11种装配式钢结构建筑结构体系介绍，装配式钢结构建筑体系研究及应用综述

图1　我国装配式建筑的发展概况

Fig.1　Overview of the development of prefabricated buildings in China

2　装配式钢结构体系的研究现状及应用

目前主要的装配式钢结构体系有以下11种： 装配式钢框架结构体系；钢框架-支撑结构体系；钢框架-钢板剪力墙结构体系；钢框架-核心筒结构体系；模块化建筑结构体系；方钢管混凝土组合异形柱结构体系；隐式框架-支撑（钢板墙）钢结构体系；钢管束组合剪力墙结构体系；多腔体钢板组合剪力墙结构体系；交错桁架结构体系和冷弯薄壁型钢结构体系。

2.1　装配式钢框架结构体系

装配式钢框架结构体系是指采用型钢梁柱、预制楼板或叠合板、预制墙体和楼盖组成的框架结构，具有空间布置灵活、塑性韧性好、抗震性能优异等优点，但其抗侧刚度较小，一般适用于6层以下的多层建筑。梁柱连接一般为刚性或半刚性节点。常用的外墙板主要有蒸压轻质加气混凝土（autoclaved lightweight concrete，ALC）墙板、预制现场装配式轻钢龙骨复合墙板以及预应力混凝土夹芯复合墙板，其中ALC板具有轻质高强、保温隔声性好、施工方便、耐火持久、渗透能力强等特点，在装配式建筑中已得到广泛使用 ^[2] 。楼板主要有压型钢板组合楼板、钢筋桁架楼承板、混凝土叠合楼板以及PK预应力叠合楼板，其中钢筋桁架楼承板受力合理、整体性能较好、施工速度快、应用范围广；PK叠合板采用带肋薄板构件，轻质高强、承载能力及抗裂性能好，运输和安装便捷。

不少学者针对装配式钢框架结构体系开展了研究，主要集中在柱脚构造、梁柱连接构造、墙体类型等。陈云等 ^[3] 为减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏，提出了一种具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构，如图2所示。该结构主要由钢柱、中间梁段、短梁段、自复位柱脚和金属耗能梁柱节点组成，利用梁端转动时短梁段与长梁段之间的间隙的张开与闭合引起金属阻尼器发生拉压塑性变形来耗能。研究表明，该结构具有较好的自复位性能和耗能性能，有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标。李江东 ^[4] 提出了一种可变梁高的装配式梁柱节点，如图3所示。该类节点主要由梁、柱、T形件以及L形件4部分组成，可以根据一定范围内梁高的变化对梁下翼缘连接件的位置进行适当调整，方便施工。研究表明，该节点具有较大的初始刚度及承载力，具有良好的抗震性能。

图2　装配式摇摆钢框架构造

Fig.2　Details of the prefabricated swing steel frame

图3　可变梁高装配式梁柱节点

Fig.3　Variable beam height prefabricated steel frame joints

美国提出的ConX体系，其梁柱连接组件是一种套板拼装连接 ^[5] ，分为ConXL与ConXR两种形式。ConXL连接的基本构造形式如图4所示，其组装过程如图5所示。连接节点的套板为T形，在梁柱拼装时，将梁端套板插入由两个柱面套板组成的空间内，使钢梁从上往下就位，并使用高强螺栓紧固。卢俊凡 ^[6] 对ConXL节点进行了改进，根据国内的钢结构设计规范对节点的螺栓间距、位置以及连接板的构造进行重新设计和布置，改进后的装配式节点如图6所示。研究表明，该节点的破坏发生在梁端削弱处，符合“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的设计理念，具有良好的抗震性能。

图4　ConXL连接的基本构造

Fig.4　Basic construction of ConXL joints

图5　ConXL节点的组装过程

Fig.5　Assembly process of ConXL joint

图6　新型装配式节点构造

Fig.6　New prefabricated joint construction

张爱林等 ^[7] 提出了一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点，节点装配过程如图7所示。研究表明，该节点装配便捷且具有良好的滞回性能、耗能能力、延性性能。曹正罡等 ^[8] 分析了蒸压加气混凝土（ALC）墙板以及轻钢龙骨纸面石膏板填充墙（LSF干式墙）对装配式钢框架的滞回性能、刚度退化以及耗能能力的影响。研究表明，ALC墙板可延缓钢框架的失效，并提高钢框架的初始刚度、峰值荷载以及耗能能力，而LSF干式墙板对钢框架力学性能的影响不明显。ZHANG等 ^[9] 和张爱林等 ^[10] 提出了一种震后可恢复功能装配式预应力钢框架体系及一种采用螺栓腹板摩擦装置（PSC连接）的震后可恢复功能装配式钢框架节点，如图8所示。该结构体系通过高强螺栓耗能，在节点内置钢绞线的预应力作用下自动复位。研究表明：该框架结构具有良好的开口闭合机制，能够在地震后自动复位并恢复结构功能，设计合理的节点传力性能良好。  

图7　带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点装配示意图

Fig.7　Schematic diagram of beam-column joint assembly with a Z-shaped cantilever beam splicing

图8　震后恢复功能装配式预应力钢框架体系

Fig.8　Prefabricated prestressed steel frame system with post-earthquake recovery function

装配式钢框架结构体系具有较广泛的工程应用，例如山东省装配式建筑示范工程——文昌嘉苑项目，总建筑面积为69万㎡，其中17 ^# 楼主体结构采用装配式钢框架结构，楼板采用PK预制板，外墙板及内墙板均采用ALC板；该设计采用了一体化的集成设计，即预制构件设计、建筑设计、室内设计是相互配合同步推进的，这在一定程度上减少了作业量。

