張 楠

(蘭州交大設(shè)計研究院有限公司 蘭州 730070)

預(yù)制、裝配與鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑行業(yè)為謀求未來發(fā)展而進行探索的路徑,將三者有效地融合,便能夠最大化地提高建筑工程的整體施工質(zhì)量和施工效率,減少施工期間的環(huán)境污染問題,為建筑使用人員提供安全保障。目前,我國正在城市化建設(shè)的緊要關(guān)頭,通過預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的有效應(yīng)用,能夠進一步加快城市化建設(shè)的步伐,為社會整體繁榮發(fā)展提供保障。就預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)而言,鋼結(jié)構(gòu)毋庸置疑均屬于裝配式結(jié)構(gòu),但并非所有采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑皆屬于裝配式建筑,預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑需要鋼結(jié)構(gòu)、圍護系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)等多項配合,必須滿足全方面的標準化生產(chǎn)。因此,完善的預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作更加困難,需要大量數(shù)據(jù)作為設(shè)計依據(jù),并進行有效地運用和處理,才能夠最大化預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際應(yīng)用效果。在設(shè)計過程中,設(shè)計人員也必須兼顧工程施工的整體經(jīng)濟性,為項目的正常運行及使用提供保障。

1 預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)概述

預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)是指在建筑工程的結(jié)構(gòu)施工中,施工前便統(tǒng)一生產(chǎn)的梁、板、柱、墻等結(jié)構(gòu)件,以焊接、螺栓連接等方式進行裝配,以鋼材為主要材料構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)。完善的預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)能夠作為建筑結(jié)構(gòu)體系,為建筑工程的施工與使用提供有效的支撐,保障建筑物的功能性完整,最大化建筑工程的建造及使用效果[1]。

2 預(yù)制裝配式建筑概念和特征

2.1 概念

預(yù)制裝配式建筑的基本理念,便是通過在施工前對結(jié)構(gòu)部件的加工與處理,在現(xiàn)場施工時只需通過對預(yù)制結(jié)構(gòu)部件的拼接與加固,便能夠快速形成裝配式建筑。與現(xiàn)代建筑常用的現(xiàn)澆混凝土等建筑結(jié)構(gòu)不同,裝配式建筑的大部分部件生產(chǎn)工作在施工現(xiàn)場正式施工前就已經(jīng)加工完畢,因此,各結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量都會直接影響裝配式建筑的整體施工效果,部件加工環(huán)節(jié)也屬于裝配式建筑施工的一部分。

2.2 特點

裝配式建筑因其特殊的施工流程,其主要特點有以下2點:

2.2.1 施工質(zhì)量控制簡便

首先,預(yù)制裝配式建筑的結(jié)構(gòu)部件會在正式施工前進行統(tǒng)一生產(chǎn),相較于現(xiàn)場施工中對施工質(zhì)量的控制不足問題,施工前統(tǒng)一生產(chǎn)的模式能夠更全面的對裝配式結(jié)構(gòu)部件進行掌控,為后續(xù)的正式施工提供全面質(zhì)量保障。其次,預(yù)制裝配式建筑的正式施工以拼接、連接結(jié)構(gòu)部件為主,在施工過程中只需關(guān)注結(jié)構(gòu)部件的連接效果即可,能夠簡化施工現(xiàn)場的質(zhì)量管理工作。因此,無論從施工工藝或是施工管理方面,預(yù)制裝配式建筑的最終施工質(zhì)量控制方面都存在較為明顯的優(yōu)勢[2]。

2.2.2 保護環(huán)境節(jié)約資源

預(yù)制裝配式建筑施工現(xiàn)場無揚塵、無廢水、無噪音。減少建筑垃圾的產(chǎn)生、建筑污水的排放量,建筑噪聲的干擾、有害氣體及粉塵對環(huán)境的破壞,可實現(xiàn)綠色施工、節(jié)能減排以及促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

3 預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)選型與構(gòu)造

3.1 建筑結(jié)構(gòu)走向

目前,預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)類型的共分為以下3種:

3.1.1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

建筑鋼框架結(jié)構(gòu)是指通過由鋼材制成的梁和柱組成的建筑結(jié)構(gòu),主要用于建筑豎向和水平荷載要求較高的建筑施工中,如工用廠房、大跨度廳堂等。鋼框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計與施工除需保證建筑材料的強度外,還需要設(shè)計人員根據(jù)建筑工程的總體需要,調(diào)整梁柱的設(shè)計比例,才能夠最大化鋼框架結(jié)構(gòu)體系的實際應(yīng)用效果。

3.1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

隨著城市化建設(shè)的深入,當(dāng)前城市中的用地越來越緊張,這也導(dǎo)致當(dāng)前城市中大部分的新建建筑都向“高”發(fā)展,而在高層建筑及超高層建筑的結(jié)構(gòu)中,水平荷載將是建筑穩(wěn)定的主要影響因素。

