裝配式鋼結構高層住宅施工技術研究現(xiàn)狀

段國慶，呂云杰，方 飛，陳凱杰，張浩遠

（1.北京市市政四建設工程有限責任公司，北京 100037；2.山東省建設監(jiān)理咨詢有限公司，山東 濟南 250024）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展，人們對建筑工程的需求也從傳統(tǒng)的滿足基本需要向追求工程質量高品質轉變。隨著“新型城鎮(zhèn)化建設”的提出，我國城市建設和發(fā)展步入了新的階段，城鎮(zhèn)化水平和城市發(fā)展質量進一步提高，傳統(tǒng)建筑施工工藝已難以滿足我國現(xiàn)代化建筑行業(yè)轉型發(fā)展，從而迫使建筑施工工藝向裝配式化建筑轉型升級。裝配式鋼結構建筑近些年來在建筑領域的應用，以其節(jié)能、環(huán)保、施工周期短、系統(tǒng)化、標準化的特點[1]，備受國內建設單位及建筑施工企業(yè)的青睞，目前裝配式鋼結構建筑已在我國建筑市場中占有一定比例。

1 研究進展

裝配式鋼結構因重量輕、強度高、布置靈活、空間大、得房率高、抗震性能好、施工周期短、工業(yè)化程度高、綠色環(huán)保等特點，擁有極大的發(fā)展優(yōu)勢，具有良好的應用前景，目前引起國內外學者廣泛關注，其中對于裝配式鋼結構施工技術研究方面，主要集中在以下幾個方面：

在施工工藝方面，祝振宇[2]依托裝配式鋼結構高層公共建筑施工實踐，探究了與其適用的鋼柱、鋼梁、樓板、墻板施工技術，總結了相應施工重難點，并介紹了Tekla、BIM、3D 掃描技術等新技術在工程實踐中的應用優(yōu)勢。胡備[3]結合裝配式鋼框架高層廠房工程實踐，探究了鋼構件、疊合板、墻板等關鍵節(jié)點施工工藝并探討了塔吊固定對結構安全的影響。彭軍[4]基于工程應用實踐，在文中通過運用試驗研究及有限元的分析方法，對混合框架—支撐體系鋼結構住宅內墻板、外墻板的結構性能、安裝工藝以及安裝施工精度控制方法進行了探究。蔡小平、曹啟光等[5-6]介紹了鋼框架—鋼板剪力墻形式高層住宅體系特點，并總結了相應施工部署、鋼柱鋼墻施工控制等建造要點及注意事項。李朝兵等[7]基于工程實踐，介紹了高烈度地區(qū)鋼框架—鋼板墻核心筒超高層結構設計特點及配套施工流程、阻尼墻施工、鋼板墻監(jiān)測等技術。丁潔民等[8]進行了鋼框架+鋼支撐+黏滯阻尼墻結構體系與混凝土結構在超高層住宅中應用的選型對比，證明了裝配式鋼結構在超高層建造中的良好優(yōu)勢；李健、藍華春[9-10]對六層鋼框架裝配式住宅體系特點及施工的控制因素進行分析，并通過數(shù)值模擬探究了裝配方式、支撐形式對結構受力的影響。陳 芳等[11]結合鋼框架—支撐高層住宅工程實踐，闡述了其結構特點及在綠色節(jié)能環(huán)保等方面的良好表現(xiàn)。朱曉偉、施亮等[12-13]從一體化建造角度概括性地介紹了高層鋼結構住宅設計的關鍵及施工工序、混凝土澆筑難點、外墻板安裝等施工要點。晏金洲、陳耀剛、劉宏杰、陳 偉等[14-17]闡述了裝配式高層鋼結構住宅結構體系的特點，探究了鋼結構高層住宅鋼筋桁架樓承板及相應支撐體系施工技術，以及探討了BIM 技術的應用。