2.2　钢框架-支撑结构体系

钢框架-支撑结构体系是在钢框架结构体系的基础上在框架上设置支撑结构，形成共同工作的双重抗侧力结构体系。与纯钢框架相比，该结构抗侧刚度更大，抗震性能更优。

中心支撑的水平刚度较大，构造简单；但中心支撑的设置不利于门窗洞口的开设，且该结构在地震后易发生侧向屈曲，导致结构体系无法继续正常工作。偏心支撑在中心支撑基础上增加了耗能梁段，抗震性能更优；但其构造复杂，大震后耗能梁的屈服会导致楼板破坏，支撑体系会出现变形，耗能能力有限。防屈曲支撑是一种新型耗能支撑，在普通支撑的外围加入约束套筒，从而防止支撑在受压过程中发生屈曲；防屈曲支撑在地震作用下有着较好的稳定性能及优越的耗能能力、抗震性能 ^[11] 。

远大集团自主研发了装配式斜支撑节点钢结构框架体系，并以该体系为核心，研发了梁、柱、楼板、墙板等配套体系，形成了一套完整的钢结构住宅系统。该结构体系的立柱与楼板采用螺栓连接，立柱与楼板的梁围成矩形，两者之间安装布置有斜撑。楼板采用集成式组合楼板，是由钢筋混凝土压型钢板组合楼板集成水、电、暖、通风系统的架空钢框架夹层。钢柱与组合楼板的连接采用插入式套装，并通过高强螺栓连接或者法兰连接。墙体系统由龙骨及龙骨间的发泡材料连接固定组成，墙体可集成门或窗，可预装内装饰面板、外装饰面板，墙体外部还可贴隔热材料。中国建筑科学研究院对7层和30层远大可建1:4及1:10“等效模型”进行了抗震试验，结果表明结构的抗震水平达到9度（0.6g），但存在薄弱环节，试验过程中仅有少量斜撑屈服，且不满足“强连接弱构件”的要求，结构体系、节点连接均需要进行进一步的优化设计。张文献 ^[12] 对装配式斜支撑节点钢框架进行了Pushover分析，结果表明，该结构具备良好的抗震性能，斜支撑的布置减少了该结构在地震作用下的变形。

王伟等 ^[13] 对一种新型分层装配式支撑钢结构体系进行了改进和研究。如图9所示，该体系的梁柱连接采用梁贯通式全螺栓端板节点，即在梁柱节点处保持梁通长、柱分层，通过螺栓将柱子端板与梁翼缘直接连接。该体系工业化程度高、技术集成度高、设计便捷、品质稳定、施工周期短，同时还具有耐久、保温、隔热、防火、隔音、防潮等特点。但不满足“强柱弱梁”的设计理念，最终表现为层破坏机制，故仅适用于普通低层多层住宅领域。陈越时等 ^[14] 为探究分层装配支撑钢框架体系在真实地震动作用下的响应，进行了振动台试验研究。结果表明，分层装配支撑钢框架体系应用于低多层建筑时具有优良的抗震性能与震后可恢复性。

图9　新型分层装配式结构梁柱节点示意图

Fig.9　Schematic diagram of the new floor-by-floor fabricated structure beam-column joint

钢框架-支撑结构体系具有较多的工程应用，位于湖南湘阴县的“T30A塔式酒店”即采用了远大集团装配式斜支撑节点钢结构框架体系，如图10所示。该建筑共30层，建筑面积共1.7万㎡。主体结构施工仅用15d。整栋建筑被划分为若干块空间模块，墙体、门窗、电气、空调、照明、给排水等工程均在工厂中制造完成，随后运输至施工现场进行吊装。徐雨濛 ^[15] 对“T30A塔式酒店”的综合性能进行了分析，建立了装配式建筑可持续发展的评价模型，结果表明该建筑在装配式建筑中处于中上游水平，但存在成本较高的问题。

图10　T30A塔式酒店现场施工

Fig.10　Site construction of T30A tower hotel

2.3　钢框架-钢板剪力墙结构体系

钢框架-钢板剪力墙结构体系是在钢框架结构体系的基础上，在框架内设置钢板的双重抗侧力结构体系。该体系耗能能力强、结构刚度大，但成本较高。

张爱林等 ^[16] 提出了一种适用于装配式高层钢结构的两边连接间断式盖板钢板剪力墙连接 （discontinuous cover-plate connection，DCPC）节点，节点构造如图11所示，并对一个采用DCPC节点连接和一个采用传统焊接节点连接内嵌墙板与框架梁的钢框架-钢板剪力墙进行试验对比。结果表明：带DCPC的装配式两边连接钢框架-钢板剪力墙具有良好的抗震性能，符合“强框架弱墙板”、“强柱弱梁”的设计理念；DCPC节点耗能能力更优，保证了良好的震后可修复功能。

图11　DCPC节点侧面构造

Fig.11　Side detail of DCPC joint

HITAKA等 ^[17] 提出了带缝钢板剪力墙。研究发现，通过缝间板条消耗能量，延性、耗能能力较好，施工简便。刘佳 ^[18] 提出了一种新型的高层抗侧耗能构件——防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙，通过在开设一定数量斜槽的钢板两侧布置混凝土板，用分布在斜槽上的螺栓紧密连接两块混凝土板，从而约束开斜槽钢板的平面外变形，使各斜杆通过拉压耗能。该新型构件具有承载机制明确且方便参数化设计的优点。JIN等 ^[19] 对带防屈曲开斜槽耗能钢板剪力墙的稳定性进行了分析。

