綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系研究與應(yīng)用

王巍

（山西省安裝集團(tuán)股份有限公司，山西太原 030012）

0 引言

從我國(guó)建筑業(yè)的總體發(fā)展過(guò)程來(lái)看，裝配式建筑在每個(gè)發(fā)展階段都是一種獨(dú)特的產(chǎn)品，它有著時(shí)代的特征。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，裝配式建筑所使用的建筑形式以鋼結(jié)構(gòu)為主體，這種結(jié)構(gòu)具有材料質(zhì)地較輕、資源利用程度高、現(xiàn)場(chǎng)施工裝配化等明顯的特征，而且還可以在一定程度上賦予生產(chǎn)過(guò)程循環(huán)化的性質(zhì)。將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到裝配式建筑中，不僅可以有效地節(jié)約能源，還可以減少?lài)?yán)重的環(huán)境污染。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的建筑業(yè)經(jīng)歷了一場(chǎng)巨大的變革，施工方式也從傳統(tǒng)的施工方式向現(xiàn)代化的施工方式轉(zhuǎn)變。而且，在低碳經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展思想的全面貫徹下，裝配式綠色建筑將是建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在2017年年初，我國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見(jiàn)》中，更是明確了裝配式施工的重要意義。作為一種天然式的裝配式結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。而且，因?yàn)檠b配式鋼結(jié)構(gòu)可以快速地與標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、信息化以及工廠化等發(fā)展要求相匹配，還可以與現(xiàn)代“創(chuàng)新、綠色、開(kāi)方、協(xié)調(diào)、共享”的發(fā)展理念相契合，它是推動(dòng)國(guó)家建筑綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力源泉。

1 綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)

1.1 綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的含義

“綠色”的鋼結(jié)構(gòu)是在“綠色發(fā)展”的基礎(chǔ)上，將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工業(yè)化、施工組裝、裝修一體化、管理信息化和應(yīng)用化，并支持進(jìn)行構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。裝配式鋼結(jié)構(gòu)是一種節(jié)能減排、節(jié)能減排、促進(jìn)工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善工程質(zhì)量的新型建材。

1.2 綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)

（1）生產(chǎn)特性。在鋼構(gòu)件的組裝設(shè)計(jì)中，要求構(gòu)件制造商根據(jù)鋼材的特性，采用現(xiàn)代工藝進(jìn)行工藝制造。保證所加工制造的鋼結(jié)構(gòu)部件達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)始前，完成組裝鋼架的所有部件，并將其安全運(yùn)送至工地，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)和存儲(chǔ)。由于在實(shí)際工程中，由于各部件之間的拼裝與連接所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)較少，從而加速了建造速度，加速了建造的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，改善了建筑質(zhì)量。在目前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)耗費(fèi)了許多的人力物力，而在目前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，能耗高已經(jīng)是社會(huì)普遍關(guān)心的問(wèn)題，同時(shí)也是制約國(guó)家發(fā)展的一個(gè)瓶頸[1]。使用大量的鋼構(gòu)件，以滿足鋼鐵生產(chǎn)的需求。而組裝型鋼架的各種部件也將在不同的工廠進(jìn)行加工，從而促進(jìn)了預(yù)制板的發(fā)展，從而促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，采用組裝鋼制構(gòu)件進(jìn)行流水作業(yè)，使其工業(yè)化、工業(yè)化、機(jī)械化程度得到了改善，使其產(chǎn)品的智能化，使構(gòu)件的制造水平得到了進(jìn)一步的改善。

（2）能源和環(huán)境友好特性。裝配式鋼結(jié)構(gòu)符合綠色環(huán)保的要求，降低了原材料的配比，例如，在建筑框架的安裝中，可以使圍護(hù)結(jié)構(gòu)與保溫墻體更好的結(jié)合，并采用了新的砌體材料。在工程建設(shè)中要注意各種物料的用量，如砂石、水泥、塊兒料等，以防止建材的大量消耗[2]。同時(shí)，采用組合鋼混合體也能有效降低建筑廢棄物的產(chǎn)生。避免在建筑廢棄物治理中投入大量的金錢(qián)，減少對(duì)周?chē)ㄖ奈廴荆且环N可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保理念。裝配式鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)

1.3 信息化管理與智能化管理模式的應(yīng)用

在生產(chǎn)過(guò)程中，部件的制造要給員工創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，而且生產(chǎn)過(guò)程和質(zhì)量檢驗(yàn)都需要大量的員工，一個(gè)良好的工作環(huán)境可以減少員工的不確定因素。另外，在建筑工地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝，以運(yùn)輸和安裝為主，這將會(huì)大大減少建筑工人的數(shù)量，從而提高建筑安全管理法規(guī)的執(zhí)行[3]。

