1、我国装配式钢结构建筑的发展及现状研究 秦迪 陈进宝 长春工程学院建筑与设计学院 长春工程学院 摘 要： 装配式建筑是将工厂预制的建筑构件经现场或者厂区装配、组装连接或者部分构件现浇而成的混凝止结构或者钢结构建筑, 装配式建筑作为推进建筑工业化的重要途径, 在节约资源、降低能耗、环境保护、提升建筑品质等方面相比现浇方式有着巨大优势。我国装配式建筑从上世纪 50 年代起步, 经过近 60 多年的发展已取得较大的理论和实践成果, 但对其发展缺少较系统的总结和介绍, 作者主要整理总结了我国装配式钢结构建筑发展状况并对目前现状进行了一定的研究。关键词： 装配式建筑; 钢结构建筑; 绿色建筑; 作者简介：
2、秦迪, 副教授, 研究生导师, 主要研究方向为建筑技术科学。装配式建筑的发展对于资源能源的节约、施工污染的减少以及劳动生产效率和建筑质量水平的提高非常有利, 同时也加快化解产能过剩, 促进信息化、工业化与建筑业的深度融合。2017 年国家颁布的标准装配式钢结构建筑技术标准对装配式钢结构建筑的发展提供技术支持保障, 为未来建筑行业的发展拓宽了一条新的绿色建筑之道。1 发展装配式钢结构建筑的意义节约资源、降低能耗:装配式建筑与目前广泛采用现浇方式的建筑相比在节约资源、降低建筑能耗方面有着无可比拟的优势。装配式建筑相对于传统建筑可以减少建筑垃圾排放量的 80%, 在建筑施工节水、节电、节材、节地方面
3、优势明显, 所以把装配式建筑也称作“绿色建筑”。发展装配式建筑有利于建筑走节能减排的道路、有利于提高城市的环境质量、有利于推进建筑工业化, 有利于发展生态文明的建设。促进建筑工业化、提高建筑品质:我国早在 20 世纪 50 年代国务院就出台了关于加强和发展建筑工业的决定, 可以说最早开启了我国建筑工业化的道路。发展装配式钢结构建筑不仅消化过剩的钢铁, 拓宽了建筑产业, 在专业设备的生产制造、构件的预制加工、设备的运输及组装等方面也都得到了发展, 装配式建筑是一项综合系统工程, 包括产品的研发、设计、生产、施工、装修等一系列阶段工程, 大力发展装配式有利于加快我国建筑工业化快速发展。装配式建筑的
4、构件采用机械自动化、信息化管理的流水线生产, 构件的质量得到保证, 建筑的品质得以提升。节约成本、缩短工期:目前现浇建筑中建设成本中人工费占总造价的 15%20%, 材料费占总造价 45%65%, 主要因为是劳动力价格的连续变高, 传统建造方式的粗放、工业化水平不高、建造效率的低下、建筑材料设备浪费大、损耗高等也使得投资建设成本不断高升。发展装配式建筑则可以将现场用工数量减少至70%以及大幅度降低建筑材料、模板、设备使用和浪费, 装配式建筑的大建造效率也远高于现场作业, 施工不受天气等因素的影响, 因此, 建设工期可有效缩短 25%的工期, 且工期更为可控。2 我国装配式建筑几个发展阶段级实践
5、成果2.1 发展阶段我国装配式建筑和欧洲、美国、日本装配式建筑相比较起步较晚、研究和实践成果不够丰富。世界对于预制装配式建筑的实践最早的案例是英国的水晶宫 (1851) , 水晶宫以工业化的设计和预制构件的标准化开启了装配式建筑的浪潮。我国从 50 年代开始对预制装配式建筑进行研究和实践并在装配式多层框架建筑、装配式厂房建筑、大板建筑等方面形成了相应体系。本文按时间顺序将我国装配式建筑的发展划分为上世纪 50 年代、6070 年代、80 年代、90 年代末、21世纪初至今五个基本阶段。1) 50 年代:建国初期为医治战争留下的创伤, 各行业百废待兴, 各地政府号召人民展开恢复生产, 全国各地搞
