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摘要：钢结构的装配式建筑是指在工厂化生产的钢结构部件，在施工现场通过组装和连接而成的钢结构建筑。钢结构住宅具有自重轻、连接方式简单、抗震性能好、能够便捷实现工业化生产等明显优势，更利于环保理念的推广，参照国外发达工业国家的经验以及国家政策的大力推广，装配式钢结构住宅会在国内市场得到越来越多的应用。
关键词：装配式;钢结构;实际应用;住宅建筑
１国内装配式钢结构住宅的现状
１.１装配式建筑发展规模
近年来，随着我国经济的飞速发展，劳动力成本的不断上升，材料及预制构件加工水平的提高和装配式施工技术的完善以及国家政策导向的推动，预制装配式建筑重新升温，并呈现快速发展的态势。根据２０１９年住建部发布的装配式建筑发展情况报告（下简称报告），从２０１６年到２０１９年的４年时间里，全国新开工装配式建筑面积平均增长率达５５％，建筑类型上，住宅占比５４.７％，结构类型上装配式混土结构占比６５％（见图１）。
１.２装配式钢结构住宅的应用与分析
国内的装配式住宅发展迅速，但还是以装配式混凝土结构形式为主，较之装配式混凝土住宅，装配式钢结构住宅的发展相对落后。主要原因还是由于国内工业化起步晚，对于钢结构住宅的科研和工程应用相对滞后。但随着工业化程度提高，钢材加工制造业产业链的完善和高质量钢材产能的提高，为钢结构住宅的发展创造了有利条件，国家对于节能环保、绿色建筑的推广以及钢结构住宅设计思路的创新和标准的不断完善，为钢结构住宅的发展提供了提供机遇。针对国内现主要为１００米以下的多高层住宅，国内现主要的应用于住宅的钢结构形式包括：①钢管混凝土束组合结构体系；②钢管混凝土异形柱框架结构体系；③钢扁柱框架—支撑（钢板墙）结构体系（隐式框架—支撑（钢板墙）结构体系）。相对于装配式混凝土结构，装配式钢结构在住宅建筑中存在以下优势：
（１）构件自重轻、材料强度高
钢材强度高，抗变形性能好。较之混凝土，钢材密度与屈服强度的比值相对较低，在同样受力条件下钢结构的构件截面小，自重轻，便于运输和安装，适于高度、跨度较大的大空间、大载重的结构［１］。
（２）连接方式简单
钢结构体系的构件连接的主要形式为焊接、栓接及栓焊连接。连接形式简单直接，工艺单一，操作便捷，无湿作业，且节点作业工序无覆盖隐蔽，有利于施工质量控制，施工时无需繁复的配合措施，施工作业成本低，效率高。
（３）应力传递方式简单，整体性能好
钢结构在拼接组合成框架体系后，因构件材质单一，应力传递方式简单，材料对结构体系的力学性能影响小，结构形变与设计模型接近，结构可靠性高。
（４）结构适应性强，有利于灵活多变的造型布局
钢结构因构件加工方式便捷单一，主要采用原材切割焊接的形式，故在构件外形及结构造型上，相对需要制模的现浇及预制混凝土构件，更为灵活多变，符合当今建筑造型多变的趋势［２］。
（５）构件加工制造具有高度机械化，周期短
钢结构构件通常是通过对钢管、钢板等原材料进行切割、拼装、矫正、焊接等方式加工成形，加工过程中无湿作业，工艺简单，且随着工业化的发展和加工新技术的研发，现主要用于钢材切割的技术包括气割、机械切割、等离子切割等，均可实现远程数控化和流水线加工，机械化程度高，集成化生产能力强，相对于需要人工进行钢筋绑扎、支模和湿作业及养护的预制混凝土构件，加工周期短。
（６）材料运输灵活便捷
因构件自重轻，体积小，在整个加工至组装的过程中，材料运输灵活便捷。使用的运输设备相对传统预制混凝土构件，机械成本更低。