张艳霞等 ^[20] 提出了一种新型带有开缝钢板剪力墙的装配式自复位钢框架结构，如图12所示，并进行了拟静力试验。结果表明，该结构具有良好的开口闭合机制，可实现震后自复位且通过更换钢板墙可以快速恢复主体结构功能。彭汉等 ^[21] 将开斜槽钢板墙应用于钢框架结构中，形成新型的钢框架-开斜槽钢板墙装配式结构体系，如图13所示。并对结构的抗震性能进行分析。结果表明，开斜槽钢板墙具有较大的抗侧刚度，能充分发挥耗能作用，符合双重抗侧力体系的原则，具有优越的抗震性能。张慧武 ^[22] 提出了装配式梁柱铰接钢框架屈曲约束钢板剪力墙（prefabricated steel frame-buckling-restrained steel plate sheer wall system with pinned beam-column connections，简称P-BRW）体系，如图14所示。该体系柱贯通、梁铰接，便于装配化。研究表明，在8度（0.2g）及以下地震设防烈度的罕遇地震作用下，能够保证梁柱继续处于弹性状态，提供足够的恢复力，便于整体结构在震后的“自复位”功能的实现，适合钢结构建筑工业化的发展要求。

图12　装配式自复位钢框架-开缝钢板剪力墙构造

Fig.12　Detail of prefabricated self-centering steel frame with slit steel plate shear wall

图13　钢框架-开斜槽钢板墙装配式结构

Fig.13　Prefabricated structure of steel frame-slotted SPSW

图14　P-BRW结构示意图

Fig.14　Schematic diagram of P-BRW structure

四川省都江堰灾后重建重点项目——“兴堰·逸苑”全钢结构安居房采用了钢框架-带缝钢板剪力墙结构体系 ^[23-27] 。在工程中发现，带缝钢板剪力墙适用于建筑布局复杂、门窗洞口较多的建筑，且不需要沿建筑物竖向通高布置。但其成本较高、加工工艺复杂，同时存在防火、防腐、外围护、后期装修等一系列问题，该结构体系还需进一步改善。

2.4　钢框架-核心筒结构体系

钢框架-核心筒结构体系是由外部钢框架及内部核心筒组成的结构体系，如图15所示。内部核心筒主要承担水平荷载，外部钢框架主要承担竖向荷载。该体系抗侧刚度较大、稳定性较好，具有良好的空间性能，被广泛应用在高层建筑中。但混凝土核心筒的浇筑作业量较大，且破坏后果较为严重，不利于装配化，在装配式钢结构建筑中应用较少。

钢框架与核心筒一般采用刚接或铰接。钢梁与钢筋混凝土剪力墙采用铰接时，可在钢筋混凝土墙中设预理件或在钢筋混凝土剪力墙中设置钢柱；当钢梁与墙采用刚接时，通常在钢筋混凝上剪力墙中设钢柱进行连接 ^[28] 。

河北省的沧州天成装配式钢结构住宅项目总建筑面积为3.7万㎡，共包括10栋住宅，其中7 ^# 楼采用矩形钢管混凝土框架-现浇混凝土核心筒结构体系，地上27层，地下3层，建筑总高度为78.6m。楼板采用钢筋桁架楼承板，外围护墙体采用半内嵌ALC蒸压加气混凝土条板，内隔墙采用标准层ALC条板墙面以及混凝土砌块墙面。项目计算得到的装配率为71%，具有装配式住宅的优势，但总体成本较高。

图15　钢框架-核心筒结构体系

Fig.15　Steel frame-core tube structure system

2.5　模块化建筑结构体系

模块化建筑结构体系以每个房间作为一个模块单元，在工厂进行预制生产后运输至现场并通过可靠的连接方式组装成为建筑整体。该体系可以满足不同的功能需求，室、内外装修均在工厂进行，无需二次装修，现场施工速度快；但其运输较为不便。模块化建筑可分为纯模块结构以及模块与其他体系的混合结构。纯模块结构的抗侧刚度较差，故当建筑高度或高宽比增加、仅靠纯模块结构本身不足以抵抗水平荷载时，可采用模块与其他体系的混合结构，即模块单元承受自重和竖向荷载，模块与其他体系共同组成抗侧力体系 ^[29] 。

模块化建筑最受关注的应用是由集装箱改造而成的模块化建筑，其运输方便、拆装灵活，技术水平在欧洲已经较为成熟。李英磊等 ^[30] 对集装箱模块化组合房屋单体的纵向抗侧刚度及承载力进行了数值分析，提出了纵向抗剪刚度的计算公式；分析了不同开洞率下集装箱的纵向屈服和极限承载力，并给出了相应的承载力设计值建议。GIRIUNAS等 ^[31] 建立了有限元模型对集装箱模块进行分析，结果表明，外围护板件使用波纹板的集装箱模块，抗侧刚度和承载力均有所提高。丁阳等 ^[32] 对模块化集装箱建筑波纹钢板剪力墙的抗震性能进行了试验研究，结果表明：增加波纹板厚度和长度均可提高试件抗侧刚度和承载力，设置竖缝可提高波纹钢板耗能能力，但会降低试件的抗侧刚度。

刘学春等 ^[33] 提出一种盒子式模块化装配式钢结构建筑体系，并对连接节点进行了分析。其角柱、边柱、中柱的连接节点如图16所示。该体系在现场采用法兰连接件将各个模块通过螺栓连接。分析表明：该节点具有较好的静力承载性能和良好的抗震性能，且进一步提高了装配率。

