装配式多、高层钢结构住宅建筑体系研究与进展
郝际平 薛强 郭亮 孙晓岭
【摘要】近年来，发展装配式钢结构建筑政策密集出台，相关企业、高校在国家政策倡导下研发新型装配式高层钢结构住宅建筑体系。本文梳理了国内发展装配式建筑及钢结构建筑的主要政策，总结了国内目前住宅钢结构建筑体系的研究发展现状，并列举了目前各种体系存在的问题，并提出解决相关问题的建议。装配式壁柱多高层钢结构建筑体系适用于住宅建筑和公共建筑，同时标准化程度高，适合规模化、工业化生产，体系成熟可靠。
【关键词】钢结构;装配式建筑;政策;装配式多、高层钢结构住宅建筑体系
1.装配式建筑及产业政策
装配式钢结构建筑是指：标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，支持标准化部品部件的钢结构建筑。发展装配式钢结构建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。
2016年，装配式建筑和钢结构建筑产业政策密集出台，钢结构产业迎来前所未有的发展机遇。2016年2月1日，国务院发布《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，明确指出推广应用钢结构建筑，结合棚户区改造、危房改造和抗震安居工程实施，开展钢结构建筑推广应用试点，大幅提高钢结构应用比例;2016年2月6日，中共中央、国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，指出在发展新型建造方式方面加大政策支持力度，积极稳妥推广钢结构建筑;2016年3月5日，第十二届全国人民代表大会第四次会议上李克强总理的政府工作报告中提出积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量。这是在国家政府工作报告中首次单独提出发展钢结构;2016年9月14日，李克强总理主持召开国务院常务会议，认为按照推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求，大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效。会议决定以京津冀、长三角、珠三角城市群和常住人口超过300万的其他城市为重点，加快提高装配式建筑占新建建筑面积的比例;2016年9月27日，国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，要求按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例[1-4]。
2017年2月21日，《国务院办公厅关于促进建筑产业持续健康发展的意见》（国办发[2017]24号）提出，要推广智能和装配式建筑，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑。住房和城乡建设部全面贯彻实施中共中央国务院的部署，2017年3月23日，住房和城乡建设部关于印发《“十三五”装配式建筑行动方案，装配式建筑示范城市管理办法，装配式建筑产业基地管理办法》的通知（建科2017-77号）提出一系列举措促进全国上下形成了发展装配式建筑的政策氛围和市场环境，整体发展态势初步形成。2017年9月5日，《中共中央国务院关于开展质量提升行动的指导意见》（中发[2017]24号）进一步提出，大力发展装配式建筑，提高建筑装修部品部件的质量和安全性能。
2017年全国各地出台了推进装配式建筑发展相关政策文件。各地政府积极响应中共中央和国务院的号召，截至2017年底，全国31个省（自治区、直辖市）出台了推进发展装配式建筑发展的相关政策文件。各地在推进装配式建筑发展过程中，注重结合本地产业基础和社会发展情况，因地制宜确定发展目标和工作重点，在土地出让、规划、财税、金融等方面制定了相关鼓励措施，创新管理机制，确保装配式建筑平稳发展。
