随着经济和社会的快速发展, 能源短缺和环境恶化已成为当今人类共同面临的两大重要问题。就建筑行业而言, 推动绿色建筑的发展势在必行。大力发展绿色建材、推动建筑工业化是实现绿色建筑的基本路径, 而装配式建筑特别是装配式钢结构建筑是建筑工业化的重要形式和发展方向, 已成为社会各界达成的基本共识。

我国钢结构行业经历了数十年的发展, 取得了巨大成就。尤其是在工业与公共建筑领域, 钢结构建筑从传统的工业厂房扩展应用至超高层建筑、大跨度会展中心、体育场馆、大型交通建筑等。相对而言, 在公寓、住宅、医院、学校等民用建筑领域, 其应用发展则相对缓慢。近几年, 尽管国家及地方政府激励政策和措施陆续落地, 标准规范逐步完善, 但与传统混凝土建筑相比, 装配式钢结构建筑的发展仍相对缓慢。表面上看, 一方面是造价较传统工艺的现浇混凝土建筑高;另一方面由于墙体裂缝、防渗、隔声、保温等性能不佳影响居住体验。而事实上, 有其更深层次的原因: (1) 整个行业对新型建筑工业化的产业化内涵理解不足, 缺乏对建筑材料、部品部件等全产业链一体化发展的经验; (2) 仅有少数企业和科研机构立足行业发展, 以建筑专业牵头组织全专业人员协同技术攻关, 从模数化、标准化、通用化等方面着手研究完善集成建筑系统的技术体系; (3) 仍以传统的观念及模式管理工程项目, 即简单地将钢结构代替混凝土结构, 且缺乏与装配式钢结构建筑工程相适应的运营模式和管理平台。

以GB/T50378—2014《绿色建筑评价标准》和GB/T51129—2017《装配式建筑评价标准》为评价体系, 按系统集成理念, 综合考虑模数协调、模块化组合、通用接口、节点构造和施工工法等。在结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统4个方面分别开展技术创新, 力求形成一套完善的装配式钢结构建筑集成体系的解决方案。

在装配式钢结构建筑中, 结构系统相对成熟, 常见的钢框架、钢框架支撑 (剪力墙) 在普通多高层建筑中 (如学校、医院、办公等建筑) 应用较广泛, 适合采用大开间、大进深、空间灵活可变的布置形式。但在多高层钢结构住宅建筑中采用钢框架、钢框架支撑 (剪力墙) 结构体系时, 就会不可避免地出现结构布置不经济、抗侧力体系布置受限、梁柱构件突出墙面而影响使用等问题。

为解决这一系列问题, 我们针对多高层装配式钢结构住宅建筑, 提出了多腔体钢板组合剪力墙结构体系, 如图1, 2所示。该体系由若干个标准单元组合连接, 形成两侧外包钢板, 中间内填混凝土, 两者合并共同工作, 作为结构系统的主要承重和抗侧力体系。该体系可很好地解决上述问题。

为研究该体系的工作机理及综合性能, 采用试验研究和数值分析相结合的方法, 分别开展了力学性能研究、防火性能研究以及连接节点、设计方法、智能加工技术等方面研究。

楼盖系统施工的便捷性, 很大程度上影响工程造价和施工进度。钢筋桁架混凝土楼板因其自动化程度高, 现场安装方便, 且大量减少支模系统, 是一种非常适合应用于装配式钢结构建筑中的楼盖系统。但在装配式钢结构住宅建筑中应用时, 由于镀锌钢底模影响楼盖顶棚粉刷处理, 需消耗大量人工拆除, 拆除成本较高。通过技术攻关, 改进底模板材料及与桁架的连接形式 (见图3) , 在居住类钢结构建筑项目中应用效果显著。

在装配式建筑系统中, 围护系统尤为重要, 也是制约装配式建筑发展的主要因素之一。集成体系中采用装配式保温装饰一体化外墙板系统, 如图4所示, 该系统以轻质条板为基墙, 外覆保温装饰板, 通过龙骨和配件可靠连接。装饰面板和底衬板通过机械连接方式形成稳固的夹层, 并在夹层内植入保温材料作为保温层。

针对不同的气候分区条件、使用功能要求等因素, 对抗风抗震性能、防火性能、密封性能、隔声性能、耐久性能、热工性能等进行了系统性研究, 研究结果表明, 各项性能指标均满足规范要求, 如表1所示。

在目前普遍采取预留预埋技术的同时, 借鉴SI分离思维, 让管线与结构、墙体适度分离, 通过开发通用快装接口, 方便施工、检修, 降低成本。根据不同工程的具体情况, 选择合适的技术方案。

1) 管线预埋技术将管线预埋入墙体、楼板以及H型钢梁中, 有效利用空间并避免二次开槽和施工, 提高施工效率和整体质量。

2) 薄法排水系统与干式架空地板系统相结合, 充分利用空间同层布设, 采用耐高温、耐腐蚀管道胶圈承插, 如图5所示, 施工、维修更换便捷。

3) 快装给水系统采用通用连接件, 实现快速即插, 卡接可靠、施工操作方便。

4) 太阳能光热系统体系采用集中集热-分户储热系统, 如图6a所示, 结合太阳能建筑一体化技术, 将集热器统一布置在楼顶 (或立面, 见图6b) , 实现热量共享, 个性化使用, 方便物业管理和维护。

