北京赛博森建筑设计有限公司首席设计师
蔡毓俊博士
随着土木工程的快速发展，尽管计算机等技术为我们在仿真设计上提供了极大的便利，但现代土木工程也面临着一系列严峻的挑战。一方面，土木工程的应用环境日益受到各种极端恶劣环境等恶劣自然环境的冲击；另一方面，土木工程面临着资源环境消耗大、建筑使用寿命短、抗灾防灾能力差等各种可持续发展的挑战。
SBS-PCID装配式钢结构集成建筑技术体系研发过程中，我们针对面临的技术难点，瞄准土木工程发展的前沿，通过工程材料与建筑结构的深度交叉融合，研发出一系列新型装配式集成钢结构体系，并建立了相应的设计计算理论与设计方法，实现了装配式钢结构建筑项目“环境可靠性高、抗突变性强、长期使用耐久性高、全生命周期环保性强”的高性能建筑目标。
1. 系统研发的科学目标
以发展高性能可持续预制装配式钢结构体系为总体目标，旨在解决“材料结构一体化”和“多材料优化组合”两大关键科学问题，通过提出面向结构的材料指标体系、量身定制最适合材料的结构设计理论，实现由“材料高性能化”到“结构高性能化”的转变，将以往材料与结构的“孤立研究”转变为“综合研究”；通过探索多材料界面的力学行为与协同受力机理，充分利用材料，由“窄组合结构”转向“宽组合结构”；创新发展高性能预制装配式钢结构体系，重点解决混凝土长期开裂机理，采用被动主动自修复技术形成的高性能混凝土与高性能钢结构体系形成高性能组合结构高效结合机理，形成预制装配式高性能钢结构组合结构新理论、新方法和新技术，为可持续土木建筑和结构综合性能的提升与基础理论、关键技术支撑与工程实践的突破，为土木建筑基础理论研究与工程应用研究的结合做出贡献。
2.系统研发主要内容
1. 新型混凝土材料、高强钢与高性能工程结构基础关系研究
研究开发新型被动式、主动式、高性能、可持续混凝土材料与高强钢材，形成新型土木建筑材料。研究与传统混凝土工程材料、碳纤维等相结合提高新型混凝土材料性能的新技术、新方法。研究新型高性能复合材料制备过程的基本原理、微观机理、性能表征与建模方法。提出面向土木建筑结构工程应用的复合材料本构模型等性能指标。研究适应新型装配式钢结构高性能复合工程材料独特力学性能的结构设计指标。
2.高耐久性高强度混凝土结构新型复合材料研发
研究传统混凝土无法实现百年土木工程的开裂、抗拉强度差等劣化现象，采用新型复合材料技术，提高结构整体抗裂性能和长期耐久性，延缓劣化进程，降低开裂等劣化风险，研究新型混凝土复合材料结构的基本力学行为，揭示复杂工况下新型复合材料混凝土结构的长期劣化机理，以提高结构耐久性能和满足正常使用性能为目标，发展面向工程应用的精细化设计方法。
3.装配式钢结构高效抗震体系研究
研究开发装配式钢结构高效抗震结构体系，并将新型复合材料应用于其中，以有效提高结构体系整体抗震和抗震性能，实现强震时损伤可控、灾后快速恢复修复的目标，揭示新型高效装配式钢结构抗震体系在罕遇地震下的破坏机理、损伤形式、受力性能及评价指标体系，并针对各类高效钢结构抗震体系提出相应的精细化计算模型、损伤控制方法和优化设计理论。
4. 新型装配式钢-混凝土组合结构研究
以新材料组合结构标准化、高性能化体系为目标，研究发展装配式钢-混凝土组合结构优化设计新方法，揭示复合材料在结构中的优化组合机理和协同工作机理，研究新型结构的基本力学行为，建立相应的精度模型和设计方法。
5. 新型装配式组合结构体系易建造（EGA）施工方法体系研究
研究应用新型复合材料的新型装配式组合结构建筑体系产品化的设计方法，揭示建筑产品化的总体方法、主要内容及其之间的辩证关系；研发新型装配式组合结构易建造（EGA）施工方法体系，开发相应的生产工艺体系和现场预制装配工艺体系，真正实现可行、可复制、可持续的高性能装配式钢结构建筑的目标。
三、系统研发主要成果
关于研发目标和主要内容，以及解决装配式PC结构、装配式钢结构在新型民用建筑中规模化发展应用的问题：