2019年3月11日，住建部印发了《住房和城乡建设部建筑市场监管司2019年工作要点》。工作要点第一条第一款要求：开展钢结构装配式住宅建设试点。选择部分地区开展试点，明确试点工作目标、任务和保障措施，稳步推进试点工作。推动试点项目落地，在试点地区保障性住房、装配式住宅建设和农村危房改造、易地扶贫搬迁中，明确一定比例的工程项目采用钢结构装配式建造方式，跟踪试点项目推进情况，完善相关配套政策，推动建立成熟的钢结构装配式住宅建设体系。2019年7月12日，住房和城乡建设部办公厅批复同意山东省、湖南省开展“钢结构装配式住宅”建设试点，试点期限均为3年（2019-2021年）;2019年7月18日，批复同意四川省开展“钢结构装配式住宅”建设试点，试点期限均为3年（2019年—2021年）;2019年7月19日，批复同意浙江、江西、河南、青海省开展“钢结构装配式住宅”建设试点，试点期限均为3年（2019-2021年）。装配式式钢结构建筑在2019年迎来政策利好，其中钢结构住宅是推广的重点[5-7]。
2.装配式住宅建筑发展特点及问题
装配式建筑一般从结构材料上分为：预制装配式混凝土结构体系、装配式钢结构体系、装配式混合结构体系。各类体系在发展过程都遇到了诸多问题。钢结构具有良好的机械加工性能，易拼装，轻质高强，适合建筑的模块化、标准化、工厂化、装配化和信息化，符合创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念[8-9]。
2.1 裝配式混凝土住宅建筑特点及问题
近几年，相比装配式钢结构住宅，装配式混凝土住宅发展较快，主要原因如下：大部分省市目前对建筑物装配率要求较低，一般在20%～30%，装配式混凝土建筑只需楼板和附属构件采用装配式即可达到要求，且总体成本增量较小，约在100～200元/m2;相比钢结构企业，市场上传统土建企业占大多数，这些企业一般更愿意发展混凝土装配式建筑。装配式混凝土建筑的快速发展带来很多问题。例如构件之多精度不够，导致现场竖向构件钢筋位置不对应，无法准确连接;套筒灌浆检测技术不成熟，属于隐蔽工程;留下极大安全隐患;目前多数结构体系采用“等同现浇”做法，相比全现浇，整体施工速度并无优势;相比钢结构构件，混凝土构件吊重大，施工安装难度更大;在50%装配率时，装配式混凝土造价高于装配式钢结构建筑，如图1所示。
2.2 装配式钢结构住宅建筑特点及问题[10-12]
装配式钢结构建筑的主体承重构件采用钢材制作，具有节能低碳环保、抗震性能好、加工精度高和安装速度快等特点。
传统建造方式，工业化水平低、建造效率低下，建筑材料和设备损耗高。相比现浇混凝土建筑，装配式钢结构建筑用工数量减少至70%，建造效率也显著提高，施工作业不受天气等因素影响，建设工期有效缩短25%，工期更加可控;在节约能耗、降低建筑能耗方面有着显著的优势，主要构件和外围护材料均在工厂制作完成，现场组装，相对于传统建筑可减少建筑垃圾排放80%，在建筑施工节水、节电、节材、节地等方面优势明显，且在拆除后，90%以上可以重复再利用;相比混凝土建筑，钢结构体系延性好，在地震下，不易发生脆性破坏，钢结构建筑自重小，地震反应小;装配式钢结构建筑一般采用框架结构体系，钢梁跨度大，中间不需要加设竖向构件，容易形成大空间，使得空间灵活布置更加容易实现，钢构件截面尺寸小于混凝土构件，可以增加使用面积。
近几年，装配式钢结构住宅建筑发展迅速，但是在建筑体系的研发、设计、建造、管理等方面存在不少问题。
外露梁柱问题，高层钢结构梁柱、支撑尺寸较大，室内经常出现露梁、露柱问题，影响家具布置，给住户带来不便;针对钢结构体系的标准化户型研究不够，从建筑方案入手改进结构方案，可以使结构更加合理，减少用钢量;市场上的个别建筑体系的标准化程度低，为装配而装配，无法实现标准化、规模化和批量化生产;多数结构体系超限，需要做专项审查， 延长了项目建设周期，制约了钢结构住宅的发展;多数钢结构体系用钢量偏大，使得钢结构住宅的成本偏高，成为推广的主要障碍;研发时仅注重结构体系，未从建筑系统角度解决问题，优化体系集成;在设计、深化、加工、施工各个环节仍然采用传统模式进行管理，各个关键环节割裂，管理模式粗放，造成了建筑成本偏高，加工、建造难等诸多问题。
3.国内多、高层装配式钢结构住宅建筑体系研究现状
钢结构建筑体系结构本身就属于装配式体系，钢结构建筑在公共建筑中大量应用，住宅建筑对建筑功能要求较高，“三板问题”较为突出，在住宅建筑中应用较少。在政策的引导下，在去钢材产能和供给侧大背景下，在住宅中采用钢结构体系，实现装配化，已经是建筑业界的共识。国内一些高校和企业投入大量的力量研发新型钢结构住宅体系。由于钢结构住宅刚开始，业界对于住宅钢结构的认识也不近相同，出现不同的钢结构建筑体系[13-14]。
