綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用

渠天亮 郭毅敏 趙新平

1.裝配式鋼結構建筑的基本特征

裝配式鋼結構建筑主要是將分階段施工方式替換為全盤統籌設計施工形式，以及將現場施工協調指導替換為信息智能化管理模式，最為明顯的特征是用標準化部件取代了現場澆筑制作部件，由此形成的綠色建筑工程結構具有以下特征：（1）標準化和工業化的設計形式。在施工設計和整體分析過程中，要結合鋼構件的制作吊裝運輸要求，充分發揮出構件材料的性能優勢，促使構件參數、建筑功能等諸多方面達到施工標準要求，并且標準構件與組件的施工重復利用率較高，可以有效地減少廢棄模板，提高建筑工程的綠色環保效果。（2）裝配式建筑施工和一體化工程裝修。裝配式鋼結構在建筑工程施工中的應用，有利于提高工程施工質量，減少現場濕作業，降低工程施工對勞動力的需求，并通過對施工工序進行優化，降低廢棄物的產生時間和工程的施工周期。（3）信息化管理與智能化管理模式的應用。構件在工廠中加工制作時需要為工作人員營造良好的工作環境氛圍，再加上加工作業和質量檢查等環節都需要大量的工作人員，良好的工作環境氛圍可以降低人員不確定性風險事故的發生[1]。此外，施工現場的鋼結構構件安裝施工主要是以運輸安裝為主，這就會減少大量的施工作業用人，提高施工安全管理規章制度的貫徹效率。

2.裝配式鋼結構建筑體系的研究

2.1 維護體系的創新

裝配式鋼結構體系是新型的建筑施工形式，為了保證裝配式鋼結構建筑體系的快速發展，裝配式鋼結構的安裝施工人員要在常規建筑體系的基礎上，改進原有的建筑結構體系，加強建筑結構體系的創新和完善。在具體的建筑結構施工中，設計人員要充分利用先進的設計理念，明確建筑項目工程的裝飾裝修特點，保證建筑工程內部與外部的協調。而且，設計人員要全面了解建筑工程結構的各項功能，結合建筑結構的基本特點，加強建筑工程主體的設計，保證結構尺寸參數的合理性，做好鋼結構體系的科學布置。

2.2 建筑體系的模塊化

裝配式鋼結構體系具有明顯的模塊化特征，該結構在建筑工程中應用可以對建筑結構進行靈活地拼裝和拆卸?；顒有园宸亢湍K化房屋的建設主要是利用輕鋼結構或者薄壁型鋼結構進行安裝施工，有利于提高鋼結構材料的防火特性，保證建筑工程的實際防火效果。

2.3 住宅體系的工業化

常規形式的鋼結構框架體系在建筑工程施工中應用時，梁柱結構施工問題較為常見[2]?；诖?，在建筑行業快速發展過程中，為了打造工業化的建筑住宅體系，要注重與建筑工程結構特點的關聯。從實踐角度出發，鋼管組合體系的施工應用效果更佳。在建筑鋼結構體系的應用過程中，利用模數化的鋼管構件進行施工，主要是將鋼管采用并排連接的方式形成鋼管束，有利于提高建筑工程結構穩定性和質量。

3.裝配式鋼結構建筑體系的應用

3.1 裝配式鋼結構體系的發展歷程

由于裝配式鋼結構具有降低環境污染、加快施工速度、減輕勞動強度等施工優勢，在建筑行業內得以廣泛應用，形成了裝配式住宅。這種建筑形式誕生于20 世紀初期，并在二戰后得以發展。20 世紀50 年代，歐洲因二戰原因受到了嚴重的創傷，急需重新建設大量的房屋住宅。基于此，歐洲采用了工業化方式進行建設，并借此形成了完整且標準的住宅體系。法國是世界上最早推行建筑工業化發展的國家，在50 年代到70 年代這段時期，法國形成了全裝配化大板和工具式模板現澆的工業化生產體系[3]。法國的工業化裝配式建筑主要是利用干式連接方式，將預應力混凝土框架結構進行連接施工，整體的工業化建設發展程度達到了80%。德國在建筑行業工業化發展過程中，主要是利用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，且相關構件需要在工廠內進行預制化加工生產。德國住宅產業化發展契機也是在二戰之后，經過幾十年的發展，目前德國住宅產業化技術已經發展得相當成熟。法國、德國等國家的裝配式鋼結構建筑已經具有幾十年的發展歷史，在相關技術應用方面較為成熟。但其主要是低層結構住宅，施工所用的裝配式鋼結構是輕鋼結構，尤其是冷彎薄壁型鋼材質的應用較為廣泛，很少在高層建筑中應用裝配式結構。而我國的裝配式鋼結構發展起步較晚，但在國家的大力支持下，許多企業和高等院校以及科研院所都開始了這方面的研究，并取得了顯著的成績，在北京、上海、天津等地還興建了鋼結構住宅示范點[4]。

