裝配式鋼結(jié)構(gòu)中小學(xué)校建筑實(shí)踐
——以上海市新建浦江鎮(zhèn)第五小學(xué)為例

■ 徐伯英 XU Boying

0 引言

近年來，隨著我國建筑領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，裝配式結(jié)構(gòu)越來越被廣泛應(yīng)用。裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為一種特殊的結(jié)構(gòu)型式，成為目前土木工程領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)課題之一。其特點(diǎn)是自重輕、安裝方便、建設(shè)周期短、施工污染小、抗震性能好，逐漸成為21世紀(jì)的“綠色建筑”之一。

2016年，國務(wù)院印發(fā)了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2016〕71號(hào)），明確了大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)思想、基本原則、工作目標(biāo)及八項(xiàng)任務(wù)。上海市印發(fā)了《上海市綠色建筑發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2014-2016) 》（滬府辦發(fā)〔2014〕32號(hào)）、《裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則(試行)》（滬建建材〔2016〕601號(hào)），強(qiáng)調(diào)以土地源頭實(shí)行“兩個(gè)強(qiáng)制比率”：2016年，外環(huán)線以內(nèi)符合條件的新建民用建筑全部采用裝配式建筑，外環(huán)線以外超過50%，2016年起單體預(yù)制裝配率不低于40%。

當(dāng)前，在國家方針和地方相關(guān)政策的推動(dòng)下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)在公共建筑中應(yīng)用廣泛，而在學(xué)校類建筑中應(yīng)用寥寥。本文通過上海市首例裝配式鋼結(jié)構(gòu)教育類建筑——浦江鎮(zhèn)第五小學(xué)綜合教學(xué)樓，介紹了裝配式鋼結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)到施工的實(shí)施情況,并藉此探討鋼結(jié)構(gòu)在教育類建筑中的應(yīng)用前景。

1 工程概況

浦江鎮(zhèn)第五小學(xué)位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)浦錦路、江櫸路交匯處，規(guī)劃用地17 047m2，規(guī)模為30個(gè)班，總建筑面積為16 395m2，其中地上建筑面積13 955m2，地下建筑面積2 440m2。項(xiàng)目總體分為三大區(qū)域：場(chǎng)地西側(cè)的教學(xué)區(qū)、場(chǎng)地北側(cè)的校前區(qū)、場(chǎng)地東側(cè)的體育活動(dòng)區(qū)。教學(xué)區(qū)主要包含3棟教學(xué)樓（普通教學(xué)樓、綜合教學(xué)樓、專用教學(xué)樓）及連接教學(xué)樓的2個(gè)連廊。

項(xiàng)目內(nèi)的3棟教學(xué)樓及2個(gè)連廊均采用鋼柱、鋼梁框架結(jié)構(gòu)，樓板為組合式樓板。其中,鋼柱、鋼梁完全是工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，組合樓板底部的壓型鋼板僅作為模板使用、不參與結(jié)構(gòu)受力分析。該項(xiàng)目中，鋼柱、鋼梁均為全預(yù)制，樓板為全模免支撐板，僅梁、板、柱三項(xiàng)建筑單體預(yù)制率為45%，完全滿足上海市對(duì)裝配式建筑單體預(yù)制率大于40%的要求。

另外，該項(xiàng)目中外墻部分還采用了外掛墻板的做法，這個(gè)也屬于加分項(xiàng)。外墻板采用的是蒸壓加氣混凝土板，經(jīng)過節(jié)能計(jì)算，建筑外墻不再需要采取其他外保溫措施，墻體自保溫滿足節(jié)能要求。

以綜合教學(xué)樓設(shè)計(jì)為例，該建筑為內(nèi)廊式設(shè)計(jì)，東西兩側(cè)為樓梯間。1層作行政辦公及衛(wèi)生保健室，2～4層每層設(shè)置4間普通教室和1間老師辦公室。該樓為4層鋼框架結(jié)構(gòu)，層高3.6m，建筑總高度16.0m。建筑造型上摒棄浮華、力求簡潔明快，通過顏色的搭配實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的協(xié)調(diào)（圖1）。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 建筑布置

我國的《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51232-2016）[1]規(guī)定，裝配式建筑應(yīng)模數(shù)協(xié)調(diào)，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)和內(nèi)裝系統(tǒng)集成。

該工程中，建筑布置考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置、立面基本元素組合及可實(shí)施性等要求，采用大開間大進(jìn)深，并采用標(biāo)準(zhǔn)化房間布置。

該建筑基本以3m為模數(shù)，層高均為3.6m；柱距主要有3 300mm、6 000mm、9 000mm等幾種尺寸，在滿足使用功能要求的前提下，盡量做到模式化（圖2～4）。

