裝配式鋼結構建筑體系及低能耗技術探索研究與應用

郝際平 薛強 樊春雷

一、概述

1.裝配式建筑體系

裝配式建筑是指標準化設計、工業化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用，并且支持標準化部品部件的建筑。發展裝配式建筑是推動供給側結構性改革和新型城鎮化發展的客觀要求，不僅可以節約資源、減少施工污染、提高勞動生產效率和質量安全水平，而且可促進建筑業與信息化工業化深度融合，培育新產業新動能、化解過剩產能，推動建筑業轉型升級。

將高效裝配技術與低能耗技術結合進行研究和應用具有諸多優勢：

（1）從建筑物全生命周期角度出發，在設計階段采用低能耗設計技術；

（2）采用高效裝配和同時節能的圍護體系；

（3）注重建筑物全過程的節能減排，建筑體系盡量減少使用高能耗、不易回收材料，采用低能耗、可回收循環使用材料；

（4）通過BIM技術與綠色建筑相結合，提升建造的能力，同時有效降低能耗，節省材料，降低工期；

（5）降低建筑系統使用能耗，加大太陽能等清潔能源的利用。

裝配式建筑按建造結構分類，可分為以下三種：

木結構—在我國主要應用于低層別墅及景區建筑，不適用于解決大量人口居住問題。

PC結構—裝配整體式混凝土結構是由預制混凝土構件或部件通過鋼筋，連接件或施加預應力加以連接并現場澆筑混凝土而形成整體的結構。

鋼結構—強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、結構構件尺寸小、工業化程度高。材料綠色環保。

2. 目前裝配式鋼結構建筑存在的常見問題

目前裝配式鋼結構建筑還存在許多眾所周知的問題，比如當前造價不低；結構體系超出相關規范規定，需要專門超限審查；結構體系未發揮鋼結構大跨度、大空間優勢，仍然采用混凝土結構思路；體系生產線投資高，需要專用設備生產，不利于產業化；未采用標準化設計和采用工業化思路等。

當前形勢下，阻礙裝配式鋼結構建筑發展主要存在的問題有三點：一是僅研發結構體系，圍護體系成熟度低，結構與圍護體系不配套，三板問題突出；二是構件及部品標準化程度低，同時未能較好應用BIM技術；三是未注重成熟產品的“集成創新”，采用過多未經檢驗的新產品，新工法。

3.西建大裝配式建筑體系

針對上述一些問題，西安建筑科技大學鋼結構科研團隊以產品思維和細節思維出發，研發了一套獨有的裝配式建筑體系：以建筑功能為核心，結構為基礎；注重集成，集合成熟可靠的圍護體系和精裝修技術；關注構件標準化、工業化、信息化；注重全產業鏈思維和綜合投資成本，企業投資小，安裝簡單，易于產業化；結構少規格，多組合，同時具有較好的抗震、抗風性能。

裝配式鋼結構建筑首先是一個建筑有機體，因此，必須改變傳統的用鋼結構直接替換混凝土結構的做法，摒棄“重結構、輕建筑、無內裝”的錯誤觀念，從系統工程學的層面去看待，用系統論的方法來指導研究，以建筑功能為核心、以結構布置為基礎、以工業化圍護和內裝部品為支撐，整體提升鋼結構住宅的使用功能和居住品質。需要綜合考慮建筑功能、結構、圍護、內裝、機電，實現戶型、外立面、結構體系、圍護系統、管線系統、防火、內裝等各方面的協同與集成，最終實現住宅的工業化修建，類似“制造汽車一樣建造房子”，像“做儀表一樣精密的建造房子”。

二、建筑設計

1.全生命周期節能減排住宅

全生命周期住宅概念源于日本，其本質在于通過空間的變化、功能的轉化，使住宅可以隨著家庭在不同階段的需求變更而“進化”，契合不同生命階段的不同需求。我們建設全生命周期住宅的目的是提高住宅戶型適應性，空間靈活性，提高建筑實際使用年限，節能減排，其方式是取消或減少室內承重墻，采用輕質隔墻，實現大跨度空間，為將來戶型的可變預留可能性和自由度，實現在不同家庭人口模式下，使用者可以根據居住人數來選擇居住房間的數量和大小，滿足不同人生階段家庭生活需要（圖2）。

全生命周期住宅意義重大，戶型設計開創定制化設計，是一次對傳統住宅的劃時代革新，在“互聯網+時代”滿足年輕一代對住宅的實際需求，在全生命周期中為業主提供一個舒適的生活空間。西建大團隊在標準化戶型和部品模塊上做了一些研發（圖3），通過模數化設計解決結構和圍護系統工業化水平低的問題。

