渠天亮 郭毅敏 趙新平

1.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的基本特征

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主要是將分階段施工方式替換為全盤統(tǒng)籌設(shè)計(jì)施工形式，以及將現(xiàn)場(chǎng)施工協(xié)調(diào)指導(dǎo)替換為信息智能化管理模式，最為明顯的特征是用標(biāo)準(zhǔn)化部件取代了現(xiàn)場(chǎng)澆筑制作部件，由此形成的綠色建筑工程結(jié)構(gòu)具有以下特征：（1）標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化的設(shè)計(jì)形式。在施工設(shè)計(jì)和整體分析過程中，要結(jié)合鋼構(gòu)件的制作吊裝運(yùn)輸要求，充分發(fā)揮出構(gòu)件材料的性能優(yōu)勢(shì)，促使構(gòu)件參數(shù)、建筑功能等諸多方面達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)要求，并且標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與組件的施工重復(fù)利用率較高，可以有效地減少廢棄模板，提高建筑工程的綠色環(huán)保效果。（2）裝配式建筑施工和一體化工程裝修。裝配式鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程施工中的應(yīng)用，有利于提高工程施工質(zhì)量，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，降低工程施工對(duì)勞動(dòng)力的需求，并通過對(duì)施工工序進(jìn)行優(yōu)化，降低廢棄物的產(chǎn)生時(shí)間和工程的施工周期。（3）信息化管理與智能化管理模式的應(yīng)用。構(gòu)件在工廠中加工制作時(shí)需要為工作人員營造良好的工作環(huán)境氛圍，再加上加工作業(yè)和質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)都需要大量的工作人員，良好的工作環(huán)境氛圍可以降低人員不確定性風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生[1]。此外，施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝施工主要是以運(yùn)輸安裝為主，這就會(huì)減少大量的施工作業(yè)用人，提高施工安全管理規(guī)章制度的貫徹效率。

2.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的研究

2.1 維護(hù)體系的創(chuàng)新

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系是新型的建筑施工形式，為了保證裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的快速發(fā)展，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工人員要在常規(guī)建筑體系的基礎(chǔ)上，改進(jìn)原有的建筑結(jié)構(gòu)體系，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新和完善。在具體的建筑結(jié)構(gòu)施工中，設(shè)計(jì)人員要充分利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，明確建筑項(xiàng)目工程的裝飾裝修特點(diǎn)，保證建筑工程內(nèi)部與外部的協(xié)調(diào)。而且，設(shè)計(jì)人員要全面了解建筑工程結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，加強(qiáng)建筑工程主體的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的合理性，做好鋼結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)布置。

2.2 建筑體系的模塊化

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系具有明顯的模塊化特征，該結(jié)構(gòu)在建筑工程中應(yīng)用可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活地拼裝和拆卸。活動(dòng)性板房和模塊化房屋的建設(shè)主要是利用輕鋼結(jié)構(gòu)或者薄壁型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝施工，有利于提高鋼結(jié)構(gòu)材料的防火特性，保證建筑工程的實(shí)際防火效果。

2.3 住宅體系的工業(yè)化

常規(guī)形式的鋼結(jié)構(gòu)框架體系在建筑工程施工中應(yīng)用時(shí)，梁柱結(jié)構(gòu)施工問題較為常見[2]?；诖耍诮ㄖ袠I(yè)快速發(fā)展過程中，為了打造工業(yè)化的建筑住宅體系，要注重與建筑工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。從實(shí)踐角度出發(fā)，鋼管組合體系的施工應(yīng)用效果更佳。在建筑鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用過程中，利用模數(shù)化的鋼管構(gòu)件進(jìn)行施工，主要是將鋼管采用并排連接的方式形成鋼管束，有利于提高建筑工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)量。

3.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的應(yīng)用

3.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展歷程

由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有降低環(huán)境污染、加快施工速度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等施工優(yōu)勢(shì)，在建筑行業(yè)內(nèi)得以廣泛應(yīng)用，形成了裝配式住宅。這種建筑形式誕生于20 世紀(jì)初期，并在二戰(zhàn)后得以發(fā)展。20 世紀(jì)50 年代，歐洲因二戰(zhàn)原因受到了嚴(yán)重的創(chuàng)傷，急需重新建設(shè)大量的房屋住宅?；诖?，歐洲采用了工業(yè)化方式進(jìn)行建設(shè)，并借此形成了完整且標(biāo)準(zhǔn)的住宅體系。法國是世界上最早推行建筑工業(yè)化發(fā)展的國家，在50 年代到70 年代這段時(shí)期，法國形成了全裝配化大板和工具式模板現(xiàn)澆的工業(yè)化生產(chǎn)體系[3]。法國的工業(yè)化裝配式建筑主要是利用干式連接方式，將預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接施工，整體的工業(yè)化建設(shè)發(fā)展程度達(dá)到了80%。德國在建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展過程中，主要是利用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，且相關(guān)構(gòu)件需要在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制化加工生產(chǎn)。德國住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展契機(jī)也是在二戰(zhàn)之后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前德國住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。法國、德國等國家的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)具有幾十年的發(fā)展歷史，在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用方面較為成熟。但其主要是低層結(jié)構(gòu)住宅，施工所用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)是輕鋼結(jié)構(gòu)，尤其是冷彎薄壁型鋼材質(zhì)的應(yīng)用較為廣泛，很少在高層建筑中應(yīng)用裝配式結(jié)構(gòu)。而我國的裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展起步較晚，但在國家的大力支持下，許多企業(yè)和高等院校以及科研院所都開始了這方面的研究，并取得了顯著的成績(jī)，在北京、上海、天津等地還興建了鋼結(jié)構(gòu)住宅示范點(diǎn)[4]。