2 基于生態(tài)理念的綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系方案

2.1 新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系配置

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化時(shí)，既要有先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，又要對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入的探討。通過(guò)這種方式，既可以為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化配置提供了有利的環(huán)境，也可以使技術(shù)人員了解到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的問(wèn)題，從而從根本上提高住宅的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)與施工中，要善于運(yùn)用和運(yùn)用新型的設(shè)計(jì)思想與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并提出一種新型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的配置方案，既可以解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，又可以提高結(jié)構(gòu)的整體性能，確保生態(tài)效益的實(shí)現(xiàn)[4]。

在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者必須正確認(rèn)識(shí)建筑的基本位置，將先進(jìn)的內(nèi)部控制技術(shù)與整體設(shè)計(jì)思想結(jié)合起來(lái)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。其中，系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)是建筑物的結(jié)構(gòu)框架，此外還需要對(duì)梁體、柱體進(jìn)行分析，將生態(tài)布局納入規(guī)劃中。在必要時(shí)，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，以確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力效應(yīng)，并對(duì)不合理的地方進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。同時(shí)，必須將基礎(chǔ)房屋的基礎(chǔ)構(gòu)造納入設(shè)計(jì)中，并嚴(yán)格遵守《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，以確保結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的精度。BIM技術(shù)是提高設(shè)計(jì)精度的一項(xiàng)重要技術(shù)，它可以應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑的設(shè)計(jì)。

2.2 新型圍護(hù)體系配置

新的圍護(hù)系統(tǒng)是對(duì)原有的鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)。新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)、建筑、內(nèi)部的一體化，形成了一種綠色、高效的新型結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)。以建筑的功能為中心，以框架為單元進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的施工，盡可能地使建筑的立柱、網(wǎng)狀等規(guī)格統(tǒng)一，并合理地安排房型的設(shè)計(jì)與功能布置。以鋼結(jié)構(gòu)為基本條件，在滿足建筑功能的前提下，通過(guò)合理的鋼結(jié)構(gòu)布局，能夠滿足大面積的室內(nèi)布局要求，滿足實(shí)際的要求[5]。同時(shí)，要嚴(yán)格控制項(xiàng)目的成本，降低施工難度，從而有效促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

2.3 模塊化、工廠化的新型建筑體系

綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工廠、模塊化的目的。利用預(yù)制件，可以使鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)框架迅速成型。在建筑工地上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)濕操作，所有的預(yù)制件都是工廠化的，如可拆卸式活動(dòng)房、模塊化的集裝箱房?？刹鹦妒交顒?dòng)房，其主體框架主要是輕型鋼結(jié)構(gòu)。建筑圍護(hù)采用了彩色鋼板，采用了標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)組合，采用螺栓進(jìn)行連接，安裝和拆卸速度較快，具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間、環(huán)保、節(jié)能、建筑垃圾較少等優(yōu)點(diǎn)[6]。模塊化的集裝箱，以箱子為基礎(chǔ)。以型鋼、薄鋼板為箱體骨架，采用不燃燒材料作外罩，箱室最大的特色就是內(nèi)外裝飾均可在工廠內(nèi)進(jìn)行，無(wú)須重新裝修。與傳統(tǒng)的建筑系統(tǒng)相比，工廠化建筑結(jié)構(gòu)、外墻、門(mén)窗、內(nèi)部裝飾等都可以在工廠中實(shí)現(xiàn)。在工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，可以達(dá)到更好的一致性和規(guī)模，在質(zhì)量管理系統(tǒng)的監(jiān)管下，所有的預(yù)制件都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，然后才能出廠，保證工程完工后，不會(huì)有任何的問(wèn)題。采用工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、機(jī)械化生產(chǎn)，其生產(chǎn)、安裝效率比手工作業(yè)快10倍以上，而且物料利用率也比手工作業(yè)高，減少了大量的材料浪費(fèi)，節(jié)約了施工總費(fèi)用。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)與控制，確保所有的部件都能達(dá)到國(guó)家的質(zhì)量要求，從而保證工程的安全、質(zhì)量，并能防止因材料不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致工程停工、返工等問(wèn)題，從而節(jié)省施工的時(shí)間，保證工程的順利完成。

2.4 工業(yè)化住宅建筑體系

工業(yè)化住宅建設(shè)是當(dāng)前我國(guó)住宅建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的房屋結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土為主，使用水泥會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)產(chǎn)生的污水也會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成一定的污染。鋼結(jié)構(gòu)房屋的鋼可回收再利用，不會(huì)變成建筑廢棄物，不需投入大量的資金進(jìn)行處置，而且滿足了住宅節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的要求。預(yù)制件采用標(biāo)準(zhǔn)化的模數(shù)化設(shè)計(jì)，工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)加工、制造.鋼結(jié)構(gòu)住宅采用了新的建材，既滿足了綠色環(huán)保的需求，又具有抗震、防火的雙重作用。在住宅建筑的設(shè)計(jì)中，采用異地裝配的模數(shù)，對(duì)部件、部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的居住產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)了部件部件的工業(yè)化生產(chǎn)，組合，降低了工程的難度。目前，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展并不順利，存在著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)、外部環(huán)境等諸多問(wèn)題。

