浅析装配式钢结构建筑应用

浅析装配式钢结构建筑应用

徐观忠,袁光辉

浙江精工钢结构集团有限公司  

摘要：装配式钢结构建筑随着时代发展和技术创新，已经逐步被现代社会所接受，与传统钢筋混凝土建筑相比，具有相当好的优越性。装配式钢结构建筑相配套的技术与材料也越来越丰富，逐步走向成熟。装配式钢结构建筑的缺点也是客观存，不可避免的问题也需要相关企业和工程技术人员去改进升级，本文就钢结构建筑特点、施工过程中的重点难点和装配式钢结构建筑配套应用材料进行分析，希望广大建设者们引起共鸣，也希望配式钢结构建筑成为未来建筑的主流。

关键词：绿色建造；装配式建筑；钢结构；应用

引言

浙政办发〔2021 〕19号浙江省人民政府办公厅《关于推动浙江建筑业改革创新高质量发展的实施意见》中指出，装配式建筑要占新建建筑比重达到35%以上，钢结构建筑占装配式建筑比重达到40%以上。此份文件足以证明装配式钢结构建筑未来前景非常好，具有相当好的优越性。绿色建造已经成为新时代的主流话题，推行以机械化为基础、以装配式建造和装修为主要形式、以信息化和数字化手段为支撑的新型建筑工业化已经提上日程，装配式钢结构建筑就是绿色建造的代表。

一、钢结构建筑特点

中国是炼钢大国，全球粗钢产量中国占比54%，年产超过300万吨的炼钢企业就有36家，分布于全国各地，所以中国发展钢结构建筑具有独特的先天优势。钢结构广泛应用于各类厂房、车站、体育场、会展中心等公共和民用建筑，随着科技的发展，钢结构技术的创新，再加上国家政策的扶持，钢结构适用范围也越来越广。量大面广的中小型工业、商业、文教卫生等建筑，以及部分居住型建筑中也得到了广泛的应用。

钢结构建筑优点主要有以下内容：

1、钢结构具有良好的抗震性和抗风性能

钢结构具有良好的延展性，可以衰减地震波，减少地震对建筑的破坏性。据测算，钢材的强度约是混凝土强度的8倍，而其密度仅为混凝土密度的3.2倍，钢材强度较高，弹性模量也高，因而对于相同的承载力要求，钢构件的重量可比混凝土构件的重量轻很多。另外，钢构件的截面利用率较高，一般高层建筑，采用钢结构可降低结构重量约40%～50%，面对地震波的冲击，自然能减少危害，在抗风性能上，由于钢结构具有良好的延性和塑性变形能力，在风力作用下可以恢复原状，避免建筑物的倒塌破坏。

2、钢结构制造安装机械化程度高

钢结构构件的材料使用各类板材和管材，各个钢材厂家都有标准的型材可供采购使用，成品化率高，钢结构生产企业只需要简单的原材切割和拼装焊接，就可以制造出各种结构形式，便于在工厂制造和工地拼装。工厂机械化制造钢构件的成品精度高、生产效率高、工地拼装速度快、工期短。

3、钢材韧性好，塑性好，材质均匀，结构可靠性高

钢材生产设备较为成熟，生产流水线自动化成度高，钢材组织较为均匀，近于各向同性体，在一定的应力范围内，几乎是完全弹性体，所以钢结构受力情况与理论计算结果较为吻合，适于承受冲击和动力荷载，钢结构可靠性高。

4、钢结构可以准确快速地拼装

钢结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各类部件之间通常采用焊接、高强螺栓或铆接连接，切割开孔设备和焊接设备稳定可靠，生产工艺较为成熟，自动化率很高，加工精度高，在施工现场只需要简单的起重设备，就可以快速安装，在较短的时间内形成主体结构。钢结构建筑能更好的满足大开间、灵活分隔的要求。