钢结构的防火、防腐保护的长期有效性；
100%预制和装配问题；
标准化大规模量化问题。
提出结构防火防腐技术，解决钢结构长期防火防腐、PC结构可靠连接等问题；节点连接采用全工厂化生产技术和自锁可回收技术，实现100%预制装配化，为实现“工程化到产品化”提供完全自主可控技术；采用多动力参数化、单动力参数化结构计算新方法，解决了标准化大规模批量生产难题，为新时代土木工程可持续、规模化、快速发展奠定了坚实基础。
主要成果如下：
1.新型自修复碳纤维混凝土复合结构材料（CUHPC_Carbon Ultra-High performance Concrete）
混凝土结构裂缝问题是长期困扰工程界发展的技术难题，混凝土抗拉性能差也是长期困扰土木建筑行业的难题。
CUHPC以超高强度、高韧性、耐久性为特点，可显著改善传统钢筋混凝土的缺点，本质上是一种钢与混凝土融合的新模式。CUHPC不同于传统的高强度混凝土（HSC）和钢纤维混凝土（SFRC），也不是传统“高性能混凝土”（HPC）的高强度，而是具有一致性能目标和明确指标的新型复合材料，是一种水泥基结构工程材料。CUHPC以颗粒密堆积理论、水泥水化理论、碳纤维复合受力理论为基础。CUHPC是一种主动被动防水技术，通过独特的自修复防水材料复合在混凝土结构上，促使混凝土内部形成具有生长能力、在水中永不溶解的晶体，在干燥环境下会处于休眠状态。一旦遇到水就会被激活并不断增长，使得工作的混凝土结构在水的作用下长出晶体，变得不透水，这样建筑就基于结构自防水，实现建筑与水的共生共荣。
CUHPC通过计算最佳粒径和碳纤维尺寸，实现极高的致密度、极细的孔径，以及混凝土内部连续的碳纤维网络。CUHPC与普通混凝土或高性能混凝土的区别包括：不使用粗骨料，必须使用硅灰和碳纤维装配式钢结构民用建筑产业技术创新战略联盟，水泥用量大，水灰比低。
CUHPC具有以下特点：
（1）是组成材料颗粒级配达到最佳状态的水泥基复合结构工程材料。
（2）水胶比小于0.25，且含有较高比例的碳纤维增强材料。
（3）抗压强度不小于150MPa，损伤状态下具有韧性，开裂后抗拉强度仍不小于5MPa。
（4）内部具有非连通的孔隙结构，具有较高的抵抗气体、液体混合的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大大提高。
在适当的养护条件下，其抗压强度可达200Mpa，抗弯强度可达45Mpa。同时，其抗剪、抗拉等力学性能全面提高，用作建筑围护墙板时无需配筋。用作剪力墙承重结构墙板时，仅需配置少量的结构受力钢筋。同时，由于其内部孔隙率极低（2%~6%）。CUHPC具有较高的耐久性，可在恶劣环境下长期服役而无需维护。更为独特的是，CUHPC在混凝土中添加了自修复防水材料，具备自修复能力，因此CUHPC堪称是一种绿色环保的智能结构工程材料。
2.高性能钢与CUHPC结合的新型工程材料结构件（MSC体系）
为了有效解决钢结构的防火、防腐问题，以及PC结构连接的可靠性和便捷性，创造性地研发了一套具有自主知识和自主控制的MSC结构件系统。MSC系统是将CUHPC新型复合混凝土工程材料结合的结构复合墙板系统，外板厚度为50mm，内部采用轻质高性能钢框架。MSC的独特技术是将这两种高性能结构材料组合成结构工程部件，形成可进行结构受力设计的楼面体系和工程承重墙体，并快速封闭建筑物。
MSC 系统墙体可设计用于承重和剪力墙组件，例如住宅建筑。作为外墙板，MSC 也是预制钢结构外墙的绝佳解决方案。MSC 墙板系统具有高强度混凝土表面和内部高强度钢柱，可用于任何类型的建筑，同时还提供用于绝缘和干式墙的空腔。
