徐 剛

（南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037）

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計的必要性

1.1 主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所采用的材料和施工工藝分析

鋼結(jié)構(gòu)住宅在房型構(gòu)思設(shè)計上應(yīng)具備較大的靈活性和通用性，從而使得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置及尺寸的大小選用也更加靈活，而同時，型鋼的選擇無論是采用何種尺寸大小或是形狀，都可以根據(jù)住房建筑的實際要求對廠家要求定制，施工安裝采用現(xiàn)場焊接和螺栓連接。從具體的項目來說，這些個性化方案均不會影響到工程質(zhì)量要求和施工期限要求，即便采用不同的型鋼尺寸，仍然可以滿足整體的規(guī)范化要求。

1.2 從樓板系統(tǒng)所選用的材料和施工工藝分析

從當前應(yīng)用實際來看，現(xiàn)澆樓板系統(tǒng)是常用的施工方法，技術(shù)相對比較成熟且靈活性極高。雖然現(xiàn)場施工作業(yè)存在諸多問題，但對整個建筑的施工質(zhì)量和工期影響并不大，它的靈活性并不和整個模塊的建筑體系有任何沖突。

1.3 從外墻圍護系統(tǒng)所選用的材料和施工工藝分析

外墻圍護結(jié)構(gòu)的材料和施工工藝種類繁雜多樣，從材料的形態(tài)方面來看可簡單地分為小砌塊和大掛板，從施工的過程來看可分為砌體和干掛式安裝，不同材料和施工工藝的選擇最終將影響模塊化系統(tǒng)的構(gòu)建。因此，外墻圍護體系的問題是構(gòu)建模塊化體系的關(guān)鍵。事實上，在目前的鋼結(jié)構(gòu)住宅施工過程中，圍護結(jié)構(gòu)體系仍然是主要問題。目前外墻防護系統(tǒng)的設(shè)計和安裝已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)化的要求。一方面與外墻構(gòu)件工業(yè)生產(chǎn)件的不成熟有關(guān)，另一方面外墻防護系統(tǒng)在設(shè)計中沒有得到足夠的重視。因此只有優(yōu)先進行圍護系統(tǒng)的系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計才能有效發(fā)揮墻板生產(chǎn)安裝產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢，充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的綜合效益。[1]

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的特點

2.1 裝配式與鋼結(jié)構(gòu)

施工現(xiàn)場具有與構(gòu)件的生產(chǎn)和組裝相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)特點。在計算用料配比時，方便對建筑物主體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)施工的綜合效果得出評估，以便利用好鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特點，由此，鋼結(jié)構(gòu)就有了新的定義。在現(xiàn)有建筑鋼結(jié)構(gòu)制造和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，又增加了標準化設(shè)計、制造和施工、綜合報表、信息管理、智能操作等流程和模塊。其中，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的施工不同于一般傳統(tǒng)施工。在現(xiàn)階段中，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的主要特點是鋼結(jié)構(gòu)的標準化設(shè)計，與常態(tài)化發(fā)展不同，在螺栓層面則很難實施。例如，標準化設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：減少建筑的結(jié)構(gòu)類型，增加模塊組合，減少類型，增加結(jié)構(gòu)部件檢查，降低適應(yīng)性，增加與電氣系統(tǒng)的兼容性，以促進不同系統(tǒng)之間接口的標準化，并根據(jù)項目參與者的基本特征，將傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)與制造鋼結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。二者間的區(qū)別是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工程中傳遞各方利益和擴大自身利益的核心，鋼結(jié)構(gòu)工程各方應(yīng)致力于提供完整的產(chǎn)品件，構(gòu)建共同利益體，以最大程度地提升建筑項目的整體社會效益和經(jīng)濟效益。

