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楊嗣信:推進鋼結構建筑工業化發展的11個建議
發布時間:2017-03-14

 建筑工業化的重要標志就是建筑結構的工業化。目前我國主要城市的建筑結構基本上是兩大類,即鋼筋混凝土結構和鋼結構(包括鋼-混凝土混合結構)。過去的磚混結構因國家禁止使用粘土磚,目前已很少采用了,同時砌筑、抹灰也不符合工業化施工要求,用工多,且笨重體力勞動不是行業發展方向。進入21世紀,我國鋼鐵工業迅速發展,鋼年產量已達8億t,排名世界第一,平均每人每年超過0.5t,因此我國鋼結構建筑越來越多,不僅在超高層建筑中使用,低于百米的鋼結構住宅小區中也在使用。盡管鋼結構造價高,但整體來看,它具有很多其他結構不可比擬的優越性。特別是近10年來我國大力發展的以鋼管柱為主的混合結構,在RC核心筒施工中采用液壓爬模新工藝,充分顯示了這類結構對建筑工業化發揮的巨大作用,無論是提高生產率、節約人工,提高工廠化、裝配化、機械化水平,還是實施綠色施工方面都具有顯著優勢。

 不過,由于我國發展鋼結構只有近20年的時間,尤其在鋼結構工程與建筑工業化的結合方面,還遠遠不夠,沒有充分發揮鋼結構在建筑工業化中的獨特優勢和有利條件,因此有必要認真總結近20年來推廣鋼結構的經驗,同時借鑒學習國外先進之處,繼續研發、推廣有關鋼結構的新技術、新工藝,充分發揮鋼結構的優勢,降低工程成本,大大提高鋼結構的建筑工業化水平,以促進鋼結構更健康發展。筆者對目前我國進一步實現鋼結構建筑工業化發展,提出以下建議。

  設計定型標準化是發展建筑工業化的前提

 設計定型標準化是發展建筑工業化的前提。鋼筋混凝土結構如此,鋼結構也應該如此。目前我國已建成的高層或超高層鋼結構公共建筑大部分是辦公用房和商住樓,從平面布局來看中間是核心筒,外圈是柱網,這種結構的平面布局基本是定型的,只是梁的跨度不同,層高基本差不多,荷載差異不大,因此可以設計不同長度的標準梁板,根據建筑物的不同高度設計幾種標準構件圖??傊?,用標準構件組合成各種不同布局的平面,更利于鋼結構工廠的制作、生產,減少鋼材的品種規格。目前不少鋼結構高層建筑柱網都是根據地下室車庫的尺寸來決定,柱距都有明確的規定要求和范圍(如停4輛車為8.4m左右),進深也都有要求,上層柱網可以相應定型,這對設計定型標準化十分有利。核心筒(除總高超過200m的超高層建筑外)也可以按地區實行標準化設計控制墻厚,這對采用液壓爬模施工也是非常有利的。構件設計的標準定型化可以先從鋼結構的水平構件下手,柱子實行標準定型化比較復雜,除(總高)超過200m的超高層建筑以外,柱子斷面尺寸基本可以確定幾種規格。如鋼管混凝土圓柱的尺寸,可以按高度定幾種規格尺寸,以便于工廠加工。至于鋼結構的水平構件(包括樓梯),完全可以實行構件標準定型化,以便工廠加工制作。

  鋼管柱符合建筑工業化的要求,不用支模,也不用復雜裝修

 采用鋼管柱較方便與水平結構進行連接,施工進度快,混凝土澆筑采取頂升工藝,質量有保證。工廠加工鋼管時可將梁的鋼牛腿先焊在鋼柱上,主梁上支撐次梁的牛腿也可在工廠內預先焊接,在現場即可通過螺栓迅速安裝。鋼管柱可以2~3層連成1根安裝,柱內混凝土一次澆筑2~3層,如此可大大加快進度。鋼管外側的防腐、防火涂料,甚至裝飾均可在工廠內完成再運至現場安裝,只不過安裝后需要修補,運輸中及安裝后也必須注意成品保護。不建議采用型鋼+鋼筋作為骨架的勁性混凝土柱工藝,因該工藝復雜,需要大量的深化設計解決梁柱接頭問題,還需增加柱支模及混凝土養護等工藝,不宜采用。鋼管混凝土柱一般使用圓鋼管,有些工程也采用了方(含長方形)鋼管,效果也不錯,至于鋼管混凝土柱的混凝土澆筑工藝目前都已成熟,不另行介紹。

