钢结构体系非常适合工业化装配,钢材本身具有良好的机械加工性能,适合工厂化生产加工;与混凝土相比,钢结构重量较轻,适合运输和装配;另外,钢结构适合高强度螺栓连接,易于组装和拆卸。目前装配式钢结构建筑政策,装配式钢结构建筑在国内正处于发展阶段。
1、装配式钢结构建筑应用现状
国外申请现状
在日本,由于地震频繁,有1/3以上的房屋采用钢结构,钢结构在住宅中大量应用,到20世纪90年代末,日本装配式住宅中木结构占18%,混凝土结构占11%,钢结构住宅则占71%。
在美国,钢结构住宅目前占据了40%以上的市场份额,除了住宅建筑外,钢结构在多层酒店中也有广泛的应用。
在澳大利亚,以冷弯薄壁轻钢结构体系为基础的钢结构建筑施工量约占全部新建住宅建筑的50%左右。
国内申请情况
据国家统计局公布的数据,2016年房地产开发商房屋建筑竣工面积75.9万平方米,其中住宅建筑竣工面积52.1万平方米,占比68.6%;房屋新开工面积16.7万平方米,其中住宅建筑竣工面积52.1万平方米,占比68.6%;新开工面积11.6万平方米,占比69.5%。截止2016年,钢结构在我国土木建筑结构体系中仅占5%,钢结构建筑仅集中在高层、超高层建筑以及大空间公共建筑中。钢结构在民用建筑和工业建筑中应用很少;在普通办公楼、学校、医院等多层公共建筑以及低层、多层和高层住宅建筑中应用较多。
2.装配式钢结构建筑的政策支持
从国家政策来看,2013年全国建筑工作会议首次提出“推进建筑业现代化”的发展要求,目标是实现建筑业转型升级,而建筑工业化是实现这一目标的首选,而抓手就是装配式建筑。
2013年1月1日,国务院办公厅印发《绿色建筑行动计划》(国办发[2013]1号),明确推进建筑工业化建设的重点任务,推广装配式混凝土、钢结构等适合工业化生产的建筑体系,提高建筑工业化技术集成水平,支持建设集设计、生产、施工为一体的工业化基地,开展工业化建筑示范试点。
2014年5月4日,住房城乡建设部发布《关于开展建筑业改革发展试点工作的通知》,将建筑业纳入建筑业改革发展试点工作,出台《建筑业改革的若干意见》,推动建筑业发展方式转变,促进建筑业现代化。
2016年2月21日国务院发布《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理的意见》,其中第十一条提出:力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。积极稳妥地推广钢结构建筑。2016年9月30日国务院发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》,指出要因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构、现代木结构等装配式建筑。
2017年2月24日,国务院办公厅印发《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》,指出要大力推行智能化、装配式建筑,创新建造方式。
为了保证国家政策的落地,各省市也积极制定各项配套政策,目前全国已有30多个省市出台了针对装配式建筑的专项指导意见和相关配套措施,很多地方甚至出台了针对装配式建筑的专项指导意见和相关配套措施,对装配式建筑的发展提出了明确的要求。
3.装配式钢结构建筑技术发展
政策支持促进了装配式钢结构建筑技术的发展,现从结构体系和围护体系两个方面阐述目前的技术发展现状。
结构体系
目前,多层装配式钢结构建筑的结构体系有传统的纯框架、框架-支撑体系,新型的还有集装箱、钢管束、钢异形柱等,各类钢结构体系的特点如下。