2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)與住宅戶型

當前，我國大多數(shù)高層住宅多采用有條件轉(zhuǎn)換墻體系，這個體系的產(chǎn)生益于住宅建筑的質(zhì)量和社會效益的最大化，這一體系有著極強的適配性，和所有的建筑單元都能較好地融合，使一些特有的房屋建造形式所受到的限制得以改變，變得既可靠又合理。以這個形式為基礎(chǔ)，如果單元住宅的活動墻結(jié)構(gòu)不能滿足適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)體系，則最終效果往往并不會很理想。例如，鋼結(jié)構(gòu)使用時影響到內(nèi)部空間，用外露柱和梁替換結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的原始立墻和天花板等。此外，室內(nèi)外住宅的類型多樣性對鋼結(jié)構(gòu)體系的實際構(gòu)建產(chǎn)生影響，使一些建筑體的建設(shè)使用成本上升。對這種情況如不加以限制，也必將給預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅的長久安全使用留下了許多隱患，對推進預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅的健康發(fā)展產(chǎn)生不利。因此，建筑類型和房屋類型在選用裝配式鋼結(jié)構(gòu)中起著決定性的作用。合理的結(jié)構(gòu)形式不僅可以合理避免裝配式鋼結(jié)構(gòu)的缺陷，而且可以更好地發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特點。建筑類型是決定裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅質(zhì)量的最重要因素?？偟膩碚f，這種因素貫穿于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計全過程，具有預(yù)前性和全局統(tǒng)領(lǐng)性。[2]

2.3 建筑需求與結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量與房屋建筑質(zhì)量密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)體系的選用起著重要作用。在結(jié)構(gòu)方面，最基本的因素就是建筑安全問題，除此之外，經(jīng)濟性、施工質(zhì)量的要求和整個施工的階段性要求是鋼結(jié)構(gòu)住宅的三大要求。鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)初期，一般來說會面臨鋼材供應(yīng)不足或鋼材料的價格波動大等問題。所以說經(jīng)濟性是制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的一個重要方面。從經(jīng)濟性方面出發(fā)，早期的鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計大多采用S 型鋼框架、鋼桁架墻和鋼芯支撐等鋼結(jié)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)輪廓和有效應(yīng)力可最大程度上節(jié)省鋼材消耗。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活質(zhì)量不斷地提高，人們對建筑質(zhì)量的要求也更高，鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展初期存在著更多缺點和不足，嚴重影響人們的住房居住生活質(zhì)量，在不斷的演化過程中，中期鋼結(jié)構(gòu)住宅體系有了新的改進，如應(yīng)用偏心支撐鋼框架、異形支撐柱框架等。柱分格與柱的不同部位互相連接，或與相關(guān)框架柱相比降低高度和寬度，以最大程度保護內(nèi)柱，不得使用全間距的專用運輸工具對能夠滿足施工類型要求的構(gòu)件施加側(cè)向力等新的措施。

新時期，隨著建筑新業(yè)態(tài)的不斷擴大發(fā)展，作為建筑業(yè)的新的建筑形式，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求也與日增加。目前來看，早期鋼結(jié)構(gòu)和中期整配式鋼結(jié)構(gòu)房屋都被廣泛地定義為裝配式房屋構(gòu)型。在住宅建筑過程中，要充分考慮到建筑的經(jīng)濟效果和建筑質(zhì)量，選用合理的構(gòu)型結(jié)構(gòu)，靈活適配應(yīng)用鋼框架，以使其更具靈活性，無露柱或少露柱，確保鋼結(jié)構(gòu)建筑體的安全、經(jīng)濟和高質(zhì)量。還要注意減少全螺栓連接和干相連接的現(xiàn)場工序操作。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅建筑中的優(yōu)勢

裝配式鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅設(shè)計應(yīng)用實踐中要始終遵循國家標準和技術(shù)規(guī)范，減少構(gòu)件的規(guī)格和種類，增加通用性。鋼結(jié)構(gòu)及檢修系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點在廠區(qū)加工生產(chǎn)完成后應(yīng)成體系運至施工現(xiàn)場進行現(xiàn)成安裝調(diào)試和施工。與普通住宅相比，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅具有多項明顯優(yōu)勢，具體主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 高凈空大空間和自重輕抗震性能強