3.1 主结构体系
由于国内传统的高层住宅一般采用混凝土全剪力墙结构，结构室内不外露梁柱，空间完整，围护体系采用砌体结构，建筑使用功能较好。传统钢结构体系一般属于框架（支撑或延性墙板）体系，框架柱突出室内，不采用精装修，建筑使用品质较差。针对该问题国内研发了不外露梁柱的结构体系，较典型的有钢板组合剪力墙、钢框架、模块化、空间网格、交错桁架等结构体系。
3.1.1 钢板组合剪力墙结构体系
钢板组合剪力墙类是指将墙体外包钢板和内填充混凝土的连接构造[15]，图2所示，从而形成类似混凝土剪力墙结构体系。该类体系优缺点都较为突出，主要优点：钢板剪力墙可以代替混凝土剪力墙，形式灵活，可以采用混凝土剪力墙住宅户型;做到了不外露梁柱，结构刚度大，抗震性能好等优点。主要缺点：由于构件尺寸较大，运输难度和加工难度大;现场需要将一字墙焊接成L、十字型等墙体，施工安装难度较大，从目前工程实践来看，该类结构体系含钢量较大，造价较高。改进建议：在建筑高度50m以下住宅建筑采用框架体系，不推荐使用该类体系，建筑高度50m～100m之间建筑，竖向构件采用钢管混凝土柱，抗侧力构件可采用钢板组合剪力墙，即框架—钢板组合剪力墙体系，大于100m，可采用钢板组合剪力墙体系，且墙长不宜过长，将墙体模块化和单元化来避免该类体系缺点，发挥其刚度大优点，大于100m在高烈度上，钢板组合剪力墙体系优势突出。
目前常見主要钢板组合剪力墙体系主要如下：
（1）束管钢板组合墙体系：该体系采用U型薄壁冷弯型4mm厚钢板通过高频焊接成剪力墙体系，可以组合形成任意形状，如图3所示，钢结构剪力墙可以完全替代混凝土剪力墙，一般墙体厚度在130mm～250mm之间[16-18]。
（2）波形钢板组合剪力墙结构体系：该体系将钢板弯折形成波形板，将钢板对扣形成组合剪力墙，相比其他钢板组合剪力墙，该体系焊接量相对较小，图4所示[19]。
（3）PSC组合剪力墙结构体系：将钢板焊接为如图5所示形状，将混凝土包裹在外侧，形成组合剪力墙，该体系相比其他体系，防火和防腐性能较好，箍筋的焊接量较大，且同时需要钢结构和PC的制造工艺，制造工艺要求较高[20]。
此外还有箱型钢板剪力墙等其他体系[21]，图6所示，构造特点与以上的体系基本相同。
3.1.2 钢框架结构体系
钢框架类是目前最为常见的体系，主要有钢框架、钢框架—支撑、钢框架—延性墙板体系等[22-25]。为了降低含钢量，目前钢框架柱多采用矩形钢管混凝土柱，梁可采用焊接或热轧型钢梁。为做到不外露梁柱，多采用异形柱或宽扁矩形钢管混凝土柱。主要优点：适应性强，除适用于住宅外，还适用于学校、办公、医院等公共建筑;容易形成大空间，功能可变，布置灵活;相比钢板组合剪力墙体系，加工和建造难度相对较低，易于实现规模化加工和生产。主要缺点：支撑部位，围护体系处理难度大;结构刚度相比钢板剪力墙较小。改进建议：将支撑与围护体系一体化，在工厂将支撑与墙体做成整体避免现场作业。
（1）普通矩形钢管混凝土框架结构体系[22-25]：结构体系采用传统的矩形钢管混凝土柱，抗侧力构件采用延性钢板剪力墙板或支撑。为做到不外露梁柱，将户型进行优化布置，同时将钢管混凝土柱外偏或偏向厨房、卫生间一侧。改类型结构优点是加工较为简单，结构体系不超限，缺点是个别地方通过偏置无法解决不外露梁柱，将柱子偏向外侧，外部围护体系施工较为繁琐，图7所示。
（2）异形柱框架结构体系[26-27]：将框架柱采用多肢钢管组合形成L、十字型柱，做到不外露梁柱，如图8所示。
3.1.3 模块化结构体系
（1）盒子结构体系[28-30]：该体系是将建筑物划分成若干尺寸适宜的任意形状预制集成建筑模块，建筑平面和立面基本不受模块限制，改体系工业程度较高，图9所示。
（2）装配式斜支撑框架结构体系[31-32]：将钢柱与梁全螺栓连接，通过隅撑加强整体结构，楼板将设备管线一体化模块化，做到现场完全没有湿作业，如图10所示。
3.1.4 其他结构体系
（1）交错桁架结构体系[33-34]：也称错列桁架结构体系，适用于中高层住宅将空间结构与高层结构有机地结合起来，形成较大的无柱空间，可变性强，如图11所示。
（2）空间网格结构体系[35-36]：将型钢形成网格框架和网格楼板，再形成多、高层钢结构体系，如图12所示，该体系同样具有大空间、可变性强等特点。
