首 页  >>  论文库  >>  专家窗口  >>  施工技术丨杨嗣信:推进钢结构建筑工业化发展的11个建议

施工技术丨杨嗣信:推进钢结构建筑工业化发展的11个建议

2016-05-27 施工技术 中国建筑金属结构杂志

 建筑工业化的重要标志就是建筑结构的工业化。目前我国主要城市的建筑结构基本上是两大类,即钢筋混凝土结构和钢结构(包括钢-混凝土混合结构)。过去的砖混结构因国家禁止使用粘土砖,目前已很少采用了,同时砌筑、抹灰也不符合工业化施工要求,用工多,且笨重体力劳动不是行业发展方向。进入21世纪,我国钢铁工业迅速发展,钢年产量已达8亿t,排名世界第一,平均每人每年超过0.5t,因此我国钢结构建筑越来越多,不仅在超高层建筑中使用,低于百米的钢结构住宅小区中也在使用。尽管钢结构造价高,但整体来看,它具有很多其他结构不可比拟的优越性。特别是近10年来我国大力发展的以钢管柱为主的混合结构,在RC核心筒施工中采用液压爬模新工艺,充分显示了这类结构对建筑工业化发挥的巨大作用,无论是提高生产率、节约人工,提高工厂化、装配化、机械化水平,还是实施绿色施工方面都具有显著优势。
不过,由于我国发展钢结构只有近20年的时间,尤其在钢结构工程与建筑工业化的结合方面,还远远不够,没有充分发挥钢结构在建筑工业化中的独特优势和有利条件,因此有必要认真总结近20年来推广钢结构的经验,同时借鉴学习国外先进之处,继续研发、推广有关钢结构的新技术、新工艺,充分发挥钢结构的优势,降低工程成本,大大提高钢结构的建筑工业化水平,以促进钢结构更健康发展。笔者对目前我国进一步实现钢结构建筑工业化发展,提出以下建议。
 
设计定型标准化是发展建筑工业化的前提
设计定型标准化是发展建筑工业化的前提。钢筋混凝土结构如此,钢结构也应该如此。目前我国已建成的高层或超高层钢结构公共建筑大部分是办公用房和商住楼,从平面布局来看中间是核心筒,外圈是柱网,这种结构的平面布局基本是定型的,只是梁的跨度不同,层高基本差不多,荷载差异不大,因此可以设计不同长度的标准梁板,根据建筑物的不同高度设计几种标准构件图。总之,用标准构件组合成各种不同布局的平面,更利于钢结构工厂的制作、生产,减少钢材的品种规格。目前不少钢结构高层建筑柱网都是根据地下室车库的尺寸来决定,柱距都有明确的规定要求和范围(如停4辆车为8.4m左右),进深也都有要求,上层柱网可以相应定型,这对设计定型标准化十分有利。核心筒(除总高超过200m的超高层建筑外)也可以按地区实行标准化设计控制墙厚,这对采用液压爬模施工也是非常有利的。构件设计的标准定型化可以先从钢结构的水平构件下手,柱子实行标准定型化比较复杂,除(总高)超过200m的超高层建筑以外,柱子断面尺寸基本可以确定几种规格。如钢管混凝土圆柱的尺寸,可以按高度定几种规格尺寸,以便于工厂加工。至于钢结构的水平构件(包括楼梯),完全可以实行构件标准定型化,以便工厂加工制作。
 
