钢结构装配式学校建筑工期优化措施分析

钢结构装配式作为一种绿色建造技术，相比于传统现浇钢筋混凝土结构，具有施工速度快、建造精度高、抗震性能好、节能环保等优点，目前已广泛应用于学校建筑中。本文结合工程实际，总结了钢结构装配式学校建筑的特点，分析了钢结构装配式学校建筑的工期优化措施，进一步提出了钢结构装配式学校建筑应用的可行建议。

●  前　言

信息化和数字化是当今各个行业发展的必然趋势，随着施工技术的发展和建筑产业的转型、升级，传统的劳动密集型建造方式逐渐被淘汰，取而代之的是以绿色发展为理念，结合现代科学技术，拟实现工业化生产的装配式结构。自2015年以来我国多次出台装配式建筑规划相关政策，倡议大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准并确保此类建筑质量。

钢结构装配式学校建筑是指将工厂化生产的钢结构部件在施工现场通过组装和连接构成钢结构建筑，具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、结构构件尺寸小、工业化程度高的特点，全部运用可重复利用的绿色环保材料。与传统混凝土结构相比，钢结构装配式学校建筑可大量节省混凝土用量、施工用水量及建筑木材用量，大幅减少建筑垃圾和污水排放，发展钢结构装配式学校建筑，符合绿色施工的发展方向。

●  项目概况

西咸新区北营学校占地面积约45,568㎡，总建筑面积60,292㎡。其中，一期小学部建筑面积32,713㎡（地上建筑面积20,625㎡、地下建筑面积12,088㎡），由2栋主教学楼、1栋实验楼、2个连廊、1个合用报告厅、1个风雨操场等单体建筑组成，建筑高度为17.85m；二期初中部建筑面积27,587㎡（地上建筑面积20,196㎡、地下建筑面积7,391㎡），由2栋主教学楼、1栋实验楼、1栋综合办公楼、1栋艺术楼及1个连廊等单体建筑组成，建筑高度为21.95m。一、二期所有单体建筑均采用钢框架结构，钢结构总量约6,000t，楼板主要采用免支模压型钢板及钢筋桁架楼承板，外围护结构主要采用蒸压加气混凝土条板。建筑抗震设防烈度为8度，抗震等级为二级，耐火等级为地上二级、地下一级。项目鸟瞰图及总平图如图1和图2所示。

图1  北营学校鸟瞰图

图2  北营学校总平面图

●  钢结构装配式学校建筑的特点

根据国家标准《中小学校设计规范》的要求，对中小学校普通教室的人员数量、平面尺寸和面积指标都有详细的规定。其中，教室长度一般为9m，宽度多为7.5m左右，基于相应设计规范，北营学校普通教室尺寸设定为长9m、宽8m，如图3所示。此种教室设计的标准化、尺寸的统一化更适合于钢结构装配式建筑模数化的生产和建造方式。

图3  北营学校普通教室平面图（单位：mm）

对于中小学学校建筑，多采用框架结构形式，框架柱截面以矩形截面为主，截面尺寸根据楼层和荷载的不同，若采用混凝土结构，则在500mm×500mm至800mm×800mm之间，而基于钢结构强度高、自重轻等优势，截面尺寸可优化为300mm×300mm至450mm×450mm之间。柱截面尺寸减小可增加建筑的实际使用面积。

由于学校建筑属于抗震重点设防类别，采用钢框架结构的抗震性能更好，地震作用可减少20%~30%，且钢结构具有良好的延性，重量轻，有利于抗震，同时灾后更易于修复。

此外，学校建筑设计中大跨度连廊、门房、风雨操场、报告厅等主体结构（见图4），采用钢结构能够更好地实现大跨度，且相比钢筋混凝土结构，在工期上不需要考虑大跨度混凝土的养护龄期。

图4  北营学校初中部大门立面图（单位：mm）

●  钢结构装配式学校建筑工期优化措施

近年来城市快速发展，学位压力严峻，工程体量大的学校是应急民生工程，如何优化学校项目的管理模式及施工工艺，提高施工效率，是目前亟待解决的问题。西咸新区北营学校通过EPC总承包管理模式，有效克服了设计、采购、施工相互制约和相互脱节的矛盾，使施工设计、前期投资、物资准备等全链条同时进行。施工工艺采用装配式主体钢结构及装配式围护结构墙板，建筑装配率达76%，现场和工厂同时展开施工，大大减少了现场作业时间。

▲  EPC总承包管理方面

2016年住房城乡建设部出台了《关于进一步推进工程总承包发展的若干意见》，明确了大力推进工程总承包，有利于提升项目可行性研究和初步设计深度，实现设计、采购、施工等各阶段工作的深度融合，提高工程建设水平。EPC总承包管理模式可依据现场经验倒推设计，有效解决前期设计过程中的图纸问题，减少了施工过程中的协调。在管理过程中，对各专业设计的错漏碰缺及时归集整理，出现问题时责任明确且承包方更容易对整个工程进行把控，减少了由于沟通或信息差造成的设计变更或返工，可有效缩短建设工期。

▲  结构体系选择

学校建筑属于生命线工程。钢结构建筑相较于传统混凝土建筑抗震性能更加优越。一般中小学校楼层设计为1~5层，在防火及抗震等级划分中属于多层建筑，适应的建筑体系有两种：钢框架+内浇混凝土、纯框架体系（钢柱做防火涂料及外包处理）。

