裝配式鋼木結構建筑應用研究

文/無錫城市職業技術學院 無錫環境科學與工程研究中心 李凱文

無錫汽車工程高等職業技術學校 紀 敏

無錫城市職業技術學院 萬 鑫

1 裝配式建筑概述

國內建筑產能過剩，發展裝配式建筑有利于對外輸出產能。裝配式建筑形成新的產業集群，對去庫存和化解目前鋼鐵行業產能過剩的問題起到關鍵作用。裝配式建筑在設計階段要實現標準化、模塊化，在制作階段要實現智能化、數字化，在安裝現場要實現信息化、裝配化。傳統建筑行業產生大量建筑粉塵、施工噪聲、建筑垃圾等環境污染物，工廠生產、現場拼裝的裝配式建筑模式現場噪聲小、粉塵污染少，可更合理配置資源，達到節能環保目的。施工過程中裝配式建筑是可拆除的，90%建筑材料可回收再利用，比傳統建筑碳排放量降低35%以上。裝配式建筑實現了像造汽車一樣造房子，像賣汽車一樣賣房子，改變了傳統建筑模式，變建筑工人為產業工人，變工地為工廠，改變傳統勞動密集型的建筑模式，實現建筑產業升級。在提高質量、合理加快工期、環保節能方面，工業化模式下的裝配式建筑有得天獨厚的優勢，有利于我國建筑行業健康發展。裝配式建筑貫徹綠色發展理念，構建城鄉生態體系屏障方略，樹立“綠水青山就是金山銀山”理念，優化田園景觀資源配置，深度挖掘生態價值，統籌景觀功能和體驗功能，凸顯宜居宜業的城鄉新特色。

2 以木材為主的結構體系

2.1 木結構建筑

木結構是指以木材為主要受力體系的工程結構，鋼材和水泥廣泛應用前，木材是主要的建筑材料之一。木結構在我國古代曾發展繁盛，榫卯連接的宮殿和廟宇層出不窮。隨著時代進步和科技發展，現代木結構建筑采用新材料、新工藝和工廠化精準生產，與傳統木結構建筑相比具有綠色環保、保溫節能、舒適耐久、結構安全等優勢，具有優良的抗震隔聲性能，在某些方面比鋼筋混凝土和砌體結構更優越。

2.2 木混合結構建筑

木混合結構建筑是指木材與其他建筑材料共同形成受力體系的結構工程，木結構及木混合結構除大量用于住宅、學校和辦公樓等中低層建筑外，也被大量用于大跨度建筑，如體育場、展覽館、圖書館、會議中心、商場和廠房等。最早的裝配式建筑可追溯到17世紀向美洲移民時期所用的木構架拼裝房屋。木混合結構體系大致分為以下2類。

2.2.1 原木結構體系

原木結構采用形狀規格統一的圓形木、方木或膠合木構件疊合制作，是集承重與圍護結構于一體的木結構體系，具有優良的保溫、保濕、隔聲、水密、氣密等性能，原木建筑自身具有可呼吸性，能調節室內濕度，適用于醫院、住宅、療養院、養老院、幼兒園、托兒所、體育建筑等。

2.2.2 膠合木結構體系

膠合木結構是采用20～45mm厚鋸材膠合而成的層板膠合木構件制造的房屋結構體系，墻體采用輕型木結構、砌體墻、玻璃幕墻及其他混凝土或砌體等不燃結構組成共同受力的結構體系，上部木結構與下部混凝土結構通過預埋在混凝土中的螺栓和抗拔連接件連接實現木結構中的水平剪力和木結構剪力墻邊界構件中拔力的傳遞，與下部鋼筋混凝土結構相比，上部木結構質量輕，抗側剛度較小，具有下重上輕、下剛上柔的非均勻結構特點。

3 裝配式鋼木結構建筑

基于木結構建筑的優缺點，可采用鋼木混合結構改善結構性能，鋼木混合結構指由木材與其他建筑材料共同形成受力體系的結構工程，裝配式鋼木結構建筑在美國、歐洲、澳大利亞和日本等國應用廣泛，高檔美觀的輕鋼別墅在歐美國家隨處可見，我國一些大城市也有很多獨棟住宅采用此種輕鋼結構。裝配式鋼木結構住宅將這種安全抗震和高品質的輕鋼別墅在全國推廣，安全抗震和冬暖夏涼的新型輕鋼別墅在農村鄉鎮快速進入千家萬戶，與城市居高不下的房價相比，建房過程快捷，通過自主設計平臺可輕松設計自己的專屬住宅，政府鼓勵這種新型節能抗震建筑大力推廣，以解決老百姓住房抗震安全、節能環保等問題。裝配式鋼木結構建筑通過專業的工廠化生產，可進行高精度質量控制，裝配速度快，連接安全可靠，實現了建筑材料應用的節能環保。裝配式鋼木結構住宅不再是建筑工程，而是一種住宅產品，更是居家服務的開始，完成后的建筑實體就是建筑產品，如商品房、寫字樓等。裝配式鋼木結構建筑是經多年研發形成的標準化成熟成套住宅體系，實現了工廠化生產、裝配化施工，現場裝配時間短，裝配式鋼木結構住宅如同房地產開發商出售的商品房，經過精細化設計的整套住宅產品現場組裝，靈活性更強。采用應用最廣泛的輕鋼框架體系，相比其他輕鋼結構體系有應用時間長、規范完善、設計驗算過程成熟可靠等優點。裝配式鋼木結構標準化施工，裝配率高，安裝簡單快捷，連接可靠，施工質量極易控制。裝配式鋼木結構的梁柱受力體系可自由分隔，梁柱占用空間小，突出鋼結構大開間且可自由分隔的優勢，可最大程度滿足用戶的個性化需求；所有建筑構件均在工廠加工制作，全部采用智能化機械生產，相較現場施工，施工質量更易控制，整個結構體系較成熟；裝配式鋼木結構建筑墻體整體預制保溫節能性能好，保溫層位于中間位置，厚度僅約150mm，此種裝配式鋼木結構建筑室內空間更大。