（７）施工方式简单，施工成本低
钢结构施工时主要采用吊装来完成构件的现场拼接组装，利用施工场地内现有的塔吊、汽吊的吊装机具即可完成安装的准备工作，施工便捷，人工成本低。而采用钢筋混凝土现浇结构和预制装配式混凝土结构，因其工艺的限制，多数情况下均需支设底部模板支撑，施工周期长，材料、人工成本高。
（８）结构组成简单，利于质量把控
得益于钢结构的施工工艺便捷，节点处理简单，施工过程中质量控制关键要素少于现浇混凝土结构及装配式混凝土结构，且对于结构安全性能检测等较其余两者更快，在同等规模体量下，质量把控易于现浇混凝土结构及装配式混凝土结构。
（９）更利于环保理念的推广
因钢结构相对于混凝土结构回收再利用率更高，后期治理成本更具优势，更符合时下节能环保的理念，可作为绿色建材进行推广。钢结构在装配式住宅中的应用相对于传统现浇结构和预制装配式混凝土结构存在巨大的优势，为何仍未取代流行的预制装配式或传统的现浇混凝土结构呢，究其原因主要有一下几点：
（１）耐腐蚀性弱
就钢材本身而言，相对于混凝土优秀的抗酸和潮湿环境能力，存在明显的短板，金属材质的构成在酸碱和潮湿综合的溶液条件下会发生氧化和钝化反应，使材质发生性变，影响原有性能，降低了构件的耐久度。
（２）耐火性差
通常钢材在６００℃以上承载能力会有极大的损失，直接影响构件的和体系的强度、刚度，对于火灾发生率相对较高的住宅建筑，存在火情的情况下，安全性能不如混凝土结构。
（３）低温冷脆
据三点弯曲试验、低温冲击韧性试验相关试验研究表明，随着温度的降低钢材试件发生脆断的可能性增加，冲击功的数值与温度呈现正相关性，钢材明显呈低温脆性；冲击韧性与板厚呈负相关，板厚越低，低温脆性越明显（见图２、图３）。
（４）隔音效果较弱
基于钢材本身的金属属性，具有优越的声波传导性能，但对于讲求私密性的住宅来说，反而起到了反效果，使得结构体系的隔音效果明显不如混凝土，对住宅的舒适性造成较大影响。
（５）材料成本更高
钢材的成本主要影响因素包括原材料成本、能源成本、人工成本。现阶段，受限于原料质量、提炼和铸作工艺和前期的设备投入，及工业化、集成化加工和施工技术的发展起步较晚，致使钢材的成本高于混凝土，导致钢材在住宅中的运用相对混凝土不具优势。当然，随着科技的进步、产业链的完善及建筑设计理念的改进和创新，是能够有效解决钢结构在装配式住宅应用中的弱势，且就目前国内建筑行业的情况而言，装配式钢结构在住宅领域的发展是可行的，且从发展的眼光来看，也是极具优势的。
２装配式钢结构在住宅中的实际应用
地处徐汇区龙耀路云锦路的东航金叶苑项目由３７栋居住建筑（包括３栋８层和３４栋４层居住建筑）、一栋４层商业配套建筑和一个地下１层车库组成，总建筑面积１５４ ８３１ｍ２。工程单体的结构形式采用了类似钢管混凝土异形柱框架结构的钢管混凝土扁柱—钢框架结构形式，属于装配式建筑体系，建筑单体预制率达４６.５６％，包含钢梁、钢柱、钢楼梯，结构总用钢量约１３ ０００ｔ。单体围护结构及套内填充墙采用１５０、２００厚蒸压加气混凝土砌块，建筑外立面采用以花岗岩为主的石材幕墙，是一功能齐全的群体住宅建筑。
２.１隐框式钢结构优化技术
该项目针对常规预制装配式建筑住宅开间以及布局不灵活的缺点，采用了隐框式钢结构优化技术。住宅建筑墙体多为１５０、２００厚，采用单跨的小截面Ｈ型钢梁和自密实混凝土灌芯的小截面钢管柱为框架结构主要构件（见图４），使得钢柱在能很好的隐藏于延钢柱长向砌筑的墙体装饰面内，实现隐框效果，小截面的构件选型能在住宅布局时设计时更为灵活，减小了住宅建筑使用面积和净高的损失（见图５）。