6、建设, 这在中国历史上是空前的。在 5357 年间国家在经济、文教投入总额达到 550 亿元, 建筑方面也学习苏联的管理经验开始实行承包为主的管理方式。50 年代的装配式建筑几乎都是预制空心楼板, 其余像部吊车梁、屋架等构件采用预制的比较少, 尽管当时的技术及管理水平不够完善, 但很大程度上推动了后期预制板的发展。2) 6070 年代:这一时期国内是处于大跃进、文化大革命等历史特殊时期, 装配式建筑方面国内也进行了一定的研究, 主要包含有装配式多层框架建筑、大板建筑等类型。这一时期为响应国家四个“现代化”的战略目标, 建筑业积极的倡导“工厂化、装配化、标准化”, 一定程度上促进了我国建筑工业化
7、及装配式建筑的发展。3) 80 年代:随着改革开放的深入建筑业出现百家争鸣现象, 预制装配式发展迅速, 发展速度和规模远远超过 5070 年代, 各种结构类型、预制构件及预制行业的也得到相应发展, 在整个建筑领域都展开产品的设计研究及对发达国家先进技术的引进和吸收。80 年代装配式建筑方面非常重要的事件就是对预制薄板迭合板技术和预制升板技术的引进。4) 90 年代:随着我国对经济体制的逐步改革, 在市场经济大环境的选择下, 装配式建筑逐渐被现浇的建造取代, 90 年代中期装配式建筑无论是公建还是住宅方面几乎停滞不前, 全国装配式建筑在经历 90 年代停滞期间相关研究和探索取得的成果十分微小,
8、工程实际案例更是凤毛麟角。5) 21 世纪至今:2000 年以后随着国家每年新开建规模的不断扩大, “住宅产业化”的热度开始逐渐被人们所关注, 政府及企业在装配式建筑方面进行了部分试点工程。经过十年左右的探索研究, 我国的装配式建筑技术、体系、研究已经相当成熟。2017 年国家装配式混凝土建筑技术标准、装配式钢结构建筑技术标准正式发布, 这也给装配式建筑发展注入强有力的活力。2.2 技术成果与实践经验20 世纪 50 年代, 建国初期在社会主义的建设方面缺少经验, 所以国内提倡“全面向苏联学习”, 在前苏联的帮助下国家在科技、军工、社会建设等领域取得一定成就。建筑方面国内出现了一些特色形式的建
9、筑, 如北京的民族饭店, 饭店主体结构采用现制的只有地下两层, 其余上部结构采用装配式建造, 在建筑的楼板、大梁、外梁、内外柱、楼梯、电梯等构件基本采用了工厂预制。这个时期典型的装配式建筑主要构建是有工厂预制完成, 居住建筑和公共建筑都采用了大量的预制空心板, 对后面预制楼板的推广起到了积极的作用。在 6070 年代, 建筑技术很少有进步, 主要是还是通过自主研究实践。这一时期公共建筑旅馆、办公楼等较为规整的建筑有采用装配式钢筋混凝土框架结构的, 居住建筑中多采用装配式大板结构。如 1973 年开建的北京化工六厂涤纶车间建筑, 其主体部分采用预制装配整体式内框架。这段时期在装配式建筑方面取得的
10、成果和技术进步比较小, 由于通过实际的项目科研人员和专业技术人员在装配式建筑开展了一些探究, 沉淀了项目经验, 对后期装配式建筑的发展打下了基础。到 80 年代末, 我国在建筑工业化方面成绩显著, 预制混凝土年的产量大幅度提升, 国内需许多大城市都已具有对商品混凝土的生产运输能力, 部分地区的预制产量超过现浇混凝土总量的 50%。装配式建筑方面, 整体预应力装配式板柱结构、预制钢筋混凝土框架结构、盒子结构、预制外墙条形挂板、预制陶粒混凝土外墙板等各种形式大放异彩。到 90 年至今, 由于上世纪 90 年代国家经济体制转变、建筑预制空心板取消、建筑节能和质量等方面的因素, 装配式建筑逐渐淡出人们