4 裝配式鋼木結構建筑應用

4.1 定制化洋房

定制化洋房抗震、抗風能力強，房屋受力體系為冷彎薄壁輕鋼結構，墻體采用歐松板作為圍護結構，整體形成密肋結構體系，房屋抗震性能好，體輕墻薄，由于總重量是傳統磚混建筑1/3～1/2，房屋基礎小，節省工程造價，房屋框架體系全在工廠流水線加工，現場組裝，加工速度快，每棟房屋的施工期為25～45d，比傳統磚混房屋施工周期短1/3～1/2。由于房屋采用綠色環保且可重復使用的材料，可有效減少環境污染，節省有限土地資源。定制化洋房造型、風格多樣化，房屋可根據不同要求，設計成不同風格的建筑形式，如歐洲、北美、維彩利亞、田園、現代、中式徽派等風格。由于房屋墻體比傳統建筑的墻體薄，每棟房屋的實際使用面積比傳統房屋增加5%～10%。定制化洋房配件齊全，房屋配件全采用定型系列化，采用新型保溫隔聲復合窗，室內裝修可按用戶喜好定制，房屋屋面防水采用SBS防水層上鋪瀝青彩色油氈瓦。

4.1.1 徽派建筑：徽風雅苑

采用現代設計建造方式，大大提高了建設速度，通過采用新型建筑材料，保溫隔熱效果更好，實現了冬暖夏涼效果，客廳270°觀景，全景視野陽光、庭院美景被最大化引入室內，2樓露臺具有可拓展空間，如有必要可改為小臥室、書房等其他用途。

4.1.2 經典木屋：森林之歌

內外墻、吊頂均采用進口木板，外墻聚氨酯保溫材料，為極寒、極熱地區使用的最佳保溫材料，進口內外墻吸聲、絕熱、防腐、耐磨，房屋材料綠色環保，回收利用率達80%以上。

4.1.3 田園風：鄉村別苑

超大觀景新型保溫隔聲復合落地窗，房屋配件全采用定型系列化，適用于旅游度假區。

4.1.4 美國風情房屋

私家庭院，濃蔭環保，親近自然融入綠色生活，體輕墻薄，每棟房屋實際使用面積比傳統房屋多5%～10%，適用于新農村、旅游區、園區等建設。養老扶貧房屋建筑面積121m2，有3套獨立住戶，配置獨立廚房、衛生間，輕鋼復合保溫墻體，工期為15d，墻體保溫隔熱、隔聲，滿足用戶不同需求，適用于易地扶貧搬遷項目以及養老院、移民房等（見圖1）。

圖1 美國風情房屋

4.1.5 新西蘭新型房屋

樣板房建筑面積為102m2，配有多個儲藏間，廚房、餐廳、客廳布局緊湊，功能合理，根據新西蘭房屋特點，屋檐寬大，提升了屋頂的防水性能，夏天太陽高度角大時保證涼爽，冬天太陽高度角小時保證光照。新西蘭屋面坡度一般不大，氣候適宜，屋頂罕有厚重積雪，適用于莊園、旅游區及居住區。

4.1.6 旅游度假產業房屋

建筑創意新穎，造型獨特，采用高效輕型薄壁型材，自重輕、強度高，建筑面積為75，85m2，屋面采用玻璃采光頂，適用于旅游度假區、莊園（見圖2）。

圖2 旅游度假產業房屋

4.2 移動式建筑

移動式建筑是一種新興建筑，是一種可方便組裝、移動的居室，無須基礎，尺寸、層數、面積均可按住戶意愿定制，快速交貨。目前，移動式建筑已在旅游景區配套、城市公共建筑、辦公室、建筑工地管理用房、廉租房等領域廣泛應用。移動式建筑的設計特點是根據房屋所處環境不同，可根據需求進行自由組裝和拆卸。與傳統建造方式相比，移動式建筑采用工廠制造＋現場安裝模式，縮短大量施工工期，減少施工垃圾，有移動房屋、移動廁所和移動警亭等。