钢管柱符合建筑工业化的要求,不用支模,也不用复杂装修
采用钢管柱较方便与水平结构进行连接,施工进度快,混凝土浇筑采取顶升工艺,质量有保证。工厂加工钢管时可将梁的钢牛腿先焊在钢柱上,主梁上支撑次梁的牛腿也可在工厂内预先焊接,在现场即可通过螺栓迅速安装。钢管柱可以2~3层连成1根安装,柱内混凝土一次浇筑2~3层,如此可大大加快进度。钢管外侧的防腐、防火涂料,甚至装饰均可在工厂内完成再运至现场安装,只不过安装后需要修补,运输中及安装后也必须注意成品保护。不建议采用型钢+钢筋作为骨架的劲性混凝土柱工艺,因该工艺复杂,需要大量的深化设计解决梁柱接头问题,还需增加柱支模及混凝土养护等工艺,不宜采用。钢管混凝土柱一般使用圆钢管,有些工程也采用了方(含长方形)钢管,效果也不错,至于钢管混凝土柱的混凝土浇筑工艺目前都已成熟,不另行介绍。
 
水平构件及楼梯都采用钢构件,一般用H型钢
钢结构住宅因不做吊顶也可以考虑用方钢管做梁,但不宜再设置次梁。钢结构梁的跨度不宜过大,以不超过9m为宜,最好能定型几种梁的规格,专供钢结构工程使用。一般钢结构的主梁一端支撑在外柱上,另一端支撑在核心筒剪力墙上,梁与核心筒的连接以预埋件焊接钢牛腿的连接工艺为主。楼梯一般均采用钢楼梯,工厂预制现场安装。
钢结构的楼板最早采用压型钢板,用作永久模板,最近出现带底板(钢板)的钢筋桁架作永久模板。钢板底板与钢筋桁架焊接成为整体,在钢板底板上浇筑混凝土,这两种工艺都是可行的,均可取消混凝土楼板的支模工艺,在板底设置极少量立柱支撑即可,基本上消除了模板工艺,但成本相对较高。为更简化,同时也降低成本,是否可采用“混凝土叠合楼板”工艺?在非地震区(或地震区采取一定的措施)也可采用整块预制大楼板(两面光),与钢梁采取一定的铺接措施,为减轻自重、满足隔声要求也可采用轻质陶粒混凝土(或粉煤灰陶粒,混凝土强度达到C20~C40)。另外可否结合钢结构体系,研究使用由钢骨架及小块预制板组成的架空地板楼面,以满足各种智能化建筑的要求。
 
外墙板及装饰
目前大部分超高层或高层公共建筑都使用了玻璃幕墙,自重轻、制作安装比较简单,有一定优势。进入21世纪后,就国外的情况来看,玻璃幕墙已大大衰退,原因很多,有些国家如日本从来就没有大面积采用过玻璃幕墙。北京在上世纪80年代建造的京城大厦,是日本设计的52层超高层建筑(是当时日本有代表性的钢结构体系),其外墙并没有采用玻璃幕墙,而是采用了三合一、带饰面保温的RC预制外墙板。当时我去日本参观,发现日本高层建筑均采用这种外墙板,较少见到玻璃幕墙。其他一些国家在20世纪80年代后期,其玻璃幕墙也已走向下坡,而我国却从20世纪90年代开始大力发展,迄今不见衰退。可以说,我国玻璃幕墙施工工艺落后,大部分采用人工吊架小块散装,工业化水平颇低,保温效果极差,应该指出,高层或超高层建筑的外墙板施工是建筑工业化的重要组成部分,也是节能降耗、实行绿色建筑的重要组成部分,必须认真对待。玻璃幕墙不是高层建筑唯一或主要的围护结构,无论从节能、保温、耐久性还是工业化施工来看,都不是很理想的选择。玻璃幕墙今后仍会继续使用,但不宜进行散装,宜采用单元整块(每个开间1~2块)预制安装工艺,并使用反射玻璃;同时在玻璃幕墙内侧应做保温层(如北京长城饭店的做法),既可满足节能标准又符合建筑工业化的要求。
就建筑工业化来说,钢结构的围护墙宜向三合一(既围护结构、保温、装饰三合一)的预制墙板方向发展,具体建议如下。
  1)三合一预制混凝土外墙板 北京在20世纪已使用过,效果不错,有待进一步改进。
  2)钢框骨架岩棉或其他A级保温材料夹芯,双面装饰板外侧可采用各种饰面材料的三合一外墙板 这种外墙板可在钢结构制造工厂生产,运至现场安装,美国在20世纪90年代已普遍使用,最大块体可达9m×4.5m。
  3)带有RC或钢骨架的加气混凝土或发泡水泥的整块外墙预制墙板(带装饰面)。
  4)陶粒混凝土带饰面外墙板 采用粉煤灰陶粒(国内已有采用进口设备生产),符合废物利用及环保要求。
  5)玻璃幕墙 宜推广整块单元式玻璃幕墙,采用反射玻璃,内部做保温层。
  6)各种轻质条板 类似铝合金幕墙的条板尽量不用。以上各种外墙板均为整块挂板,在工厂中预制,有些外墙板也可在现场或地下车库内生产,以降低成本,在日本及美国都有这种生产方式。