11、的视线, 而 90 年代现浇建筑已十分普遍, 同时期建筑可持续发展、绿色建筑、生态建筑相继发展起来。21 世纪以来, 装配式建筑在每年新开工建设的工程中比较少, 且多数在住宅方面, 工厂预制率比例较高, 除了基础和重要的预制件连接处采用现浇外, 其余基本能够实现全工业化。随着国家标准指导和政策推广, 装配式建筑市场前景广阔, 将会取得显著的成果。3 装配式钢结构建筑的现状研究3.1 装配式钢结构建筑构成体系我国装配式建筑目前主要有四种基本形式:装配式混凝土结构 (PC) 、预制集装箱式房屋、装配式木结构、装配式钢结构。装配式钢结构建筑是指由工厂加工完成的钢构件、组合楼板或预制叠合楼板及预制内、
12、外墙板在现场完成组装的建筑, 主要有以下四部分构成:主体结构体系、楼板结构体系、维护结构体系构成。1) 装配式钢结构建筑主体体系(1) 低层多层钢结构体系:按建筑层数及高度划分 3 层及以下主体结构主要采用钢框架、轻钢龙骨等钢结构体系:4 层6 层多采用钢框架结构体系;7 层10 层建筑主要采用钢框架或钢框架-支撑体系。(2) 高层钢结构体系:高层建筑主体结构主要有钢框架-支撑结构体系、筒体钢结构体系、框-筒、筒中筒、桁架筒体系、束筒体系等。2) 楼板体系(1) 钢筋桁架组合楼板:装配式钢筋桁架组合模板是把钢筋桁架楼承板与现浇混凝土或预制混凝土板结合而形成的组合楼板, 钢筋桁架组合楼板施工不需
13、要设置模板且现场施工安装便捷容易, 具有施工工期短, 刚度强度好, 整体抗震性能好等特点。(2) 压型钢板组合楼板:通过在支撑压型钢板上面浇筑混凝土材料结合而成的的楼板称作压型钢板组合楼板, 常依据压型钢板与混凝土是否一起共同工作把压型钢板组合楼板分为非组合和组合楼板, 其具有轻巧便捷、方便搬运和安装、便于管线安装等特点。(3) 预制混凝土叠合楼板:钢筋混凝土叠合楼板主要是通过在配有预应力钢筋的的混凝土底板的侧边预设置钢筋并在混凝土板的侧边和上部现浇一层复合的混凝土, 使预制板的预留钢筋与现浇板的钢筋连接并浇筑形成一整体楼板, 其具有整体稳定性能好、板面不易裂缝、抗震性能好的特点。3) 围护结
14、构体系(1) 外墙:装配式建筑的外围护结构外墙对于保温隔热、防火防水、隔声密闭等性能要求更高。严寒及寒冷地区地区建筑外墙体材料常常难以满足外墙的全部性能要求, 如节能、防火、防水、隔汽、隔声等方面, 建筑设计中常考虑复合墙体来提高外墙的整体性能。复合墙体基本可分为保温隔热层、防水层、隔汽层、空气屏障和隔声层等 5 部分。装配式建筑外墙主要有蒸压加气混凝土条板夹芯墙、预制现场装配式轻钢龙骨复合墙板、预应力混凝土夹芯复合墙等几种复合墙体在工程实际使用较多。(2) 内隔墙:建筑内墙主要起分割区分空间的作用, 但对墙体材料的于防火隔声、防水防潮等性能有一定的要求。市场上内墙种类也比较多, 常见的内墙由
15、蒸压加气混凝土条板、蒸压加砌块、轻质混凝土条板、石膏条板、轻钢龙骨隔墙等。3.2 装配式钢结构建筑存在的难点及发展建议1) 装配式钢结构建筑发展存在的难点(1) 设计方法不足专业人员短缺:在建筑结构种类的选取、材料的定型、设计技术的支持等方面装配式钢结构建筑与传统方式建造的建筑相比有着较大的差异。装配式建筑始终与模块化、标准化、工业化紧密相联系, 只有实现建筑构件的标准化及模数化设计才能最大程度的实现构件的工厂预制量, 目前我国装配式钢结构建筑对于专业人才需求较大, 但从事装配式建筑的人员却较少, 在一定程度上牵制了影响了其发展。(2) 装配式建筑产业体系不够完善:装配式建筑需要不同系统之间相