图16　角柱、边柱、中柱的连接节点

Fig.16　Connection joints of corner column，side column and center column

CHEN等 ^[34] 提出了一种双向内施工盖板螺栓节点，如图17所示。角柱端部卡在中心位置处由若干凸台焊接形成的抗剪键上，凸台可以抵抗水平荷载并保证安装准确。梁端留有螺栓孔，并附有在螺栓孔处开孔的盖板。安装时，在下层梁端放置好连接板，将中心抗剪键卡入下层柱内，再将上层柱卡入抗剪键中，最后在上层底梁添加连接板插入螺栓并与下层顶梁拧紧 ^[35] 。该连接节点能适用于多种建筑位置，安装较为便捷，但对安装误差较为敏感。CHEN等 ^[36] 提出了一种竖向梁端铸钢节点，如图18所示，并采用有限元方法模拟了其抗压和抗弯性能。角部连接件为十字形钢板+上、下2块盖板，外侧盖板设置有螺栓孔，上、下铸钢件由螺栓连接，模块内铸钢件与梁柱的连接采用焊接形式。但该连接节点对施工空间要求高，只能用于建筑的角部，实现单根角柱的上下连接 ^[36] 。LACEY等 ^[37] 提出一种竖向定位件焊接在矩形钢管柱端板上、竖向螺栓连接、水平连接板连接的节点，如图19所示，并对剪力-滑移特性进行了试验研究，该新型的联锁模块间连接将结构螺栓与联锁单元相结合，可以改善结构的可施工性和剪切力-剪切性能。且该连接方案能够相互连接8个模块，现场安装相对容易。但P2板需要现场安装，随后需对螺栓进行现场安装和张紧，可能会干扰建筑装修。  

图17　无加劲肋、有加劲肋的双向内施工盖板螺栓节点

Fig.17　Bolted joints of two-way internal construction cover plate without stiffeners and with stiffeners

图18　竖向梁端铸钢节点

Fig.18　Cast steel joints at the end of the vertical beam

图19　一种新型的联锁模块间连接

Fig.19　A new type of interlocking module connection

LACEY等 ^[38] 提出了一种数值模拟方法，将模块间连接的平动和转动行为简化，能够预测整体结构对侧向荷载的响应，尤其对模块间连接的弯矩-转动和力-位移行为进行了简化，并纳入到整体结构模型中。通过与以往研究的比较，验证了该方法的有效性，并将其推广到选定的6层案例研究建筑中。结果表明：模块间连接刚度，特别是沿荷载方向的平移刚度对整体响应有较大影响。

ANNAN等 ^[39] 评估了带斜撑的模块化单元在循环荷载作用下的滞回特性，并提出了一个能够捕捉系统独特详细需求影响的分析模型且进行了验证，验证结果良好。

武汉雷神山医院是纯模块结构，总建筑面积约7.9万㎡。其中病区护理单元如图20所示，采用轻型模块化钢结构组合房屋（箱式房）结构体系。箱式房模块构件如图21所示。模块单元整体采用钢结构骨架和彩钢复合板墙体。骨架以冷弯薄壁型材为主要材料，通过焊接连接，结构的整体性强、承载力高。墙体大都是彩钢板饰面+玻璃丝保温棉等填充材料构成复合墙体。箱体屋面带有防水保温系统，在四角暗置了排水系统。该项目以目前较成熟的轻型钢结构装配式模块化建筑工业体系为中心，辅以高效的设计及施工，实现了建筑、结构、设备及内装一体化建造，在极短的时间内顺利完成了建设。

图20　病区护理单元箱式房现场安装

Fig.20　The installation of the box-type  room of the nursing unit in the ward

图21　箱式房模块构件示意图

Fig.21　Schematic diagram of box-type house module components

2.6　方钢管混凝土组合异形柱结构体系

陈志华 ^[40] 研发了方钢管混凝土组合异形柱结构体系，如图22所示。该体系是由内部浇筑了混凝土的方钢管柱，按照一定方式组合连接形成异形柱组成。该结构体系解决了梁柱凸出问题，增大了建筑内部的使用面积，形式灵活、方便房间的布置，抗震性能良好。但该体系在施工方面与其他体系相比较为困难。

图22　方钢管混凝土组合异形柱

Fig.22　Composite special-shaped column of concrete filled square steel tubes

周婷 ^[41] 提出了以螺栓直接连接、螺栓间接连接以及开孔钢板连接的方钢管混凝土组合异形柱，并对其静力性能进行了比较。发现采用焊接开孔钢板连接的方钢管混凝土组合异形柱性能最优，提出了方钢管混凝土组合异形柱外肋环板节点构造形式和计算方法。并提出了方钢管混凝土组合异形柱-H形钢梁结构体系的设计方法和细部构造，进行了结构体系的受力性能分析。结果表明，方钢管混凝土组合异形柱结构体系用于低层建筑时较单柱体系更优，具有较好的抗震性能，能够抵御罕遇地震。

