潘惠芳

(廈門信息集團建設開發(fā)有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

綠色環(huán)保再利用材料是建筑界永恒的主題，鋼材是一種理想的綠色環(huán)保建筑材料，具有非常高的再循環(huán)使用價值。鋼結構強度高，自重輕，抗變形能力強，能很好地承受動力荷載，符合工程受力要求，具備優(yōu)良的抗震抗強風性；同時，良好的機械加工性能，便于運輸和安裝，適用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物結構。

裝配式鋼結構可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場可采用螺栓連接或焊接，控制施工質(zhì)量，便于全裝配和拆卸，大大降低勞動強度，縮短施工工期，適合建造過程全裝配式建筑[1-3]。裝配式鋼結構建筑，具有標準化設計、工廠化生產(chǎn)、裝配化標準施工、一體化整體裝修、信息化全過程管理等特征，尤其是將 BIM 技術和裝配式鋼結構建筑體系有機地融合在一起，能快速實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。它是全壽命周期內(nèi)的綠色建筑，目前在歐洲、美國、日本、澳大利亞等發(fā)達國家是主要建筑結構體系之一，也是我國貫徹落實新時代綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設的首選類型，國家重點發(fā)展建造方式之一[4-8]。

為了促使裝配式鋼結構建筑在全社會推廣開來，2016年2月，中共中央、國務院印發(fā)《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》，提出發(fā)展新型建造方式，大力推廣裝配式建筑，加大政策支持力度，力爭用約10年時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%。2017年3月，住建部發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動方案》明確指出，到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達15%以上，其中重點推進地區(qū)達到20%以上[9]。自此，各省市先后開始落實推廣實施裝配式建筑構造方案?；诖?，本文以廈門軟件園三期D09號樓鋼結構建筑為工程案例，分析、對比裝配式鋼結構建造與傳統(tǒng)鋼筯混凝土結構優(yōu)缺點，總結裝配式鋼結構建筑應用經(jīng)驗，并提出廈門地區(qū)未來發(fā)展裝配式鋼結構的若干建議，供廈門地區(qū)乃至全國其他地區(qū)發(fā)展鋼結構建設提供技術借鑒。

1 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結構建筑項目概況

根據(jù)國家政策，結合廈門市關于加快推進軟件園三期建設的要求，2017年3月，廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結構研發(fā)樓建設項目啟動。該項目占地面積22 299m2，建筑面積90 385m2，其中，地下室建筑面積30 250m2；地上13層，建筑面積60 135m2。基礎采用預應力管樁基礎，地下室采用鋼筋混凝土框架結構、主樓采用裝配式鋼構，如圖1～圖2所示。項目總投資約39 779萬元。該項目鋼結構主要施工案，采用裝配式鋼構件工廠化、模塊化制作，鋼構件的運輸、堆放及安裝順序和位置的標注，鋼構件吊裝及現(xiàn)場安裝連接，安全質(zhì)量保障措施等BIM信息化設計和施工。

圖1 D09號樓裝配式鋼結構吊裝施工

圖2 D09號樓竣工后

2 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結構建造優(yōu)點

2.1 建筑重量對基礎的影響分析

D09號樓的地下室采用鋼筋混凝土框架結構，主樓采用裝配式鋼結構。由于鋼結構強度明顯高于混凝土強度，大大減少了框架柱和梁的截面，使混凝土用量大為減少，最主要是減少了結構主體重量。表1對比了D09號樓裝配式鋼結構與鋼筋混凝土結構的建筑重量，對比結果表明，該項目主體重量(柱、梁和板)降低約32.14%，大大減輕了主體重量荷載對地基的壓力，減少了基礎和樁基設計，同時也減少了工程量，節(jié)省了建設成本。

2.2 建筑的空間使用率影響分析

鋼筋混凝土建筑，在空間稍大的室內(nèi)就會出現(xiàn)斷面很大的混凝土結構柱，嚴重影響室內(nèi)美觀和使用面積；鋼結構建筑通過減少柱的截面面積和使用輕質(zhì)墻板，更易獲得大空間，提高室內(nèi)空間的使用率[10]。

D09號樓的鋼結構相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構，主構件截面面積更小(柱截面小了1/6)，在同等情況下可增加使用面積36.87m2，擴大了4.0%，不僅可以抵消一部分應采用鋼結構體系而增加的主體費用，同時也讓業(yè)主得到更多的有效使用面積，提高建筑空間使用率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 D09號樓(3#)裝配式鋼結構與鋼筋混凝土結構建筑面積對比表