2 .裝配式SI體系

在裝修方面，采用結構與內裝修分離的SI體系，同時解決了當前一些裝配式建筑裝修敲擊有空鼓聲的問題。

SI是支撐體Skeleton和填充體Infill的縮寫，其核心是將住宅中不同壽命的主體結構和內裝及管線等填充體進行分離。SI設計將結構與管線分離，如圖4所示，提高建筑物使用年限，打造百年住宅實現節能減排。

鋼結構與SI契合度非常高，鋼結構可以實現大空間，利于SI的實現；鋼結構的施工安裝精度高，利于部品安裝；鋼梁腹板可以開洞，利于管線的布置（圖5）。

SI完全符合全生命周期住宅要求，可以根據家庭構成和居住者的生活方式的變化，改變房間的布局和內部的裝修；居住體每10-30年就可以更新一次，自由地分隔空間，可變性強；主體結構可維持50～100年；經久耐用。

3 .風環境優化

針對室內不同區域風流不同，對風環境進行優化，將戶內分為四大區域，根據實際情況保證清風流淌。

通過負壓窗設置，可以使得主臥及衛生間利用氣壓原理讓風流動起來，還可以抬高門縫，讓其他區域通過抬高門縫與室內其他房間空氣形成內循環。

三、圍護體系

1.圍護體系

團隊與圍護體系經驗豐富的廠家密切合作，將成熟圍護技術集成在體系里，采用以下幾項節能關鍵技術：

（1）墻體技術：高效裝配、節能圍護體系，采用多層次構造墻體，實現降低能耗目標；

（2）冷熱橋處理技術：自主將研發的防火保溫一體化石膏基砂漿用于梁柱與板材的細部處理，該砂漿抗開裂性好，做法有效的解決鋼結構的墻板和冷橋問題。

（3）節能門窗技術：門窗是能源損失最多的部品，采用節能門窗可以有效的節約能源。

2.節能外墻

節能外墻圍護體系采用了高效裝配、節能圍護體系技術，采用多層次構造墻體，實現降低能耗目標。如采用ALC雙層板體系+120（空氣層或巖棉）的復合結構，復合保溫的方式具有良好的保溫性能，解決了冷橋效應；防水性能好，中間留有空氣層，外層漏水不會影響室內；施工速度快，濕作業量非常低，防火性能好。

3.裝配式內墻系統

內墻系統將具有自主知識產權的輕質石膏基砂漿預制墻板干掛在輕鋼龍骨上形成復合墻體，可以將管線放在墻體內，方便的實現管線分離，敲擊也沒有空鼓聲（圖9～10）。這種墻體具有裝配率高，構造簡單成熟，易于實現產業化，生產線投資低等特點。

4.冷熱橋處理—噴涂式包裹輕質砂漿

熱橋是指圍護結構中傳熱能力比較強，熱流比較密集，能量損失明顯高于附近區域的部位。熱橋部位是供暖和制冷期內熱/冷損失最為突出的部位。熱橋會導致建筑物結露、發霉，提前破壞。

噴涂式包裹砂漿綠色環保，主要由灰漿混合料、聚苯乙烯顆粒和礦物基礎黏合劑等組成，該材料通過噴涂方式，快速初凝，經過一定時間養護，形成具有一定強度，并兼有良好保溫、隔聲以及耐火等性能的新型輕質建筑材料。砂漿以電廠廢料石膏材料為主，水泥用量較少，是一種生產能耗較低的建筑材料。砂漿是可回收，循環使用的無污染的建筑材料。通過砂漿包裹，解決了圍護體系使用隔音、氣密性差等問題，同時兼有保溫和防火效果。

噴涂式包裹輕質砂漿凝結時間可根據需要進行調節，可極大節約施工周期。這種技術簡單有效的解決了隔聲、開裂等問題；具有良好的保溫、防火性能；能夠調節空氣干濕度，提高舒適度。

5.裝配式建筑配套高效節能門窗

據統計，不合格的門窗能耗占到建筑物總能耗的40%以上，裝配式建筑體系與門窗的配套節點和門窗是低能耗技術的關鍵。我國近年來也在不斷提高門窗的節能系數，門窗的節能性能得到了極大的發展，比如配合被動房使用的門窗其K值可以達到0.8以下，通過斷橋技術、暖邊技術、多層真空或充填惰性氣體等方式可以極大提高門窗保溫性能（圖12）。