在質量管控方面，郭彥林等[18]結合國內外大型復雜鋼結構工程，基于全生命周期結構設計理念，提出了一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)，探究了施工方法、施工誤差、施工環(huán)境溫度、焊縫收縮等對施工過程及結構性能（質量）的影響。張海霞[19]結合層次分析法的研究，提出了關于裝配式鋼結構住宅的施工質量關鍵指標判定方法以及控制指標的劃分。趙子豪[20]結合案例分析了裝配式鋼結構住宅質量影響因素，建立了相應裝配式鋼結構住宅質量缺陷案例庫，并提出了基于案例推理的裝配式鋼結構住宅質量缺陷原因追溯方法。孫冠峰[21]基于全面質量管理理論，總結了裝配式鋼框架結構住宅在建設過程中常見的質量問題及產(chǎn)生原因，構建了相應項目質量管理體系。楊定國、廖立波、張學生等[22-24]通過高層鋼框架—支撐裝配式住宅建造實例，介紹了BIM 技術在預埋件精確定位、構件安裝方面的良好應用，展現(xiàn)出BIM、智慧工地等信息化、精細化管理手段對質量提升的促進作用。閆愛環(huán)[25]以某單位鋼框架結構建筑項目作為研究對象，對裝配式鋼結構建筑施工質量的影響因素進行了總結，案例中通過問卷調查等方式，識別出了其中的關鍵因素，并且基于 BIM 技術與精益生產(chǎn)工具相結合的方式設計出了關于裝配式鋼結構建筑施工質量的管控方案。吳戈[26]結合高層鋼框架—組合鋼板剪力墻結構及多層鋼框架結構案例，歸納梳理了項目實施管理中的重點問題，并基于施工質量、進度、安全管控基本理論及BIM 新技術提出相應管控方法和措施。姚洪濤[27]從裝配式鋼結構質量管理及BIM 應用特點出發(fā)，確定了基于 BIM 的裝配式鋼結構工程質量管理途徑，建立了更為科學、合理、符合實際工程特征的BIM 裝配式鋼結構工程質量管理評價模型。Caroline[28]基于項目實踐，探究了BIM 技術在建筑工程全壽命周期中的全方位管理應用，研究結果表明BIM 技術是實現(xiàn)建筑業(yè)信息化跨越式發(fā)展的必然趨勢。李元齊等[29]對裝配式鋼結構體系建筑全過程、全專業(yè)、全產(chǎn)業(yè)一體化建造技術進行了研究及探索，建立了基于BIM技術的一體化建造技術框架，開發(fā)了相應的一體化建造平臺，并依托雙層農(nóng)旅房屋、鋼框架＋組合剪力墻高層住宅驗證了平臺的合理性、有效性及優(yōu)越性。

在經(jīng)濟性分析方面，李素芳[30]基于成本估算原理，結合灰色系統(tǒng)相關理論，進一步得出了裝配式建筑成本估算方法；武彥波[31]從裝配式建筑結構的角度出發(fā)，對裝配式建筑全生命周期的增量成本和增量效益進行了深度剖析，建立起了測算經(jīng)濟合理裝配率的計算模型。吳夢菂[32]站在建設單位的角度，探究了影響裝配式建筑的經(jīng)濟效益的因素，并通過層次分析法進行了權重計算和分析，建立了相應投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益分析體系。何玲[33]基于價值工程理論，進行了裝配式鋼結構住宅和現(xiàn)澆鋼筋混凝土住宅經(jīng)濟性分析，并結合層次分析方法進行了相應綜合效益評價，展現(xiàn)了裝配式鋼結構住宅的優(yōu)越性。崔璐、鄒晶等[34-35]結合裝配式鋼框架結構在工程中的應用，探討了裝配式鋼結構體系的結構選型以及主要構造，并將其與傳統(tǒng)的建造方法進行經(jīng)濟性比對分析，探究了影響預制裝配式鋼結構建筑體系造價的主要因素。姚越[36]結合山西省地方標準《裝配式鋼結構建筑技術規(guī)程》的編制背景，進行了框架—中心支撐結構體系、框架—鋼板剪力墻結構體系、框架—阻尼器體系三種廣泛應用的裝配式鋼結構體系穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的對比探究，并提出推廣應用的意見。徐銳[37]將電梯井位置混凝土剪力墻替換為鋼板組合剪力墻，形成新型裝配式高層住宅結構體系，并對其抗震性能及經(jīng)濟性能進行分析，歸納出導致鋼結構造價高的關鍵因素，并總結出多層鋼結構住宅土建造價隨層數(shù)增長變化趨勢。胡銘珊[38]基于層次分析法，建立了裝配式鋼結構住宅項目施工階段的隱性成本影響因素分析與評價方法，并且提出關鍵因素控制對策；相應的，隋巖鵬[39]應用成本控制理論和風險控制理論，總結了裝配式鋼結構公建樓施工階段成本風險關鍵影響因素，并運用模糊層次分析方法進行評價篩選，進而結合BIM 技術提出相應風險控制優(yōu)化措施。

