淺析嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系

曲圣玉

1999 年，國務院辦公廳轉發了建設部等八部委《關于推進住宅產業現代化提高住宅質量若干意見》文件之后，各高校、科研院所和企業紛紛開始對鋼結構住宅技術體系進行研究。二十一世紀以來，隨著國家大力推廣裝配式建筑產業政策的落地，以及推動智能建造與建筑工業化協同發展的倡導，裝配式鋼結構建筑又一次成為新型建筑工業化的主角，對其技術體系的研發也愈演愈烈。

目前國內裝配式鋼結構建筑代表性的技術體系大致有以下幾大體系。

（1）童根樹教授及其鐵木辛柯團隊研發的TongMSK 寬管柱隱式鋼結構住宅體系[1]。

（2）婁宇大師和電子設計院研發的裝配式復合支撐墻鋼結構住宅體系。

（3）重慶大學周緒紅教授與精工共同研發的綠筑集成—交錯桁架成套系統。

（4）同濟大學陳以一教授與精工共同研發的綠筑集成—PEC 鋼混組合成套系統。

（5）天津大學陳志華教授和團隊研發的異形柱結構體系。

（6）杭蕭鋼構的鋼管束組合剪力墻體系。

（7）歐本鋼構的捷約預制裝配框架系統。

（8）龍元明筑的全裝配多高層鋼結構住宅體系（S—SYSTEM）。

（9）中國建筑標準設計研究院和吉林省中潤鋼結構科技有限公司共同研發的嚴寒地區裝配式鋼結構建筑體系。

以上體系大多還停留在主體結構工業化的初級階段，更確切地說還是結構體系的裝配式，更多的鋼結構裝配式建筑產業化基地也僅僅是在結構體系工業化生產方面向數字化智能制造又邁進了一步。如果以西安建筑科技大學郝際平教授裝配式鋼結構建筑系統論的思想來看，上述體系中具備系統思想，以建筑為對象全面考慮系統集成的體系也不是絕對沒有，其中龍元明筑的S 體系和中潤鋼構的嚴寒地區鋼結構建筑體系就是比較成熟的建筑工業化系統的典范。

1.裝配式鋼結構建筑技術體系的行業痛點

技術體系是指社會中各種技術之間相互作用、相互聯系，按一定目的、一定結構方式組成的技術整體。通常所說的建筑技術體系更確切地說應該是建筑的工業化技術體系，是決定建造方式的基礎，代表了建筑工業化的發展水平。國際上工業化建筑技術體系一般分為專用體系和通用體系，比如瑞典，目前是世界上工業化住宅最發達的國家之一，已經實現了以通用部件為基礎的通用體系。

我國裝配式鋼結構建筑技術體系的研發還處于專用體系的各種嘗試階段，雖然今年以來住建部又推出了《鋼結構住宅主要構件尺寸指南》《裝配式住宅設計選型標準》兩部規范，希望解決裝配式建筑標準化戶型、標準化通用構件兩大基礎標準化問題，但是受目前技術體系的限制，我國的鋼結構裝配式建筑離設計標準化尚有差距，更不用說實現部件的通用性、接口的標準化和可逆安裝了。倡導了多年的“少規格、多組合”的新型產品思維還有待繼續探索。

體系的問題、主體結構通用化和接口標準化的問題，都制約了我們的工業化生產向數字化、規模化發展的邁進，是裝配式鋼結構建筑行業面臨的根本問題。除此之外，外圍護系統、內裝系統的集成技術也是制約行業發展的瓶頸，尤其外圍護系統的產品成熟度較低，裝配式鋼結構建筑目前可選擇的圍護系統少之又少，極大限制了行業整體水平的提高。

目前，在裝配化施工方面存在著一個尷尬的局面，就是現場柱子的拼接節點和梁柱的剛接節點仍然存在大量的焊接作業，使鋼結構裝配式建筑與PC 結構相比，最突出的快速施工特點成了一句空話。全螺栓連接節點或者單邊螺栓連接技術應該是解決這一難題的關鍵技術，是實現建筑產品化集成供應模式的課題之一。

在鋼結構部件生產的信息化管理和智能制造方面，目前還是起步階段，按住建部《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》提出的“大力發展裝配式建筑、推動建立以標準部品為基礎的專業化、規模化、信息化生產體系”的要求，還要有很長的路要走。推廣應用鋼結構構件智能制造生產線，實現MES系統和ERP系統的深度融合，這是建筑工業化初期的主要課題。

另外，《裝配式建筑評價標準》中關于裝配率的計算規則也制約了裝配式建筑的發展，尤其是對圍護系統分值的強制要求，大幅提高了裝配式鋼結構建筑的整體成本，使推廣陷入了困境。