MSC 系统墙板比传统的预制混凝土更轻，这可以大大节省建筑结构设计中的结构、基础和施工成本，因为 MSC 墙体系统可以减少外墙的静态荷载。传统预制板每平方米重约 300-420 公斤。MSC 墙体系统每平方米重约 150-200 公斤。MSC 墙体系统提供相同的传统预制功能。MSC 外墙系统不需要额外的成本来填充内墙以接受室内装饰，因为高性能钢柱是 MSC 系统的组成部分。
3.高效的钢结构抗震体系
现代结构抗震理论始于1906年美国旧金山7.8级大地震和1923年日本关东7.9级大地震后对抗震结构的反思，9.21台湾集集大地震和四川汶川大地震的反思，促进了新材料、性能化设计方法等抗震理论的发展，以及隔震减震的工程实用化。人们提出了越来越先进的抗震设计理论和方法，同时对建筑抗震技术越来越有信心，特别是在强度、抗震、能耗等方面都更胜一筹的钢结构。
然而，日本1994年阪神地震震害调查显示，在调查的993栋钢结构建筑中，破坏比例（严重破坏/倒塌、中度破坏、轻微破坏/无破坏）为1：3：3：3，且钢结构的破坏主要发生在柱子、梁柱节点、无支撑框架的柱脚等部位。因此，人们迫切需要新型、高效的钢结构体系的出现，而主动控制、被动控制或隔震技术、高性能材料等各种新技术的结合也在抗震工程中迅速应用。
一般而言，钢结构破坏主要由钢结构柱的稳定性和钢结构连接节点引起，钢结构连接节点设计是钢结构高效抗震体系的关键。结构抗震十六字方针的前十二个字（刚柔并济、多道防御、抓大放小、打通节点）是策略，一般大家比较重视，不会出大问题，往往后四个字“打通节点”的策略就出问题了。
因此我们发现，要开发高效的钢结构抗震体系，需要从节点连接研究入手，采用主动控制技术与被动控制技术相结合。一是解决节点的隔震性能，二是解决高效的生产、安装和装配。为此，我们成功开发了三种具有完全自主知识产权和自主控制的节点连接技术：外套管连接技术、分层装配连接节点技术、自锁连接节点技术，并由此开发出一系列适用于各类工程的高效钢结构抗震体系。
（1）贯通式模块化高效钢结构抗震体系
本系统的研发，解决了模块化建筑体系长期以来难以解决的模块间可靠、便捷的节点连接问题。本系统实现了人们常说的“像造汽车一样造房子”、“像搭乐高积木一样造房子”，是土木工程中真正的“黑科技”。我们称之为“贯通式模块化建筑体系”，实现了整体模块化建筑单元在工程中预制，现场采用无需螺栓连接、无需焊接的贯通式连接方式，实现“像搭积木一样造房子”。
（2）铰接支撑框架+密集异形短腿多腔组合墙核心筒高效钢结构抗震结构体系
该体系有效解决了传统钢框架与核心筒刚度不匹配的问题，实现了两者刚度的匹配，大大提高了结构的有效抗震性能、减震性能和能耗性能，实现了结构构件的标准化批量生产。另外，自连接节点的采用，实现了现场钢结构梁、柱无需螺栓连接、无需焊接的高效快速施工。
（3）新型层状密柱支钢格筒高效钢结构抗震结构体系
新型分层密集柱支钢网架高效钢结构抗震结构体系，由两层CUHPC板与双向空间钢桁架网架组成的钢网架梁空心腿组合楼面，周边设置密集柱深梁框架形成筒体，再由多根竖向筒体与密集的特殊短腿多腔组合墙核心筒组成高效钢结构抗震束筒体系，形成大跨度、分区灵活的高层、超高层体系。
该高效钢结构抗震体系的受力特点为：
i) 在水平荷载作用下,水平剪力由各肋骨的平行于剪力方向的内、外腹板框架承受,倾覆力矩由各肋骨的腹板框架和翼缘框架共同承受;
ii) 筒体单元内部的框架柱仅承受其荷载相关区域内的竖向荷载，除抗震设防烈度为9度的高层结构房屋需考虑竖向地震荷载外，竖向荷载通常仅为重力荷载。
本系统的优点如下：
i)施工速度快、工期短，除基础外，其余部分均在工厂完成，大大降低了工程造价和单位造价。
ii)施工文明安全水平大幅提升，每个构件重量不超过500kg，拼接单元在工厂加工制作，现场用高强度螺栓紧固，省去了传统钢结构现场焊接的环节，避免了存在的火灾隐患。
iii）圆柱结构具有良好的侧向刚度，结构顶部侧向位移较其他结构减小近30%，具有良好的抗震性能和良好的持续抗倒塌性能。