在研究現(xiàn)狀總結方面，郝際平等[40]介紹了裝配式建筑體系與相應配套低能耗技術情況，指出了裝配式鋼結構建筑在綠色建筑建造方面的顯著優(yōu)勢。周緒紅等[41]圍繞國內鋼結構住宅特點、產(chǎn)業(yè)化特征及發(fā)展現(xiàn)狀，總結了國內鋼結構住宅產(chǎn)業(yè)化與國外的差距，梳理了制約我國鋼結構住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題，主要涉及成本效益認識不足、技術政策不完善、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同度較低等問題，提出了相應發(fā)展對策。張愛林[42]分析了在我國發(fā)展工業(yè)化裝配式鋼結構的必要性及當前裝配式鋼結構發(fā)展存在的關鍵問題，并提出相應發(fā)展建議。黃丹等[43]、郝際平等[44]、高占陽等[45]梳理了國家大力推進裝配式建筑及鋼結構建筑的相關政策，并從裝配式鋼結構建筑體系、項目全生命周期的各個階段及項目本身各個專業(yè)等方面介紹了裝配式高層鋼結構住宅的特點、現(xiàn)狀及發(fā)展瓶頸，并提出相應解決建議，研究指出當前裝配式鋼結構建筑體系發(fā)展中存在建設成本較高、標準化工業(yè)化程度不足、配套體系研究不完善等問題，相應解決思路可從加強裝配式多高層鋼結構建筑體系系統(tǒng)性研究、搭建基于建筑全生命周期的一體化協(xié)同工作平臺等方面出發(fā)。邢妍菁[46]綜合分析國內外建筑行業(yè)發(fā)展趨勢，指出我國鋼結構發(fā)展上升趨勢，并以上海市為例，指出當前進一步推廣鋼結構住宅主要存在的配套支撐能力不足、產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善、規(guī)范政策涵蓋不全三大問題及相應對策。劉學春[47]通過對國內外裝配式鋼結構建筑研究與實踐進行綜述，總結了裝配式鋼結構節(jié)點連接及裝配式鋼結構整體結構受力與抗震性能方面的研究成果及方法，并對革新抗震設計理念、加強適配規(guī)范編制等方面提出相應建議。張晨輝[48]對2010 年至2019 年國內外裝配式建筑領域發(fā)展的科學理論和專利實踐進行研究，通過相關數(shù)據(jù)展示了全球裝配式建筑領域專利布局現(xiàn)狀，分析了專利趨勢和發(fā)展特征以及高產(chǎn)相關專利機構，其中研究顯示國內外裝配式領域熱點關鍵詞主要涉及抗震性能、有限元、裝配式結構、鋼框架、可持續(xù)性、BIM 技術等，針對裝配式建筑設計、施工以及運維管理階段研究較少，首要研究集中在抗震性能，相關的優(yōu)化方法多數(shù)停留在連接節(jié)點方面，充分結合 BIM 技術建立設計施工一體化管理平臺，串聯(lián)建筑全壽命周期中的各個環(huán)節(jié)，解決裝配式建造發(fā)展痛點十分必要。

