shí)間，還降低了最終施工現(xiàn)場(chǎng)所造成的資源浪費(fèi)和能源消耗。此外，依賴成熟高效的制造模式和工業(yè)效率，建筑構(gòu)件的質(zhì)量將在一定程度上得到提高，并提高預(yù)制結(jié)構(gòu)件的性價(jià)比，這一系列優(yōu)點(diǎn)都對(duì)住宅建筑的高效施工有著極大的促進(jìn)作用。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

4.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思維的滯后

從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變是一個(gè)長(zhǎng)期且相對(duì)漫長(zhǎng)過程，同樣也是一個(gè)需要不斷努力和提升的過程。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)過程中，固有的設(shè)計(jì)概念和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維不能得到突破創(chuàng)新是阻礙建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，整個(gè)設(shè)計(jì)過程相對(duì)自由，這與裝配式預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)的概念相悖。建筑設(shè)計(jì)師的標(biāo)準(zhǔn)化和一體化設(shè)計(jì)能力決定了住宅建筑的最終效果，對(duì)住宅設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，宏觀、全面和系統(tǒng)的思考能力是新時(shí)期對(duì)建筑設(shè)計(jì)師的時(shí)代要求和命題。

4.2 非標(biāo)準(zhǔn)化和非一體化的裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)

過去的設(shè)計(jì)理念更新速度跟不上建筑形態(tài)變化的市場(chǎng)情況下，一些地區(qū)出現(xiàn)了一批設(shè)計(jì)規(guī)范不完善的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目。這些采用鋼結(jié)構(gòu)材料和裝配工藝的工程項(xiàng)目，雖在一定程度上符合或勉強(qiáng)達(dá)到了國(guó)家關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但離真正的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。在一些地區(qū)的試點(diǎn)項(xiàng)目如經(jīng)濟(jì)適用房住宅項(xiàng)目中，因?yàn)樽》康墓沧赓U或保障性住房的公益特性，房地產(chǎn)開發(fā)商所獲經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)低，因而這類房屋在建造過程中開發(fā)商往往會(huì)以片面經(jīng)濟(jì)利益為追求目的，使用非標(biāo)準(zhǔn)化和非一體化的裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這將影響到作為行業(yè)指標(biāo)的預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和整體設(shè)計(jì)理念推廣。鋼結(jié)構(gòu)裝配施工后要切實(shí)符合建筑行業(yè)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)級(jí)要求，但在實(shí)踐中，因設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)造價(jià)高，建筑裝配結(jié)果往往與理想、舒適、標(biāo)準(zhǔn)的建筑效果存有差距。[4]

5 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐

5.1 圍護(hù)體建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第一，圍護(hù)體系選擇須滿足建筑系統(tǒng)總體性能要求。第二，所裝配模塊間接觸面應(yīng)平直整齊，外墻板及構(gòu)件、門窗件、陽臺(tái)件、空調(diào)板件、窗戶及復(fù)雜構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)科學(xué)合理。第三，內(nèi)部管道應(yīng)與墻壁盡量貼合，圍護(hù)體模塊接觸面不得有溝槽和墊層，以便對(duì)管線的后期維護(hù)和更換。

5.2 平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑工程的質(zhì)量，降低建筑工程的施工成本，在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重考慮模塊間的協(xié)調(diào)性，根據(jù)模塊的規(guī)模大小和使用性質(zhì)以及支撐構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、分類性和通用性等因素合理裝配。建筑空間布局科學(xué)，豎向受力構(gòu)件布置均勻合理，設(shè)備和管道鋪裝裝配好，是實(shí)現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑全生命周期的空間適配性和可變性的前提。應(yīng)充分考慮整體布局和廚衛(wèi)等空間的方位位置設(shè)計(jì)，以及管線輔料設(shè)備從采購(gòu)到裝配的全流程把控。[5]

5.3 立面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)、模塊和系統(tǒng)進(jìn)行全方位系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。外墻構(gòu)件可使用不同的成品材料來完成不同的設(shè)計(jì)要求。通過靈活組合裝配不同的外墻構(gòu)件等形式來實(shí)現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的總體設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用已組合完成的鋼結(jié)構(gòu)外墻構(gòu)件來滿足建筑體的復(fù)雜功能，實(shí)現(xiàn)滿足多元多樣化的建筑設(shè)計(jì)要求。在整體設(shè)計(jì)、整體加工、整體施工中，很難在室內(nèi)一次完成的大型預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)件可在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分段模塊再結(jié)合并裝配。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑發(fā)展至今已有百余年歷史，但還未得到充分發(fā)展和為大眾所接受，鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的長(zhǎng)期耐用以及高層安全等問題仍受到社會(huì)各方面的質(zhì)疑。目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍處于研究階段，許多施工裝配技術(shù)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化措施等問題解決仍處于探索階段。但有一點(diǎn)是可以肯定的，即系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑理論已得到科學(xué)確立，鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的完成需要建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、設(shè)備材料工藝加工以及裝配調(diào)試等多方面緊密配合。它也是一個(gè)各學(xué)科間不斷創(chuàng)新、整合和協(xié)調(diào)配合的過程。