4.2.1 移動式房屋

移動式房屋具有防護性高、抗震性強、使用壽命長、可多次重復使用等優點，價格相較普通住宅低廉很多，組裝工期很短，且不會產生大量建筑垃圾，在未來將成為替代傳統住房的新型住宅（見圖3）。

圖3 移動式房屋

4.2.2 移動式廁所

移動式廁所是一種可方便組裝、移動的建筑。移動式廁所具有占地面積小、吊裝運輸方便等優點，為無性別廁所，1個廁所有2個方便單間，專人看護且為水沖式。排泄物直接排入城市污水管（見圖4）。

圖4 移動式廁所

4.2.3 移動式警亭

移動式警亭在工廠預制墻體、屋面等，按設計要求并根據周邊環境預先定制，能迅速組裝為成套警亭，采用標準化、模塊化、通用化生產，易于拆裝且可多次重復使用。移動式警亭的優點是節約資源，減少施工垃圾和裝修垃圾約99%，建材回收率比傳統建筑高70%，成組樓房的安裝比普通建筑的工期少50%以上，保溫性能是傳統磚混結構房屋的2倍左右；移動式警亭使用便捷，在工廠制作完成后，運到目的地，安裝通電后即可使用；需要遷移時，連同房內物品一起整體遷移，到達目的地并放置到使用地點并安裝通電后即可使用（見圖5）。

圖5 移動式警亭

移動式警亭可根據用戶需求裝修，其舒適性完全可達到普通住宅精裝修的程度，有效改善戶外作業人員的工作環境。移動式警亭以整體鋼結構作為骨架，相較磚混結構警亭，在抵抗自然災害方面具有優勢。外墻為獨特的復合外墻系統，最外層為50mm厚的聚氨酯保溫裝飾一體化板，有良好的保溫隔聲裝飾性能，強度很高且由螺栓固定，可經受大地震沖擊，將鋼梁鋼柱包裹其中，有效避免外墻開裂滲水及冷熱橋現象，中間層為鍍鋅龍骨，保證了外墻鋼度，80mm間隙可布管線，隔聲、隔熱且防水，可明顯降低固體傳聲，內層采用無機輕質墻體材料，有良好的防火、隔聲及保溫性能，裝飾性好。毛坯房內部與鋼筋混凝土結構墻體相似，看不到外露的鋼梁鋼柱，但隔聲、保溫及防火性能更好，也更環保健康，復合外墻系統在隔聲、保溫、防滲、防開裂(插口式連接，不會開裂)及抗震強度上要明顯優于傳統建筑。

5 裝配式鋼木結構建筑研究要點

5.1 保溫節能及隔聲技術

外墻采用50mm厚聚氨酯保溫材料，80mm空氣對流，100～120mm輕質墻體材料，保溫性能符合極寒地區要求，合肥市高檔住宅小區外墻一般采用20mm厚聚氨酯保溫層，東北高檔小區一般采用50mm厚聚氨酯保溫層，上述材料及構造有極佳隔聲效果，明顯高于傳統建筑，屋面采用50mm聚氨酯保溫層＋空氣對流＋吊頂，保溫、隔熱及隔聲性能高于傳統建筑和農民的自建建筑。

5.2 防火技術

裝配式鋼木結構建筑耐火等級為4級，分戶墻采用150～180mm輕質無機墻體，內隔墻采用100～120mm輕質無機墻體，鋼柱鋼梁采用內隔墻包裹，耐火時間達2h以上。

5.3 樓面構造

裝配式鋼木結構樓面由樓承板及混凝土樓面組成，樓承板可節約現場搭設腳手架及支模時間，整體性好，隔聲、防水及可裝飾性較輕鋼龍骨組合樓板更佳。

5.4 屋面系統

由輕鋼屋架、屋面保溫防水系統及屋面裝飾系統組成，輕鋼屋架由高強度熱鍍鋅型鋼架組成，質輕、高強，防腐性能好，與主體結構有效連接。屋面保溫防水系統采用50mm厚聚氨酯復合板，優于現有農村建筑的屋面保溫效果，符合寒冷地區保溫要求，同時聚氨酯材料也是極好的隔聲材料，屋面采用聚氨酯復合板＋防水卷材＋瀝青瓦(或彩瓦)等3道防水，可防止屋面滲水，屋面裝飾層有瀝青瓦、彩瓦等多種材料選擇，起裝飾作用，同時作為屋面的第一道防水，外觀效果好，維修簡單，同時，裝配式鋼木結構建筑可利用太陽能。

6 結語

裝配式建筑施工速度快，制作精度高，環保隔熱效果好，實現了建筑工業化。裝配式鋼木結構建筑安裝簡單快捷、連接可靠、梁柱受力體系梁柱占用空間小，可實現空間自由分隔，滿足用戶個性化需求。目前，裝配式鋼木結構建筑在全國推廣應用，可用于定制化洋房、移動式房屋等建筑。裝配式鋼木結構建筑在樓面構造、屋面系統、保溫節能及隔聲技術和防火技術方面有待進一步深入研究。