3.2 裝配式鋼結構中柱的連接節點

低層裝配式鋼結構主要是輕鋼型龍骨結構，是利用熱浸鋅薄壁鋼板制作而成，并采用普通螺栓進行連接。為了實現結構的等強連接，需要在普通鋼結構柱之間采用焊接方式進行連接，主要是因為焊接連接方式的實際強度是行業內部公認的，具有較高的安全性。但是，在美國和日本的地震災害中，這種焊接連接方式都遭受了嚴重的損壞，這也充分地暴露出焊接連接方式存在的不足。實際上，焊接連接方式具有較高焊接的殘余應力和熱影響區，在地震條件的作用下會出現脆性斷裂問題，導致房屋建筑結構存在較大的安全風險隱患，尤其是在低溫環境下進行焊接連接，其連接位置的脆性更大。再加上利用焊接方式進行鋼結構構件的連接，其整體的焊接施工速度較慢，且焊工的技術水平、施工條件等因素都會影響連接焊接的施工質量，無法做好施工質量的管理控制。所以，在工程焊接施工驗收過程中，需要依靠第三方檢測單位進行驗收[5]。

3.3 裝配式鋼結構中梁柱的連接節點

按照鋼結構構件的連接剛度性，可以將梁柱之間的連接方式分為剛性連接方式、半剛性連接方式、鉸接方式。而按照連接措施可以將梁柱之間的連接方式分為全焊接連接方式、栓焊混合連接方式、全螺栓連接方式。其中，多高層鋼結構的梁柱連接方式可以采用剛性連接方式，利用梁翼緣與腹板進行全部焊接，或者翼緣焊接和腹板螺栓連接，以及翼緣與腹板都采用螺栓連接方式。全焊連接方式能夠實現鋼結構的等強剛性連接，但由于工地焊接施工的工作量較大，且受到諸多因素的影響，無法對施工質量進行控制，這就會導致焊接施工存在諸多的質量問題。再加上焊接殘余的應力較大，實際焊接施工難度較大，且施工質量的檢測費用較高，所以在鋼結構的梁柱連接過程中，是不宜采用現場焊接方式的。栓焊混合連接方式的應用，不僅因其施工較為方便，還因其能夠保證焊接強度達到全焊連接方式的焊接強度。在美國和日本地震發生之后，盡管鋼結構具有較高的強度以及良好的塑性和韌性，仍舊會在強震的影響作用下使得部分鋼結構梁柱節點出現脆性破壞，其破壞位置主要是在梁下翼緣和柱的焊接縫位置。這也充分地暴露出鋼結構采用焊接連接方式所存在的不足之處[6]。

因此，為了提高裝配式鋼結構構件之間的安裝速度，保證其連接安裝的施工質量，需要針對梁柱節點采用螺栓連接方式。雖然，這種螺栓連接方式的節點要比焊接節點存在的螺栓數目更多，且實際的節點較大，但其綜合經濟成本會略低于現場焊接費用。梁柱全螺栓連接方式能夠實現剛性連接和半剛性連接，其中剛性連接方式的計算分析較為簡單，實際應用較為普遍，但其連接應用過程中的螺栓數目較多。而半剛性連接方式的實際耗能能力更好，且螺栓的使用數量較小，具有較大的經濟性，但其實際的計算分析過程較為復雜。這兩種連接方式都可以應用到地震多發情況下裝配式多高層鋼結構建筑的施工中。

3.4 支撐與框架兩者間的連接節點

隨著建筑結構建設層數的不斷提高，純框架結構的經濟性越來越低。而中心支撐框架結構和偏心支撐框架結構具有更高經濟性，但這種結構形式的支撐受力較大。針對裝配式鋼結構而言，支撐與框架兩者間的連接方式，也多采用全螺栓的連接方式，便于施工單位在施工現場進行裝配施工以及在震后恢復過程中進行更換修復。支撐框架體系的節點設計通常采用板式連接節點，將支撐與梁柱進行連接，增加結構連接的穩定性[7]。

4.結語

綜上所述，在節能減排理念的貫徹落實過程中，發展綠色建筑產業，為建筑裝配式鋼結構的施工應用提供了廣泛的發展空間。相較于傳統的建筑工程施工方式，裝配式建筑工程結構具有明顯的施工應用優勢，有利于提高建筑鋼結構的穩定性和質量，增加房屋建筑工程的使用效果，幫助建筑企業在社會建設發展過程中樹立起良好的社會企業形象，更好地滿足當前行業市場的發展需求，擴大企業的社會影響力。