5、钢结构可回收利用，低碳、节能、绿色环保

钢结构建筑施工时大大减少了砂石、水泥的用量，钢结构中的钢材具有可再生性，可以重复利用，遗留的废料可以回收，使施工现场的垃圾大大减少，既解决了建筑垃圾污染问题，又节约了资源。钢结构建筑的大部分构件在工厂中完成，施工现场以干作业为主，减少了粉尘、污水、噪声对周边环境的影响，对国家的节能减排起到了较为重要的作用。

钢结构建筑缺点主要有以下内容：

1、钢结构耐火性能差

当温度在150℃以下时，钢材性质变化很小。温度在300℃ -400℃时，钢材强度和弹性模量均显著下降，温度在600℃左右时，钢材的强度趋于零。钢结构热导率高，易于传递热量，遇火时构件内部升温很快，导致塑性增大，易产生变形，当超过一定温度后，钢结构构件丧失承载能力，易发生倒塌破坏，所以在钢结构建筑中常采用防火材料加以保护，以提高耐火等级。

2、钢结构耐腐蚀性差

钢结构在潮湿和腐蚀性介质的环境中，容易锈蚀。据统计全世界每年约有年产量30%～40%的钢铁因腐蚀而失效，因此钢结构防腐蚀对节约金属具有重大意义。钢材如暴露在自然环境中不加防护，则将和周围一些物质成分发生作用，形成腐蚀物。腐蚀作用一般分为两类：一类是金属和非金属元素的直接结合，称为“干腐蚀”；另一类是在水分多的环境中，同周围非金属物质成分结合形成腐蚀物，称为“湿腐蚀”，钢材在大气中腐蚀可能是干腐蚀，也可能是湿腐蚀或两者兼之。所以在构件生产时会进行除锈处理和喷涂防锈底漆进行保护，运到施工现场拼装后会做中间漆和面漆进行保护。

二、钢结构施工过程中的重难点分析

1、深化设计较为复杂

现代建筑设计注重曲线异形结构，使得钢结构构件数量多、节点做法多，各专业深化设计交叉多，钢结构深化设计过程的协调工作量大，深化设计阶段需要考虑结构的压缩、沉降及焊接收缩等，需要在深化时进行预调，尤其在现场钢筋安装时难以控制位置及标高，所以采用三维模型进行模拟及碰撞检查，能够得到有效控制。在现场协调标高沉降时，依照现场反馈数据进行构件尺寸调整，以确保深化时保证结构安装的精度。

2、钢结构现场焊接较为困难，质量较难保证

钢结构现场焊接以悬空高处作业较多，焊接时受外界气候影响较大，这就对焊接工人的技艺要求较高，一套完善的焊接防护体系能够有效的减少在焊接过程中不良因素造成的影响。焊接作业时母材与焊接材料要相匹配，对热输出和冷却速度进行控制，对焊接电流、焊接速度、电压及熔化金属800-500度区间内的冷却时间需要有效控制，运用优质碱性低氢焊材，通过合理的操作方法对熔池金属实施充分保护，控制应力和变形，运用高能量密度、低热输入的焊接方法进行操作。在焊接施工区域，搭设防护棚，使焊接区构成一个相对封闭的空间，将热量损失减小，确保焊缝的质量。

3、钢结构垂直度和标高控制作为重点

钢结构构件在加工制作过程中误差控制、运输过程中的碰撞都会对构件垂直度和变形造成很大的影响，所以在材料到场时，需要组织好进场材料验收工作，避免加工过程中出现的质量缺陷，从而影响现场拼装质量。钢柱采取高空对接方式安装时，需要对上下钢柱进行连接加固，确保钢柱吊装完毕后的稳定性。安装时，需对标高以及轴线进行复核，吊装前装设缆风绳，同时施工测量人员配合安装工人进行垂直度较正，复测牛腿部位标高，校正完成及时将连接螺栓拧紧牢固。钢结构竖向压缩变形控制过程比较复杂，不同施工周期、不同楼层高度的位移差也是测量工作的重点，随着建筑高度的增加，影响逐渐增大，保证轴线控制网的垂直精度是安装时的重点，必须以钢结构基础作为测量基准点进行引测校准，以确保钢柱的垂直度和楼层标高的精度。