王亚雯 ^[42] 提出了无孔钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱。对连接板无孔和开孔构造的性能差异进行了比较，并将方钢管混凝土组合异形柱在往复荷载作用下的受力过程进行了有限元模拟。结果表明，在轴压荷载下，连接板不开孔提高了构件的极限承载力；在往复荷载作用下，无孔钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱的延性比有孔式略低，而其极限承载力和耗能能力相比有孔式略有提高。综合受力性能与加工、施工复杂程度，无孔钢板连接式方钢管混凝土组合异形柱更优。贾雨萌 ^[43] 对3榀2层单跨的方钢管混凝土组合异形柱-H形钢梁框架在恒定轴压力和往复水平力作用下的力学性能进行了试验研究及有限元分析。结果表明：方钢管混凝土组合异形柱-H形钢梁框架具有良好的耗能能力和延性，强度和刚度退化不明显，具有良好的抗震性能。有限元模型的应力变化与试验结果基本同步，服从梁端先形成塑性铰，随后柱脚屈服的破坏模式。王先铁等 ^[44] 对方钢管混凝土柱框架内置中间开洞薄钢板墙结构抗震性能进行了试验研究。结果表明：该结构具有较高的承载力、抗侧刚度以及良好的耗能能力；钢板墙开洞会降低结构的承载力和抗侧刚度；在洞口周边设置加劲肋可以降低钢板墙的高厚比，改善钢板墙的受力性能。

王亚雯等 ^[45] 对异形柱结构在多遇地震和罕遇地震下的承载力、变形能力及屈服机制建立有限元模型进行分析。结果表明，方钢管混凝土组合异形柱结构在多遇地震和罕遇地震下均有较好的抗震性能，作为一种绿色建筑形式，在地震多发区和村镇地区有较好的应用前景。

沧州福康家园项目采用矩形钢管混凝土组合异形柱框架-支撑体系，支撑主要采用人字形支撑形式，局部采用十字交叉形支撑。楼板主要采用钢筋桁架楼承板，墙板采用蒸压加气混凝土板。考虑到成本因素，板材主要以经济性为主，故在板材选用方面仍有上升空间以达到更高的结构装配率和更优的用户居住体验。

2.7　隐式框架-支撑（钢板墙）钢结构体系

杭州铁木辛柯建筑结构设计事务所有限公司 ^[46] 研发了隐式框架-支撑（钢板墙）钢结构住宅体系，制作过程如图23所示。该体系的主体结构由宽钢管混凝土柱、窄翼缘H形钢梁、钢支撑或钢板剪力墙组成，梁柱刚接节点采用无隔板刚接连接，楼板采用钢筋桁架楼承板或装配式钢筋桁架楼承板，内、外墙体采用目前市场应用较为成熟的装配式加气混凝土条板墙或预制装配板等。该结构体系室内无凸柱凸梁，布局灵活；采用了标准化、工业化部品构件；构件的二次加工量少，制作简单、质量可靠、成本较低；总体符合产业化要求，装配化率较高。

付波等 ^[47] 对考虑整体和构件几何缺陷的隐式框架-支撑结构进行了动力弹塑性二阶效应分析，结果表明，罕遇地震作用下，该结构能够满足“强框架弱支撑”、“强柱弱梁”的要求，且满足规范“大震不倒”的要求。

菏泽市东南湖区闽江路安置小区49 ^# 、51 ^# 楼工程项目的建筑结构形式采用了隐式框架-支撑结构体系，如图24所示。该项目采用了装配式钢筋桁架楼承板，内、外墙板分别采用轻质加气混凝土条板和CF加气混凝土条板外墙，并在CF加气混凝土条板外层做防水层和装饰层。经计算，与组合钢板剪力墙体系方案相比，隐式框架钢结构住宅体系的用钢量下降到68kg·m ^-2 ，为组合钢板剪力墙方案用钢量的80%；竖向构件混凝土用量下降到200m ³ ，为组合钢板剪力墙方案混凝土用量的50%。表明该结构体系经济效益较好，且采用标准型材大幅减少了二次加工量，普通的轻钢生产线即可对所需部品进行加工。

图23　隐式框架钢结构制作过程

Fig.23　The manufacturing process of the hidden frame steel structure

图24　菏泽闽江路小区现场施工

Fig.24　On-site construction of Minjiang Road Community in Heze

2.8　钢管束组合剪力墙结构体系

杭萧钢构股份有限公司研发了钢管束组合剪力墙结构体系，如图25所示，主要承重和抗侧力构件是由多U形钢管并排连接在一起形成钢管束，在其内浇混凝土形成的剪力墙。钢梁采用箱形梁或H形钢梁。楼板可选用现浇楼板、钢筋桁架楼承板、装配式钢筋桁架楼承板。钢管束组合剪力墙在平面内与钢梁间可采用刚性连接或铰接连接，在平面外与钢梁间均采用铰接连接。平面布置灵活，解决了梁柱凸出问题，重点部位的承重能力和抗侧力能力有所加强。但其造价较高，且钢管束焊接工作量大。

图25　钢管束组合剪力墙

Fig.25　Composite shear wall with multiple steel tubes

付波等 ^[48] 对钢管组合剪力墙结构体系进行了多方面的阐述。该结构体系的耐火性能满足相关要求，具有较好的承载力、抗侧刚度、抗震能力，延性好、施工方便、有广阔的应用前景。张晓萌 ^[49] 对1:1足尺的一字形和T形钢管束组合剪力墙模型进行拟静力试验研究及数值模拟，推导出适用于钢管束组合剪力墙正截面压弯承载力及抗剪承载力计算公式，最终得到钢管束组合剪力墙骨架曲线的三折线简化计算模型、墙体的滞回规律，建立钢管束组合钢板剪力墙恢复力模型。

杭州钱江世纪城人才专项用房项目11 ^# 楼采用了钢管束组合剪力墙结构体系，如图26所示。该项目地下2层，地上30层，建筑高度为95.1m。从开工至封顶仅用60d。该项目的楼板采用预制装配式钢筋桁架楼层板，内、外墙板分别采用CCA板灌浆外墙及CCA板复合内墙板。11 ^# 楼的主要构件均为工厂标准化制作、现场装配式安装，且没有现场湿作业，垃圾产生极少、噪音小、绿色环保。