2.嚴寒地區裝配式鋼結構建筑體系的突出特點

嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系是針對嚴寒地區的氣候特點，在2014年新疆裝配式鋼結構住宅設計施工實踐經驗的基礎上，總結梳理形成的一套鋼結構建筑工業化體系和一體化集成技術。該體系以鋼框架—支撐結構體系為核心，通過一體化集成設計和系統集成技術，創造了一套充分體現技術融合產品思維的開放式體系。該體系具有以下幾大特點：

（1）該體系實現了構件的通用化和接口的標準化，進而實現了設計的標準化。以長春潤德華城示范項目的兩棟18 層鋼結構住宅為例，主體結構所采用的型鋼方管柱截面尺寸只有三種：350mm、400mm、450mm，窄翼緣H 型鋼梁組合構件截面的高度也不超過兩種，且通用構件的規格均適用住建部發布的《鋼結構住宅主要構件尺寸指南》的標準規格尺寸，梁柱剛接節點的設計也滿足《裝配式住宅建筑設計標準》定型化和通用化的要求。

（2）該體系建立了以標準部件為基礎的工業化生產體系的基礎，可實現數字化、智能化升級，可采用智能制造生產線進行信息化、專業化、規模化生產加工。

（3）該體系采用了一體化集成設計技術，突出了新型建筑工業化系統集成的特點。引進了中國建筑標準院百年住宅集成設計的方法，通過與BIM 技術相結合，實現了不同專業、四大系統部品部件、全生命周期各階段的協同，同時也創新了一套一體化成套建造技術，充分體現了新型建筑工業化系統集成、技術融合的特色。

（4）該體系是一個具有自我發展、自我完善功能的，兼容、開放的體系。打破了行業內鋼結構裝配式建筑技術體系的專用屬性和閉鎖體系的限制，以成熟的鋼框架—支撐體系為主體，更具可復制、可推廣的意義。適用工業化生產體系的主體結構與其他系統的建筑部品部件具有更高的匹配度，且能隨著外圍護系統、內裝部品等的發展而自我改進、自我適應。

（5）該體系更適合嚴寒地區的氣候條件。針對嚴寒地區的氣候特點，該體系從設計和建造兩個維度提出了多項專項措施，改進了外圍護系統的保溫技術，對冷橋等薄弱部位采取了加強保溫措施。

3.嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系的系統集成

3.1 結構系統

主體結構采用框架—支撐體系，柱為鋼管混凝土柱、梁為窄翼緣焊接H 型鋼梁、支撐為H 型鋼或方鋼管支撐，梁柱節點采用隔板貫通式連接（見圖1）。

圖1 梁柱貫通式隔板做法（選自中潤鋼構企業圖集）

通過標準化設計方法，基本實現了主體結構通用性構件規格的標準化，方管可以采用型材，H 型鋼也可以和鋼廠協議以標準型材供應，使工廠的生產流程從傳統的粗加工向二次數控加工轉化，更方便數字化、規模化流水生產，更符合建筑工業化的發展要求。

節點的貫通式隔板設計不僅具備了裝配式建筑接口標準化的特征，且在工業化生產中更適合焊接機器人作業，為智能制造提供了充分條件。

3.2 外圍護系統

裝配式建筑的外圍護系統始終是個解決不好的難題，目前的解決方案也不外乎兩種：一體化產品方案和分離式裝配方案。

裝配式鋼結構建筑更適合幕墻系統，或者類似幕墻系統的產品方案。所以單元體幕墻和整體式一體化墻板是研發方向。目前，行業內的通常做法依然是ALC 條板和保溫裝飾一體板的分離式裝配方案。隨著各地相繼開始限制使用巖棉薄抹灰外墻外保溫系統和保溫裝飾一體化系統，結構保溫裝飾一體化產品的研發已經迫在眉睫[2]。

外圍護系統的產品方案直接決定了嚴寒地區裝配式鋼結構建筑的保溫節能效果。針對這一需求，該體系專門研發了一款實體芯墻龍骨桁架的整體式復合圍護系統，該系統針對主體結構鋼柱外凸的特點，設計了系列標準單元墻板、柱單元封板等部品和拼縫連接標準配件產品，使墻板單元和主體結構實現了彈性連接，可適應層間位移和結構變形，同時拼縫的防水保溫材料都是標準產品，更換簡單，解決了幕墻拼縫密封膠的耐候性和維修難題。

