绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用

发布时间：2021-02-22

　　摘要：发展钢结构建筑，可化解钢铁产业过剩产能，推进建筑绿色化、工业化、信息化。在国家政策推动下，我国装配式钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代，发展了以传统钢结构形式为基础的改进型建筑体系，模块化新型建筑体系和工业化住宅建筑体系。新形势下，预制混凝土构件解决了钢结构的传统难题，不同墙体交叉应用发展了新型围护系统，信息化技术促进了建筑业跨越式发展。全装配钢框架和盒子型模块化装配体系是新型低、多层模块化建筑体系，其采用“建筑元器件”的设计概念，以结构构件或建筑功能单元为基本元件组合而成，具有构件装配化、围护一体化、生产工厂化等特点。新型MCFTS(Multi-coreConcreteFilledSteelTubeSystem)高层钢结构体系适用于住宅建筑和公共建筑，该体系分为组合多腔钢管混凝土框架—支撑住宅体系和组合多腔钢板墙核心筒—钢管混凝土框架公共建筑体系。MCFTS体系以组合多腔扁柱和双侧板连接节点为技术核心。研究结果表明，该体系具有优良的抗震性能和可修复性能。

　　关键词：钢结构;装配式;体系创新;工业化;模块化;钢管混凝土;钢板剪力墙;钢连梁

　　1绿色装配式钢结构及产业政策

　　在供给侧结构性改革大背景下，去产能、去库存、去杠杆成为了社会热词。通过大力推广、发展钢结构建筑，既可化解钢铁产业过剩产能，也可推进建筑绿色化、工业化、信息化，实现传统产业转型升级。

　　装配式钢结构建筑是指：标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，支持标准化部品部件的钢结构建筑。发展装配式钢结构建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。

　　2016年是供给侧结构性改革的开官之年，装配式建筑和钢结构建筑产业政策密集出台，钢结构产业迎来发展前所未有的发展机遇。2016年2月1日，国务院发布《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，其明确指出推广应用钢结构建筑，结合棚户区改造、危房改造和抗震安居工程实施，开展钢结构建筑推广应用试点，大幅提高钢结构应用比例;2016年2月6日，中共中央、国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中指出，在发展新型建造方式方面加大政策支持力度，积极稳妥推广钢结构建筑;2016年3月5日，第十二届全国人民代表大会第四次会议上李克强总理《政府工作报告》提出积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量。这是在国家政府工作报告中首次单独提出发展钢结构;2016年9月14日，李克强总理主持召开国务院常务会议，认为按照推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求，大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效。会议决定以京津冀、长三角、珠三角城市群和常住人口超过300万的其他城市为重点，加快提高装配式建筑占新建建筑面积的比例;2016年9月27日，国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，要求按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。

　　2国内外装配式钢结构建筑体系

　　装配式建筑一般从结构材料上分为：预制装配式混凝土结构体系、装配式钢结构体系、装配式混合结构体系。钢结构具有良好的机械加工性能，易拼装，轻质高强，适合建筑的模块化、标准化、工厂化、装配化和信息化，符合创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念[1]。

　　2.1国外装配式钢结构建筑

　　国外的钢结构建筑产业化主要集中在低层装配式钢结构[2―3]。澳大利亚冷弯薄壁轻钢结构体系应用广泛，如图1所示。该体系主要由博思格公司开发成功并制定相关企业标准，具有环保和施工速度快，抗震性能好等显著优点。

　　意大利BSAIS工业化建筑体系适用建造1层~8层钢结构住宅，具有造型新颖、结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便，在欧洲、非洲、中东等国家(地区)大量推广应用。

　　瑞典是世界上建筑工业化最发达的国家，其轻钢结构建筑预制构件达到95%。此外，较为典型的装配式建筑体系还有：美国的LSFB轻型钢框架建筑体系、日本给水住宅株式会社的Sekisui和ToyotaHomes住宅体系等。

　　国外装配式多高层钢结构建筑比较具有代表性的结构体系是美国《钢结构抗震设计规范》中规定的KaiserBoltedBracket和ConXtechConX体系[4]，其使用范围一般局限于多层建筑，如图2、图3所示。另外一种是日本提出的高层巨型钢结构建筑体系[5]，该建筑将结构构件与各房间的建筑构成分离开，结构主体为由钢柱、钢梁及支撑构成的纯钢框架。

　　国外装配式复合墙板主要是在1970年以后发展起来的，美国的轻质墙板以各种石膏板为主，以品种多、规格全、生产机械化程度高而著称;日本石棉水泥板、蒸压硅钙板、玻璃纤维增强水泥板的生产居世界领先水平[6];英国以无石棉硅钙板为主;德国、芬兰以空心轻质混凝土墙板生产为主。