四）钢结构易于维护。钢结构墙板采用两层CUHPC高强轻质墙板镶嵌，楼板钢结构也完全被两层CUHPC混凝土包裹，因此无需像其他钢结构一样进行特殊的防火、防腐处理。
五）房间内无梁、柱，可自由分割使用，美观易布置，节省层高。
（4）MCF低层分层装配式高效钢结构体系
该体系利用CUHPC与高性能钢组成的MSC体系墙板组成抗侧力支撑体系，高性能H型层状密实柱MCF体系组成的高效钢结构抗震结构体系，实现了“材料结构一体化”的设计理念，节约了成本，实现了构件标准化、建筑多样化的工业化建筑产品理念，同时使低层建筑的抗震性能得到大幅提升，为我国乡村振兴和“一带一路”建设提供了可靠保障。
4.SBS-PSC预制空腔剪力墙新型钢-混凝土组合预制结构体系
为了提高低剪力墙的抗震性能，研发设计了由CUHPC MSC墙体体系与高性能钢组成的空腔剪力墙体系。分析了普通剪力墙、盲缝剪力墙和空腔剪力墙在水平荷载作用下的受力特性差异，建立了空腔剪力平台的理论计算模型。推导了水平荷载作用下空腔剪力墙的等效侧向刚度和内力计算公式。对影响空腔剪力墙刚度的各参数进行了分析讨论，研究了各参数的影响。结果表明：空腔剪力墙降低了构件的刚度和承载力，提高了延性。通过改变空腔的参数，可以实现剪力墙刚度、承载力和均匀性的合理匹配。合理改变空腔的长度和厚度，不仅可以减少自重，还可以显著降低剪力墙的刚度，从而达到减轻地震作用的目的。
（1）空腔剪力墙通过合理的设计，可以达到自重小、刚度小、延性好的目的。
(2)建立了空腔剪力墙的简化模型及内力、刚度、侧向位移的理论计算公式，通过实际算例验证了理论计算公式的准确性，公式表现出良好的预测精度和随参数变化的稳定性，基本能满足工程要求。
(3)各参数对剪力墙等效侧向刚度的影响表明，对于低连接剪力墙，通过合理改变空腔长度和厚度，不仅可以减轻自重，而且还可以显著降低剪力墙的刚度，从而达到减轻地震影响的目的。
5.建立了一套EGA简易施工方法体系
装配式建筑体系要想完全成型，除了要有完整的技术体系，还需要有整套完整的生产工艺流程和装配工艺，以及设计方法才能落地，才能形成真正的生产力。我们研发的EGA易建工法体系就是基于这一点。EGA易建工法体系是EPC+BIM+装配式钢结构建筑技术完美落地的示范。
（1）建立了基于组件设计和模块化设计方法的设计体系
核心设计理念：“标准化+个性化”的核心设计理念，是在BIM平台上以模块化部件、标准化组件、自由拼接方式完成标准化产品线的设计。
（2）形成一套基于项目——技术定稿、图纸深化、实施方案、策划、全程交织施工、动态过程管理、组织保障、制度保障、资源保障的EPC工程管理思路和方法。
（3）建立基于BIM信息技术的项目管理流程，结合人工智能、物联网，形成智慧建造模式。
（4）确定了预制组合盖板、全装配式CUHPC预制混凝土组合外墙、高精度楼面、楼面止水系统、预制内墙板、高压水枪打毛、预制MEP管网、预制装配式内装修、全贯穿缩短工期、预制装配式钢结构十大工程难点及控制规则。
（5）建立钢结构构件、组合空腔节点盖板、CUHPC预制复合内外墙体系、装配式MEP的生产准备及过程控制流程，为工程到产品的转化奠定可靠的生产保障基础。
四、系统研究的发展历史
赛博尚是原建设部批准的首家国家住宅产业化示范基地（建科函[2003]92号），基地的成立以赛博尚于2001年实施的建设部2001年度重点技术示范项目（钢结构住宅技术示范工程-北京水利基础兵团住宅工程）{建科[2001]152号}为基础，并于2003年12月31日通过了建设部组织的专家验收，验收意见：整体技术达到国内领先水平。