  水平構件及樓梯都采用鋼構件,一般用H型鋼

 鋼結構住宅因不做吊頂也可以考慮用方鋼管做梁,但不宜再設置次梁。鋼結構梁的跨度不宜過大,以不超過9m為宜,最好能定型幾種梁的規格,專供鋼結構工程使用。一般鋼結構的主梁一端支撐在外柱上,另一端支撐在核心筒剪力墻上,梁與核心筒的連接以預埋件焊接鋼牛腿的連接工藝為主。樓梯一般均采用鋼樓梯,工廠預制現場安裝。

 鋼結構的樓板最早采用壓型鋼板,用作永久模板,最近出現帶底板(鋼板)的鋼筋桁架作永久模板。鋼板底板與鋼筋桁架焊接成為整體,在鋼板底板上澆筑混凝土,這兩種工藝都是可行的,均可取消混凝土樓板的支模工藝,在板底設置極少量立柱支撐即可,基本上消除了模板工藝,但成本相對較高。為更簡化,同時也降低成本,是否可采用“混凝土疊合樓板”工藝?在非地震區(或地震區采取一定的措施)也可采用整塊預制大樓板(兩面光),與鋼梁采取一定的鋪接措施,為減輕自重、滿足隔聲要求也可采用輕質陶?;炷粒ɑ蚍勖夯姨樟?,混凝土強度達到C20~C40)。另外可否結合鋼結構體系,研究使用由鋼骨架及小塊預制板組成的架空地板樓面,以滿足各種智能化建筑的要求。

  外墻板及裝飾

 目前大部分超高層或高層公共建筑都使用了玻璃幕墻,自重輕、制作安裝比較簡單,有一定優勢。進入21世紀后,就國外的情況來看,玻璃幕墻已大大衰退,原因很多,有些國家如日本從來就沒有大面積采用過玻璃幕墻。北京在上世紀80年代建造的京城大廈,是日本設計的52層超高層建筑(是當時日本有代表性的鋼結構體系),其外墻并沒有采用玻璃幕墻,而是采用了三合一、帶飾面保溫的RC預制外墻板。當時我去日本參觀,發現日本高層建筑均采用這種外墻板,較少見到玻璃幕墻。其他一些國家在20世紀80年代后期,其玻璃幕墻也已走向下坡,而我國卻從20世紀90年代開始大力發展,迄今不見衰退??梢哉f,我國玻璃幕墻施工工藝落后,大部分采用人工吊架小塊散裝,工業化水平頗低,保溫效果極差,應該指出,高層或超高層建筑的外墻板施工是建筑工業化的重要組成部分,也是節能降耗、實行綠色建筑的重要組成部分,必須認真對待。玻璃幕墻不是高層建筑唯一或主要的圍護結構,無論從節能、保溫、耐久性還是工業化施工來看,都不是很理想的選擇。玻璃幕墻今后仍會繼續使用,但不宜進行散裝,宜采用單元整塊(每個開間1~2塊)預制安裝工藝,并使用反射玻璃;同時在玻璃幕墻內側應做保溫層(如北京長城飯店的做法),既可滿足節能標準又符合建筑工業化的要求。

 就建筑工業化來說,鋼結構的圍護墻宜向三合一(既圍護結構、保溫、裝飾三合一)的預制墻板方向發展,具體建議如下。

  1)三合一預制混凝土外墻板?北京在20世紀已使用過,效果不錯,有待進一步改進。

  2)鋼框骨架巖棉或其他A級保溫材料夾芯,雙面裝飾板外側可采用各種飾面材料的三合一外墻板?這種外墻板可在鋼結構制造工廠生產,運至現場安裝,美國在20世紀90年代已普遍使用,最大塊體可達9m×4.5m。

  3)帶有RC或鋼骨架的加氣混凝土或發泡水泥的整塊外墻預制墻板(帶裝飾面)。

  4)陶?;炷翈э椕嫱鈮Π?采用粉煤灰陶粒(國內已有采用進口設備生產),符合廢物利用及環保要求。

  5)玻璃幕墻?宜推廣整塊單元式玻璃幕墻,采用反射玻璃,內部做保溫層。

  6)各種輕質條板?類似鋁合金幕墻的條板盡量不用。以上各種外墻板均為整塊掛板,在工廠中預制,有些外墻板也可在現場或地下車庫內生產,以降低成本,在日本及美國都有這種生產方式。

  核心筒

 核心筒應采用液壓爬模工藝,由專業隊伍分包施工,3~5天一層,一般比外圍鋼結構優先5層左右,目前全國已全面推廣應用此類工藝,效果顯著。目前核心筒有全RC、勁性混凝土、鋼板混凝土或全鋼板核心筒,在200m以內的核心筒一般為RC或勁性混凝土,完全可以采用液壓爬模工藝。為防止混凝土開裂,混凝土強度等級宜控制在C50以下,每立方米水泥用量宜控制在250kg左右(C50在不少工程中水泥用量僅220kg/m3)。應采用泵送混凝土,目前我國混凝土一次性泵送高度最高可達600m左右。澆筑后必須加強養護,采用自動噴霧養護法。

