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工业化装配式多高层钢结构住宅产业化关键问题和发展趋势

打印 0条评论来源:《住宅产业》杂志 作者:张爱林

摘要

我国建筑业的工业化、信息化发展相对落后,粗放式建设和生产模式面临严峻挑战。2015年12月20日中央城市工作会议全面深刻地分析了存在的突出问题,明确提出了解决思路、关键环节和具体要求。工业化和城镇化是现代化的基础,工业化装配式高层钢结构住宅产业化是发展我国全寿命绿色建筑、促进住宅产业化转型升级、化解当前钢铁产能过剩的重大战略需求,更是我国建筑业实现现代化的必由之路。本文结合作者近年来的研究成果,总结国内外对钢结构住宅产业化研究现状的基础上,指出工业化装配式钢结构住宅发展面临的重大机遇,提出了我国推进工业化装配式高层钢结构住宅产业化必须解决的关键性问题及解决思路,必须打破落后观念、落后标准规范的禁锢,突破建设管理体制障碍,培养新型技术人才和管理人才,加快推进修订相关标准规范、编制新标准规范,推进高层钢结构住宅产业链建设,研发装配式高层钢结构创新体系及快速装配式节点构造、围护体系和部品配套、快速装配施工建造技术等产业化体系。建造机器人技术、自动化技术和工业化技术正在全球建筑领域刮起风暴,以智能化设计、加工制作、施工建造与物业管理技术为代表的建筑信息化正在与智慧城市建设和管理相融合。


关键词:工业化;装配式;钢结构住宅;产业化;关键问题


一、我国建筑业粗放式生产面临严峻挑战

在过去的几十年间,建筑行业的发展为我国经济的増长和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献,但是以现场砌浇筑混凝土结构为主、以手工作业为主的传统粗放式建筑业生产方式存在以下突出问题:一是建筑业消耗大量能源、资源;我国每年新建房屋面积20亿平方米,80%以上为高能耗建筑,单位建筑面积能耗是发达国家的2倍以上。建筑业用水占到淡水供应量的17%,水回用率仅为发达国家的25%。另外我国河道已无多少砂子可挖供混凝土建筑使用。二是建筑业劳动生产率低;我国建筑业的劳动生产率与国外发达国家相比,仍有很大差距,建筑业人均竣工面积大约是美国和日本的25%,建筑工业化水平低。三是我国建筑寿命短、抗震性能差;我国的建筑耐久性不足,平均寿命不足英国、美国和日本等国建筑的1/2,英国100年、美国50年、中国35年。地震时人员伤亡源于被地震损坏的房屋,而不是源于地震。四是我国建筑业环境污染严重,建筑垃圾数量己占到城市垃圾总量的30%〜40%,约为发达国家的2倍;我国大、中城市建筑工地是城市扬尘的主要来源之一,建筑业为空气污染贡献15%左右。


目前,日本、欧美发达国家建筑工业化应用水平己超过60%,而我国工业化率还不到10%。我国建筑业必须结束农民工时代,农民工要市民化,建筑业要回归产业化,树立全寿命过程的绿色建筑理念,才能真正实现建筑业的现代化。钢结构具有良好的机械加工性能,易拼装,轻质高强,最适合建筑的模块化、标准化、工厂化、装配化和现代化,也最容易实现建筑现场的无火、无水、无尘、无垃圾的绿色建筑理念。在目前我国粗钢产量严重过剩的情况下,大力推广钢结构住宅可谓是一箭双雕。2013年1月1日国务院以国办发[2013] 1号文件《绿色建筑行动方案》中明确指出:要推广适合工业化生产的钢结构等建筑体系,加快发展建设工程的预制和装配技术,提高建筑工业化技术集成水平。2013年修订的国家标准《绿色建筑评价标准》也将钢结构列为绿色建筑。所以,当前发展钢结构住宅产业化正面临着重大机遇,其市场十分巨大,发展前景广阔。


二、工业化装配式钢结构住宅产业化国内外现状

国外的钢结构住宅产业化主要集中在低层装配式钢结构。法国是世界上推行建筑工业化最早的国家,1978年他们便制定了尺寸协调规则并提出工业化建筑体系,主体结构为工具式大型组合模板现浇。意大利BSAIS工业化建筑体系适用建造1层〜8层钢结构住宅,具有造型新颖、结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便,在欧洲、非洲、中东等国家(地区)大量推广应用。德国的装配式住宅主要采取叠合板、混凝土、剪力墙结构体系,剪力墙板、梁、柱、楼板、内隔墙板、外挂板、阳台板等构件采用构件装配式与混凝土结构,耐久性较好。瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家,其轻钢结构住宅预制构件达到95%。此外,较为典型的装配式住宅体系还有:美国的LSFB轻型钢框架建筑体系,日本给水住宅株式会社的Sekisui和Toyota Homes住宅体系等。