裝配結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是集成化設(shè)計(jì)。該建筑單體采用南北向連廊和其他教學(xué)樓相連接，在設(shè)備與管線系統(tǒng)布置時(shí)同時(shí)兼顧總體設(shè)計(jì)，并和周圍房間布置保持相同距離，樓梯、衛(wèi)生間處于相同位置，使管網(wǎng)密集區(qū)主要集中于東部區(qū)域，設(shè)備檢修時(shí)基本不影響其他房間的使用。

對(duì)于教育類建筑而言，布局的模數(shù)化、規(guī)則性，以及設(shè)備的集成化恰恰是其主要特征，因此，鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑是完全能適應(yīng)教學(xué)樓建設(shè)的。

外墻是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其優(yōu)劣對(duì)房屋整體質(zhì)量有重要影響。相對(duì)于裝配式主體結(jié)構(gòu)而言，配套的外墻技術(shù)發(fā)展滯后，能夠應(yīng)用于實(shí)際的裝配式鋼結(jié)構(gòu)外墻寥寥無幾，究其原因主要有以下三點(diǎn)：①建筑使用上對(duì)保溫、隔熱、隔聲、防火、防水、防潮等要求。結(jié)構(gòu)上對(duì)墻體的受力性能、正常使用性能等的要求。②裝配式施工要求外墻規(guī)格應(yīng)滿足模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕質(zhì)化。以便在施工過程中方便搬運(yùn)、減少施工工序，提高施工效率。③在造價(jià)上，需要從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、工藝等多環(huán)節(jié)入手，綜合控制。例如，增加同種外墻材料模具的利用率；選擇性能好的材料，增加建筑面積利用率，延長外墻使用壽命；縮短運(yùn)輸距離，降低人工成本等。

圖2 綜合教學(xué)樓1層平面圖

圖3 綜合教學(xué)樓2層平面圖

圖4 綜合教學(xué)樓3層/4層平面圖

圖5 1～4層結(jié)構(gòu)布置圖

經(jīng)過多方面分析和反復(fù)比較（表1），該項(xiàng)目的建筑墻體統(tǒng)一采用ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)條板，屋面采用泡沫玻璃保溫板，材料選擇上具有通用性和互換性。

然而，相較于傳統(tǒng)建材，ALC條板由于自身材料特性，雖然保溫隔熱性能較優(yōu)，但材料強(qiáng)度較低，建成后在墻面上增加荷載較難實(shí)現(xiàn)，如需吊掛重量較大的黑板、電視機(jī)等設(shè)備，需要另行增加支架。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)著眼于滿足建筑使用功能、施工方便快捷、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等幾方面因素。結(jié)合教學(xué)用房一般較為規(guī)則方正的特點(diǎn)，該項(xiàng)目中主體結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一的構(gòu)件布置方案，統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)連接方式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)規(guī)格化和施工模式化。圖5為1～4層結(jié)構(gòu)布置圖，鋼柱為 箱型 400×400×16，箱型 400×400×12；鋼梁為焊接H500×250×10×18，H500×200×10×16，H400×300×12×16，H400×200×12×16，H400×200×8×12。

我國現(xiàn)有的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）[2]并未對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)做出特殊規(guī)定，目前仍按該規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是，裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接主要采用螺栓連接，矩形鋼管柱與鋼梁連接時(shí)采用橫隔板貫通式連接，相對(duì)于內(nèi)隔板式連接節(jié)點(diǎn)，避免了柱壁內(nèi)外兩側(cè)施焊引起柱壁板變脆的缺陷，柱壁不會(huì)發(fā)生層狀撕裂，提高了節(jié)點(diǎn)的抗震性能（圖6）。

表1 外墻類型比較

在樓板的設(shè)計(jì)上，采用了鋼筋桁架組合樓板（圖7），該樓板有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①工廠預(yù)制成品，現(xiàn)場(chǎng)免模板安裝，施工安裝方便快捷，節(jié)約工期近30%；②現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎量大量減少；③樓板雙向剛度相近，整體性好；④可實(shí)現(xiàn)多層樓板同時(shí)施工；⑤鋼筋排列均勻，施工質(zhì)量易保證。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的墻板連接節(jié)點(diǎn)具有特殊要求：①自身要有一定的強(qiáng)度和剛度，既能在日常使用中保證墻板不變形，也能在地震時(shí)防止墻板墜落傷人；②我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)方法是鋼框架承擔(dān)全部水平荷載，墻板不參與工作，實(shí)際上墻板仍具有一定的抗側(cè)力能力，因此，墻板的連接節(jié)點(diǎn)是保證兩者共同工作的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①節(jié)點(diǎn)的傳力要明確可靠，自身強(qiáng)度要滿足計(jì)算要求；②節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生一定的位移，通過柔性變形耗能，利于抗震；③節(jié)點(diǎn)連接件制作安裝要簡便，避免現(xiàn)場(chǎng)焊接和濕作業(yè)；④節(jié)點(diǎn)連接要具有通用性，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。

圖6 梁柱剛接節(jié)點(diǎn)

