装配式钢结构建筑体系及低能耗技术探索研究与应用

一、概述

1.装配式建筑体系

装配式建筑是指标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，并且支持标准化部品部件的建筑。发展装配式建筑是推动供给侧结构性改革和新型城镇化发展的客观要求，不仅可以节约资源、减少施工污染、提高劳动生产效率和质量安全水平，而且可促进建筑业与信息化工业化深度融合，培育新产业新动能、化解过剩产能，推动建筑业转型升级。

将高效装配技术与低能耗技术结合进行研究和应用具有诸多优势：

（1）从建筑物全生命周期角度出发，在设计阶段采用低能耗设计技术；

（2）采用高效装配和同时节能的围护体系；

（3）注重建筑物全过程的节能减排，建筑体系尽量减少使用高能耗、不易回收材料，采用低能耗、可回收循环使用材料；

（4）通过BIM技术与绿色建筑相结合，提升建造的能力，同时有效降低能耗，节省材料，降低工期；

（5）降低建筑系统使用能耗，加大太阳能等清洁能源的利用。

装配式建筑按建造结构分类，可分为以下三种：

木结构—在我国主要应用于低层别墅及景区建筑，不适用于解决大量人口居住问题。

PC结构—装配整体式混凝土结构是由预制混凝土构件或部件通过钢筋，连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构。

钢结构—强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、结构构件尺寸小、工业化程度高。材料绿色环保。

2.目前装配式钢结构建筑存在的常见问题

目前装配式钢结构建筑还存在许多众所周知的问题，比如当前造价不低；结构体系超出相关规范规定，需要专门超限审查；结构体系未发挥钢结构大跨度、大空间优势，仍然采用混凝土结构思路；体系生产线投资高，需要专用设备生产，不利于产业化；未采用标准化设计和采用工业化思路等。

当前形势下，阻碍装配式钢结构建筑发展主要存在的问题有三点：一是仅研发结构体系，围护体系成熟度低，结构与围护体系不配套，三板问题突出；二是构件及部品标准化程度低，同时未能较好应用BIM技术；三是未注重成熟产品的“集成创新”，采用过多未经检验的新产品，新工法。

3.西建大装配式建筑体系

针对上述一些问题，西安建筑科技大学钢结构科研团队以产品思维和细节思维出发，研发了一套独有的装配式建筑体系：以建筑功能为核心，结构为基础；注重集成，集合成熟可靠的围护体系和精装修技术；关注构件标准化、工业化、信息化；注重全产业链思维和综合投资成本，企业投资小，安装简单，易于产业化；结构少规格，多组合，同时具有较好的抗震、抗风性能。

装配式钢结构建筑首先是一个建筑有机体，因此，必须改变传统的用钢结构直接替换混凝土结构的做法，摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的错误观念，从系统工程学的层面去看待，用系统论的方法来指导研究，以建筑功能为核心、以结构布置为基础、以工业化围护和内装部品为支撑，整体提升钢结构住宅的使用功能和居住品质。需要综合考虑建筑功能、结构、围护、内装、机电，实现户型、外立面、结构体系、围护系统、管线系统、防火、内装等各方面的协同与集成，最终实现住宅的工业化修建，类似“制造汽车一样建造房子”，像“做仪表一样精密的建造房子”。

图1 传统建筑：户型不统一，尺寸多变

二、建筑设计

1.全生命周期节能减排住宅

全生命周期住宅概念源于日本，其本质在于通过空间的变化、功能的转化，使住宅可以随着家庭在不同阶段的需求变更而“进化”，契合不同生命阶段的不同需求。我们建设全生命周期住宅的目的是提高住宅户型适应性，空间灵活性，提高建筑实际使用年限，节能减排，其方式是取消或减少室内承重墙，采用轻质隔墙，实现大跨度空间，为将来户型的可变预留可能性和自由度，实现在不同家庭人口模式下，使用者可以根据居住人数来选择居住房间的数量和大小，满足不同人生阶段家庭生活需要（图2）。

图2 装配式建筑：户型模数化，部品规格规范

全生命周期住宅意义重大，户型设计开创定制化设计，是一次对传统住宅的划时代革新，在“互联网+时代”满足年轻一代对住宅的实际需求，在全生命周期中为业主提供一个舒适的生活空间。西建大团队在标准化户型和部品模块上做了一些研发（图3），通过模数化设计解决结构和围护系统工业化水平低的问题。