图26　杭州钱江世纪城人才专项用房项目11号楼现场施工

Fig.26　Site construction of No.11 building of Hangzhou Qianjiang Century City Talent Special Housing Project

2.9　多腔体钢板组合剪力墙结构体系

浙江东南网架股份有限公司研发了多腔体钢板组合剪力墙结构体系，如图27所示。该剪力墙墙体由外侧双钢板与矩形钢管、内部平面钢筋桁架焊接而成的具有多个竖向连通腔体的结构单元组成，能够根据建筑要求形成一字形、L形等多种结构形式。便于焊接、便于内部混凝土浇筑、布局灵活、施工速度快。

图27　桁架式多腔体钢板组合剪力墙构造

Fig.27　Details of double-skin multi-cavity composite wall with steel truss

周雄亮等 ^[50] 对桁架式多腔体钢板组合剪力墙短墙的轴压性能进行了试验研究，结果表明：钢筋直径、钢筋桁架节点间距及腔体端柱的不同形式对试件的极限承载力和屈服强度有一定的影响，内部桁架提高了钢板与混凝土之间的协同工作能力，进一步提高了试件的极限承载力及屈服强度。韩建红等 ^[51] 对3片不同轴压比的桁架式多腔体钢板组合剪力墙试件进行了拟静力试验，结果表明：新型桁架式多腔体钢板组合剪力墙具有较高的承载力、良好的延性和耗能能力，轴压比对试件的抗剪承载力和刚度退化的影响较小，轴压比较小时试件具有较好的延性。陈伟刚等 ^[52] 提出了四类不同构造的桁架式多腔体钢板组合剪力墙与H形钢梁节点，如图28所示，并进行了试验研究和有限元分析。结果表明：4个节点均能实现“塑性铰外移”的预期目标，滞回曲线均呈饱满的梭形，抗震性能良好，满足抗震规范要求，可以在桁架式多腔体钢板组合剪力墙结构中应用。

图28　墙-梁节点构造

Fig.28　Configuration of wall-beam joints

杭州转塘G-R21-22地块公租房采用了东南钢结构绿色建筑集成体系，楼板采用钢筋桁架楼承板，外墙采用装配式保温装饰一体化轻质节能复合外墙，室内采用装配式轻质隔墙系统，配套系统采用集成内装、集成卫浴、集成厨房、太阳能热水等。该项目采用了全套装配式钢结构建筑集成体系，装配率较高。

2.10　交错桁架结构体系

交错桁架结构（staggered truss structure，STS）体系 ^[53-54] 是指桁架隔层隔跨布置，支撑在框架柱上的结构体系，如图29所示。该结构体系适用于多高层住宅、旅馆、办公楼等矩形平面以及由矩形平面组成的钢结构房屋。该体系的建筑内部空间大、布置灵活、用钢量少、经济效益较好。该体系的柱可采用H形钢柱、钢管柱或钢管混凝土柱，楼板可采用预制空心楼板、叠合楼板、压型钢板或现浇钢筋混凝土楼板，桁架可采用混合式桁架、空腹式桁架或帕式桁架等，如图30所示。混合式桁架刚度适中，空腹区域弦杆设计为耗能构件，抗震性能优于帕式桁架，同时空腹区域也可作为内走廊，因此应用最为广泛 ^[55] 。

图29　交错桁架结构体系

Fig.29　Staggered truss structure system

图30　桁架种类

Fig.30　Truss types

SIMASATHIEN等 ^[56] 提出了一种改进的STS体系，即在桁架中采用多个空腹节间来提高耗能节间长度；在非桁架框架中增加对角支撑以减轻对柱的需求；同时用水平钢桁架替代由预制混凝土板组成的传统横隔板，用于在较低楼层传输大横隔板剪力。设计了一个改进后的STS体系模型，并通过非线性时程分析对三维模型的抗震性能进行了评估。分析表明：改进后的STS抗震性能有所提升，但用钢量有所增加。

KIM等 ^[57] 对STS的抗震性能进行了评估，提出了在空腹区增设内部柱、在无桁架连接的柱子处设置端部支撑、在空腹区设置拉索的改造方案。研究表明，原STS结构具有足够的强度，但延性有限，提出的改造方案可以提高STS的抗震性能。增设内部柱可以大大提高STS体系的抗震性能，设置端部支撑和拉索对STS体系的强度和延性也有一定的提高作用。陈伟 ^[58] 对装配式STS体系滞回性能受节点刚性的影响做了相关分析，结果表明：节点转动刚度对装配式STS的屈服强度及极限承载力影响非常小，对抗侧刚度、楼层侧移和层间位移角影响较大，对滞回性能影响较小。桁架高度、跨度等对结构的刚度、承载力、层间位移角及延性性能都有较大影响。杜一鹏 ^[59] 对装配式STS体系静力性能受节点刚性的影响做了相关分析，结果表明：结构刚度及承载力会随着桁架节点转动刚度的增加而提高，对结构下部桁架应当进行加强。金峰华 ^[60] 对竖向荷载下装配式STS体系桁架与柱连接节点受力性能进行了试验研究，采用实际荷载设计节点时，节点半刚性可以提高试件的承载力及刚度、降低延性，而当采用等强连接设计节点时，节点形式对试件的受力性能影响不大。轴压比以及混凝土强度等级对试件的极限承载力的影响较小。

位于美国康哈特福德的夏季住宅共21层，1~5层采用钢框架结构，6~21层采用STS体系，楼板采用预制空心板；位于美国纽约的福特汉姆大学法学院与麦克恩学生宿舍，共22层，上部13层为STS体系，楼板采用预制空心板 ^[55] 。这些应用实例均体现出较好的综合效益。