对于装配式多高层钢结构住宅,国外一种比较具有代表性的结构体系是2010版美国钢结构抗震设计规范推荐的Conxtech钢框架体系,如图1所示。由于该体系的框架柱为整体,其使用范围一般局限于多层建筑。另外一种是日本提出的高层巨型钢结构住宅体系,该住宅将结构构件与各住户的建筑构成分离开,结构主体是由钢柱、钢梁及支撑构成的纯钢框架。但是该结构体系的柱子连接还是现场焊接,没有实现全装配。



我国钢结构住宅产业化的起步较晚,对于低层轻钢装配式住宅的代表性工程包括北新集团研制的北新薄板钢骨住宅体系和同济大学联合宝业集团以及日本大和房屋株式会社共同开发出一种低层的分层装配式钢结构工业化住宅体系,北新薄板钢骨住宅体系汇集多项现代高科技成果,具有用钢量少、抗震性能好、外墙装饰面丰富、保温性能良好以及能源自给等特点,低层的分层装配式钢结构工业化住宅体系主要特点为密柱、梁贯通、柱梁铰接、水平力主要由柱间支撑承担、模数化集成设计及标准化生产和分层装配式施工安装。


对于高层装配式钢结构住宅的产业化发展,我国也尚处于起步阶段,湖南的远大可建科技有限公司率先研发了斜撑节点加强型钢框架体系,该斜撑节点加强型钢框架体系主要由主板、钢柱、斜撑组成,如图2所示,压型钢板混凝土组合楼板、桁架梁以及柱座三者在工厂预制为整体主板,集成各类管道后作为装配模块,该体系装配过程实现全栓连接,在保证强度的前提下达到易安装、易拆卸、易维护的目的。北京工业大学对该体系性能进行了大量的试验和理论研究,并对该体系进行了优化改进,完成了试点项目S30的设计。


(a)整体结构


(b)主板吊装

图2 斜撑节点加强型钢框架体系


图3为包头万郡大都城住宅项目(总建筑面积近100万m2),由浙江杭萧钢构股份有限公司控股子公司一万郡房地产有限公司开发建设,采用钢管混凝土结构、钢筋桁架现浇楼板建筑体系,套型结构可适度改变,装配成度不高。


图3 包头万郡大都城钢管混凝土结构住宅


北京成寿寺样板楼(如图4)是北京建谊投资发展集团有限公司投资建设的BIM+钢结构住宅产业化工程,通过BIM—体化大数据管理平台,实现设计思路产业化、部品生产工厂化、现场施工装配化、钢结构防腐防火一体化、土建装修一体化、维护管理信息化的建筑全生命周期管理。


综上所述,我国的研究人员和企业单位己经开始对工业化装配式高层钢结构住宅的产业化进行探索,但是离大规模工业化装配式钢结构住宅产业化还有很大距离。


图4 北京成寿寺钢结构住宅样板楼


三、工业化装配式钢结构住宅发展面临的重大机遇

(一)我国钢结构住宅发展的时代背景

中国作为10亿吨世界第一产钢大国,产能过剩1亿吨。目前,我国钢结构住宅没有真正实现产业化,钢结构建筑只占5%,而发达国家占50%以上,钢结构住宅不到1%。我国需要战略储备钢材200亿吨。2013年9月22日习近平在中央政治局常委会关于化解产能过剩专题会上的讲话中提出:压减钢产量8000万吨,解决压产后过剩钢铁的消化出路。此后,国家发改委、工信部、住房城乡建设部以及钢结构协会和大型钢结构企业纷纷行动起来,研讨钢结构在建筑房屋中的应用。我们贯彻落实中央城市工作会议精神及全国住房城乡建设工作会议精神,就必须抢抓当前钢材价格低、产量过剩的难得机遇,积极推动我国工业化装配式钢结构住宅产业化发展,这是提高我国住宅品质和抗震性能、减少地震灾害损失的有效途径,也是我国钢结构住宅产业现代化的最佳路径。


