工业化装配式高层钢结构体系创新研究

北京工业大学副校长、北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心主任张爱林认为，发展工业化装配式钢结构建筑特别符合我国化解钢产能过剩、发展绿色建筑的战略要求，是我国建筑业真正实现现代化的必由之路，也是保障灾后建筑重建速度和抗震安全的迫切要求。

一、发展工业化装配式钢结构是我国绿色建筑和生态文明建设的迫切要求
我国每年城乡新建房屋面积20亿平方米，其中80%以上为高能耗建筑，我国单位建筑面积能耗是发达国家的2倍以上。我国每年产生建筑垃圾近15亿吨，主要有渣土、碎砖瓦、碎砂石、碎混凝土等，但是能够进行资源化利用的不到百分之五。建筑施工和建筑垃圾运送是城市主要污染源之一，对空气污染的贡献率达20%。我国河道已无多少沙子可供混凝土建筑使用，南方有些城市已经出现了用海沙制作混凝土，其质量堪忧。


发达国家钢结构建筑面积占总建筑面积10%以上，美、日超过40%，而我国目前还不到5%，中国作为世界上建筑规模、钢材产量最大的国家，钢结构建筑发展严重滞后。


住房和城乡建设部发布的《建筑业“十二五”发展规划》将“钢结构工程比例增加”作为实现建筑节能的目标之一。


2013年1月1日，国务院办公厅转发发改委、住房和城乡建设部《绿色建筑行动方案》，明确提出要推广适合工业化生产的钢结构等建筑体系，加快发展建设工程的预制和装配技术，提高建筑工业化技术集成水平。要求“十二五”期间完成新建绿色建筑10亿平方米，到2015年城镇新建建筑20%达到绿色建筑标准。


2013年修订的《绿色建筑评价标准》将钢结构列为绿色建筑。毋庸置疑，钢结构可回收、循环使用，具有良好抗震延性，可持续发展、循环再利用的理念体现在建筑钢结构设计、施工、建造、拆除及异地重建的全过程。


目前，节能减排、控制污染已成为各级政府必须解决的重大问题。《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》明确提出，推广钢结构在建设领域的应用，提高公共建筑和政府投资建设领域钢结构使用比例，在地震等自然灾害高发地区推广轻钢结构集成房屋等抗震型建筑。


我国2020年国家钢结构发展规划重点是研究在各类建筑中应用钢结构新体系，扩大应用范围，钢结构设计标准与国际接轨、完善钢结构设计规范和标准；为实现钢结构住宅建筑产业化提供成套技术，研制快速安装、经济适用、安全可靠的钢结构体系、轻钢结构楼板等，应用于保障性住房工程设计。2020年，我国钢结构建筑占10%以上。我国建筑钢结构市场十分巨大，发展前景广阔。


二、发展工业化装配式钢结构是我国建筑业回归产业化、真正实现现代化的必由之路
目前，我国建筑企业的建筑工人有80%以上是农民工，他们大多数是打工者，属于流动人口，是体制外人员，本人和家庭均不享受从业地区居民待遇，不享受产业工人的劳动保障、福利、保险等法定待遇。大多数农民工没有经受过专门学习和专业训练，除简单施工劳动，难以承担工业化、现代化的建筑施工作业。我国建筑业只有走工业化、产业化道路才能实现现代化，才能结束我国建筑业的农民工时代，建筑业和建筑工人才能实现全面小康。因此，我国建筑业必须向建筑工业化、产业化方向转型。这一理念是我国建筑业转变经济增长方式和推动可持续发展的重要战略转型，真正为我国钢结构房屋（住宅）建筑相应体系创新及产业化提供了重大机遇。


新型工业化装配式钢结构建筑的本质是建筑设计的构件、部品要实现标准化、模块化。标准化、模块化的建筑构件或部品要像造机器那样实现工厂化流水线加工制作；建筑施工现场要像装配汽车或飞机那样把标准化、模块化、装配式的建筑构件或部品快速安装施工。