16、互融合集成, 尽管目前建筑信息模型技术 (BIM) 已经在国内得到一定规模的应用, 建筑信息模型技术可以把装配式建筑的设计、构件的预制及施工组装集合在一起, 能很好的地实现装配式建筑全过程的一体化集成, 但对多系统的整合及建筑信息模型技术普及推广需要一定时间。(3) 装配式主体钢结构技术要求苛刻:装配式主体钢结构建筑在抗风压、抗变形位移、主体结构间的连接、楼板与竖向支撑柱的连接及支撑等方面行业要求极为严苛。对建筑自身结构在建筑的防火、材料的防腐、围护结构的隔声保温以及整体的舒适度等方面要求严苛。2) 装配式钢结构建筑发展建议(1) 加强从业人员的技术培训:我国现阶段目前国内设计单位具有装配式钢
17、结构建筑设计研发的比较少, 大都以传统的手法来设计, 对于装配式建筑标准化和模数化的设计方法普及推广不够。装配式建筑行业应该加强对相关从业人员在设计、施工等方面的培训, 从而更快更好的促进稳步发展。(2) 加强 BIM 在装配式领域的应用:BIM 由英文 (Building Information Modeling) 的首字母缩写而来, 建筑信息模型是在数字技术的基础上集成了建筑工程项目各种相关的数字信息的工程数据模型。BIM 技术可以为装配式建筑产业提供可靠的信息共享的平台, 对于建筑的预制构件可以实现设计、生产、施工三者信息合一, 从而借助更好的推广和发展装配式建筑。(3) 政府增强对装配
18、式建筑的推进:建筑业的发展离不开国家和政府的大力支持和政策福利, 装配式建筑行业的发展应该得到国家和地方政府的激励和扶持, 对已经完成的案例进行宣传和技术推广, 政府也应该加大科技研发投入, 鼓励相关单位就装配式建筑及相关技术进行深入研究。4 结语本文主要从三大部分组成, 分别发展装配式建筑的优势和意义、我国装配式建筑的发展、装配式钢结构建筑的现状进行了整理和总结, 并对第三部分装配式钢结构国内现状就难点进行了分析研究及提出改进意见。新的时期必有新的机遇, 在政府政策指引下抓住装配式建筑发展的机遇, 借助建筑信息化平台实现建筑设计、构件的生产运输、施工组装等信息的融合, 进而更快、更好地推广和
19、发展装配式钢结构建筑。参考文献1张驰, 李晓林.浅谈装配式建筑的推广与发展J.辽宁建材, 2011 (5) :24-25. 2王茜, 毛晓峰.浅谈装配式建筑的发展J.科技信息, 2012 (21) :354, 381. 3梁厚双.装配式建筑的发展及优势J.砖瓦世界, 2011 (9) :21-23. 4孙绪东.装配式钢结构绿色建筑产业化研究与合作J.住宅产业, 2013 (Z1) :53-56 5孙剑, 王生明.高层住宅预制装配式混凝土结构应用J.施工技术, 2011, 40 (22) :79-82. 6蒋春桂.组合式钢筋桁架楼承板在钢构中的应用研究J.科技与企业, 2014 (7) :188. 7陈以一, 王伟.装配式钢结构住宅建筑的技术研发和市场培育J.住宅产业, 2012 (12) :32-35. 8梁栋, 宋彪.装配式钢结构建筑研究及应用J.建设科技, 2016 (Z1) :79-81. 9沈维莉, 张克纯.基于 BIM 技术的装配式建筑技能人才培养研究J.山西建筑, 2016, 42 (34) :216-217. 10崔璐.预制装配式钢结构建筑经济性研究D.山东建筑大学, 2015.