與普通住宅相比，采用由鋼結(jié)構(gòu)組成的建筑結(jié)構(gòu)體系會獲得更多更大的建筑使用空間，提高了有限空間的合理利用。居住者可利用的住房空間需求得到了最大滿足，這充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住房結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，還體現(xiàn)了空間利用率高、空間使用效能大的優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)構(gòu)型看，采用由鋼結(jié)構(gòu)組成的建筑結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)的扇形尺寸小于傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件的扇形尺寸，由此可知鋼結(jié)構(gòu)的自重會相對更輕。在滿足充足的空間使用需求的同時，還有效節(jié)省了建筑材料成本，且鋼材的載荷、強度和密度具有更為顯著的優(yōu)勢。它降低了施工返工風險，確保了良好的性能和避震抗震安全性，讓居住者生活居住放心、舒心。

3.2 綠色可循環(huán)利用的建筑材料

《中共中央、國務(wù)院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》是新時期提出的可推進節(jié)能型城市和綠色建材建設(shè)的行政指導意見。作為一種工業(yè)用料，鋼具有良好的密度、抗拉伸變形、耐化學性和抗風性。此外，使用鋼結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟性，其經(jīng)濟成本約為傳統(tǒng)混凝土的50%左右，可大大降低施工成本。最后，與傳統(tǒng)建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)可以回收二次利用，拆除的一部分建筑材料經(jīng)回爐冶煉還具有其他的使用價值。在整個建筑物生命周期里，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計滿足并完全符合我國“十四五”時期規(guī)劃提出的“減量化、再利用、循環(huán)利用”的循環(huán)經(jīng)濟實用發(fā)展原則，即對環(huán)境性能影響最小的建筑結(jié)構(gòu)體系。[3]

3.3 輕量化、快速高效的施工工藝及方法

預(yù)制施工方案中的零件來源主要是由建筑構(gòu)件制造商制造和加工完成提供的，建筑施工現(xiàn)場主要是對預(yù)制零件的施工和組裝調(diào)配。與傳統(tǒng)施工方法不同的是，現(xiàn)場作業(yè)更為簡單，一定程度上可縮短建筑施工工期，且減少了其他施工輔料的用料比例，對建筑周圍的環(huán)境破壞或不利影響也較小，用料比例的減少及施工噪聲相對較少，對周圍的生態(tài)環(huán)境還有居民生活質(zhì)量都有著一定程度的改善。通過標準化設(shè)計和整體的模塊化施工，可根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模提前在室內(nèi)制作并安裝好一部分預(yù)制構(gòu)件。施工速度更快了，施工的時間較以往的施工時間縮短近四分之一或三分之一，當然，其不僅是縮短了施工的時間，還降低了最終施工現(xiàn)場所造成的資源浪費和能源消耗。此外，依賴成熟高效的制造模式和工業(yè)效率，建筑構(gòu)件的質(zhì)量將在一定程度上得到提高，并提高預(yù)制結(jié)構(gòu)件的性價比，這一系列優(yōu)點都對住宅建筑的高效施工有著極大的促進作用。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計的難點

4.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計理念和設(shè)計思維的滯后

從理論到實踐的轉(zhuǎn)變是一個長期且相對漫長過程，同樣也是一個需要不斷努力和提升的過程。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計過程中，固有的設(shè)計概念和傳統(tǒng)設(shè)計思維不能得到突破創(chuàng)新是阻礙建筑設(shè)計發(fā)展的一個重要因素。傳統(tǒng)的設(shè)計概念標準相對較低，整個設(shè)計過程相對自由，這與裝配式預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計的概念相悖。建筑設(shè)計師的標準化和一體化設(shè)計能力決定了住宅建筑的最終效果，對住宅設(shè)計進行總結(jié)，宏觀、全面和系統(tǒng)的思考能力是新時期對建筑設(shè)計師的時代要求和命題。