2.11　冷弯薄壁型钢结构体系

冷弯薄壁型钢结构体系是指采用由镀锌钢板或普通钢板经冷弯形成的轻钢龙骨作为钢框架的结构体系，如图31所示。该结构体系绿色环保、自重轻、抗震性能好、装配化程度高、施工速度快。目前，冷弯薄壁型钢结构房屋在中国的研究及工程应用主要集中在低层（1~3层）建筑，且墙体构造均为传统覆轻质墙板组合墙体。多层（4~6层）冷弯薄壁型钢结构住宅工程实例较少，且缺少相关试验数据及设计理论支撑 ^[61] 。

图31　冷弯薄壁型钢结构体系?

Fig.31　Cold-formed thin-walled steel structure system

周绪红等 ^[62] 详细阐述了低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系的组成、材料、基本构件形式、构件构造、紧固件连接要求，以及该结构体系的保温隔热、隔声、防火与防护、防潮等具体构造措施。外墙板和楼面板一般采用经防水防腐处理后的定向刨花板（OSB板）或胶合板。外墙的内侧墙板、内墙墙板以及吊顶通常采用防火石膏板，厨房与卫生间采用防水石膏板或其他防水、防火板材。

刘晶波等 ^{[63 ]} 建立了有限元模型，对低层冷弯薄壁型钢结构住宅的整体性能进行了分析，结果表明，低层冷弯薄壁型钢结构的整体性能良好，其承载力和变形的要求在6度设防地区可以得到满足，且具有较充足的安全储备。黄智光等 ^[64] 对一个冷弯薄壁型钢3层足尺模型进行了的振动台试验，结果表明：该房屋在9度多遇地震下的墙体剪力均小于限制，具有较高的安全储备。史艳莉等 ^[65] 在考虑冷弯薄壁型钢构件及门窗洞口加强与否、组合墙体作用与否等情况下进行了设防烈度不同时的静力分析、弹性时程分析和弹塑性时程分析，结果表明：常遇地震作用时结构弹性层间位移由风荷载控制，罕遇地震作用下结构弹塑性层间侧移则由地震作用控制；是否考虑组合墙体及墙面板材料特性对结构承载力、变形及抗震性能影响显著。墙面采用双面OSB板且角柱加强时，结构的抗震性能最好。

YE等 ^[66] 提出了一种新型冷弯型钢组合剪力墙建筑体系，并提出了该体系的抗震分析简化模型。随后对一座5层1∶2缩尺强边柱冷弯型钢剪力墙结构房屋进行了单一地震波单向输入的振动台试验，验证了模型的有效性。WANG等 ^[67] 对5层足尺冷弯薄壁型钢建筑中的一个横跨建筑底部3层的外部建筑立面和每层的室内隔墙系统两种剪力墙结构进行了单向输入地震动振动台试验，得到了冷弯型钢墙体系统在建筑立面中使用时的破坏机制。

ZHOU ^[68] 提出了两种新型冷弯薄壁型钢钢板剪力墙：冷弯薄壁型钢帽形截面端柱夹支单层薄钢板剪力墙和钢管端柱双面蒙皮钢板剪力墙，如图32所示。帽形截面端柱夹支单层薄钢板剪力墙由竖向双肢帽形截面端柱、水平双肢L形梁及内嵌0.8mm厚薄钢板通过ST5.5自攻螺钉连接而成 ^[61] 。钢管端柱双面蒙皮钢板剪力墙采用6mm厚方钢管作为墙体端柱，其余立柱、导轨及横撑采用C形及U形冷弯薄壁型钢构件形成钢骨架，0.8mm厚薄钢板通过ST4.8自攻螺钉与钢骨架连接 ^[61] 。对其抗剪性能进行试验研究，结果表明：两类新型钢板剪力墙的承载力及刚度均明显高于传统冷弯薄壁型钢组合墙体。周绪红等 ^[61] 基于对两类新型钢板剪力墙抗剪性能的试验研究，设计了一个6层足尺冷弯薄壁型钢钢板剪力墙结构房屋并分两个阶段进行了振动台试验，如图33所示。在水平地震荷载作用下，施工阶段房屋模型水平剪力全部由剪力墙承担；正常使用阶段，房屋模型水平剪力由墙面板的蒙皮效应与钢板剪力墙共同承担，但随着地震输入加速度峰值的增大，墙面板螺钉连接趋于破坏，蒙皮作用逐渐降低至失效。

图32　两种新型冷弯薄壁型钢钢板剪力墙

Fig.32　Two new types of cold-formed thin-walled steel plate shear walls

图33　振动台试验模型

Fig.33　Shaking table test model

现代·森林国际城钢构住宅均为5层花园式洋房，共9栋，总建筑面积为2万㎡，该项目的1 ^# ~3 ^# 、8 ^# ~13 ^# 楼为冷弯薄壁型钢结构住宅，是运用美国华新顿国际工业公司的“W-IBS冷弯薄壁型钢结构系统”技术建造而成的。房屋质量、居住品质总体效果较好。但其外墙未采用预制复合板，构造层次复杂，需现场层层施工，工序烦琐；部分施工工艺及工程材料存在渗漏隐患，且不便于整修。该结构体系还有一定的完善空间。

3　目前存在的主要问题

（1）结构整体的抗震性能试验较少

目前针对新型装配式钢结构构件及节点的分析和试验研究较多，但对结构整体的抗震性能试验还不够充分。对新型装配式钢结构进行整体足尺试验可以进一步探究其结构构件及节点在结构整体抗震过程中发挥的实际作用。