4、高处作业安全措施较难实施

当钢结构柱独立接高安装时，人员上下具有一定的跳战性，这就需要编制独立的安全专项方案，施工时严格按照方案设置临时操作平台、安全爬梯、安全挂篮、安全网、防护钢索、防坠器，同时作业人员需要穿戴好防护用具。尽管钢结构防护用具较多，但在具体施工过程中也存在很多危险因素，比如高处坠物、焊接火花四溅、物体打击等，这就需要钢结构企业加大安全措施投入，要求现场管理人员认真排查隐患，及时整改落实。

5、钢结构高空吊装较为困难

钢结构在较低楼层安装时可以采用汽车吊或者履带吊等起重设备进行起重吊装，安装进度快，质量易把控，但随着楼层增加就会越来越困难，只能使用塔式起重机进行起重吊装，或者使用整体提升法进行施工，不仅吊装效率低下，而且施工成本高，从而影响整体施工进度，所以需要多台塔式起重机进行分区块作业。另外，超高层钢结构施工对安装人员的素质要求很高，必须要经过专业技术培训及考试合格，持证上岗。

6、钢结构无损检测把控焊接质量

在钢结构焊接施工时配合无损检测技术，可以有效弥补人工观察的不足，能够精准发现钢结构焊缝中存在的隐蔽性质量缺陷，提升质量水平。常用的无损检测方法有以下几种：

（1）超声波探伤检测技术：利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷，当超声波束自焊接表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与焊缝底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

（2）射线探伤检测技术（X射线、γ射线）：利用射线穿透物体来发现物体内部缺陷。在射线穿透焊缝内部时，能够将内部情况显示在荧光屏上，检测人员可以准确判断出缺陷位置，但由于射线穿透性较强，对检测人员身体具有不良影响，而且检测设备较大，所以在工程现场较少使用。

（3）磁粉探伤检测技术：是用来检测铁磁性材料表面和近表面缺陷的一种检测方法。当构件磁化时，如果工件表面有缺陷存在，缺陷处的磁阻增大而产生漏磁，形成局部磁场，磁粉便在此处显示缺陷的形状和位置，从而判断缺陷的存在。但是磁粉探伤只能检测钢结构材料表面和近表面缺陷，无法检测奥氏体不锈钢和其他磁性弱的材料，所以施工现场应用也较为局限。

7、钢结构构件材料配套要求高

钢结构构件现场安装需要全程配套配合进行，这就需要编制详细的施工计划、构件生产进度计划、材料运输计划，同时需要现场管理人员积极协调生产厂家和运输单位进行材料到场协调。施工现场构件堆场的使用面积和周转效率也是必须重点考虑的因素，高效动态管理体系是贯穿整个工程顺利实施的有效保证。

三、装配式钢结构建筑配套应用

1、装配式钢筋桁架楼层板

钢筋桁架与底板通过电阻点焊连接成整体的组合承重板叫做钢筋桁架楼承板。

此种材料机械化流水线生产效率高，钢筋排列间距均匀、混凝土保护层厚度一致，提高了楼板的施工质量。装配式钢筋桁架楼承板可显著减少现场钢筋绑扎工作量，加快施工进度，确保施工安全，实现文明施工。钢筋桁架楼承板在小跨度施工时不需要二次支撑，在大跨度施工时也仅需要简单支撑，即可在其上浇筑混凝土，节约了木材、钢材使用量，符合国家节能环保的要求。装配式钢筋桁架楼层板经过许多工程项目的应用，各项性能可以满足现浇钢筋混凝土楼板承载力和变形的要求，大大提高了现场施工效率。

2、预制混凝土叠合板

预制混凝土叠合楼板是由预制板和现浇钢筋混凝土层叠合而成的装配整体式楼板。叠合楼板整体性好，板的上下表面平整，便于饰面层装修，适用于对整体刚度要求较高的高层建筑和大开间建筑。预制板既是楼板结构的组成部分之一，又是现浇钢筋混凝土叠合层的永久性模板，现浇叠合层内可敷设水平管线，整体性好，刚度大，可节省模板，而且板的上下表面平整，便于饰面层装修。叠合楼板跨度一般为4~6m，最大跨度可达9m。