 鋼板夾芯混凝土剪力墻核心筒目前日益增多,但裂紋不易控制。最近有工程采取了鋼板加溫,加強混凝土養護,并用保溫等方法控制混凝土內、外溫差及混凝土表面與大氣間的溫差(20℃),取得了成功,值得借鑒。

  內隔斷及吊頂

 內隔斷及吊頂可采用輕鋼龍骨硅鈣板(或石膏板)、巖棉夾芯板等輕質隔墻,也可以采用輕質混凝土預制條板(兩面光不抹灰),輕骨料可采用粉煤灰陶粒,實行干作業,取消砌筑抹灰。局部內隔斷墻也可采用簡易可移動的木制或鋁合金玻璃隔斷??傊?,內隔斷墻應采用輕質、預制、干作業、運輸安裝方便,符合防火等級要求且易于靈活搭拆的隔斷墻。

 室內吊頂宜采用輕鋼龍骨礦棉等吸聲功能好的輕質面板,一般鋼結構辦公用房也可以不做吊頂,將頂板及所有管線(除通風口、燈具外)全部使用黑色涂料罩面。實踐證明這種做法不僅可以降低工程成本,而且可以擴大室內空間,實用寬敞,建議推廣應用。

  鋼結構地下工程施工工藝

 為配合鋼結構的工業化施工,一般鋼結構高層建筑下部及其地下四周均設有地下車庫和裙房,這部分占有很大面積,如何實行工業化施工非常重要?,F提出以下幾點建議,此建議也適用一般RC結構高層或超高層建筑。

  取消混凝土“伸縮后澆帶”,并有條件地取消或提前澆筑“沉降后澆帶”

 前者用“跳倉法”施工代替“伸縮后澆帶”,應根據該工程的基礎設計及地基情況考慮取消或提前封閉?!疤鴤}法”近幾年發展很快,全國已有100多項工程應用,北京也有60多個工程取消了“后澆帶”,效果甚佳。北京市已編制了地方標準《超長大體積混凝土跳倉法技術規程》,近日即將頒布,這將大大利于工業化施工及綠色施工。

  要優先選用符合工業化施工的地下防水做法

 地下防水工程涉及建筑物安全,與結構工程幾乎有同等重要的地位。傳統防水工藝多是勞動條件差、用工多、工期長,環保完全不符合建筑工業化的要求,近20年來防水技術發展很快,出現了許多新材料、新工藝和新技術,應認真優選。結合鋼結構工程工業化的要求,在地下防水工程量大、工期長、埋設深、操作條件差等特點基礎上,優選適合的防水工藝,淘汰傳統工藝。特別是量大面廣的地下工程外墻防水工藝,不宜采用卷材型防水技術,因卷材在立墻粘貼方面難度大,不易粘貼嚴密,尤其是卷材搭接處不容易黏結密實,地下水就容易滲竄進入墻內,因此宜采用如“非固化橡膠瀝青”或“滲透結晶型”等防水涂料,也可以采用一些有成熟經驗的“剛性防水”技術,如FS101+FS102或將賽柏斯防水劑直接滲入混凝土內的剛性防水技術。以上這些防水方法工藝簡單,勞動效率高,質量易保證,可大大縮短工期,經濟效益較好,符合工業化施工要求。

  在地下車庫積極推廣無梁樓蓋

 地下車庫采用無梁樓蓋(既板柱結構),可降低層高,簡化工藝,減少地下部分埋設度,降低成本。無梁樓蓋還簡化了模板工藝,方便施工,提高工效,同時也可加快工程進度。

  機電設備安裝工程應積極推廣

 “預制組合立管技術”等新技術在機電設備安裝工程中的應用,可大大提升工業化水平。中建三局一公司早在8年前就將此技術成功應用于上海某超高層建筑中,效果顯著,并于2009年組織編制了《預制組合立管技術規范》GB50682—2011。預制組合立管技術是將一個管井內擬組合安裝的管道作為一個單元,一個或幾個樓層為一節,節內所有管道及管道支架預先在工廠制作并組合裝配、運輸至施工現場進行整體安裝的成組管道,各種水平管線也在工廠預制,現場安裝,此工藝大大提高了勞動生產率和機械化施工水平。

