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装配式钢结构建筑现状与趋势报告

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钢结构体系非常适合工业化装配,钢材本身具有良好的机械加工性能,适合工厂化生产和加工制作;与混凝土相比,钢结构较轻,适合运输、装配;另外钢结构适合于高强螺栓连接,便于装配和拆卸。目前装配式钢结构建筑在国内处于发展阶段。



装配式钢结构建筑的应用现状


国外应用现状


在日本,由于地震频繁,有超过1/3的房屋使用钢结构,在住宅方面更是大量采用钢结构。到20世纪90年代末,日本装配式住宅中木结构占18%,混凝土结构占11%,钢结构住宅占比达71%。


在美国,采用钢结构的住宅,目前占据的市场份额已超过40%。除了住宅以外,钢结构在多层酒店中也有较多应用。


在澳大利亚,以冷弯薄壁轻钢结构体系为主的钢结构建筑建造量大约占全部新建住宅的50%。


国内应用现状


根据国家统计局发布的数据,2016年,房地产开发企业房屋施工面积75.9万㎡,其中,住宅施工面积52.1万㎡,占比为68.6%。房屋新开工面积16.7万㎡,其中,住宅新开工面积11.6万㎡,占比为69.5%。截止至2016年,在我国民用建筑结构体系中,钢结构体系占比仅为5%,且钢结构建筑还仅仅集中于高层、超高层建筑、大空间公共建筑与工业建筑中;普通办公楼、学校、医院等多高层公共建筑以及低层、多层及高层住宅中,钢结构应用的非常少。


装配式钢结构建筑的政策支持


从国家政策层面看,以2013年全国建设工作会议为标志,首次提出“促进建筑产业现代化”的发展要求,以建筑业转型升级为目标。建筑工业化是实现这一目标的首选项,而其中的抓手即为装配式建筑。


2013年1月1日,国务院办公厅以国办发〔2013〕1号《绿色建筑行动方案》,明确重点任务推动建筑工业化,推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系,提高建筑工业化技术集成水平,支持集设计、生产、施工于一体的工业化基地建设,开展工业化建筑示范试点。


2014年5月4日,住建部发布《关于开展建筑改革发展试点工作的通知》,将建筑产业列入建筑改革发展试点工作。2014年7月1日,住建部发布《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》,促进建筑业发展方式转变,推动建筑产业现代化。


2016年2月21日,国务院发布《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》,其中第11条指出:力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。积极稳妥推广钢结构建筑。2016年9月30日,国务院发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》,指出要因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑。


2017年2月24日,国务院办公厅发布《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》,指出要大力推广智能和装配式建筑,创新建筑方式。


为了确保国家政策的落实,各省市也积极制定了各项配套政策。目前,全国已有 30 多个省市出台了装配式建筑专门的指导意见和相关配套措施,不少地方更是对装配式建筑的发展提出了明确要求。


装配式钢结构建筑的技术发展


政策的支持促进了装配式钢结构建筑的技术发展,从结构体系和围护体系两方面阐述现有技术发展情况。


结构体系


目前多高层装配式钢结构建筑的结构体系,传统的有纯框架、框架-支撑体系,新型的有集装箱、钢管束、钢异形柱等。各类钢结构体系的特点如下。


1.纯框架体系


图1 纯框架体系


该体系具有如下优点:


(1)可根据建筑功能的需求进行梁柱的灵活布置,可增加建筑使用空间的利用率。


(2)自重较轻,材料延性好,有利于抗震。


(3)构件的生产、运输和现场的安装快。


不足之处:


(1)由于纯钢框架抗侧力刚度较小,为了控制位移,构件的截面很大。


(2)钢框架属于有侧移结构,因此较难满足高烈度地区对建筑抗震性能的要求,建筑层数及高度受限较严重。


(3)变形较大,舒适度较差。


2.框架-支撑体系


图2 框架-支撑体系


该体系具有如下优点:


(1)同纯钢框架建筑,可根据建筑功能的需求进行梁柱的灵活布置,而支撑可选择设置在不影响建筑使用功能的位置,构件截面尺寸更小,进一步增加建筑使用空间的利用率,同时降低了整体用钢量。


(2)由于支撑的存在,较纯框架建筑,钢框架支撑体系抗侧力能力有显著增加。柱长细比限制较纯框架结构有较大优势,截面尺寸可有效减小,建筑层数和建造高度有较大提升。


(3)自重较轻,材料延性好,有利于抗震。


不足之处:


(1)支撑布置受建筑功能的影响,不易找到合适布置位置。


(2)构件截面较大,对建筑功能产生一定影响。


(3)支撑(大撑)布置位置零散,造成结构刚度不均匀。


3.集装箱体系


图3 集装箱体系


该体系具有如下优点:


(1)可像积木一样将各个功能房间或户型进行多样的组合。


(2)建设周期较短。


(3)取材较容易。


不足之处:


(1)抗震性能较低,连接及单体强度较难满足高抗震设防烈度地区的高层建筑建设需求,适用于低、多层建筑。


(2)集装箱常规尺寸难以满足国内住宅市场对层高和房间开间的要求。


(3)使用运输行业淘汰的集装箱,可能会由于自身质量问题产生安全隐患,但使用新集装箱进行改造成本较高。


4.钢管束、钢异形柱体系


图4 钢管束体系


图5 钢异形柱体系


该体系具有如下优点:


(1)采用钢管束、钢异形柱代替传统混凝土剪力墙,基本做到室内不凸柱,在平面空间上最大化的服务于建筑。


(2)同混凝土墙一样,平面布置可跟随建筑功能房间的需求灵活调整。


(3)钢管束剪力墙、钢异形柱较常规混凝土墙柱,承载力和构件延性更好,施工效率更高。


不足之处:


(1)较常规钢结构,用钢量增大。


(2)较常规钢管混凝土柱,由于此类构件空腔数量较多,截面较小,因此对混凝土作业的质量要求更高,人工及材料成本有一定的上升。


(3)组合截面在工厂生产过程中,在具备完整的机械化生产线前,人工及时间成本较高,且焊接次数较多,焊缝较多,质量较难控制,同时检测成本也相应提高。


(4)设计方法缺乏现行规范支持,设计工作需进行论证。


围护体系


装配式钢结构建筑提倡采用非砌筑墙体,采用工厂预制墙板。根据围护体系应用位置,分为外墙、内墙和分户墙;根据围护体系的构成形式和主要构成材料,分为预制混凝土墙板、轻钢龙骨类复合墙板、轻质条板和夹心板等。外墙板和内墙板需分别满足如表1所示性能。