通過在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置剪力墻,能夠在建筑施工及使用時有效地保證建筑工程的整體抗側(cè)移能力(見圖1)。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 支撐結(jié)構(gòu)體系

支撐結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)體系的一部分,是保證預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑整體穩(wěn)定的重要輔助結(jié)構(gòu),通過水平結(jié)構(gòu)支撐、柱間支撐、隅撐等結(jié)構(gòu)設(shè)計,能夠保證結(jié)構(gòu)件之間的穩(wěn)定,進而保證預(yù)制裝配式建筑的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(見圖2)。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)實物圖

在較為復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,支撐結(jié)構(gòu)體系還能夠進一步優(yōu)化建筑的結(jié)構(gòu)荷載分布,調(diào)整建筑的整體剛度,提高建筑結(jié)構(gòu)的整體功能[3]。

3.2 構(gòu)造

預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)是以型鋼或鋼板,通過工程施工前對鋼材的處理與加工,制成鋼柱、鋼梁、鋼桁架等構(gòu)件,施工時只需以焊接、螺栓連接等方式,將鋼制結(jié)構(gòu)件以設(shè)計標準進行連接,便能夠達成施工目的。

預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)與裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相比,其外墻體系更為復(fù)雜,包括空腔外墻體系、復(fù)合外墻體系、幕墻體系及砌體外墻體系等,且各有不同優(yōu)勢,為最大化提升裝配式建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用效果,在選擇外墻體系時也應(yīng)綜合工程特點進行。

4 設(shè)計特點與設(shè)計要點

4.1 設(shè)計特點

預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點是當(dāng)前建筑行業(yè)對其青睞的主要因素,主要包括以下5個方面:

4.1.1 流程精細化

在建筑工程的建設(shè)全過程中,傳統(tǒng)建筑工程建設(shè)將流程分為規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營共四個部分,這也使得建筑工程的整體施工并不連貫,影響建筑工程的整體施工進度和施工效率。預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計因裝配式建筑的特點,在設(shè)計中需要工作人員深度思考工程施工需要,對每個結(jié)構(gòu)部分、結(jié)構(gòu)件個體進行標準明確,使得預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的整體建設(shè)流程更加精細,為后續(xù)施工提供完善的保障條件。

4.1.2 設(shè)計模數(shù)化

設(shè)計模數(shù)化是建筑工程的基礎(chǔ)之一,預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的特點使設(shè)計人員在開展工作時,必須掌握并明確每一個結(jié)構(gòu)部件的標準,這也使得預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的模數(shù)化標準更高。

4.1.3 配合一體化

設(shè)計工作不是憑空暢想,是基于現(xiàn)有條件對建筑工程的有效規(guī)劃。因此,在預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)確保設(shè)計的科學(xué)合理,使設(shè)計、結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)、施工等流程一體化,最大化設(shè)計工作的效果[4]。

4.1.4 成本精確控制

建筑工程的施工成本是衡量建設(shè)單位能否獲利的關(guān)鍵因素。預(yù)制裝配式建筑的設(shè)計特點,建設(shè)單位能夠全面掌握建筑工程的整體用料,進而精確估算成本。

4.1.5 技術(shù)信息化

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,BIM 技術(shù)等現(xiàn)代建筑用具已經(jīng)基本普及到各個設(shè)計單位中,能夠使建筑工程的設(shè)計工作更加簡便、精細,減少設(shè)計問題的出現(xiàn)。

4.2 設(shè)計要點

為保證預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理,設(shè)計人員在開展工作時應(yīng)嚴格遵守以下設(shè)計要點:

4.2.1 整體規(guī)劃

建筑工程的設(shè)計工作也不會由某個工作人員全部負責(zé)的,在不同的區(qū)域中需要不同專業(yè)的設(shè)計人員參與,并最終匯總為設(shè)計圖紙,如:電氣圖紙、暖通圖紙等都由不同專業(yè)的設(shè)計人員負責(zé)。而整體規(guī)劃顧名思義,就是在預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計中,各專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)共同開展設(shè)計工作,在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計每個專業(yè)的設(shè)計人員都能夠從不同的角度考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,為工廠一次成形生產(chǎn)保障基礎(chǔ)條件。

4.2.2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計

預(yù)制結(jié)構(gòu)件是預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工主要依據(jù),因此,在設(shè)計預(yù)制件時設(shè)計人員必須保證結(jié)構(gòu)件的尺寸、數(shù)量、類型等標準符合建筑工程的整體需要,同時在開展設(shè)計工作時,應(yīng)綜合考慮施工單位的整體力量,適當(dāng)調(diào)整裝配施工過程中的難度。預(yù)制件的設(shè)計工作是為施工及結(jié)構(gòu)件制作提供依據(jù)的環(huán)節(jié),若設(shè)計預(yù)制件時工作人員過于追求性能或出于其他因素導(dǎo)致預(yù)制件的生產(chǎn)較為困難,會導(dǎo)致預(yù)制件生產(chǎn)條件與設(shè)計不符,最終影響預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的整體施工質(zhì)量。