 預制組合立管技術適合超高層建筑施工,包括設計、制作、安裝和驗收,是機電設備工程施工中提高工業化施工水平的重要組成部分。

  關于鋼結構住宅工程的工業化施工問題

 從上世紀開始,有不少施工企業(如北京住總)就開始著手研究鋼結構住宅,行業內爭議紛紛,核心問題是造價高,且住宅工程高度太高不一定受歡迎。隨著我國鋼鐵業的迅速發展,以及對建筑工業化、產業化的迫切要求,近年來不少鋼構企業大膽創新,建造了一些鋼結構住宅產業化示范小區,如“錢江世紀城人才專項用房住宅小區”及“萬郡大都城鋼構住宅小區”(包頭)。這兩個住宅小區超百萬平方米,為幾十幢26~33層的高層住宅,采用了鋼結構體系,有鋼框架-型鋼混凝土核心筒和鋼框架-鋼支撐體系兩種結構形式。樓板選用工廠生產的鋼筋桁架樓承板,內隔板和外墻板均采用由CCA板復合輕質灌漿墻,柱子采用方鋼管混凝土柱。CCA板是以木漿纖維、硅酸鹽水泥、精細石英砂、添加劑及水等經精確配料、高溫高壓、水熱環境蒸壓養護而形成穩定結晶體的高新技術產品,內隔墻系統是由CCA板固定在輕鋼龍骨上形成的非承重體系。據有關資料介紹,通過全生命周期評價,該體系在節地、節材、節水、節能和環保,即綠色建筑性能方面發揮了重大作用,為今后鋼結構住宅的推廣應用起到了一定的推動作用。

  裝修、裝飾工程

 鋼結構和RC結構在裝修、裝飾方面并沒多大區別,可采用RC結構模式,建議在鋼結構體系中加快將立體構件引入工業化部件的步伐(尤其在住宅工程中)。立體構件就是三維預制件,最具代表性的就是衛生間和廚房、垃圾管道等。預制衛生間圍護墻可使用混凝土或輕鋼骨架覆薄板制成,也可以采用玻璃鋼,頂棚用鋁合金龍骨覆以PVC裝飾板,地面、墻面及面盆、馬桶均可按設計標準在工廠內全部組裝完畢運至現場一次吊裝完成。據有關資料介紹,在日本這種衛生間“匣子”結構已安裝300多萬個單位,每個單位有些僅重350kg左右;香港的立體構件也于幾年前開始試驗應用。實踐證明廚房和衛生間搞“匣子”結構不但可以大大縮短現場作業時間,提高勞動生產率、節約勞動力,而且可有效提升產品質量。

 鋼結構工程中,還有不少現澆混凝土構件,如核心筒、樓板等必須切實做到清水混凝土不抹灰的水平,堅決取消抹灰,按國家、地方標準(已有規范)認真施工。要堅決消滅裝修階段的砌筑和抹灰等落后手工操作工藝,減少現場濕作業,這是實現建筑工業化的重要方面。

  堅持立體交叉作業,加快施工進度

 鋼結構除了工業化、機械化、裝配化水平高這些突出優勢外,還利于進行立體交叉作業,加快工程進度。鋼結構工程在完成上層樓板混凝土澆筑后,可立即進行該層室內許多分項施工,如內隔墻、機電管線安裝及各種粗裝修工程等。外墻圍護工程也可以由下而上進行安裝。由于室內粗裝修、機電設備管線、裝飾等項目繁多,因此必須按照合理施工順序安排好室內各項目工序,組織好勞動力,保證物資供應,逐層隨結構向上推進,進行立體流水作業。這樣,當結構完成后,室內外裝修、裝飾及機電安裝也可以很快完成,國外有些工程上面還在進行結構施工,下部已經可以竣工使用了。此外,核心筒的立體交叉作業尤為重要,該部分結構、裝修、機電均很復雜且工期長,必須精心安排好立體交叉作業,以便工程順利竣工。

 發展鋼結構工程是實現建筑工業化(尤其是結構階段)的重要途徑,其具有獨特的優勢。在設計方面,尤其是鋼結構的結構設計,應深入研究、努力創新,使鋼材用量和鋼結構造價能降下來,此外鋼結構構件的連接技術還需進一步研究創新。今后鋼產量仍會增加,而工人工資肯定也會繼續增長,同時對綠色建筑和環境保護的要求也將更為嚴格,這對進一步發展鋼結構和推動建筑工業化的發展都是十分有利的。不過,鋼結構并不適用于所有建筑,特別是受造價的影響,希望建設單位和設計人員在與RC結構對比條件差距不太大時,能優先選用鋼結構。從長遠來看,隨著建筑工人人工成本的增長和鋼材資源的不斷充足,再通過鋼結構設計人員的優化和施工的不斷創新,鋼結構在促進建筑工業化發展方面將大有可為。

作者丨楊嗣信,以上內容節選自《鋼結構是建筑工業化的理想結構體系——四論建筑工業化》

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