由于试验条件的限制，开展装配式钢结构的整体抗震性能试验存在一定困难，但通过混合模拟 （real-time hybrid simulation，RTHS）技术，将新型装配式钢结构构件或节点作为主要研究对象，得到地震过程中整体结构和装配式部件子结构的时变内力，可较为准确地获得结构整体和局部的地震反应性态，在一定程度上解决上述困难，为分析、设计提供依据 ^[69] 。

（2）结构的防火防腐性能

钢结构在耐火及耐腐蚀方面性能较差。在高温作用下，钢材的强度和刚度均有明显降低，导致结构构件发生破坏，进而引起内力重分布，最终导致建筑结构整体破坏；在腐蚀作用下，钢材的强度、韧性等均有明显降低，同时也会影响整体结构的耐久性。装配式钢结构建筑中，防火措施主要为采用防火涂料或防火板材，防腐措施主要为镀锌或采用防腐涂料。目前对装配式钢结构建筑防火防腐性能的研究较少，应考虑探究效率更高、工序更简便的防火防腐措施，以完善装配式钢结构建筑的整体性能。

（3）标准化、工业化程度不足

目前我国装配式结构构件还没有一个统一的标准。由上述研究现状可以看出，不同企业、高校研究制作的结构构件各有不同，无法通用，部品化率较低，阻碍了建筑产业化的进程。发达国家和地区的钢结构住宅的部品化率很高，如美国新建住宅通用部品已达到80%左右 ^[70] 。而目前国内在装配式建筑领域走在前列的上海，新建建筑预制率刚超过40%。同时由于部品的针对性、独有性，其价格居高不下，对装配式钢结构住宅的成本价格造成了一定影响，制约了装配式钢结构建筑的发展。

设计单位、生产单位应协同合作，形成一条信息互通的产业链，实现装配式钢结构建筑结构构件的标准化、模数化、工业化生产，降低生产成本，从而降低建筑造价，推动实现住宅的工业化、产业化。

（4）配套体系研究程度不足

由上述工程实例可以看出，目前装配式钢结构配套暖通工作、围护结构等的配套体系的研发较少，与钢结构建筑的配合不够。没有标准化的集保温隔热、隔音、防渗和装饰一体的“三板”构件及围护体系，容易出现渗水漏水、保暖防火工作不到位的情况；墙板、门窗的保温、隔热、隔音、气密性难保证；预制墙体间连接及其与主体结构的填缝难处理 ^[70] 。

配套设施对住宅的舒适度影响极大，但现阶段对配套体系的研究较少，其成本也较高。为了装配式钢结构建筑更加长远、广阔的发展，应加强技术创新，改善配套设施尤其是围护结构的保温、防火、防水等性能。

（5）建设成本较高

纵观现有的装配式钢结构住宅，在工程造价方面均有提及建设成本较高的问题，而建设成本直接影响了住宅的价格。凤凰网基于筑傲网及天风证券研究所的资料，对多个项目进行了综合比较，给出了不同装配率下装配式钢结构与传统建筑造价的增量成本和减量成本以及综合成本的相对比较，如表1所示。可以看出，由于装配率的不同，装配式钢结构建筑的成本增量在10%~25%左右。同时由于装配式构件工厂生产、现场安装，其运输的物流成本也较大。由于国内对装配式钢结构建筑尚未得到广泛认同，相比之下还是更加信任传统的且价格较低的钢筋混凝土结构住宅，没有认识到钢结构住宅在环境保护及日后围护等方面的综合效益，在一定程度上阻碍了装配式钢结构住宅在我国的推广。

建设成本较高的影响因素较多，除了前述的构件标准化、规范化对建设成本的影响外，用钢量大导致的建材成本高的问题在短时间内难以得到解决。但可以利用钢结构住宅空间布置较为灵活的特点，充分发挥钢结构住宅多样性、个性化、大空间的优势，在面积以及套型上作适当的个性化定制，以增强钢结构住宅的吸引力。

4　结  论 

通过以上装配式钢结构体系文献综述，可以得出以下主要结论：

（1）钢框架结构体系研究较为成熟，工业化程度高，经济效益好，普遍适用于6层以下建筑。

（2）钢框架-支撑结构体系和钢框架-钢板剪力墙结构体系可以较大地提高建筑的抗侧刚度，改进纯钢框架体系的不足，在国内应用较为广泛。

（3）钢框架-核心筒结构体系的核心筒浇筑作业量较大，且该体系破坏的后果较为严重，不利于装配化，在装配式钢结构建筑中应用较少。

（4）模块化建筑结构体系装配率高，可以实现建筑、结构、设备及内装一体化建造，施工速度快，适用于临时搭建的救灾中心等建筑。

（5）方钢管混凝土组合异形柱结构体系、钢管束组合剪力墙结构体系、多腔体钢板组合剪力墙结构体系是近年来新出现的装配式钢结构体系，其结构形式多样、平面布置灵活，解决了梁柱凸出问题，但施工作业量较大，同时存在成本较高的问题。

（6）隐式框架-支撑（钢板墙）钢结构体系采用标准化、工业化部品构件，布局灵活，室内无凸梁凸柱，构件二次加工量小，施工速度快，成本较低，具有良好的发展前景。

（7）冷弯薄壁型钢结构体系自重轻、装配化程度高，在低层建筑中具有良好的经济效益，研究与应用已经十分成熟，但在多高层领域中的研究与应用还较少，已成为近年来的研究重点。

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