装配式建筑相关标准均强调采用全装修, 并强化了内装是装配式建筑的重要组成部分, 应与建筑、结构、设备与管线等全专业进行协调设计。从目前提倡的绿色、可持续发展理念及建筑产业现代化发展趋势出发, 以SI分离式、干法设计思想为指导, 探索出能适合国情的内装技术和部品体系应用技术。

采用干法施工楼地面、一体化墙板 (见图7) 、设备管线等, 满足使用者对瓷砖墙地面的习惯, 并对建筑材料、使用空间及收纳储藏进行创新与优化。

如图8所示, 采用工业化柔性整体防水底盘, 该底盘一体模压成型, 翻边锁水构造, 结合专用地漏, 瞬间集中排水, 防水与排水相互堵疏协同, 干法装配。

室内轻质隔墙系统表面为集成壁纸、木纹、石材等常用肌理效果, 通过多种明缝构造, 彻底解决墙体裂缝问题, 且安装方便快捷。

集成地面系统采用地脚支撑及低空间龙骨架空布置, 模块化集成, 与采暖系统匹配方便 (见图9) , 面板质感及肌理效果丰富。

传统建筑采用设计、施工相分离的建造模式, 各环节、各专业之间协同能力差, 其管理模式已不适应于装配式建筑。装配式建筑建造是一项涉及全产业链、复杂的系统工程, 需要系统化的工程运营管理模式与之相匹配。采用EPC模式, 可有效地将工程建设的全过程连接为完整的一体化产业链, 发挥装配式建筑的建造优势。

1) 全专业协同在EPC管理模式下, 系统化的设计理念, 更加注重设计先导, 同时综合考虑各构件、部品的工厂生产、现场安装因素。通过统筹分析建筑、结构、外围护、设备与管线、内装等各子系统的设计方案、加工工艺、安装工法, 形成科学、完善、合理的方案。真正实现标准化、一体化设计。

2) 一体化运营EPC工程总承包的管理模式创新与集成技术体系创新、发展相适应。充分发挥现有国家级产业化基地平台优势, 整合、集成、优化产业链上下游相关配套资源, 形成产业联盟。实现上游配套部品应用技术的协同发展、部品部件集中采购。

推广应用先进实用的工程信息化管理技术, 建立与EPC工程总承包管理模式相适应的平台, 提高管理效率和效益。

1) 丰富装配式建筑BIM族库建立装配式钢结构建筑体系的标准化构件、部品族库, 从最初的钢结构构件族库, 扩展至配套部品、部件, 实现标准化族库快速建模, 提高效率。

2) 基于BIM的协同设计基于精细化BIM模型 (见图10) 的三维可视化, 通过可视化技术交底、碰撞检测, 发现设计中“错、漏、碰、缺”等问题, 及时更正。更有效地发挥各专业协同设计的技术优势。

3) 物联网信息管理平台基于BIM模型, 融合物联网数据库, 与公司ERP信息管理平台无缝对接, 构建物联网信息管理平台。构件几何、物理信息通过二维码数据库与BIM模型共享互通, 实时动态调整。通过手机、计算机等终端, 运用计算机专用软件和手机APP, 实现构件信息可追溯和施工进度监管配套预警。

装配式钢结构建筑技术体系和运营管理模式的创新是系统工程, 技术攻关必须和工程实践相结合。创新成果经过了多个工程项目的试点应用, 涉及学校、医院、保障性住房、办公会展等多种不同功能需求的建筑。

项目位于西湖区转塘街道, 占地面积约2.44万m², 总建筑面积9.18万m², 由5幢20层住宅、1幢3层配套服务用房、2层地下停车库构成, 建筑高度59.8m (见图11) 。采用全套装配式钢结构建筑集成体系, 包括装配式集成内装、集成卫浴、集成厨房、太阳能热水等配套系统。

项目位于杭州萧山区钱江世纪城U-13地块, 总建筑面积为18万m², 由5幢28~30层不等高层住宅组成。是住建部“国家康居示范工程” (见图12) 。

项目位于绵阳市游仙区, 总建筑面积10.5万m², 包含教学楼、综合楼、食堂、宿舍、体育馆以及附属设施, 共12个单体, 5~6层不等, 建筑高21~28m (见图13) 。

除此之外, 装配式钢结构集成建筑体系及EPC管理模式创新成果还应用于萧山南都小学、杭州云栖国际会展中心、温州郭溪高新技术产业园、萧山科技城创业谷惠安世界石雕之都会展中心、联合国地理信息展览馆等工程。

从建筑系统的整体出发, 把握与传统建筑之间的区别, 通过装配式钢结构集成建筑技术体系创新与项目管理模式创新, 探索了一种发展装配式建筑产业的思路和方法, 期望对装配式建筑行业的发展具有一定推动作用。