目前，最常用的是鋼管束組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，它采用了一種基于“鋼管束組合”的結(jié)構(gòu)模型，它可以將一個(gè)整體的模型結(jié)合起來(lái)，通過(guò)仿真試驗(yàn)，得到了鋼管的承載能力和剛度。而成板的構(gòu)造則要求采用“H型”鋼筋桁架，能很好地解決接頭承載能力的問(wèn)題。同時(shí)，新型的剪力墻也要加大研究力度，相比于傳統(tǒng)的鋼板剪力墻，它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，地震作用小，可以靈活的安裝，更多的空間，可以代替鋼結(jié)構(gòu)，改善房屋的使用效果和安全性[7]。通過(guò)對(duì)住宅的布局、承重設(shè)計(jì)和剪切效應(yīng)的試驗(yàn)，確定住宅建筑所需的鋼料量，從而保證住宅的安全。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的應(yīng)用

3.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中梁柱的連接節(jié)點(diǎn)

根據(jù)連接剛度的不同，可以將梁柱連接方式劃分為剛性連接、半剛性連接、鉸接連接。根據(jù)連接方式，可以將梁柱連接方式分為全焊接連接、栓焊混合連接、全螺栓連接。在多層鋼結(jié)構(gòu)中，梁、柱的連接可以采用剛性連接，即梁的翼緣與腹板的整體焊接，也可以通過(guò)翼緣的焊接、腹板的螺栓、翼緣和腹板的螺栓等來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用全焊接方法可以達(dá)到等強(qiáng)度剛接的鋼結(jié)構(gòu)，但是由于現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)繁重，而且受多種因素的制約，使得焊接施工中出現(xiàn)了許多質(zhì)量問(wèn)題。此外，由于焊接殘余應(yīng)力大，在實(shí)際焊接中很難進(jìn)行，而且對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)的成本也很高，因此，在鋼梁和柱間進(jìn)行焊接時(shí)，不宜采用就地焊接[8]。采用栓焊復(fù)合接頭，不但施工簡(jiǎn)便，而且可以確保焊接強(qiáng)度與完全焊接接頭的強(qiáng)度相當(dāng)。美國(guó)、日本的大地震后，鋼結(jié)構(gòu)雖然強(qiáng)度高、塑性好、韌性好，但在大地震的沖擊下，還是會(huì)導(dǎo)致梁柱的一些節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生脆性斷裂，而斷裂的部位主要集中在梁下翼緣和立柱的焊縫處。同時(shí)也充分暴露了鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的缺陷。

因此，對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采取螺栓聯(lián)接形式，以加快其安裝速度，確保其施工質(zhì)量。盡管采用這種螺栓連接方法，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量要多于焊接節(jié)點(diǎn)，而且實(shí)際節(jié)點(diǎn)也要大，但是其整體經(jīng)濟(jì)效益要比現(xiàn)場(chǎng)焊接的造價(jià)要低一些。梁柱全螺栓聯(lián)結(jié)既可達(dá)到剛性聯(lián)結(jié)又可實(shí)現(xiàn)半剛性聯(lián)結(jié)，而剛性聯(lián)結(jié)方法的計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)便，在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。而半剛性接頭的實(shí)際能耗較高，螺栓用量少，經(jīng)濟(jì)效益高，但其實(shí)際計(jì)算和分析比較煩瑣。這兩種方法均適用于在多發(fā)性地震條件下的裝配式、高層鋼結(jié)構(gòu)工程。

3.2 支撐與框架兩者間的連接節(jié)點(diǎn)

由于建筑施工中高層建筑數(shù)量的增加，單純的框架結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)上的應(yīng)用日益減少。而中央支承框架與偏心支承框架結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)上表現(xiàn)出更高的優(yōu)越性，但其支承強(qiáng)度也比較大。對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)，支架和支架之間的連接也多為全螺栓連接，這樣可以方便施工單位在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝和維修。在支撐框架系統(tǒng)中，一般都是采用板型節(jié)點(diǎn)，將其與梁柱相連，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的綠色環(huán)保技術(shù)已成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。所以，在具體的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者要積極地將各種技術(shù)理論相結(jié)合，積極使用綠色環(huán)保的建筑材料，利用一體化的設(shè)計(jì)思想，推動(dòng)結(jié)構(gòu)與其他輔助設(shè)施的結(jié)合，使建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成部分成為一個(gè)有機(jī)的整體，在一個(gè)好的結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同下，使其他設(shè)施的運(yùn)作效率也能獲得提高，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。并圍繞此展開(kāi)全面改進(jìn)與優(yōu)化，進(jìn)而從根本上促使綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)踐效果的有效提升。