笔者认为，钢结构体系是最适合工业化装配式的体系，具体表现在以下三点：


一是钢材具有良好的机械加工性能，适合工厂化生产和加工制作。


二是与混凝土相比，钢结构较轻，适合运输、装配。


三是钢结构适合于高强螺栓连接，便于装配和拆卸。譬如，远大可建工业化装配式钢结构建筑突出的优点是采用工厂生产的成品标准模块，强化了建筑系统的标准化、系列化和通用化，建筑现场安装施工量仅占整个建筑用工量的7%，工厂化成都达到93%。在现场采用法兰和高强螺栓进行拼接，实现搭积木式快速施工安装。采用钢桁架支撑压型钢板混凝土组合楼板形成主板，集成了楼板、轻质墙板和水暖电等管线综合。施工现场做到“无火、无水、无尘、无垃圾”，建筑垃圾只有1%。


远大可建的BSB预制施工工艺获得世界高层都市建筑学会（CTBUH）2013高层建筑创新奖，证明该体系得到了国际行业领域的认可。评委会主席JeanneGang评价说：“这是在对高层建筑施工从根本上进行重新思考后，提出的一种清晰并且具有创新性的施工方式，为高层建筑下一阶段的发展提供了一个很好的平台。”工业化装配式钢结构建筑的突出优势有六点：


一是使得建筑业回归产业化，结束农民工建筑业时代，实现现代化建筑业大生产和建筑业现代化。


二是在工厂加工制作，垃圾和废料的回收率很高，污染得到净化处理，实现绿色施工、节能环保，大幅度减少施工垃圾，降低施工污染。


三是确保结构大震不倒，保障人们的生命安全。


四是实现快速施工，可实现灾后快速修复，灾后快速重建。


五是能实现循环利用，可拆卸异地重建。


六是真正实现全寿命周期内绿色建筑，拆除时无垃圾，无污染。世界发达国家的现代化工程建设实践证明：钢结构，特别是高层钢结构是现代化建筑结构的必然发展方向。


三、发展工业化装配式钢结构是保障灾后建筑重建速度、质量和抗震安全的需要
2008年5月12日的汶川8.0级地震造成69227人遇难，17923人失踪，374643人受伤。2013年4月20日四川雅安庐山7级地震，宝兴县房屋几乎全部受损，包括汶川地震后重建的建筑又遭损坏。2010年4月14日青海玉树7.1级地震，灾区重建仍然走先帐篷、再彩板房、再永久建筑的老路，特别是因为高原和寒冷，重建速度缓慢。


1995年，日本神户大地震使钢结构住宅得到普及和推广，这与日本政府提出了“零死亡”计划、要求建筑物遭受8级地震不倒有很大关系。2011年3月11日日本发生强度为里氏9级的地震，破坏力是我国汶川地震的30倍，还引发了大海啸，但造成的人员伤亡数量却只有我国汶川地震的1／7，这还主要是后续海啸造成的，而汶川地震中人员伤亡主要是建筑物倒塌造成的。日本建筑的抗震要求是7级，而我国汶川震后重建建筑的标准却是“8级抗震，9度设防”。我国抗震设防的高标准不如日本抗震设防的低标准，日本普遍按照100年设计，而我国普遍按50年设计。在建筑结构型式上，日本60%以上是钢结构，我国95%以上是钢筋混凝土结构。2012年12月7日，日本东北部发生7.3级地震，震感持续几分钟，人们没有混乱逃跑，没有发生重大人员伤亡和财产损失，主要原因是民众对建筑的抗震性能有信心。


杀人者不是地震，而是被破坏的建筑。钢结构强度高、自重轻、延性好成为抗震性能最优良的建筑结构形式，在地震中的受损率远远低于其它结构形式，具有明显的优势。《中华人民共和国防震减灾法》新增抗震设防目标“发生地震烈度为八度及其以下地震情况下，不死人，少伤人”，因此建设大震不倒的建筑才能真正保障大震时人的生命安全，发展工业化装配式钢结构是最佳选择。