目前，國內相關規(guī)范編制方面，在《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》[49]中，針對10 層及10 層以上或高度大于28m 的住宅建筑以及高度大于24m 的其它高層民用建筑鋼結構的設計、制作與安裝做了主要說明。《裝配式鋼結構建筑技術標準》[50]、《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》[51]、《裝配式鋼結構建筑技術規(guī)程》[52]對裝配式鋼結構建筑的設計、集成設計、部品部件生產(chǎn)制作、施工工藝安裝、質量驗收、使用、維護與管理等方面進行了規(guī)定。在《鋼結構施工安全防護》[53]一文中，主要篩選并提供了有關鋼結構施工中相對比較成熟和典型的安全防護形式，適合應用在工業(yè)與民用建筑鋼結構施工現(xiàn)場的安全防護和管理當中。

2 結論及展望

裝配式鋼結構建筑是未來建筑業(yè)發(fā)展的方向，自“十四五”規(guī)劃以來，裝配式建筑在新型工業(yè)化、信息化、綠色等趨勢發(fā)展迅速。目前，國內對裝配式鋼結構建筑研究取得一系列成果，在國內政策的引導下，裝配式鋼結構建筑發(fā)展迎來了重要機遇期。裝配式鋼結構建筑與傳統(tǒng)建筑相比，采用規(guī)模化的集約式生產(chǎn)，能夠一定程度上節(jié)能降耗，并降低了建筑垃圾的產(chǎn)生；在施工過程中裝配式鋼結構建筑采取機械化工藝安裝，也進一步降低了噪聲、廢氣、廢物、廢水排放。近年來，隨著“碳中和”與“碳達峰”發(fā)展目標以及相應的國家政策的提出，裝配式鋼結構建筑綠色環(huán)保的優(yōu)勢也在工程領域進一步凸顯。

根據(jù)國內現(xiàn)狀，裝配式鋼結構建筑領域尚未形成成套的理論體系，在推進裝配式鋼結構建筑發(fā)展的同時，需在建筑工程項目全壽命周期各階段進一步深化研究并提出相應策略，以進一步完善裝配式鋼結構建筑體系。針對裝配式鋼結構高層住宅施工建造過程中存在問題，可從開展以下三個方面研究：

（1）針對裝配式鋼結構施工階段建造成本偏高、經(jīng)營風險防控難度大問題，基于成本控制、風險控制理論，進行施工階段成本影響因素識別分析及評價，并針對關鍵影響因素探究相應對策及防控措施，為施工企業(yè)成本控制、經(jīng)營防控提供基礎參考。

（2）針對當下大量研究主要側重裝配式鋼結構體系、設計等研究，相應施工方面研究較少，具豐富管理經(jīng)驗、品控能力及科研總結能力的建設承包商少，具裝配式鋼結構施工經(jīng)驗專業(yè)工人少，相應施工水平滯后于設計水平，相應施工、檢測、驗收規(guī)范不完善，相關上下游產(chǎn)業(yè)鏈條不規(guī)范不完備，制約行業(yè)健康發(fā)展問題，結合本工程工期緊、工藝新、構件多、體量大、不確定因素多、要求嚴、管控難度高等特點，開展基于BIM 的裝配式鋼結構高層住宅質量管控研究，依托BIM、Tekla、二維碼等技術，搭建基于建筑全生命周期的協(xié)同工作平臺，通過構件編碼、碰撞檢查、施工組織模擬、深化設計、虛擬預拼裝、可視化交底、物料追蹤等手段，凝練一套行之有效、簡單可靠的信息化管理方法，增強管理效能，減少現(xiàn)場誤差，充分發(fā)揮裝配式鋼結構建筑建設優(yōu)勢。

（3）針對裝配式鋼結構施工中易發(fā)生的鋼管柱內混凝土澆筑不密實、構件易變形安裝精度難以把控、內隔墻板體門窗洞口區(qū)開裂等行業(yè)痛點，運用三維激光掃描、數(shù)值模擬分析等手段，開展構件安裝精度控制、變形防控等關鍵施工工藝研究。