　　2.2国内装配式钢结构建筑

　　我国装配式钢结构建筑起步较晚，但在国家政策的大力推动下，钢构企业和科研院所投入大量精力研发新型装配式钢结构体系，钢结构建筑从1.0时代快速迈向2.0时代。1.0钢结构建筑仅是结构形式由混凝土结构改为钢结构，建筑布局、围护体系等一般采用传统做法。2.0钢结构建筑实现了建筑布局、结构体系、围护体系、内装和机电设备的融合统一，从单一结构形式向专用建筑体系发展，呈现出体系化、系统化的特点。目前，国内钢结构建筑体系主要分为三类。

　　1)以传统钢结构形式为基础，开发新型围护体系，改进型建筑体系。

　　设计阶段摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的错误概念，实行结构、围护和内装三大系统协同设计。以建筑功能为核心，主体以框架为单元展开，尽量统一柱网尺寸，户型设计及功能布局与抗侧力构件协同设置;以结构布置为基础，在满足建筑功能的前提下优化钢结构布置，满足工业化内装所提倡的大空间布置要求，同时严格控制造价，降低施工难度;以工业化围护和内装部品为支撑，通过内装设计隐藏室内的梁、柱、支撑，保证安全、耐久、防火、保温和隔声等性能要求，如图4所示。

　　2)“模块化、工厂化”新型建筑体系。

　　模块化建筑体系可以做到现场无湿作业，全工厂化生产[7]，较有代表性的体系包括拆装式活动房和模块化箱型房。其中，拆装式活动房以轻钢结构为骨架，彩钢夹芯板为围护材料，标准模数进行空间组合，主要构件采用螺栓连接，可方便快捷地进行组装和拆卸;箱型房以箱体为基本单元，主体框架由型钢或薄壁型钢构成，围护材料全部采用不燃材料，箱房室内外装修全部在工厂加工完成，不需要二次装修，如图5所示。

　　工厂化钢结构建筑体系从结构、外墙、门窗，到内部装修、机电，工厂化预制率达到90%，颠覆了传统建筑模式[8]。工厂化钢结构采用制造业质量管理体系，所有部品设计经过工厂试验验证后定型，部品生产经过品管流程检验后出厂，安装工序。

　　4.4结论

　　1)全装配钢框架建筑体系以建筑构件为基本元件，工业化程度高，构件尺度小，适用于交通不便利和现场缺乏施工设备的地区。

　　2)盒子型模块化建筑体系以建筑功能单元进行组合搭建，可实现快速模块化拼装，适用于使用品质要求较高的临时办公室、救灾中心等。

　　3)MCFTS高层钢结构建筑体系是住宅和公共建筑专用体系，结合先进的协同设计理念，可形成有效的抗侧力体系，并达到较高的使用舒适度。

　　4)多腔钢管混凝土柱抗侧刚度大，滞回曲线饱满，表现出良好的耗能性能。试件均为塑性区钢板鼓曲破坏，设计中应采取有效措施，严格限制板件宽厚比。

　　5)多腔钢管混凝土柱具有良好的可修复性，采用外包钢板、对穿拉杆和高强灌浆置换破碎混凝土等合理加固技术可达到“抗震性能增强”的效果。

　　6)双侧板梁柱节点是适用于MCFTS体系的专用节点，合理构造的节点可使塑性铰由节点区域外移，避免梁柱间焊缝脆断，滞回曲线饱满，具有较强的耗能能力。

　　5展望实现由建筑产业大国向建筑产业强国的转变，已经成为新时期我国建筑产业发展面临的重大课题。未来钢结构发展规划应重点考虑以下几方面：

　　(1)进一步完善现有钢结构体系在各类建筑中的应用，扩大应用范围，大力研发适用于不同建筑类型的钢结构新体系。

　　(2)推动建造方式创新，推广装配式钢结构建筑，为实现钢结构建筑产业化提供成套技术，通过标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，促进建筑产业转型升级。

　　(3)健全建筑法律法规和标准规范体系，钢结构设计标准逐步与国际接轨，加快推进修订相关标准规范，促进关键技术和成套技术研究成果转化为标准规范。

　　(4)大力推行全生命周期绿色建筑设计理念，使建筑从规划设计、加工制作、安装施工、使用维护直至拆除都能满足工业化、绿色化、信息化要求。

　　为尽快将前沿的研究成果应用于实际工程，国家层面应加快建设钢结构建筑产业基地，在灾区重建和保障性住房工程中应给与钢结构建筑特殊的政策支持。要打破部门壁垒，多领域部门协同推进，完成绿色工业化装配式钢结构建筑产业化这一重任。——论文作者：郝际平1，孙晓岭1,2，薛强1,2，樊春雷2

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