四、結構體系

1.豎向構件

鋼結構體系具有生產能耗低，可回收，循環使用等優點，是綠色建筑材料。為避免外露梁柱，同時考慮便于裝配和工業化生產，在西安建筑科技大學長期的研究基礎上，以少規格、多組合思路，確定了幾種通用構件，由通用構件組成適用各種建筑功能的結構體系。

除了鋼結構裝配式通用構件，發展了具有鋼結構安裝特點的高強螺旋箍筋約束混凝土預制柱、型鋼混凝土預制柱。采用高強螺旋箍筋相比普通箍筋，可節約箍筋用鋼量一半，達到了節材的效果。

2.抗側力構件

3.附屬構件及樓板

4.高層住宅結構體系

通過壁式鋼管混凝土柱與抗側力單元組成的高層住宅體系：壁式鋼管柱框架-支撐體系和壁式鋼管柱框架-組裝鋼板墻體系。

5.高層公建結構體系

由鋼連梁連接壁柱形成密柱核心筒-外框架結構以及高強螺旋箍筋約束混凝土預制柱與鋼梁混合框架結構體系，可廣泛應用在公共建筑中。

五、智慧建造

1.BIM與綠色建筑結合技術

通過BIM技術與綠色建筑相結合，提升建造的能力，同時有效降低能耗，節省材料，降低工期。整合相關技術手段，最終形成設計—施工—運營全過程的數字化信息技術服務體。

2. 軟件開發

裝配式體系在繪圖、放樣、施工等與傳統鋼結構均有不同，配合建筑體系，開發了繪圖工具、計算工具、放樣工具、協同平臺。校核和深化設計輔助軟件TSST，可以進行壁式柱校核、鋼梁校核，還可以深化設計專用參數化節點。

3 .智慧建造一體化協同管理平臺

智慧建造一體化協同管理平臺是一個基于建筑全生命周期的協同工作平臺。由于裝配式建筑參與方較多，它把項目周期中各個參與方集成在一個統一的工作平臺上，改變了傳統的分散交流模式，實現了信息的集中存儲與訪問，從而縮短項目的周期，增強信息的準確性和及時性，提高各參與方協同工作的效率。做到四個協同：設計協同、深化協同、加工協同、施工協同。同時實現項目全生命周期管理，同時通過BIM4D、 BIM5D、進度填報及成本預算等實現對工程建設成本有效過程管控。

4.裝配式生產線

體系具有全套核心技術，從裝配式鋼結構生產線設備規劃、選型→配套圍護產品生產線設備規劃、設計→加工、施工工藝標準→EPC-BIM協同管理平臺→后期產品完善和研發，到各種建筑體系的設計，可以提供完備的全套解決方案和技術服務。也可以提供裝配建筑產業園的規劃和策劃服務。

六、其他體系配套低能耗技術

1.高效照明技術

絕大多數建筑都不能滿足于自然采光照明，因此照明是建筑設計中的重要環節，同時也要注意能耗問題。應根據不同應用場景，選擇不同的照明方式和控制方式。照明采用高效熒光燈，局部照明采用LED燈，采用照明箱內集中分區智能控制；辦公室采用高效熒光燈，吸頂或吊裝，現場開關控制；走道采用節能筒燈或緊湊型節能熒光燈，吸頂安裝，采用智能照明控制系統結合現場開關控制。

2.太陽能利用

利用太陽能光伏系統為建筑工公共區域提供照明，實現太陽能與建筑一體化，該系統僅供公共區域照明，無需逆變并網，有效降低造價。

利用壁掛式太陽能光熱系統供居民生活熱水，實現太陽能與建筑一體化，同時美化建筑立面，圖29為該技術在蘭州新區23號裝配式示范樓項目的使用。

3.光導照明技術

光導照明系統是通過室外的采光裝置捕獲室外的自然光，并將其導入系統內部，然后經過光導裝置強化并高效傳輸后，由漫射器將自然光均勻導入室內需要光線的任何地方。從黎明到黃昏，甚至是陰天或雨天，該照明系統導入室內的光線仍然十分充足。平均節約80%以上的白天照明；沒有對環境的污染，不同于電力照明，不存在安全隱患；一次性投入，回收期短，不用后期維護。

七、結語

改變建筑業傳統粗放型的生產方式、踐行可持續發展理念是我們的初始動力；降低建筑業的高耗能、高污染、高浪費，穩定提高建筑質量，建造綠色建筑是我們的追求的目標；實現工業化、信息化、智能化建造的BIM是最佳選擇工具；裝配式鋼結構建筑是實現綠色建筑的合理路徑。

鋼結構建筑靈巧于裝配，升華于綠色，止于至美。

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（作者單位：西安建筑科技大學）

【中圖分類號】TU393

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）10-0019-07