2.3 綠色環(huán)保影響分析

鋼筋混凝土建筑，主要采用現(xiàn)場手工作業(yè)，存在能耗高、污染嚴重等問題。根據(jù)國家統(tǒng)計局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告，近幾年我國每年建筑垃圾排放總量約為14億t～24億t，占城市垃圾的比例約為40%；而鋼結構施工基本是干作業(yè)，減少廢棄物對環(huán)境造成的污染，節(jié)約用水、噪音小、粉塵少，較傳統(tǒng)混凝土結構垃圾排放量減少60%。

據(jù)分析，該項目D09號樓全壽命周期可以減少近萬立方米建筑垃圾，大大減少木模板使用(木材的砍伐)，而且，鋼結構建筑主體鋼材回收率在90%以上，改建拆遷容易，施工過程無需水泥等傳統(tǒng)建材，減輕了對環(huán)境的破壞，真正做到綠色無污染[11]，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2.4 工程質(zhì)量控制分析

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構施工中質(zhì)量控制點多，如外腳手架工程、模板工程、鋼筋工程、混凝土質(zhì)量控制、澆搗控制、養(yǎng)護控制等，難以避免存在一些質(zhì)量缺陷和安全隱患；而鋼結構的受力構件簡單，可以在工廠進行批量生產(chǎn)，現(xiàn)代化設備生產(chǎn)，產(chǎn)品精度高；運輸?shù)焦さ睾蟛捎醚b配式組裝，施工中隱蔽工程少，更易于管控質(zhì)量，也能更好地保護工人人身安全。

D09號樓裝配式鋼結構現(xiàn)場施工，主要以螺栓的預埋、焊接工程、高強度螺栓連接工程、鋼結構防火工程涂層，其質(zhì)量均易于現(xiàn)場實施控制，竣工后D09號樓質(zhì)量達到優(yōu)良等級。

2.5 建設周期影響分析

D09號樓主體結構建設周期：裝配式鋼結構施工過程中，主體總荷載比鋼筋混凝土結構工程總荷載降低約32.14%，鋼結構工程地基基礎結構工程量減少。根據(jù)《TY01-89-2016建筑安裝工程工期定額》標準計算，節(jié)約定額工期30d。

地下室底板施工完畢后，地下室和主樓結構可以進行平行施工，主樓標準層單層施工周期為5d，每月施工完成6層。項目主體結構3#樓：底板于2017年9月23日施工，半地下室于2017年12月3日完成，主體結構于2017年12月22日封頂，上部鋼結構比地下室工期多18d；若以鋼筋混凝土結構施工，需要逐層進行施工，標準層單層施工周期為6.5d，每月施工完成4.5層，上部13層施工尚需78d。因此，在相同體量的情況下，鋼筋混凝土結構施工期可以節(jié)約工期60d。

綜上，兩種質(zhì)式結構對比，項目鋼結構主體結構的地基基礎比使用鋼筋混凝土主體結構的地基基礎施工周期縮短30d；3#樓主體鋼結構比主體鋼筋混凝土結構施工周期縮短60d；總體施工進度計劃進行流水作業(yè)，總計可以縮短施工周期90d。

再從總體建設工期來看，鋼結構施工速度快，工期優(yōu)勢較明顯?；炷两Y構澆搗完成后，存在支撐架、模板拆除的時間和砼養(yǎng)護時間，鋼結構項目可以直接對樓層二次結構進行施工，加速后期的裝修工程進場。裝配式鋼結構項目無外防護、無懸挑外架，幕墻工程可交叉施工，構件在工廠制作，工廠機械化生產(chǎn)的成品精度高、生產(chǎn)效率高；工地拼裝機械化程度高，速度快、工期短，是工業(yè)化程度最高的一種結構，對以上各施工段均起到減少建設周期的效果。

2.6 抗震和抗風災性能分析

近些年來，由于各種因素影響，世界各地地質(zhì)類災害不斷，地震災害屢見不鮮，嚴重威脅著人類的生命安全，而良好的抗震性能材料和結構是抵御地震災害、盡量減少災害損失的重要選擇。