图3 不同模块和户型的组合

2.装配式SI体系

在装修方面，采用结构与内装修分离的SI体系，同时解决了当前一些装配式建筑装修敲击有空鼓声的问题。

SI是支撑体Skeleton和填充体Infill的缩写，其核心是将住宅中不同寿命的主体结构和内装及管线等填充体进行分离。SI设计将结构与管线分离，如图4所示，提高建筑物使用年限，打造百年住宅实现节能减排。

图4 工业化内装管线分离（SI）体系

图5 钢结构建筑SI结构示意图

钢结构与SI契合度非常高，钢结构可以实现大空间，利于SI的实现；钢结构的施工安装精度高，利于部品安装；钢梁腹板可以开洞，利于管线的布置（图5）。

SI完全符合全生命周期住宅要求，可以根据家庭构成和居住者的生活方式的变化，改变房间的布局和内部的装修；居住体每10-30年就可以更新一次，自由地分隔空间，可变性强；主体结构可维持50~100年；经久耐用。

3.风环境优化

针对室内不同区域风流不同，对风环境进行优化，将户内分为四大区域，根据实际情况保证清风流淌。

通过负压窗设置，可以使得主卧及卫生间利用气压原理让风流动起来，还可以抬高门缝，让其他区域通过抬高门缝与室内其他房间空气形成内循环。

图6 室内区域风流示意图

图7 不同风流动要求下的不同窗型

三、围护体系

1.围护体系

团队与围护体系经验丰富的厂家密切合作，将成熟围护技术集成在体系里，采用以下几项节能关键技术：

（1）墙体技术：高效装配、节能围护体系，采用多层次构造墙体，实现降低能耗目标；

（2）冷热桥处理技术：自主将研发的防火保温一体化石膏基砂浆用于梁柱与板材的细部处理，该砂浆抗开裂性好，做法有效的解决钢结构的墙板和冷桥问题。

（3）节能门窗技术：门窗是能源损失最多的部品，采用节能门窗可以有效的节约能源。

2.节能外墙

节能外墙围护体系采用了高效装配、节能围护体系技术，采用多层次构造墙体，实现降低能耗目标。如采用ALC双层板体系+120（空气层或岩棉）的复合结构，复合保温的方式具有良好的保温性能，解决了冷桥效应；防水性能好，中间留有空气层，外层漏水不会影响室内；施工速度快，湿作业量非常低，防火性能好。

图8 装配式围护结构示意图

3.装配式内墙系统

内墙系统将具有自主知识产权的轻质石膏基砂浆预制墙板干挂在轻钢龙骨上形成复合墙体，可以将管线放在墙体内，方便的实现管线分离，敲击也没有空鼓声（图9~10）。这种墙体具有装配率高，构造简单成熟，易于实现产业化，生产线投资低等特点。

图9 装配式复合内墙系统

图10 装配式复合内墙系统相关试验研究

4.冷热桥处理—喷涂式包裹轻质砂浆

热桥是指围护结构中传热能力比较强，热流比较密集，能量损失明显高于附近区域的部位。热桥部位是供暖和制冷期内热/冷损失最为突出的部位。热桥会导致建筑物结露、发霉，提前破坏。

喷涂式包裹砂浆绿色环保，主要由灰浆混合料、聚苯乙烯颗粒和矿物基础黏合剂等组成，该材料通过喷涂方式，快速初凝，经过一定时间养护，形成具有一定强度，并兼有良好保温、隔声以及耐火等性能的新型轻质建筑材料。砂浆以电厂废料石膏材料为主，水泥用量较少，是一种生产能耗较低的建筑材料。砂浆是可回收，循环使用的无污染的建筑材料。通过砂浆包裹，解决了围护体系使用隔音、气密性差等问题，同时兼有保温和防火效果。

喷涂式包裹轻质砂浆凝结时间可根据需要进行调节，可极大节约施工周期。这种技术简单有效的解决了隔声、开裂等问题；具有良好的保温、防火性能；能够调节空气干湿度，提高舒适度。

图11 喷涂式包裹轻质砂浆

5.装配式建筑配套高效节能门窗

据统计，不合格的门窗能耗占到建筑物总能耗的40%以上，装配式建筑体系与门窗的配套节点和门窗是低能耗技术的关键。我国近年来也在不断提高门窗的节能系数，门窗的节能性能得到了极大的发展，比如配合被动房使用的门窗其K值可以达到0.8以下，通过断桥技术、暖边技术、多层真空或充填惰性气体等方式可以极大提高门窗保温性能（图12）。