4.2.3 節(jié)點設(shè)計

節(jié)點是預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)件的連接點,節(jié)點設(shè)計的重點是高精度。高精度能夠保證各結(jié)構(gòu)件連接后的嚴密效果,提高建構(gòu)穩(wěn)定性。同時,在進行節(jié)點設(shè)計時,設(shè)計人員應(yīng)從設(shè)計工作角度降低預(yù)制件的連接難度,綜合考慮施工現(xiàn)場的各項條件,將節(jié)點設(shè)計與施工工藝相結(jié)合,從而可以提高節(jié)點設(shè)計在實際施工中的操作可行性。

4.2.4 提高設(shè)計實用性

設(shè)計工作是為預(yù)制件生產(chǎn)及施工提供前提條件的工作環(huán)節(jié),若在設(shè)計中工作人員脫離實用性標準,會增大預(yù)制件的生產(chǎn)與施工難度。為保證設(shè)計實用性,首先應(yīng)減少預(yù)制件種類,避免過多種類的預(yù)制件增加生產(chǎn)與施工難度;其次應(yīng)保證結(jié)構(gòu)件的連接效果,提高工程質(zhì)量;最后應(yīng)根據(jù)建筑工程施工需要,保證管線的施工條件[5]。

5 預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)濟性分析

5.1 建筑成本經(jīng)濟性

相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型的施工,預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

5.1.1 便于造價控制管理

造價控制管理是當(dāng)前建設(shè)單位以盈利或不虧損為目的開展的管理行為,通過對建筑工程各階段的成本管控,能夠有效避免資金的無用浪費。但傳統(tǒng)設(shè)計、施工模式,導(dǎo)致建筑用料量多以“估算”為主,并不能為造價控制管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持,而預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計會深入到每個結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中,為建設(shè)單位開展造價控制提供完善的數(shù)據(jù)支持,從而最大化造價控制管理的實際開展效果。

5.1.2 優(yōu)化合同合理性

在建筑工程施工中,為保證建筑工程的順利機型,建設(shè)單位一般在簽訂合同時,會按照過往的施工經(jīng)驗,向施工單位額外支付3%～10%的材料損耗費用,避免部分材料無端損耗而影響施工進度。但在預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工中,因預(yù)制件均在施工前便已經(jīng)制作完成,且預(yù)制件的質(zhì)量較高,發(fā)生損耗問題的可能較小,能夠使建設(shè)單位與施工單位簽訂合同時,更合理地優(yōu)化建材損耗部分的條款,在保證雙方利益的基礎(chǔ)上,避免資金的估算錯誤問題[6]。

5.1.3 運輸與人工費用

在建筑工程的施工中,建材的運輸問題與施工人員的薪資是建筑工程造價的重要組成部分,相較于傳統(tǒng)建筑工程的施工流程,裝配式建筑因預(yù)制件在施工前已經(jīng)生產(chǎn)完畢的原因,需要從預(yù)制廠運輸至施工現(xiàn)場,會導(dǎo)致運輸費用提升10%～20%。但預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工較為簡便,無需過于復(fù)雜的技術(shù)支持,且施工效率較快,較傳統(tǒng)建筑工程而言,預(yù)制裝配式建筑的人工費用能夠降低40%。

5.2 縮減成本的方法

在建筑工程的施工中,鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)類型之一,因其使用鋼材占比較高,導(dǎo)致其成本較一般混凝土結(jié)構(gòu)的整體造價也會有所提升。為了最大化建設(shè)單位的效益,應(yīng)在保證建筑工程整體功能的基礎(chǔ)上,縮減成本。在設(shè)計中各專業(yè)應(yīng)全面配合,確保預(yù)留孔洞位置準確,減少設(shè)備支架等的二次鋪設(shè)以及孔洞的現(xiàn)場二次施工。在保證建筑功能的基礎(chǔ)上減少多余荷載布置,達到梁柱截面優(yōu)化,降低鋼材使用占比目的。

綜上所述,經(jīng)濟性作為預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)的主要特點之一,通過調(diào)整設(shè)計,能夠在保證建筑工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進一步提升施工效率和施工質(zhì)量,減低施工過程中對周邊環(huán)境的污染。設(shè)計人員應(yīng)積極總結(jié)預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計特點及工作經(jīng)驗,優(yōu)化預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計,保證設(shè)計合理性。