3、预制混凝土单元墙板

在预制厂（场）加工制成供建筑装配用的混凝土板型构件，简称墙板或壁板。采用预制混凝土墙板建造装配式大板建筑，可以提高工厂化、机械化施工程度，减少现场湿作业，节约现场用工，克服季节影响，缩短建筑施工周期。预制混凝土单元墙板可集成外墙装饰、门窗、遮阳、阳台等多种外围护构、配件，同时外挂墙板的滴水、挡水等细部设计一体化生产完成，形式与功能高度融合。墙板之间在进行连接时，一般采用采用干连接或者湿连接，确保安装完成后连成整体。预制混凝土单元墙板可以连续地按顺序完成工程的多个或全部工序，从而减少进场的工程机械种类和数量，消除工序衔接的停闲时间，实现立体交叉作业，减少施工人员，从而提高工效、降低物料消耗、减少环境污染，为绿色施工提供保障。

4、蒸压加气混凝土板

蒸压加气混凝土板是以水泥、石灰、硅砂等为主要原料再根据结构要求配置添加不同数量经防腐处理的钢筋网片的一种轻质多孔新型的绿色环保建筑材料。经高温高压、蒸汽养护，生产具有多孔状结晶的蒸压加气混凝土板，其密度较一般水泥质材料小，且具有良好的耐火、防火、隔音、隔热、保温等性能。作为一种新型的建筑内围护材料，具有绿色环保，减轻墙体自重，增加使用面积，改善使用功能，降低综合造价，提高建筑施工效率等特点。可用于厨房、卫生间、地下室等潮湿区域，墙板不会出现因吸潮而松化、变形、强度下降等现象。

5、装配式钢结构楼梯

钢结构楼梯一般采用焊接钢柱作为支撑，具有承重高、造型多、支点少等特点。焊接钢结构楼梯的钢板经过准确的调试和焊接，因此踏板装上以后平衡度很均匀。不易受立柱、楼面等结构影响、十分的坚固牢靠。在公共场所中，一般会将其用作消防疏散通道，由于其所选用的承重组件为型钢制作，各节点之间也用高强螺栓连接在一起，所以较为稳固和牢靠。钢结构楼梯通过增加混凝土层之后再帖敷地板砖、花岗岩等材料与传统楼梯相差无几，并具有良好的抗震性能，所以应用非常广泛。

6、装配式装修

装配式装修是将工厂生产的部品部件在现场进行组合安装的装修方式，主要包括干式工法楼（地）面、集成厨房、集成卫生间、集成墙板、集成吊顶等。装配式装修克服了传统装修的难点与痛点，具备了工厂生产规模化、配套产品标准化及现场施工装配化等特点，工程质量更易得到保障；作业现场省时、省力、高效，材料环保性能好，亦符合现代建筑绿色节能的标准要求，能较好地契合住宅精装房及公共建筑装饰的实际需要。

装配式装修的四大特征：

（1）. 标准化设计：建筑设计与装修设计一体化模数，BIM模型协同设计；验证建筑、设备、管线与装修零冲突。

（2）. 工业化生产：产品统一部品化、部品统一型号规格、部品统一设计标准。

（3）. 装配化施工：由产业工人现场装配，通过工厂化管理规范装配动作和程序

（4）. 信息化协同：部品标准化、模块化、模数化，从测量数据与工厂智造协同，现场进度与工程配送协同。

结语

    装配式钢结构建筑现已经具备一定规模，专业化企业稳步发展，配套专业厂家如雨后春笋般成长，再加上政策层面大力支持，中国正迎来装配式钢结构建筑蓬勃发展的新阶段。

[1]马斌，装配式建筑中钢结构的应用探讨[J]，山西建筑，2020，46（13）：32-34.

[2]岳欣 郝文茜 解欣媛，钢结构建筑特点及设计探讨，城市建设理论研究，2012年第007期.

[3]义军伟. 探析超高层钢结构工程安装施工的重难点及对策[J]. 安防科技, 2021, 000(006):P.19-19.