目前常用的墙板有,预制混凝土复合墙板、轻钢龙骨类复合墙板、灌浆墙、蒸压加气混凝土条板、金属面板夹心墙板等。


1.预制混凝土复合墙板


由钢筋混凝土结构里层、保温层和混凝土饰面层复合而成的承重或非承重的复合墙板。


图6 预制混凝土复合墙板


优点:集围护、保温和装饰一体化,具有强度高、保温隔热性能好、材料耐久性好的特点。


不足之处:面密度较大、施工难度大、安装效率较低。


2.轻钢龙骨类复合墙板


以纸面石膏板、纤维增强水泥板等各种轻质薄板为面层材料,以轻钢龙骨为骨架,中间为空气层或填充聚苯泡沫、岩棉等保温吸声材料的复合墙板。


图7 轻钢龙骨类复合墙板


优点:具有质量轻、现场全干法施工、施工便捷、保温隔热性好、易穿管线的特点。


不足之处:任意吊挂性、耐久性及抗撞击性取决于面板材料,通常低于混凝土类材料。


3.灌浆墙


以轻钢龙骨为骨架,两侧用纤维增强水泥板作为面层,然后在骨架与面层板形成的空腔内灌注轻骨料混凝土,形成的实心复合墙体。


图8 灌浆墙


优点:与轻钢龙骨类复合墙板类似,具有质量轻、保温隔热性好、易穿管线的特点。


不足之处:现场存在湿作业、施工质量较难控制。


4.蒸压加气混凝土条板


以水泥、石灰、硅砂等为主要原料再配置不同数量的钢筋网片的一种轻质多孔的墙板。


图9 蒸压加气混凝土条板


优点:具有质量轻、耐火性能好、可加工性强、耐久性好的特点。


不足之处:强度较低、抗冲击能力差,易破损,易出现干缩裂缝。


5.金属面板夹心墙板


两侧用金属面材料形成面层,中间夹以保温隔热材料的复合墙板。


图10 金属面板夹心墙板


优点:多用于工业、公共建筑,具有施工便捷,可拆装的特点。


不足之处:金属面板不耐腐蚀,需采取措施提高其耐久性。


我院装配式钢结构建筑的产业化实践


2018年1月,我院与鞍钢集团工程技术发展有限公司成立了鞍钢中电钢构股份有限公司,旨在打造集研发、技术咨询、工程设计、制造、安装、销售于一体的装配式钢结构建筑综合服务商,发展装配式钢结构建筑产业。


技术理念


基于目前装配式钢结构住宅建筑存在的价格高、体验不如混凝土结构、施工复杂、围护结构耐久性小于主体结构等问题,我们研制出一套装配式钢结构住宅体系,除了解决上述瓶颈问题外,还能让所有设计师根据现有设计经验进行设计,无须专门培训和学习。同时,在体系中贯穿如下理念。


(1)摒弃传统装配式结构“重结构、轻建筑、无内装”的陈旧观念,开启由结构系统、围护系统、设备与管线系统及内装系统四大系统集成设计的新时代,做到以建筑功能为核心,以结构体系为基础,以工业化的围护、内装和设备管线部品为支撑。


(2)以六化理念“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用”贯穿整个产业链。


(3)在标准化的基础上,追求构件、部品的通用化,通过通用化,实现生产的前置化、产品销售的零售化、利用工厂化生产加强对产品质量的控制。


技术特点


我院自主研发的装配式复合支撑墙钢结构住宅体系,采用复合支撑墙单元替代传统的混凝土剪力墙单元,具有如下结构体系优点:


(1)以建筑功能为核心,布置灵活,不因为装配而强调建筑户型的标准化,不影响建筑的多样性;


(2)构件截面小,能够实现传统住宅的建筑特点:室内墙面、屋面平整,无梁柱构件突出外露;


(3)力学性能优越,抗侧刚度大,延性好,耗能能力强,屈服机制合理;


(4)构件为常规钢结构构件,易于生产加工,且适合通用化生产;


(5)施工工法简单,易于装配式施工;


(6)设计方法采用现行国家设计规范。


围护体系采用轻钢龙骨类复合墙板,面板选择新型的纳米有机复合空腔板,因为面板中添加了纳米防火材料,其板材强度更高,可实现任意吊挂功能,且耐火性及耐久性均更良好,且可以依据不同气候区、节能要求可调整板材配置,低端可实现节能建筑,高端可达被动式建筑。


图11 纳米有机复合空腔板复合墙体


采用SI体系,将主体结构、内装部品和管线设备三者完全分离,设备管线走在地面架空层、轻质隔墙和吊顶空间内,全面采用干式工法施工,实现了设备管线与装修一体化,达到了质量好、施工快、无污染的效果。


展望


目前,装配式钢结构建筑的发展迎来了良好的机遇,因此,我们需要进一步加强装配式钢结构建筑的研究,主要体现在以下几方面:设计理念的更新(建筑、设备、装修、结构等);创新适合我国工业化建筑的多元化体系;加大相关应用设计技术研究;与BIM技术、信息化技术的深度融合应用;适合的施工机具及相应施工工法;适合的质量检测技术、检测设备、验收技术研发;专业人员、产业工人的培育等。通过研究,推动装配式钢结构建筑在我国的推广应用,加快建筑生产的工业化、产业化发展进程。


(责任编辑:何雯丽





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