3.3 其他系統集成技術介紹

圖2 實體芯墻龍骨桁架整體式復合圍護系統拼裝節點

圖3 實體芯墻龍骨桁架整體式復合圍護系統標準單元墻板部品示意圖

該體系作為開放式系統，本身就具有自我完善的能力，基于通用的集成設計規則和接口規則，能完全適應其中四大系統各自的更新換代及其升級產品的集成。

除了上述的結構系統和外圍護系統，該體系的內隔墻可以適用各類條板隔墻和龍骨隔墻，包括各種裝配式內裝部品；樓板體系可以采用可拆底模的鋼筋桁架樓承板、桁架鋼筋混凝土疊合樓板或PK 板等工業化部品[3]。

4.嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系的應用介紹

嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系于2019 年6 月26 日通過了住建部產業化促進中心在長春市組織的國內專家論證，認為可滿足嚴寒地區氣候條件下的使用要求，可通過試點示范項目加以推廣。期間，以中潤鋼構綜合樓作為試點項目，取得了成功的應用經驗，2021年又以長春市潤德華城項目13＃、15＃樓作為示范項目，采用EPC 總承包的模式進行了裝配式鋼結構建筑推廣應用的初步探索（見圖4）。

圖4 潤德華城項目13＃樓示范項目施工場景

5.嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系的保溫措施

以中潤鋼構的綜合樓試點項目為例，根據長春氣候特點經計算后，外墻采用200 厚ALC 條板和100 厚巖棉保溫裝飾一體板，傳熱系數k ≤0.4 W/（m2·k）。按照室外溫度-30℃，室內溫度18℃，相對濕度60%計算，梁和柱位置熱橋內表面溫度為14.8℃，高于接露點溫度12℃。

外墻構造做法和熱橋位置計算過程見圖5。

圖5 熱橋位置最低溫度計算和外墻構造做法

綜合樓建成投入使用后，委托進行了建筑節能工程檢測，檢測結果顯示，圍護系統的傳熱系數在0.35～0.37之間。外圍護系統熱工缺陷檢測顯示，熱橋部位在室外-30℃時內表面的最低溫度為14.9℃，接近設計計算結果。

圖6 圍護系統缺陷檢測報告提供的熱橋位置紅外熱像圖

6.嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系的防腐防火措施

鋼結構作為主體受力結構，令人擔憂的還是防腐和防火問題，在公共建筑和住宅建筑中尤為明顯，且不可回避。

討論這個問題之前，先引入一個概念：防腐、防火和裝飾一體化設計方法。采用該方法進行防火計算后，防火層厚度與構件的實際受力有關，比單純的構件試驗得到的厚度更有針對性、更經濟合理。以中潤綜合樓項目為例，防火設計考慮了裝飾設計鋼結構外包硅酸鈣板有防火作用，并進行了等效厚度轉換，防火板的等效厚度一定程度上減小了防火涂料涂層的厚度，使防火措施更接近實際效果[4]（如圖7 所示）。

圖7 鋼柱鋼梁防火與裝飾做法（選自中潤鋼構企業圖集）

而密封在防火裝飾板內裝系統里的鋼構件，按照環境介質腐蝕等級的劃分，最多是C1、C2 級，在這種輕微腐蝕環境中的鋼構件，外有有效期30 年以上防火涂料的保護，內有滿足使用壽命25 年以上的涂裝體系的防護，如果沒有火災、地震等自然災害發生，鋼構件表面基本不能受到外界的侵蝕。且處于C1 級環境中的鋼構件，在完全裸露毫無防護的情況下，腐蝕速率按百年計算，也不過是2mm 的厚度損失，完全可以在設計時增加腐蝕裕量加以保證。其實，鋼結構防腐更多的還是認知問題，伴隨重防腐涂裝體系的發展和耐候鋼的普及，這一問題將不再困擾行業的發展。

7.結語

從嚴寒地區裝配式鋼結構建筑技術體系的研發和應用可以看出，在實現新型建筑工業化的道路上，最缺少的是把建筑當作有機整體的系統協同觀念、缺少一體化產品方案的建筑圍護系統的技術研發、缺少整體協調的成套建造技術、缺少可實現智能制造的標準化構件體系和通用接口，缺少信息化、專業化、規模化的工業生產體系的落地，缺少涵蓋全產業鏈融合一體的智能建造產業體系的形成。因此要堅持裝配式鋼結構建筑集成產品供應模式下的產品思維和系統思想，堅持系統集成技術和部品部件的創新研發，堅持一體化集成設計方法和工業化智能制造的轉型升級，在設計標準化和構件標準化、通用化實現較困難的當下階段，探索工業化定制模式下鋼結構裝配式建筑的發展，從定制化設計入手解決工業化生產的規模化問題，為鋼結構裝配式的發展開辟出一條可行的中間道路。