3.2 楼板研究进展
楼板是非常重要的水平传力构件，协调整个楼层的抗侧力构件，同时刚性楼板加定也是抗震计算中最重要的假定之一，所以楼板的整体性至关重要。目前主要有钢筋桁架模板、楼承板、混凝土叠合板、预应力SP板等类型[37-39]。
楼板主要PC类如叠合板，PK叠合板，如图13、图14所示。PK叠合板不同于普通叠合板在于，PK板中配置了加设了混凝土T型肋和采用了预应力技术。叠合板底面一般为60mm厚，完成现浇面后一般大于等于140mm。相比普通疊合板，PK板整完成后可以控制在120mm。普通叠合板无支模距离一般不大于2.5m，PK板最大无支模距离可以达到3.0m。
钢筋混凝土类的还有预应力的SP板，图15所示，该板实现的跨度大，但加上现浇混凝土叠合层后，缺点是板厚较大，优点是可以大量节省钢次梁。
钢筋桁架板类，主要有普通钢筋桁架板和可拆卸钢筋桁架板类，图16、17所示。普通钢筋模板最大缺点是在混凝土成型后，脱模较为困难，且脱模后底面不平整，仍然需要二次粉刷。在普通钢筋桁架模板的基础之上，杭萧钢构和多维集团分别研发了可拆卸钢筋桁架模板，杭萧的产品主要采用镀锌钢底模板，多维集团采用竹胶板底模板等。可拆卸桁架板的好处是脱模后平整，适宜于住宅建筑，缺点是造价偏高。
楼承板是钢结构最早使用的底模板，由于最早采用的开口板只能作为底模板，底模不平整，用在住宅时观感较差，闭口板较开口板相对平整，图18所示，可以应用在公寓建筑中。
3.3 围护体系研究进展
围护墙体近几年快速发展，在性能、工业化程度、耐久性、建筑功能上有很大提高，主要有幕墙类、板材类、轻钢龙骨类、整体式墙板及PC类等[40-43]，但每种墙体都有自身的优点和缺点，一种墙体很难解决全部问题，将各种墙体材料混合应用，同时构造做法互相借鉴融合是围护系统发展的新趋势。
幕墙类：幕墙式围护系统较适合装配式钢结构建筑，采用柔性连接，装配率高，做到了结构、保温装饰一体化，缺点是造价过高，在住宅中应用较少。保温装饰一体板借鉴幕墙做法，由粘结层、保温装饰成品板、锚固件、密封材料等组成，如图19所示。适用于新建筑的外墙保温与装饰，既有建筑的节能和装饰改造;也适用于各类公共、住宅建筑的外墙外保温;北方寒冷地区和南方炎热地区建筑都具有较好的适应性。保温装饰一体化板采用系统设计，全自动化生产，全装配式安装，同时比传统节能保温的施工做法有着更优的保温隔热功能。目前国内很多装配式钢结构住宅体系采用该围护系统。
板材类：条板墙体是目前应用较为广泛的墙体。其中目前应用最多的就是AAC蒸压轻质砂加气混凝土墙板，板面平整度高，可以做到免抹灰，传热系数低，实现了结构保温一体化，该类墙板在国内生产厂家多，较为成熟。相较轻质复合外墙板，AAC干缩率较小，外墙板缝采用结构胶填充，抗开裂性强，由AAC板材形成双层复合墙体系统，在国内装配钢结构住宅建筑应用较多，如图20所示。
轻钢龙骨类：轻钢龙骨保温装饰一体板采用镀锌轻钢龙骨作为承重体系，图21，并融合保温装饰一体板技术一次成型，可以广泛应用于外墙围护和内墙隔断。该墙体具有用钢量低，结构自重轻，有利于抗震;工厂化程度高，运输方便，现场易于装配;干法作业，环保节能。
以上围护体系现场散拼为主，安装效率较低，随着装配式建筑的进一步发展，出现了多种整体墙外挂板类，主要有轻质整体外挂墙板和预制PC整体式外挂墙板，如图22、23所示。整体式外挂墙板安装效率高，但墙体整体平整度较难保证。预制PC整体式外挂板墙体，制作工艺成熟，耐久性好，但也存在重量较大，运输效率低等缺点，钢结构相对较柔，预制PC墙体增加结构负担，在国内装配钢结构住宅有一定的工程应用。以轻钢龙骨为基础的整体外挂墙板目前研究较少，在装配式钢结构住宅建筑应用项目也较少。
4.装配式壁柱多高层钢结构建筑体系研究及工程应用
壁柱多、高层钢结构建筑体系是由西安建筑科技大学绿色装配式钢结构团队，以系统工程学为指导，国内外技术为基础[44-46]，图24所示，最新研发的绿色集成高层钢结构建筑体系。该体系以建筑系统、产业系统，以成熟技术为基础，经过系统的试验研究和项目实践研发而成，图25和图26所示。
4.1 壁柱建筑体系构成