图12 节能门窗构造

四、结构体系

1.竖向构件

钢结构体系具有生产能耗低，可回收，循环使用等优点，是绿色建筑材料。为避免外露梁柱，同时考虑便于装配和工业化生产，在西安建筑科技大学长期的研究基础上，以少规格、多组合思路，确定了几种通用构件，由通用构件组成适用各种建筑功能的结构体系。

图13 壁式钢管混凝土柱

图14 壁式柱钢板墙模块

图15 高强螺旋箍筋约束混凝土预制柱

除了钢结构装配式通用构件，发展了具有钢结构安装特点的高强螺旋箍筋约束混凝土预制柱、型钢混凝土预制柱。采用高强螺旋箍筋相比普通箍筋，可节约箍筋用钢量一半，达到了节材的效果。

2.抗侧力构件

图16 抗侧力构件

3.附属构件及楼板

图17 预制钢板PC组合楼梯

图18 预制PC空调和阳台

图19 适用不同建筑体系的免支模楼板

4.高层住宅结构体系

通过壁式钢管混凝土柱与抗侧力单元组成的高层住宅体系：壁式钢管柱框架-支撑体系和壁式钢管柱框架-组装钢板墙体系。

图20 壁式钢管柱框架-支撑体系

图21 壁式钢管柱框架-组装钢板墙体系

图22 密柱核心筒-外框架结构体系

5.高层公建结构体系

由钢连梁连接壁柱形成密柱核心筒-外框架结构以及高强螺旋箍筋约束混凝土预制柱与钢梁混合框架结构体系，可广泛应用在公共建筑中。

图23 高强螺旋箍筋约束混凝土预制柱-钢梁混合框架结构体系

五、智慧建造

1.BIM与绿色建筑结合技术

通过BIM技术与绿色建筑相结合，提升建造的能力，同时有效降低能耗，节省材料，降低工期。整合相关技术手段，最终形成设计—施工—运营全过程的数字化信息技术服务体。

图24 LOD400级高精度模型与绿色信息化服务

2.软件开发

装配式体系在绘图、放样、施工等与传统钢结构均有不同，配合建筑体系，开发了绘图工具、计算工具、放样工具、协同平台。校核和深化设计辅助软件TSST，可以进行壁式柱校核、钢梁校核，还可以深化设计专用参数化节点

图25 绘图建模与软件校核程序

3.智慧建造一体化协同管理平台

智慧建造一体化协同管理平台是一个基于建筑全生命周期的协同工作平台。由于装配式建筑参与方较多，它把项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变了传统的分散交流模式，实现了信息的集中存储与访问，从而缩短项目的周期，增强信息的准确性和及时性，提高各参与方协同工作的效率。做到四个协同：设计协同、深化协同、加工协同、施工协同。同时实现项目全生命周期管理，同时通过BIM4D、BIM5D进度填报及成本预算等实现对工程建设成本有效过程管控。

图26 智慧建造一体化协同管理平台

4.装配式生产线

体系具有全套核心技术，从装配式钢结构生产线设备规划、选型→配套围护产品生产线设备规划、设计→加工、施工工艺标准→EPC-BIM协同管理平台→后期产品完善和研发，到各种建筑体系的设计，可以提供完备的全套解决方案和技术服务。也可以提供装配建筑产业园的规划和策划服务。

图27 加工设备、生产线策划

六、其他体系配套低能耗技术

1.高效照明技术

绝大多数建筑都不能满足于自然采光照明，因此照明是建筑设计中的重要环节，同时也要注意能耗问题。应根据不同应用场景，选择不同的照明方式和控制方式。照明采用高效荧光灯，局部照明采用LED灯，采用照明箱内集中分区智能控制；办公室采用高效荧光灯，吸顶或吊装，现场开关控制；走道采用节能筒灯或紧凑型节能荧光灯，吸顶安装，采用智能照明控制系统结合现场开关控制。

2.太阳能利用

利用太阳能光伏系统为建筑工公共区域提供照明，实现太阳能与建筑一体化，该系统仅供公共区域照明，无需逆变并网，有效降低造价。

利用壁挂式太阳能光热系统供居民生活热水，实现太阳能与建筑一体化，同时美化建筑立面，图29为该技术在兰州新区23号装配式示范楼项目的使用。

3.光导照明技术

光导照明系统是通过室外的采光装置捕获室外的自然光，并将其导入系统内部，然后经过光导装置强化并高效传输后，由漫射器将自然光均匀导入室内需要光线的任何地方。从黎明到黄昏，甚至是阴天或雨天，该照明系统导入室内的光线仍然十分充足。平均节约80%以上的白天照明；没有对环境的污染，不同于电力照明，不存在安全隐患；一次性投入，回收期短，不用后期维护。