鋼結構良好的延展性，較強的塑形變形能力，具有優(yōu)良的抗震性能，在很大程度上提高了建筑物的安全性、可靠性。裝配式鋼結構建筑墻體，采用輕型節(jié)能標準化的C型鋼、方鋼、夾芯板，抗震度好；將鋼結構體系用于住宅建筑，可充分發(fā)揮鋼結構的延性好、塑性變形能力強等特性優(yōu)勢，尤其在遭遇地震、臺風災害的情況下，鋼結構能夠避免建筑物的倒塌性破壞[12]。如：屋面結構采用冷彎型鋼構件制作成的三角型屋架體系，輕鋼構件在封完結構性板材及石膏板之后，形成了非常堅固的“板肋結構體系”，有著更強的抗震及抵抗水平風荷載的能力，適用于抗震烈度為8度以上的地區(qū)。而且，型鋼結構重量輕、強度高、整體剛性好、變形能力強，自重僅是鋼筋混凝土結構的1/5，可抵抗70m/s的颶風，大大提高住宅的安全可靠性。

近年來，臺灣海峽及附近地區(qū)多次遭受地震和臺風影響，如2018年11月26日臺灣海峽6.2級地震和2018年全年臺風，D09號樓竣工后均能很好地承受住地震動荷載和臺風荷載沖擊，未受任何影響，充分地體現(xiàn)了裝配式鋼結構抗震和抗臺風性能優(yōu)異。因此，對身處東南沿海地震帶和臺風災害頻繁的廈門，鋼結構建筑應用尤其更加具有更深遠的影響。

2.7 耐久性、保溫性、隔音性分析

耐久性方面，鋼結構建筑采用冷彎薄壁鋼構件體系組成，鋼骨采用超級防腐高強冷軋鍍鋅板制造，有效避免鋼板在施工和使用過程中的銹蝕影響，最長可達100年，增加了構件使用壽命。

保溫性方面，保溫隔熱材料是以玻纖棉為主，具有良好的保溫隔熱效果，運用以外墻的保溫板，將有效避免墻體“冷橋”現(xiàn)象，達到更好的保溫效果(約100mm厚的R15保溫棉熱阻值可相當于1m厚的磚墻)。

隔音性能方面，D09號樓裝飾，窗戶采用了中空玻璃，隔音達40dB以上；由輕鋼龍骨、保溫材料石膏板組成的墻體，其實測隔音效果甚至高達60dB。

3 廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結構建造缺點

3.1 建筑成本造價分析

雖然裝配式鋼結構優(yōu)勢明顯，但在造價方面會比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構高約14%，主要表現(xiàn)在基礎差異和主體結構差異。下文從D09號樓基礎造價、主體結構造價、使用面積和資金成本等四方面，具體分析其建筑成本構成。

3.1.1基礎造價分析

鋼筋混凝土結構工程荷載588 853t，樁基直接工程費12 736 060元，其單價為212元/m2；鋼結構工程荷載39 936t，樁基直接工程費8 711 101元，其單價為144元/ m2。鋼結構基礎單價費用約為鋼筋混凝土結構工程樁基費用的2/3。

3.1.2主體結構造價分析

裝配式鋼結構、鋼筋混凝土結構鋼這兩種質(zhì)式結構造價差異，主要表現(xiàn)在主體結構的造價差異。在建筑布局和功能需求一致的情況下，基礎土方、門窗工程、防水工程、樓地面工程、墻柱面工程、天棚工程、裝飾裝修工程、幕墻工程、安裝工程等方面造價基本一致，費率取費按同等條件計取，限于篇幅，不進行對比。

廈門軟件園三期D09號樓地下室為鋼筋混凝土結構，單獨對上部60 135m2主體結構采用兩種不同的質(zhì)式結構分析如表3所示：鋼筋混凝土結構工程對勞動力需求大，工資的漲幅對建筑成本的增加明顯；鋼結構工程的勞務工資比重低，勞務工資增加對總成本的增加只有鋼筋混凝土結構工程的20%左右。建筑鋼材價格的漲跌幅對鋼結構的造價變化影響巨大，鋼材價格漲跌對鋼結構建筑總成本的增加是鋼筋混凝土結構的2.85倍。

表3 D09號樓裝配式鋼結構與鋼筋混凝土結構主體單價分析表

3.1.3使用面積成本差異

D09號樓裝配式鋼結構建筑比鋼筋混凝土建筑使用面積增加了4%，按60 135m2建筑面積測算，增加使用面積2405m2，按園區(qū)內(nèi)目前銷售均價5190元/m2，增加效益207元/m2。

3.1.4資金成本差異

廈門軟件園三期項目總投資39 779萬元，一年期貸款基準利率4.9%，工期縮短按平均126d計算，資金成本節(jié)約：39 779萬元×4.9%×(126/365)=672萬元/60 135m2=112元/m2。