圖7 鋼筋桁架組合樓板

《上海市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則（試行）》規(guī)定，2016年起單體預(yù)制裝配率不低于40%。在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，既要滿足自身安全性，也要注意預(yù)制裝配率控制在標(biāo)準(zhǔn)線之上。該項(xiàng)目的預(yù)制裝配率為57.2%（表2），滿足上海市的要求。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)框架施工特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)是天然的裝配式建筑，具有綠色建筑的特征，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)建筑具有“輕、快、好、省”的優(yōu)點(diǎn)。

輕：鋼結(jié)構(gòu)建筑使用的材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特征，相對(duì)于混凝土建筑自重降低30%左右；同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗震抗風(fēng)性能，大大提高了建筑的安全可靠性，尤其在遭遇地震、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的情況下，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)遭受倒塌性迫害的可能性更低。國外很多國家都把教育建筑作為臨時(shí)抗災(zāi)避難所，目前我國的學(xué)校也越來越多地承擔(dān)起這樣的功能，鋼結(jié)構(gòu)是順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)的最合理的結(jié)構(gòu)形式之一，也使建筑的避難性大大提高。

快：由于建造特征不同，鋼結(jié)構(gòu)比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程工期縮短50%以上。

好：鋼結(jié)構(gòu)建造過程節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地，環(huán)保效果更好，在建筑拆除時(shí)，大部分材料可再利用或降解，不易造成建筑垃圾；

省：建筑總重輕，施工周期短，大大減少基礎(chǔ)造價(jià)。

因此，鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑更符合綠色建筑的特點(diǎn)和要求，也是目前對(duì)城市環(huán)境影響最小的結(jié)構(gòu)形式之一。

4 存在的問題

上海市浦江鎮(zhèn)第五小學(xué)綜合教學(xué)樓是上海市首例采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的學(xué)校類建筑，目前已經(jīng)竣工投入使用。在項(xiàng)目參與各方的積極工作下，從設(shè)計(jì)到施工，較好地完成了指定工作，達(dá)到了預(yù)期的效果，說明該結(jié)構(gòu)型式用于學(xué)校類建筑是完全可行的。但是在整個(gè)項(xiàng)目的完成過程中，仍存在一些亟待解決的問題。

（1）國家針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，造成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，施工仍主要以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主。

（2）和裝配式鋼結(jié)構(gòu)配套的墻板類型較少，有待進(jìn)一步研發(fā)。

（3）連接件現(xiàn)場(chǎng)焊接較多或過于復(fù)雜，不便于工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝精度難以保證。

（4）由于鋼結(jié)構(gòu)自身重量輕，對(duì)于教學(xué)建筑，遇到上、下課學(xué)生集中疏散，易引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，建筑構(gòu)件與鋼結(jié)構(gòu)連接部位易產(chǎn)生裂縫。

（5）裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的教育類建筑物的建成，僅僅是建筑物全壽命周期的開始，后續(xù)要經(jīng)過幾十年的使用過程。鋼結(jié)構(gòu)體系有優(yōu)點(diǎn)，也必然有其獨(dú)有的缺點(diǎn)，在后續(xù)使用中是否可能出現(xiàn)屋頂漏水、外墻交接處滲水、結(jié)構(gòu)局部變形引起樓板開裂、安裝教學(xué)器具困難、局部銹蝕降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等等，需要建立長效、有效的監(jiān)測(cè)體系，不斷總結(jié)使用和管理維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以保證使用安全，為新項(xiàng)目的建設(shè)提供可持續(xù)的優(yōu)化依據(jù)，為教育建設(shè)事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件、部品部件預(yù)制裝配率

5 建議

（1）教育類建筑體量較大，主要教學(xué)用房相對(duì)規(guī)整，開間及跨度較大，尤其是體育館報(bào)告廳等屬于大跨度、大空間建筑結(jié)構(gòu)，能夠充分有力發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)自重輕、適用跨度大、節(jié)約空間的優(yōu)點(diǎn)，且具有足夠的可塑性，能夠很好地適應(yīng)建筑造型的需要。

鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑能完全適用于教育類建筑，且能更好地提高建筑使用效率、縮短施工周期、改善施工環(huán)境，更綠色節(jié)能。但作為教育類建筑，使用對(duì)象為人員密集場(chǎng)所，對(duì)防火疏散有著很高的要求，應(yīng)保證滿足室內(nèi)外有關(guān)防火設(shè)計(jì)規(guī)范，做到萬無一失。

（2）充分利用并發(fā)揮裝配式鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，減少濕作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)。

（3）開發(fā)研究新型墻板材料和節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)，既要保證受力可靠又要方便施工。

（4）充實(shí)部件庫，設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)型材，減少深化量。

（5）針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為使用單位編制提供使用手冊(cè)，加強(qiáng)竣工后的檢測(cè)和觀測(cè)，做好記錄，通過實(shí)際使用形成更加完善的技術(shù)體系，為學(xué)校的綠色建筑設(shè)計(jì)做出積累和提升。