4.2 非標準化和非一體化的裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計

過去的設(shè)計理念更新速度跟不上建筑形態(tài)變化的市場情況下，一些地區(qū)出現(xiàn)了一批設(shè)計規(guī)范不完善的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目。這些采用鋼結(jié)構(gòu)材料和裝配工藝的工程項目，雖在一定程度上符合或勉強達到了國家關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的評定標準，但離真正的標準化設(shè)計目標相距甚遠。在一些地區(qū)的試點項目如經(jīng)濟適用房住宅項目中，因為住房的公共租賃或保障性住房的公益特性，房地產(chǎn)開發(fā)商所獲經(jīng)濟效益相對低，因而這類房屋在建造過程中開發(fā)商往往會以片面經(jīng)濟利益為追求目的，使用非標準化和非一體化的裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，這將影響到作為行業(yè)指標的預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的標準化和整體設(shè)計理念推廣。鋼結(jié)構(gòu)裝配施工后要切實符合建筑行業(yè)評級標準的評級要求，但在實踐中，因設(shè)計周期長，設(shè)計造價高，建筑裝配結(jié)果往往與理想、舒適、標準的建筑效果存有差距。[4]

5 裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑設(shè)計的實踐

5.1 圍護體建筑設(shè)計要點

第一，圍護體系選擇須滿足建筑系統(tǒng)總體性能要求。第二，所裝配模塊間接觸面應(yīng)平直整齊，外墻板及構(gòu)件、門窗件、陽臺件、空調(diào)板件、窗戶及復(fù)雜構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)科學合理。第三，內(nèi)部管道應(yīng)與墻壁盡量貼合，圍護體模塊接觸面不得有溝槽和墊層，以便對管線的后期維護和更換。

5.2 平面設(shè)計要點

為提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑工程的質(zhì)量，降低建筑工程的施工成本，在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計中，應(yīng)注重考慮模塊間的協(xié)調(diào)性，根據(jù)模塊的規(guī)模大小和使用性質(zhì)以及支撐構(gòu)件的標準化、分類性和通用性等因素合理裝配。建筑空間布局科學，豎向受力構(gòu)件布置均勻合理，設(shè)備和管道鋪裝裝配好，是實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑全生命周期的空間適配性和可變性的前提。應(yīng)充分考慮整體布局和廚衛(wèi)等空間的方位位置設(shè)計，以及管線輔料設(shè)備從采購到裝配的全流程把控。[5]

5.3 立面設(shè)計要點

高層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合預(yù)制標準、模塊和系統(tǒng)進行全方位系統(tǒng)化設(shè)計。外墻構(gòu)件可使用不同的成品材料來完成不同的設(shè)計要求。通過靈活組合裝配不同的外墻構(gòu)件等形式來實現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的總體設(shè)計要求。應(yīng)用已組合完成的鋼結(jié)構(gòu)外墻構(gòu)件來滿足建筑體的復(fù)雜功能，實現(xiàn)滿足多元多樣化的建筑設(shè)計要求。在整體設(shè)計、整體加工、整體施工中，很難在室內(nèi)一次完成的大型預(yù)制外墻結(jié)構(gòu)件可在施工現(xiàn)場對分段模塊再結(jié)合并裝配。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑發(fā)展至今已有百余年歷史，但還未得到充分發(fā)展和為大眾所接受，鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的長期耐用以及高層安全等問題仍受到社會各方面的質(zhì)疑。目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍處于研究階段，許多施工裝配技術(shù)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化措施等問題解決仍處于探索階段。但有一點是可以肯定的，即系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑理論已得到科學確立，鋼結(jié)構(gòu)高層住宅建筑的完成需要建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、設(shè)備材料工藝加工以及裝配調(diào)試等多方面緊密配合。它也是一個各學科間不斷創(chuàng)新、整合和協(xié)調(diào)配合的過程。