3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中柱的連接節(jié)點(diǎn)

低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要是輕鋼型龍骨結(jié)構(gòu)，是利用熱浸鋅薄壁鋼板制作而成，并采用普通螺栓進(jìn)行連接。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)連接，需要在普通鋼結(jié)構(gòu)柱之間采用焊接方式進(jìn)行連接，主要是因?yàn)楹附舆B接方式的實(shí)際強(qiáng)度是行業(yè)內(nèi)部公認(rèn)的，具有較高的安全性。但是，在美國和日本的地震災(zāi)害中，這種焊接連接方式都遭受了嚴(yán)重的損壞，這也充分地暴露出焊接連接方式存在的不足。實(shí)際上，焊接連接方式具有較高焊接的殘余應(yīng)力和熱影響區(qū)，在地震條件的作用下會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂問題，導(dǎo)致房屋建筑結(jié)構(gòu)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，尤其是在低溫環(huán)境下進(jìn)行焊接連接，其連接位置的脆性更大。再加上利用焊接方式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，其整體的焊接施工速度較慢，且焊工的技術(shù)水平、施工條件等因素都會(huì)影響連接焊接的施工質(zhì)量，無法做好施工質(zhì)量的管理控制。所以，在工程焊接施工驗(yàn)收過程中，需要依靠第三方檢測(cè)單位進(jìn)行驗(yàn)收[5]。

3.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中梁柱的連接節(jié)點(diǎn)

按照鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接剛度性，可以將梁柱之間的連接方式分為剛性連接方式、半剛性連接方式、鉸接方式。而按照連接措施可以將梁柱之間的連接方式分為全焊接連接方式、栓焊混合連接方式、全螺栓連接方式。其中，多高層鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接方式可以采用剛性連接方式，利用梁翼緣與腹板進(jìn)行全部焊接，或者翼緣焊接和腹板螺栓連接，以及翼緣與腹板都采用螺栓連接方式。全焊連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)剛性連接，但由于工地焊接施工的工作量較大，且受到諸多因素的影響，無法對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，這就會(huì)導(dǎo)致焊接施工存在諸多的質(zhì)量問題。再加上焊接殘余的應(yīng)力較大，實(shí)際焊接施工難度較大，且施工質(zhì)量的檢測(cè)費(fèi)用較高，所以在鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接過程中，是不宜采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式的。栓焊混合連接方式的應(yīng)用，不僅因其施工較為方便，還因其能夠保證焊接強(qiáng)度達(dá)到全焊連接方式的焊接強(qiáng)度。在美國和日本地震發(fā)生之后，盡管鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，仍舊會(huì)在強(qiáng)震的影響作用下使得部分鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脆性破壞，其破壞位置主要是在梁下翼緣和柱的焊接縫位置。這也充分地暴露出鋼結(jié)構(gòu)采用焊接連接方式所存在的不足之處[6]。

因此，為了提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的安裝速度，保證其連接安裝的施工質(zhì)量，需要針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接方式。雖然，這種螺栓連接方式的節(jié)點(diǎn)要比焊接節(jié)點(diǎn)存在的螺栓數(shù)目更多，且實(shí)際的節(jié)點(diǎn)較大，但其綜合經(jīng)濟(jì)成本會(huì)略低于現(xiàn)場(chǎng)焊接費(fèi)用。梁柱全螺栓連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)剛性連接和半剛性連接，其中剛性連接方式的計(jì)算分析較為簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用較為普遍，但其連接應(yīng)用過程中的螺栓數(shù)目較多。而半剛性連接方式的實(shí)際耗能能力更好，且螺栓的使用數(shù)量較小，具有較大的經(jīng)濟(jì)性，但其實(shí)際的計(jì)算分析過程較為復(fù)雜。這兩種連接方式都可以應(yīng)用到地震多發(fā)情況下裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中。

3.4 支撐與框架兩者間的連接節(jié)點(diǎn)

隨著建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)層數(shù)的不斷提高，純框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性越來越低。而中心支撐框架結(jié)構(gòu)和偏心支撐框架結(jié)構(gòu)具有更高經(jīng)濟(jì)性，但這種結(jié)構(gòu)形式的支撐受力較大。針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)而言，支撐與框架兩者間的連接方式，也多采用全螺栓的連接方式，便于施工單位在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配施工以及在震后恢復(fù)過程中進(jìn)行更換修復(fù)。支撐框架體系的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)通常采用板式連接節(jié)點(diǎn)，將支撐與梁柱進(jìn)行連接，增加結(jié)構(gòu)連接的穩(wěn)定性[7]。

4.結(jié)語

綜上所述，在節(jié)能減排理念的貫徹落實(shí)過程中，發(fā)展綠色建筑產(chǎn)業(yè)，為建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)用提供了廣泛的發(fā)展空間。相較于傳統(tǒng)的建筑工程施工方式，裝配式建筑工程結(jié)構(gòu)具有明顯的施工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有利于提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量，增加房屋建筑工程的使用效果，幫助建筑企業(yè)在社會(huì)建設(shè)發(fā)展過程中樹立起良好的社會(huì)企業(yè)形象，更好地滿足當(dāng)前行業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展需求，擴(kuò)大企業(yè)的社會(huì)影響力。