装配式钢结构建筑的技术发展分析

    2021年以来，装配式建筑产业的发展迎来了新发展。据住建部通报的2020年全国装配式建筑发展情况数据显示，去年全国新开工装配式建筑共计 6.3 亿平米，较2019年增长50%，占新建建筑面积的比例约为20.5%。在碳达峰、碳中和的大背景下，以钢结构为主要形式的装配式建筑产业，正在以“飞速”发展的姿态，进一步优化和升级建筑产业结构。政策的支持促进了装配式钢结构建筑的技术发展，现在从结构体系和围护体系两方面阐述装配式钢结构建筑现有技术发展情况。

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。

   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。