3.1.5綜合成本分析

通過以上對兩種質(zhì)式建筑的基礎造價、主體結構造價、使用面積成本差異和資金成本差異等分析，裝配式鋼結構與鋼筋混凝土結構綜合成本單價分析如表4所示：裝配式鋼結構的基礎及主體結構造價是鋼筋混凝土結構造價的178.8%，加上鋼結構面積增加及資金成本效益，裝配式鋼結構的結構造價減少到鋼筋混凝土結構造價的149.3%?？梢婁摪宀牧系膬r格趨勢對裝配式鋼結構工程投資起決定因素。裝配式鋼結構工程帶來的最大效益，是工期縮短帶來的利息減少、鋼材具有很高的再循環(huán)使用價值及有效使用面積的增加；此外，銷售均價對鋼結構使用面積的增加產(chǎn)生的效益也有巨大的影響。

從水、暖、電、幕墻等工程總造價來看，裝配式鋼結構比鋼筋混凝土結構高16.92%。裝配式鋼結構使用面積增加及資金成本效益，使鋼結構工程總造價比鋼筋混凝土造價高11.39%。

表4 D09號樓裝配式鋼結構與鋼筋混凝土結構綜合成本單價分析表

3.2 受鋼材價格和物流成本影響

廈門周邊生產(chǎn)鋼構件廠家少、產(chǎn)能低，采購環(huán)節(jié)在運輸和加工容易受到物流、材料價差影響。如何減少裝配式鋼結構的鋼構件成本價格和降低物流成本，這是今后需要重點考慮的問題。

3.3 耐火與防腐性能差，需檢查與養(yǎng)護

裝配式鋼結構耐火性能較差，當溫度在150℃以下時，鋼材性質(zhì)變化很小，但結構表面要采用隔熱板加以保護。溫度在300℃～400℃時。鋼材強度和彈性模量均顯著下降。溫度在600℃左右時，鋼材的強度趨于零。鋼結構另一個缺點是耐久防腐性(國家規(guī)定15年)，在生產(chǎn)和施工過程中需要注意除銹和防腐處理；后續(xù)維護復雜，需要定期防銹防腐保護、防火處理保護、定期變形監(jiān)測維護、其他病害的定期檢查與維護，因此需要研究防高溫、防腐等高性能鋼材，在有特殊防火需求的建筑中，須采用耐火材料加以保護并提高耐火等級[10]。

4 結語

通過對廈門軟件園三期D09號樓裝配式鋼結構建筑的應用分析，并與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構相比較，裝配式鋼結構具有以下特點：

(1)具有較高的室內(nèi)空間的使用率。該項目室內(nèi)使用面積增加了4%，若為超高層建筑則將增加更多?？臻g使用率和銷售均價對產(chǎn)生的經(jīng)濟效益有較大的影響。

(2)大幅降低了建設周期。該項目主體結構節(jié)省工期19.5%。超高層建筑使用裝配式鋼結構形式對建設周期的縮短更加明顯；同時，具有綠色環(huán)保優(yōu)勢和優(yōu)異抗震和抗風災性能。

(3)主體結構造價較高。裝配式鋼結構造價是鋼筋混凝土造價的149.3%，加上水、暖、電、幕墻等工程的建安總造價增加了11.39%。

(4)裝配式鋼結構在廈門軟件園三期D09號樓建造過程中，雖然體現(xiàn)了其建造過程中的多種優(yōu)勢，但未來要在廈門地區(qū)的發(fā)展和壯大，建議在以下幾方面加以完善和改進：

①建筑成本和建筑經(jīng)驗約束發(fā)展。鋼材價格、運輸成本和現(xiàn)場吊裝占據(jù)成本最大，缺乏成熟的建造經(jīng)驗，需要加大廈門地區(qū)的裝配式鋼結構建筑工廠化建設，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，集約化生產(chǎn)，降低成本。

②裝配式鋼結構耐腐和耐火性能較差。在今后的建設中需要加強鋼材防銹、防腐等高性能試驗研究。同時，在建筑物使用過程中，需加強鋼結構防火、耐火的保護措施和保護方式的研究。

③信息化標準體系不完善。在推進裝配式鋼結構建筑的建設時，若能從設計、模塊化制造、運輸、安裝和管理多環(huán)節(jié)著手，建立信息化標準體系，加強管理和協(xié)調(diào)，加快建設周期，提高綜合經(jīng)濟效益，將更加體現(xiàn)鋼結構建筑的優(yōu)勢。

④推廣BIM技術。利用BIM軟件實現(xiàn)對裝配式鋼框架結構3D模型的創(chuàng)建,并對完成的BIM模型進行碰撞檢查及優(yōu)化,使設計方案更加合理化,以提高工作效率,減少現(xiàn)場返工和整改。