(二)2015〜2020年国家钢结构发展规划

国家“十三五”规划中强调:要研究并推广在各类建筑中应用钢结构新体系,扩大钢结构的应用范围;我国的钢结构设计标准要与国际接轨、完善钢结构设计规范和标准;为实现钢结构住宅产业化提供成套技术,研制快速安装、经济适用、安全可靠的钢结构体系、轻钢结构楼板等,应用于保障性住房工程设计;争取到2020年,我国钢结构建筑占10%以上。


住房城乡建设部《建筑产业现代化发展纲要》目前己经完成征求意见,有望于近期发布。《建筑产业现代化发展纲要》明确提出,到2020年,装配式建筑占新建建筑的比例20%以上,到2025年,装配式建筑占新建建筑的比例50%以上。从上述时代背景和国家发展规划来看,我国建筑钢结构的发展符合时代背景,受到国家政策的鼓励和支持,市场十分巨大;工业化装配式钢结构住宅,完全符合钢结构住宅产业化和绿色建筑的需要,符合我国建设钢结构住宅产业化方针政策,是国家支持的钢结构创新技术,其发展前景十分广阔。


四、工业化装配式高层钢结构住宅产业化解决的关键问题

(一)必须打破落后观念的禁锢

虽然钢结构住宅在国外己经成熟和完善,但对国内民众还是新鲜事物。中国消费者长期习惯了砖混或钢筋混凝土住宅,从慢慢开始接受到逐步习惯、进而喜欢钢结构住宅,还需要一个循序渐进的过程。工业化装配式生产是我国建筑业现代化的必由之路,在工业化装配式高层钢结构产业化的路上,必须推进新理念、新技术、新体系、新工艺,我们不能被现有规范标准和守旧思想所禁锢。此外,一些结构体型笨重、浪费钢材、造价超高的重大钢结构建筑工程误导公众,人们误以为钢结构不适合用于住宅等一般建筑,各界对发展钢结构建筑的战略地位、钢结构特有的施工速度快、抗震性能好等优势的认识也不够充分。


(二) 加快制定相关标准和培养新型技术人才

及培养新型技术人才和管理人才高层装配式钢结构在产业化的路上必须有设计、制造、安装施工和验收评定一系列标准、规范的编制与实施,让专业技术人员有规可循。在规范标准编制的过程中要成立“钢结构住宅企业联盟”把科研单位和企业都组织起来,“产、学、研”相结合,以高层装配式钢结构住宅为载体,开发新型节能墙体和环保低碳的建筑体系,推行住宅产业化,促进建筑行业技术革新;成立“高层装配式钢结构专家组”,对新体系、新技术的可靠性进行专业评估,确保钢结构住宅或产品经济环保、技术先进、符合模数标准、利于推广使用,对企业申请“装配式高层钢结构设计施工一体化资质”进行评审,为政府有关部门提供参考意见。


新型技术人才和管理人才的尽快到位同样是推广高层装配式钢结构建筑的关键一步,目前,我国建筑企业的建筑工人大多数没有经受过专门学习和专业训练,除简单施工劳动,难以承担工业化、现代化的建筑施工作业。农民工要市民化,要成为建筑产业工人,才能结束我国建筑业的农民工时代。我国建筑业只有走工业化、产业化道路才能实现现代化。建筑施工现场若要实现像装配飞机那样把标准化、模块化、装配式的建筑构件或部品快速安装施工,相关新型建筑产业技术人才和管理人才是不可缺少的。


(三)推进装配式高层钢结构住宅产业链建设

装配式高层钢结构住宅要想做到工业化生产,必须要有健全的产业链,从取材、设计、制造、运输、安装乃至使用过程中的物业服务等各个环节入手,针对每一环节的运转机制提出相应的工业化生产、信息化管理技术和方法。装配式高层钢结构所涉及的还只是住宅建筑的结构问题,整合建筑体系完整的产业链条还需要结合建筑、水暖、电气、装饰装修等专业,提供完整的商品化建筑住宅产品。


(四)跨越项目建设管理体制障碍

目前,很多建设总承包企业不具备工厂专业化装配式生产和安装能力,而少数具备能力的企业却又无承包资格,传统建筑行业的项目建设管理体制在各大企业已经根深蒂固,运行起来也得心应手,但对于钢结构住宅产业化的发展形势却很陈旧,急需体制的自我升级,走出新型工业化、信息化发展道路。