1.纯框架体系
图1 纯框架体系
(1)可根据建筑功能的需要,灵活布置梁、柱,可增加建筑空间的利用率。
(2)质量轻,材料延展性好,有利于抗震。
(3)构件制作、运输、现场安装快捷。
(1)由于纯钢框架侧向刚度较小,为了控制位移,构件截面较大。
(2)钢框架属于存在侧向位移的结构,难以满足高烈度地区建筑抗震性能的要求,建筑层数和高度受到严重限制。
(3)变形较大,舒适性差。
2. 框架支持系统
(1)与纯钢结构建筑类似,梁、柱可根据建筑功能的需要灵活布置,可在不影响建筑使用功能的位置设置支撑,构件截面尺寸更小,进一步提高了建筑使用空间的利用率,同时降低了整体用钢量。
(2)由于支撑的存在,钢框架支撑体系的抗侧力能力较纯框架建筑有显著提高,柱长细比限制较纯框架结构有较大优势,可有效减小截面尺寸,建筑层数及建筑高度有较大提高。
(3)质量轻,材料延展性好,有利于抗震。
(1)支架布置受建筑功能影响,不易找到合适的布置位置。
(2)构件截面较大,对建筑使用功能有一定影响。
(3)支撑(大支撑)布置位置分散,造成结构刚度不均匀。
3. 容器系统
图3 容器系统
(1)各种功能房间或户型可以像积木一样以多种方式组合。
(2)建设工期短。
(3)材料获取更加容易。
(1)抗震性能较低。连接及单体强度难以满足抗震设防烈度较高的地区高层建筑的建设要求。适用于低层及多层建筑。
(2)常规集装箱尺寸无法满足国内住宅市场对于层高、房间宽度的要求。
(3)使用运输行业已经淘汰的集装箱,可能因自身质量问题存在安全隐患,但使用新集装箱进行改造成本较高。
4.钢管束及钢异形柱体系
图4 钢管束系统
图5 钢异形柱体系
(1)采用钢管束、钢异形柱取代传统混凝土剪力墙,基本消除了室内的凸柱,最大限度地在平面空间上为建筑提供服务。
(2)与混凝土墙一样,平面布置图可根据建筑功能房间的需要灵活调整。
(3)与常规混凝土墙柱相比,钢管剪力墙、钢异形柱具有更好的承载力和构件延性,施工效率更高。
(1)与常规钢结构相比,用钢量增加。
(2)与常规钢管混凝土柱相比,由于该类构件空腔较多,截面较小,对混凝土工程质量要求较高,且人工、材料成本也会有一定增加。
(3)在复合材料型材工厂化生产过程中,在没有形成完整的机械化生产线之前,人工、时间成本较高,焊接次数多,焊缝数量多,质量难以控制,检验成本也相应增加。
(4)设计方法缺乏现行标准的支持,设计工作需要进行论证。
4. 围护系统
装配式钢结构建筑提倡采用非砌体墙体、工厂预制墙板,按围护系统应用部位分为外墙、内墙和分户墙;按围护系统的组成形式和主要构成材料分为预制混凝土墙板、轻钢龙骨复合墙板、轻质条板和夹芯板等,外墙板和内墙板须满足表1所示的性能。
目前常用的墙板有预制混凝土复合墙板、轻钢龙骨复合墙板、灌浆墙、加气混凝土条板、金属板夹芯墙板等。
1.预制混凝土复合墙板
由钢筋混凝土结构内层、保温层、混凝土饰面层组成的承重或非承重复合墙板。
图6 预制混凝土复合墙板
2、轻钢龙骨复合墙板
以石膏板、纤维增强水泥板等各种轻质薄板为面层材料装配式钢结构建筑政策,以轻钢龙骨为骨架,中间设有空气层或填充聚苯乙烯泡沫、岩棉等保温吸音材料的复合墙板。
图7 轻钢龙骨复合墙板
3.灌浆墙
采用轻钢龙骨作为骨架,两侧以纤维增强水泥板作为面层,形成实心复合墙体,在骨架与面层板形成的空腔内灌注轻骨料混凝土。
图8 灌浆墙
4. 加气混凝土板条
以水泥、石灰、硅砂等材料为主要原料,配以不同数量的钢丝网制成的轻质多孔墙板。
图 9 加气混凝土板条
5.金属板夹芯墙板
面层两面均采用金属面层材料,复合墙板中间夹有保温材料。
图10 金属板夹芯墙板