西咸新区北营学校所有单体建筑均采用装配式钢框架结构（部分钢柱内浇混凝土，如图5所示），对钢结构进行深化设计（见图6），然后采用工厂化加工、现场化装配的方式建造、施工。每栋教学楼主体钢结构安装工期为20天，其中，钢柱吊装工期为4天、钢梁安装工期为8天、钢结构焊接工期为6天，钢梁安装过程中进行楼板穿插施工，每层楼板压型钢板铺设及钢筋绑扎工期为2天。每栋教学楼单体建筑主体施工周期相较于传统混凝土建筑可减少约1/3。针对报告厅、风雨操场等特殊单体建筑，首层采用钢框架结构，2层大会议室或运动场采用门式刚架结构或网架结构，既可实现大空间，又能优化工期。

图5  北营学校D栋教学楼结构图

图6  北营学校钢结构深化图

▲  楼板方案

随着钢结构施工工艺的不断进步，传统现浇板的施工速度跟不上钢柱和钢梁的安装速度。同时，由于现浇板的施工仍需要大量的模板和脚手架，这与钢结构现场施工管理要求有很大偏差。学校钢结构建筑的楼板可选择压型钢板或可拆卸钢筋桁架楼承板，但是前者需要做吊顶处理，后者则免吊顶施工，避免了因吊顶问题而影响建筑层高，可根据教室的使用功能及净层高要求选择合适的楼板类型。由于西咸新区的规划建设品质标准中明确班级活动室和寝室的净层高不得低于3m，教室净层高不得小于3.2m，因此北营学校在楼板设计上采用压型钢板组合楼板及钢筋桁架组合楼板，这两种楼板在工厂预制成品，现场免模板支架安装且与主体钢结构结合便捷施工，实现立体交叉作业，大大缩短了施工周期。

▲  墙板选择

随着“墙改”的实施，我国近30年来，墙体材料已从实心黏土砖向空心砖及其他各种轻质、多功能新型墙体材料转变，这些新材料也更能适应钢结构主体。

北营学校的围护结构墙体主要选用蒸压加气混凝土墙板。这种墙板具有高强轻质、保温隔热、耐火抗震、隔声吸音等特点，且加工尺寸准确、质量轻，安装时可大大减少人力、物力投入。由于安装便捷且此种材料具有免抹灰的特性，可有效缩短建设工期。从建筑节能角度出发，由于蒸压加气混凝土墙板有保温隔热功能，可采用经设计验算满足节能要求厚度的墙体，再由工厂定制加工生产，减少了现场外立面保温的施工工序。

北营学校部分内隔墙体采用轻钢龙骨复合墙体。轻钢龙骨复合墙板采用镀锌轻钢龙骨作为承重体系，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，这种墙体具有用钢量低、结构自重轻、有利于抗震等特点，且工厂化程度高，运输方便，现场易于装配且易于保证施工质量。这种墙板的现场安装主要采用干法作业，环保节能，能有效改善现场施工环境。在安装前将强弱电管线预埋在墙体内，避免传统施工中的墙面开槽，方便实现强弱电管线的分离，减少了各专业之间工序交叉而造成的不必要的返工。

●  结论与展望

▲  结  论

我国已有很多学校建筑使用了钢结构装配式建筑，并且也取得了相应的成果和进展。但众所周知，目前的钢结构装配式建筑还存在许多问题，针对钢结构装配式学校建筑存在的主要问题有三个：一是围护体系成熟度低，结构与围护体系不配套，三板问题突出，尤其是墙板与钢结构骨架的协调配合，如何避免外墙开裂、渗水等质量通病，以及连接节点处的抗震性能如何保证，都亟待考虑；二是构件及部品标准化程度低，同时未能较好地应用BIM技术，尽管BIM技术可以把装配式建筑的设计、构件的预制及施工组装集合在一起，能很好地实现装配式建筑全过程的一体化集成，但多系统的整合及BIM技术的普及和推广仍需要一定时间；三是钢结构装配式学校建筑的造价偏高，根据大量实际工程案例测算，现阶段钢结构装配式学校建筑与传统混凝土建筑的综合成本基本持平，如何进一步降低成本才能更有利于普及。

▲  展　望

针对钢结构装配式学校建筑有以下几点展望：

（1）采用模数化和标准化的设计方法

目前国内设计单位大多较少涉及钢结构装配式学校建筑的设计，对于标准化和模数化的设计方法不甚了解，仍旧按照传统设计方法去进行设计，限制了钢结构装配式学校建筑的推广。因此，加强对相关从业人员在设计、施工等方面的培训，才能更快、更好地促进稳步发展和推广钢结构装配式学校建筑。能否通过标准化设计、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，进一步促进建筑产业的转型升级。

（2）引入BIM技术

BIM技术是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，提供了一种交互式的预制装配式住宅虚拟设计平台，可针对每个预制构件，建立构件信息化系统，为实现钢结构装配式学校建筑的产业化提供配套技术。通过BIM技术和绿色建筑的结合，提升建造能力，同时有效降低能耗，节省材料，缩短工期。

（3）加强与钢结构相匹配的外围护和内隔墙技术研究

目前我国许多钢结构建筑的围护结构仍采用传统的砌块砌筑，为了推动钢结构装配式建筑的推广、应用，应加强研发与钢结构装配式建筑配套的外墙，一方面重在优选外墙材料、优化设计外墙本身的各项性能，另一方面重在创新设计外墙节点连接构造和几何尺寸。总结已有的配套外墙技术，选择典型地区和典型试点工程，加快制定外墙标准图集，有效指导工程实际应用。