四、必须破除阻碍我国工业化装配式钢结构实现产业化的瓶颈，学习国际先进经验
现如今，各级政府管理部门、行业专家、新闻媒体、公众都认为，大力发展钢结构是我国难得的机遇。但是，在我国钢铁产能过剩超亿吨、每斤钢材价格低于每斤白菜价的情况下，钢结构发展的主战场——多高层钢结构写字楼和钢结构住宅在我国却发展很缓慢，且与发达国家的差距巨大，钢结构“轻、快、好、省”的优势没有得到充分发挥。值得一提的是，有关政府部门倡导了20多年的钢结构住宅产业化一直没有实现，也没有突破性的进展，让人难以理解。


阻碍我国钢结构建筑实现产业化的根本原因到底是什么？笔者认为，主要存在六个方面的问题：


一是思想保守，观念落后，存在诸多体制、机制关卡，政策导向和资金支持没有落到实处，也包括一些结构体型笨重、浪费钢材、造价超高的重大钢结构建筑工程对世人的误导。各界对发展钢结构建筑的战略地位、钢结构特有的施工速度快、抗震性能好等优势认识不足，利益集团保护既得利益，在房价不降的情况下，以降低成本为由，甚至在灾区重建时热衷于建设砖混结构、钢混结构等低成本、高利润建筑。


二是工业化装配式高层钢结构产业链不健全，配套产业滞后于钢结构产业本身的发展，其中配套部品和楼板、内墙板、外墙板等没有完全解决。


三是我国标准规范编制和修订严重滞后，跟不上钢结构产业化发展的要求。有的规范、标准十几年不变，工业化装配式钢结构建筑设计、加工生产、安装施工、竣工验收、维护维修等标准规范编制滞后，新型建筑结构体系研发和建设因缺乏标准规范依据而受到限制。有关单位组织编制的《工业化建筑评价标准》，仍以混凝土结构为主，没有突出钢结构的优势和特点。


四是缺乏工业化装配式高层钢结构创新体系和简便、快速装配的节点，以大幅度减少用钢量、缩短施工工期并显著降低造价。


五是国内钢结构多采用焊接结构，较少采用螺栓连接，现场焊接量大、难度大、周期长，受地域气候和天气影响很大，焊接质量难以保障。2010年，某地两个重大钢结构工程垮塌的主要原因是焊缝不合格。


六是远大可建（包括加盟商）的工业化装配式钢结构建筑体系的突出优势在于100米以下量大面广的写字楼、住宅楼，其没有得到快速推广的原因是他们没有按照建筑工程项目的审批和管理路径，特别是“天空城市”引起极大争议和非议。


装配式住宅诞生于20世纪初期，在二战后得到发展，这种建筑设计标准定型，构件在自动化生产线上加工，现场采用螺栓、自攻螺钉等连接件和密封材料干式组装，无湿作业，施工安装便捷。近30年来在欧美等国家（地区）逐步发展起来，后在日本得到了进一步的研究和开发，设计制造和安装上的技术日趋成熟。装配式住宅不仅改变了传统住宅的结构模式，而且完全替代了砖、混凝土、石材、木材，真正实现了标准化设计、工厂化生产、机械化施工，从而大大降低了施工现场的劳动强度，缩短了施工工期，这种方式已在国外得到了推广。


法国是世界上推行建筑工业化最早的国家，自20世纪50年代～70年代走过一条全装配化大板和工具式模板现浇为主的工业化道路。1977年，法国成立了构件建筑协会（ACC），以发展构配件制品和设备。1978年，他们制定了尺寸协调规则；同年，住房部提出工业化建筑体系。瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家，也是当今世界上最大的轻钢结构制造国家，其轻钢结构住宅预制构件达到95%。意大利BSAIS工业化建筑体系适用建造1～8层钢结构住宅，具有造型新颖、结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便，在欧洲、非洲、中东等国家（地区）大量推广应用。随着工业化程度不断提高，日本钢结构建筑占建筑总量的50%左右。