随后，赛博森又相继承担了国家“863”项目“新型钢结构公共建筑体系及节能环保维护材料关键技术研究与应用”-[新型环保墙板与高效结构体系开发与工程应用]（项目编号：2005EB031197）。湖北省科技厅项目“节能钢结构生态设计与应用”（项目编号：杰科技[2009]59号）。2004年度武汉市科技局十大项目“冷弯钢结构住宅及产业化”（项目编号：武科技[2004]151号）。2009年度武汉市十大项目“建筑节能及产业化”（项目编号：武科技[2009]99号）。 2012年武汉市重大科技产业化专项项目“资源循环型钢结构住宅关键技术及产业化项目”（项目编号：武科技[2012]38号）。
2017年至今，公司正在承担两项国家重点研发计划项目，分别为“十三五”国家绿色建筑与建筑工业化重点研发计划专项“钢结构建筑产业化关键技术及示范”和“钢结构建筑轻量化环保维护体系技术与产品”。2018年，公司正在承担住房和城乡建设部、雄安新区“雄安新区绿色建筑标准体系及实施机构研究”专项“雄安新区绿色建造与装配式关键技术研究”，即“基于装配式钢结构绿色建筑体系的雄安新区建设设计及关键技术应用研究”（项目编号2017TN003）。
赛博尚先后荣获云南省科技进步一等奖、中国钢结构协会科技进步一等奖等省部级奖励，并获批“国家钢结构工程研究中心钢结构住宅中试基地”、“武汉市钢结构住宅工程研究中心”、“国家博士后创新实践基地”，2018年7月1日与河北省霸州市人民政府达成协议，共同成立“中国（霸州）智能化装配式钢结构绿色建筑工程研究中心”装配式钢结构民用建筑产业技术创新战略联盟，全力支撑雄安新区建设，服务“一带一路”国家战略，引领世界绿色建筑可持续发展潮流，推动霸州传统产业转型升级。
二十年来，赛博森在SBS-PCID装配式钢结构绿色建筑集成技术体系的研发上投入了巨大的人力、物力和财力，据不完全统计，已投入近3亿元进行试验、建立示范项目，为体系的发展和完善提供了有力的保障。
5. 系统开发负责人介绍
该公司的首席科学家兼首席设计师Cai Yuchun博士是SBS-PCID预制钢结构综合技术系统和EGA易于建造的构造方法系统的领先人物，他是国家理事会的特殊津贴，是来自中国钢制结构协会的专家，是WUHAN钢制型钢铁般的杰出的钢铁构建专家（国家钢结构工程研究中心的钢结构试点基地的IST，武汉钢结构的住宅工程研究中心的首席专家，以及国家博士后创新和实践基础的首席科学家，他依次赢得了“钢制结构人才奖”。钢结构“杂志。
VI。
根据不完整的统计数据，SBSPCID预制的钢结构集成建筑系统已应用于以下项目：
1.北京水库基金会兵团工作人员的住宅建筑（超过10,000平方米）；
2.北京Shougang Mentougou重新安置住房项目（超过10,000平方米）；
3.北京经济和技术发展区青年公寓（超过120,000平方米）；
4. Wuhan Cybersun经济住房项目（超过60,000平方米）；
5. Wuhan Zirunmingyuan South区安置住房项目（超过160,000平方米）；
6. Wuhan Golden Port经济住房项目（40万平方米）；
7.福建普通大学波西学生公寓（超过10,000平方米）；
8.新疆巴丘商业住房项目（超过120,000平方米）；
9. Kunming Iron and Steel Guanzhuang安置住房项目（超过120,000平方米）；
10. Kunming Iron and Steel技术学生公寓项目（超过40,000平方米）；
11. Kunming Iron and Steel Lijiang商业住房项目（100,000平方米）；
12. Lijiang City Complex项目（超过70,000平方米）；
13.云南省学校安全项目（超过500,000平方米）；
14.沙特Dammam港口项目；
15. Chad CNPC生活基础项目；
16.埃塞俄比亚国防部军事学院项目；
17.瓜达尔商业中心项目；
…
我们参加了数百个工程项目，刚刚赢得竞标的是Shandong Lioocheng High-Tech Resettlement住房结构住宅项目（410,000平方米）。