２.２钢管混凝土柱钢框架住宅体系优化
钢柱采用了多层一节钢管柱内灌混凝土的设计，通过钢板与混凝土的结合保证了构件的强度、框架的整体刚度，同时利用了不同材料性能的互补配合现场焊接的对接连接方式，减少现场钢柱吊装的工作量；梁为单跨Ｈ型钢梁，梁柱节点采用简单直接的托板式的栓焊连接，降低了现场吊装作业的难度，钢梁的平均重量在２００ｋｇ左右，钢柱的平均重量在１ ０００ｋｇ左右，同截面情况下自重远小于常规预制装配建筑的构件，相较于混凝土结构体系的住宅，装配式钢结构住宅重量可减轻至少３０％，相对于常规的预制装配建筑施工，作业难度，施工周期，吊装成本显著降低。
２.３可拆卸楼承板底模施工技术
针对项目单体多，面积大，楼板常规支模施工工作体量巨大的情况，采用了可拆卸楼承板底模施工技术（见图６）。可拆卸钢筋桁架楼承板是通过预制桁架钢筋与带边肋的金属底模以专用螺丝和卡件相互连接并通过预制桁架钢筋端部搁置实现“一体化、模块化、轻量化”的免模免撑楼板施工技术。结合结构尺寸特征进行标准化、模块化的分块尺寸设计，通过一定模数的组合可满足多种楼板尺寸要求，楼承板在施工时无需模板排架支撑临时施工措施，标准层施工时间因此减少２天，单向桁架筋在工厂提前预制，可减少现场６０％左右的钢筋绑扎工作，标准层施工时间因此减少１天。楼板养护完成后进行拆除底模回收再加工利用，轻质高强的底模和超高的周转率也减少了模板材料的浪费，在项目大面积开展施工能大幅降低楼板作业成本和缩短作业周期（见图７）。
２.４超前预埋施工技术
针对项目外立面为幕墙体系，预埋构件多，住宅机电暖通专业全，预埋管线多的情况，预埋工作量极大的情况，优化了超前预埋的施工技术。结合幕墙和室内机电安装的的设计要求，所有埋件和管道预留洞在钢构件加工制作过程同步完成，减少了现场埋件的加工量，提高了预埋精度，大幅降低了返工。预留尺寸和形式可模块化管理，幕墙和机电安装的施工便捷且选择多样性，显著缩短了施工周期（见图８、图９）。
３装配式钢结构住宅中有待完善的几个方面
３.１节点的防渗漏
目前钢结构住宅中主要采用砌块结构或板块结构作为外墙围护，然而板块间及板块与构件之间都存在较多的拼缝，钢构件相对于混凝土构件更容易产生热膨胀变形，增加了渗漏隐患，尤其更不利于住宅建筑。由此应更注重节点的防渗漏处理，建议可以采用延展性更好地柔性防水材料做加强处理。
３.２施工过程管理
对于目前装配式住宅体系而言，因住宅建筑既要考虑合理布局，又要具备一定的建筑美感，相对预制装配式混凝土结构，构件数量更大及类别更多，且配式钢结构在住宅中的应用相对于装配式混凝土结构占比少，施工管理经验不足，更需要一套先进的精细化的管理方法，可以结合当下ＢＩＭ、智慧建造等信息化管理技术改进完善。
４结语
目前，我国装配式住宅主体结构以装配式混凝土体系为主，装配式钢结构较于装配式混凝土结构在耐腐蚀、耐火、低温冷脆、隔音性能以及材料成本等方面还不具备优势，但随着科技的进步、产业链的完善及建筑设计理念的改进和创新，结合钢结构“轻、便、灵、快”的优势，装配式钢结构在住宅领域的发展还是非常值得推广的。因此，应加大力度推广装配式钢结构住宅在城市建设水平，促进的住宅产业化发展，从而实现我国住宅产业的经济效益、社会效益的共同发展。
参考文献
［１］王子瑜.结构钢的低温冷脆及断裂机理概述［Ｊ］.科技信息，２０１０，１８：１６６－１６８.
［２］曾善勇.装配式建筑施工风险评价及管理措施［Ｊ］.全国建材科技核心期刊－陶瓷，２０２１，４３３（１１）：１１９－１２０.
作者：赵君 单位：上海建工二建集团有限公司