欧美各国（地区）首先认识到模数协调标准对钢结构生产工业化的重要性，目前国际标准化组织（ISO）已经颁布《模数协调》的系列标准，各国的模数协调标准正在逐步向国际标准靠拢；节点化、系列化、标准化、通用化的钢结构部件是保证钢结构最终产品功能与质量的基本条件和工业化生产的重要标志，标准化、模块化、装配式结构新体系才能实现工业化生产，90%以上的加工制作在工厂完成，在现场实现快速组装。


五、我国工业化装配式钢结构体系创新、标准编制及产业化关键问题
自2011年开始，为了推进远大可建节点加强型斜撑钢框架结构体系的发展和应用，远大可建科技有限公司委托笔者针对远大可建T30体系的不足进行了系统的理论分析、试验研究和优化设计，笔者与该公司还承担了《湖南省战略性新兴产业科技攻关装配式斜支撑钢结构建筑技术研究与应用》项目，最终获得了优化体系的受力特性和破坏机理，且满足现行钢结构相关规范要求，成果于2012年10月21日通过湖南省住房和城乡建设厅组织的专家评审，成果在远大可建试点工程S30、山东及山西的加盟商试点工程得到应用。此外，笔者还申请并获得了国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金重点项目的资助，系统地开展了工业化装配式钢结构体系及节点构造创新基础研究、实验研究和试点应用，成果已经申请专利近百项。


（1）远大可建装配式斜支撑节点加强型钢框架结构性能分析和优化设计。该结构属于斜撑节点加强型钢框架体系，主要由主板、立柱、斜支撑几部分组成，主板支撑于立柱上，在梁与柱之间设置斜支撑，斜支撑加强节点连接，同时和梁柱框架共同抵抗水平和竖向荷载，承重构件连接采用高强螺栓，易安装、易拆卸、易维护，显著节省工期和人力。


2010年，中国建筑科学研究院对T30结构模型抗震性能进行了振动台试验，在7度、8度多遇地震下，30层模型主体结构未见明显损坏，在9度罕遇地震 0.6g 作用下，整体结构没有倒塌。需要说明的是，在振动台试验时发现结构存在薄弱环节：一是结构体系有待完善，模型结构在地震作用下的主要破坏模式为柱节点先屈服，框架梁后屈服，整个试验过程仅有少量斜撑屈服，这种破坏模式不利于对地震能量的耗散；二是试验中大量法兰节点发生破坏，法兰连接处节点板翘起，甚至连接螺栓被拔出，未达到“强连接、弱构件”的要求，节点需要优化设计。


针对T30的不足，我们利用开放式结构分析软件建立能反映结构楼盖、斜支撑、立柱真实受力状态的模型，进行整体结构计算分析，包括大震弹塑性分析，全面了解结构受力性能、破坏形态、抗震性能。实验研究框架结构受力性能和变形特点，验证结构整体分析的正确性。理论和实验研究法兰和螺栓连接节点受力性能、梁柱连接节点的受力性能。对钢结构舒适度、防火、防腐性能进行分析。根据理论和实验结果，优化设计该结构体系和节点，使该体系满足现有规范的要求。


2012年10月21日，在湖南省住房和城乡建设厅主持召开的“装配式斜支撑钢结构建筑技术研究与应用课题阶段性成果暨远大可建工业化装配式多高层钢结构性能关键问题研究成果”专家评审会上，专家的主要意见是：“该结构体系具有良好的受力性能，其安全度满足国家和行业现行标准要求。在满足国家和行业现行标准的前提下，该结构体系可用于100米以下的多高层建筑。该研究成果具有推广价值，可供该类结构体系设计参考。”（2）工业化装配式钢结构体系及节点构造创新。研发了多套新的模块化装配式高层钢结构体系、典型抗侧力体系、新构件和新节点构造，体系类型分为两大类，一类是柱子贯通型，例如新型装配式贯通柱搭接节点钢框架——预应力支撑体系；另一类是带柱座的柱子隔断型，新型装配式刚性节点钢框架——预应力支撑体系。