壁柱结构体系的钢管混凝土柱高度在180-250mm之间，高宽比在1：2-1：4之间，做到不外露梁柱，同时具有“少规格、多组合”的优势，由壁柱组合逐级组合形成多种结构体系。从构件截面形式和连接形式创新发展到构件单元化、组合化创新，从而实现适用于各类功能的结构体系，如图27所示[50]。
由壁柱及抗侧力构件组合形成多成建筑体系，壁柱框架、壁柱框架—支撑结构体系、壁柱框架—钢板复合墙结构体系、壁柱框架—连肢壁柱筒体结构、壁柱框架—连肢钢板组合墙筒体结构体系，图19所示。
4.2 壁柱体系抗震性能研究[51]
西安建筑科技大学绿色装配式钢结构研发中心针对壁柱系统开展了较为系统的抗震性能研究：通过理论与数值分析相结合的方式，获得了壁式钢管混凝土柱、双侧板连接节点的内力分布模式和破坏机理，形成了构件和节点的设计理论;通过高轴压比低周反复足尺试验研究了构件和节点的滞回性能，并验证了设计理论的可靠性，图28所示。
4.3 壁柱建筑体系多方管理平台[52-55]
智慧建造一体化协同管理平台是一个基于建筑全生命周期的协同工作平台。装配式建筑参与方较多，协同管理平台可以把项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变了传统的分散交流模式，实现了信息的集中存储与访问，从而缩短项目的周期时间，增强信息的准确性和及时性，提高各参与方协同工作的效率。做到四个协同：设计协同、深化协同、加工协同、施工协同，图29所示。
（1）装配式建筑设计和深化的协同管理模块：主要包括装配式建筑相关标准的制定和贯入，如CAD、BIM制图建模标准、建筑设计标准、结构设计标准、钢结构、围护系统深化设计标准等;协同设计管理标准。具体功能模块包括文档、模型管理、BIM和CAD协同设计;标准化管理、族库管理;办公和合同管理;模型轻量化浏览及二三维联动;工作流程和变更管理。
（2）装配式多工厂协同管理模块;造词主要包括材料管理：材料的预测、订货、入库，采购进度管理、库存及损耗预测等;加工管理：构件的加工进度管理、构件编码管理、质检管理、生产工艺管理;运输管理：构件扫码出厂管理、路线信息与定位管理、运输车辆信息与维护管理;分包商的相关管理。
（3）装配式建筑施工进度管理模块：主要包括基于BIM模型的全过程施工安装构件管理及动态预警;堆场管理系统;部品构件的收货管理、与安装预测到货构件的动态匹配度管理;现场质量与安全管理;施工现场管理。
（4）装配式建筑的成本管理模块：主要包括系统对标准化模型进行轻量化，自动提取标准化模型的工程量清单信息，系统进行自动汇总与归并，从而生成符国家工程量清单计价规范标准的工程量清单及报表;根据标准化模块及相关构件属性信息，可以快速统计与汇总出各专业工程量、各阶段工程量;根据模型工程量及清单数据可以快速分析出人材机构成，根据阶段工程量可以快速生成后续一段时间内的材料计划、预支计划，从而可以实现精细化管控，避免材料浪费。
4.4 项目示范
研究成果应用在多个典型装配式住宅建筑示范项目中，例如莱钢淄博文昌嘉苑示范项目、阜阳市裕丰佳苑项目保障房项目、重庆市綦江新都汇示范项目等，如图30所示。
5.结论与展望
2020年将迎来住宅钢结构建筑大力推广的一年，装配式住宅钢结构建筑应关注以下几个方面：
5.1加强技术体系的研发，不仅研发是具体的结构、围护体系，更为重要的是从产业系统角度出发进行研发和集成，集成成熟技术，从整个产业角度考虑减低成本。
5.2推动建造方式创新，推广装配式鋼结构建筑，为实现钢结构建筑产业化提供成套技术，通过标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，促进建筑产业转型升级。
5.3加快总承包制度建设，装配式建筑需要从设计、深化设计、加工制造、施工安装前后需要紧密结合，需要探索建设适合装配式的总承包制度。
5.4提高信息化水平在管理中的应用，尤其是BIM技术的应用，可以有效解决装配式建筑的设计、 生产等诸多问题。
5.5大力推行全生命周期绿色建筑设计理念，使建筑从规划设计、加工制作、安装施工、使用维护直至拆除都能满足工业化、绿色化、信息化要求。
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（作者单位：1.西安建筑科技大学 土木工程学院，2.西安建筑科技大学建筑设计研究院）
【中图分类号】TU375
【文献标识码】A
【文章编号】1671-3362（2020）03-0027-08
