鋼—混凝土—磷石膏綠色裝配式建筑設計應用

陳 海

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001)

國務院總理李克強2016年9月14日主持召開國務院常務會議，提出大力發展裝配式建筑，推動產業結構調整升級，以京津冀、長三角、珠三角城市群和常住人口超過300萬的其他城市為重點，加快提高裝配式建筑占新建建筑面積的比例。

2018年8月21日為貫徹省委、省政府“以渣定產”的重要部署，根據《省人民政府關于加快磷石膏資源綜合利用的意見》，省住房城鄉建設廳等七部門制定了《貴州省磷石膏建材推廣應用工作方案》，傳達到了各市、自治州人民政府、各縣人民政府，省政府各部門、各直屬機構。

結合國家裝配式建筑的產業政策和貴州省的磷石膏綠色建材大力推廣的產業政策，有機融合了鋼—混凝土—磷石膏的物理特性，我們創新了一種新型的裝配式建筑結構形式。

在闡述這種裝配式結構體系前有必要先將磷石膏的物理特點及我省的磷石膏作為建材產品的性能作一個初步的介紹和闡述：

磷石膏是指在磷酸生產過程中，當用硫酸來處理磷礦時產生的固體副產物，它的主要成分為二水硫酸鈣，并含有少量的磷礦、磷酸、氟化物以及鉀、鈉等成分。我國的磷石膏年約有7 500萬t的產量，具有40%左右綜合利用率，綜合利用成本高，如果大量磷石膏長期堆存，不僅占用土地，而且會帶來較大的環境安全隱患。2018年，貴州省對磷石膏提出“以渣定產”的政策，貴州磷化(集團)有限責任公司，在磷石膏綜合利用上將磷石膏固體廢料資源化、產業化，經水洗凈化處理和高溫改性，得到優于國家標準的輕質、防火、保溫、隔熱、隔聲、環保的磷石膏建材產品。

這種裝配式結構體系的特點和與磷石膏有機結合的案例如圖1所示。

1)此體系是豎向承重體系與抗側力體系相分離的新型裝配式板柱鋼結構體系，梁端采用鉸接連接，只承受豎向重力荷載，便于標準化設計;水平抗側力體系采用鋼支撐和混凝土核心筒，實現了豎向承重體系和水平抗側力體系分離。

2)采用與墻板一體化的鋼管混凝土聯肢柱，提高了鋼柱抗側能力，避免了鋼柱外露，又解決了鋼結構防火防腐的難題，現場施工三層一個模塊，施工速度快。采用預制疊合密肋樓板，增加了樓層凈空高度，提升了樓蓋剛度和使用舒適度，并解決了建筑中鋼梁外露的難題。

3)基于鋼管柱、H型鋼梁、鋼管支撐等鋼結構體系，綜合考慮混凝土墻連接構造及施工技術，研發出結構受力、外墻保溫、內墻裝飾一體化磷石膏圍護墻板，既解決了外掛板與鋼結構變形協調的問題，又解決了鋼構件冷橋問題。

4)基于剛性、半剛性及鉸接節點連接構造，研發出連接剛度可調的且可快速裝配的梁柱連接節點，避免了現場全熔透焊接作業，加快現場連接的速度，提高了連接質量。

5)形成了鋼結構和復合圍護材料即磷石膏、混凝土相結合的整體部品模塊，控制了鋼結構和復合圍護結構構件的制作、安裝偏差小，形成了綠色裝配式建筑部品制造、安裝工藝。

這種鋼—混凝土—磷石膏形成的裝配式建筑同時需要如下生產工藝：

1)鋼梁支撐復合墻板生產工藝，先進行外葉生產即外框模板的制作和鋪設磷石膏保溫板，放置鋼梁和鋼支撐，然后在鋼梁和鋼支撐之間放置填充砌塊，最后綁扎鋼筋、澆筑混凝土、進行蒸汽養護后，拆除模具后形成鋼梁支撐磷石膏復合墻板。

2)鋼管柱復合墻板生產工藝，先進行構件外葉生產即外模板的制作，然后放置鋼柱，在鋼柱間放置磷石膏填充砌塊，進行混凝土澆筑即內葉生產，最后進行蒸汽養護。

3)疊合密肋樓板生產工藝，首先進行模具組裝，然后進行鋼筋綁扎，最后是混凝土澆筑及養護，預制構件拆模后形成疊合密肋樓板。

這種鋼—混凝土—磷石膏形成的裝配式建筑的安裝步驟有：

1)鋼管柱復合墻板安裝工藝，首先要進行的是鋼柱復合墻板吊裝，垂直安裝采用預埋的螺栓孔進行鋼柱固定，安裝就位形成這種裝配式結構的垂直結構體系。

2)鋼梁支撐復合墻板安裝工藝，首先是在已經固定了的鋼管柱復合墻板間進行外墻板吊裝和墻板固定，然后進行墻板勾縫，最后形成建筑外墻板的圍護體系。

3)疊合密肋樓板的安裝工藝，先在預制的鋼梁上進行疊合樓板的吊裝，然后進行鋼筋綁扎放置磷石膏填充塊，并進行混凝土澆筑形成疊合密肋樓板的水平體系。

該建筑的用材情況以一個高66.9 m，地上22層，地下2層，10 850 m2板式住宅綠色建材用料估算：

鋼結構含鋼量為：76 kg/m2,鋼筋含量為42 kg/m2,總體含鋼量為118 kg/m2，總體鋼結構用鋼量為800 t,磷石膏填充砌塊用量約為100 kg/m2，磷石膏填充砌塊用量約為1 085 t。

PC單位成本增(減)量由以下4部分組成：

1)主材成本增量。2)輔材及PC吊裝成本增量。3)施工措施成本增量。4)模板施工人工及材料成本減少。

以上海某項目為例，據統計計算得出PC單位成本增量為：

(主材成本增量+輔材及PC吊裝成本增量+施工措施費增量)-模板人工及材料減少。

(164.9+111.75+61.02)-29.7=307.97元/m2。

本數據直接來源于施工企業，具有參考價值。

成本增量分析見圖2。

以上海地區預制裝配率與單位成本增量的關系可知:

1)成本增量隨預制率的提高而逐漸增加；

2)目前上海常見預制率(15%～25%)情況下的成本增量約為300元/m2～400元/m2；

3)預制率超過30%以后預制構件主要為內部構件(如內墻、疊合樓板等)，綜合單價比降低，成本增量曲線變緩。

通過上面的敘述我們可以看到，鋼結構、磷石膏、混凝土三種材料能有效融合，有效解決了鋼結構防腐、防火難題，也解決了三種材料線性膨脹差異造成外墻裂縫滲水問題，而且保溫隔熱效果優于傳統的鋼結構和混凝土結構，且綠色環保節能，現場每次拼裝2層～3層，加快了施工進度，并能到達現場綠色環保施工。建筑空間可靈活分隔，可按客戶要求個性化定制，制作加工可實現游牧式生產，在施工現場加工部分PC板，解決了PC板運輸難題。