抗侧力体系类型可分为：中心支撑体系和偏心支撑体系，而支撑类型包括3种，一是普通钢支撑，二是防屈曲耗能支撑，三是预应力支撑。对模块化装配式高层钢结构新体系典型模块组成进行了研究，典型模块包括梁板模块（梁、柱座和压型钢板混凝土组合楼板组成）、柱子模块、斜撑模块、节点模块。


通过有限元分析和试验研究了一种典型的模块化装配式连接节点性能，包括极限承载能力和抗弯刚度。该种节点转动刚度较大，节点的极限承载能力高，试验中主要模式破坏是由于桁架梁腹杆失稳，进而引起整个桁架梁的平面外失稳，节点本身高强螺栓连接部分并未出现滑移，实现了强节点、弱构件。（3）装配式钢结构拼接楼板的刚度。装配式楼板是装配式钢结构的重要组成部分，然而工业化装配式高层钢结构中的装配式楼板存在拼接板缝，使得楼板不连续，平面内刚度不足，影响楼板整体作用。因此，必须采取有效措施确保其具有较大的平面刚度，以聚集、传递水平力到各个竖向抗侧力构件，协同这些竖向抗侧力构件共同工作。


为了解决装配式楼板不连续所带来的问题，采用压型钢板混凝土组合楼板，研发设计了3种板间高强螺栓连接件——梁连接件、板连接件以及梁板连接件。应用ABAQUS非线性有限元分析软件，与现浇压型钢板混凝土整板模型比较，在不同连接件类型、连接件间隔下，分析结果表明楼板连接件的间隔是影响楼板平面刚度的主要因素；板连接件和梁板连接件均有较好的抗剪、抗拉能力及传力效果。通过对其滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力等方面的研究，表明其具有较好的延性和抗震性能。（4）装配式钢结构配套部品及外墙。我国要按照国际标准化组织（ISO）已经颁布的《模数协调》系列标准，向国际标准靠拢。节点化、系列化、标准化、通用化钢结构部件和围护体系部品（包括管线综合及“三板”，特别是外墙板）是保证高层钢结构建筑最终实现工业化的基础工作，设计标准单元和标准化模数系列，以便适应工业化装配式钢结构住宅多种户型和写字楼大空间等灵活需要。


装配式钢结构住宅部品中，外墙占很大比例，配套的装配式墙体产品种类单一（如玻璃幕墙）、技术研究滞后直接影响了装配式钢结构住宅的推行与发展。选择新型外墙材料，研发新型连接节点构造要符合装配式钢结构的自身特点。在保证可靠性、环保性和建筑使用功能条件下，应重点突出外墙材料的轻质与节点安装的快速。外墙材料选择要满足建筑使用要求，能够承受墙体本身的自重、风荷载及地震作用，具有安全性，其保温、防火、隔热、隔音、防水、防潮等物理性能符合相关标准。外墙节点连接构造要有良好的强度和装配性，满足传力要求，承受墙体自重，地震时不发生坠落，制作安装简便。（5）地方标准规程编制。根据《关于印发湖南省住房和城乡建设厅2012年科学技术项目计划的通知》（湘建科函 2012 409号），我们主编了湖南省地方标准《装配式斜支撑节点钢框架结构技术规程》，这本规程重点突出了在工厂加工制作的要求、装配式构件和节点设计、构件和模块包装及运输、现场装配工艺、结构拆除、防腐与防火等内容和要求。

为适应我国工业化装配式高层钢结构产业化发展的迫切需要，要尽快改变国家和行业层面的钢结构标准规范修订缓慢和滞后的状况，加快修订或增编新标准。加快工业化装配式高层钢结构产业化步伐，既要开展自主创新研究，在工业化装配式高层钢结构新体系、节点构造、设计理论、施工技术、抗震性能等关键问题研究方面取得显著进展，确保结构体系领先，经济和安全指标双优，为装配式高层钢结构工程设计、施工和标准规范修订提供科学依据，又要政、产、学、研、用紧密合作，主管部门要制定“接地气”的鼓励政策，落实奖励资金资助，真正面向市场推进研究成果的实际工程应用，加快实现建筑工业化和建筑的生态文明。