(五)研发高层装配式钢结构创新体系及快速装配式节点构造

从2011年开始,本课题组结合远大30层装配式斜支撑钢结构试点工程开展系统的研究,承担了《湖南省战略性新兴产业科技攻关装配式斜支撑钢结构建筑技术研究与应用》项目、国家自然科学基金和北京市基金重点项目,主编出版湖南省地方标准《装配式斜支撑节点钢框架结构技术规程》(标准编号DBJ43/T311-2015,住房城乡建设部备案,备案号J13063-2015),这是国内首部关于工业化装配式钢结构的标准规范。规程重点突出了工厂加工制作的要求、装配式构件和节点设计、构件和模块包装及运输、现场装配工艺、结构拆除、防腐与防火等内容和要求。同时,课题组研发了模块化装配式桁架梁-方钢管柱结构、模块化装配式角钢桁架梁柱结构等新型模块化装配式高层钢结构体系、新构件和新节点构造,获得了几十项发明专利,并进行了系列试验研究和样板工程建设,如图5〜图7所示。


(a)梁柱连接节点试验


(b)柱-柱座连接节点试验

图5模块化装配式连接节点研究


图6 装配式方钢管柱框架节点抗震性能试验


图7作者研发的模块化装配式钢结构住宅样板工程


(六) 围护体系及部品配套问题

钢结构房屋(住宅)的墙板属于围护结构,对外观效果、防火、防水、保温隔热有较高要求,是高层装配式钢结构住宅的一项关键技术,应注重与结构自身形成配套体系。我国用于装配式建筑的墙板有:纤维増强水泥空心条板(GRC)、陶粒及废渣混凝土空心条板、石膏空心条板、加气混凝土条板(ALC)等轻质条板。但产品质量参差不齐、执行产品标准不统一,外墙技术配套标准图集少,以企业内部标准图集居多,外墙技术难以规范化、通用化,与装配式钢结构住宅之间存在匹配性差的问题,安装过程存在湿作业、焊接、安装繁琐不利于高空作业等现象。此外,楼板、内墙板和其他配套部品的问题也没有完全解决,而解决好这些问题既是保证装配式高层钢结构建筑最终实现工业化的基础工作,也是满足装配式高层钢结构住宅产业化需求的必要条件。


五、展望

2015年5月18日第一届模块化装配式建筑国际会议在加拿大埃德蒙顿召开,装配式钢结构住宅产业化发展路径应如图8所示,英国己经建造出3D打印的工业化模式房屋,建造机器人技术、自动化技术和工业化技术正在全球建筑领域刮起风暴,智能化设计、加工制作、施工与物业管理技术正在与智慧城市建设和管理相融合。


2015年12月20日中央城市工作会议全面深刻地分析了存在的突出问题,明确提出了解决思路、关键环节和具体要求。这次会议将我国建筑方针调整为“适用、经济、绿色、美观”,强调“经济”就是考虑建筑全寿命周期的成本和效益,“绿色”就是按照生态文明建设的要求,倡导低碳环保节能。

要大力推动建造方式创新,以推广装配式建筑为重点,通过标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用,促进建筑产业转型升级。


目前我国的建筑法律法规还有待进一步完善,建筑标准规范修订和新编不及时,严重滞后于建筑工程实际技术应用水平,创新不够、质量不高、刚性不够、实施不力。要完善建筑法律法规和标准规范体系,我们必须打破落后观念、落后标准规范的禁锢,突破建设管理体制障碍,培养新型技术人才和管理人才,加快推进修订相关标准规范,编制新标准规范。


图8装配式钢结构住宅产业化发展路径


工业化装配式高层钢结构住宅产业化是我国真正实现建筑业现代化和全寿命绿色建筑的必由之路,必须按照全寿命过程绿色建筑理念科学修订《绿色建筑评价标准》指标体系和其它相关标准规范,即建筑从规划、设计、加工制作、拼装、施工、使用、维护直至拆除都要满足节能、环保要求。


为尽快将前沿的研究成果应用于实际工程,国家层面应加快建设钢结构住宅产业基地,在灾区重建工程中应给与钢结构住宅特殊的政策支持。要打破部门壁垒,多领域部门协同推进,完成工业化装配式高层钢结构住宅产业化这一重任。


[基金项目:北京市自然科学基金重点项目(13H10089),国家自然科学基金项目(51278010)]


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作者简介:张爱林,北京建筑大学校长,北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心主任。


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