核心筒
核心筒应采用液压爬模工艺,由专业队伍分包施工,3~5天一层,一般比外围钢结构优先5层左右,目前全国已全面推广应用此类工艺,效果显著。目前核心筒有全RC、劲性混凝土、钢板混凝土或全钢板核心筒,在200m以内的核心筒一般为RC或劲性混凝土,完全可以采用液压爬模工艺。为防止混凝土开裂,混凝土强度等级宜控制在C50以下,每立方米水泥用量宜控制在250kg左右(C50在不少工程中水泥用量仅220kg/m³)。应采用泵送混凝土,目前我国混凝土一次性泵送高度最高可达600m左右。浇筑后必须加强养护,采用自动喷雾养护法。
钢板夹芯混凝土剪力墙核心筒目前日益增多,但裂纹不易控制。最近有工程采取了钢板加温,加强混凝土养护,并用保温等方法控制混凝土内、外温差及混凝土表面与大气间的温差(20℃),取得了成功,值得借鉴。
 
内隔断及吊顶
内隔断及吊顶可采用轻钢龙骨硅钙板(或石膏板)、岩棉夹芯板等轻质隔墙,也可以采用轻质混凝土预制条板(两面光不抹灰),轻骨料可采用粉煤灰陶粒,实行干作业,取消砌筑抹灰。局部内隔断墙也可采用简易可移动的木制或铝合金玻璃隔断。总之,内隔断墙应采用轻质、预制、干作业、运输安装方便,符合防火等级要求且易于灵活搭拆的隔断墙。
室内吊顶宜采用轻钢龙骨矿棉等吸声功能好的轻质面板,一般钢结构办公用房也可以不做吊顶,将顶板及所有管线(除通风口、灯具外)全部使用黑色涂料罩面。实践证明这种做法不仅可以降低工程成本,而且可以扩大室内空间,实用宽敞,建议推广应用。
 
钢结构地下工程施工工艺
为配合钢结构的工业化施工,一般钢结构高层建筑下部及其地下四周均设有地下车库和裙房,这部分占有很大面积,如何实行工业化施工非常重要。现提出以下几点建议,此建议也适用一般RC结构高层或超高层建筑。
取消混凝土“伸缩后浇带”,并有条件地取消或提前浇筑“沉降后浇带”    
前者用“跳仓法”施工代替“伸缩后浇带”,应根据该工程的基础设计及地基情况考虑取消或提前封闭。“跳仓法”近几年发展很快,全国已有100多项工程应用,北京也有60多个工程取消了“后浇带”,效果甚佳。北京市已编制了地方标准《超长大体积混凝土跳仓法技术规程》,近日即将颁布,这将大大利于工业化施工及绿色施工。
要优先选用符合工业化施工的地下防水做法
地下防水工程涉及建筑物安全,与结构工程几乎有同等重要的地位。传统防水工艺多是劳动条件差、用工多、工期长,环保完全不符合建筑工业化的要求,近20年来防水技术发展很快,出现了许多新材料、新工艺和新技术,应认真优选。结合钢结构工程工业化的要求,在地下防水工程量大、工期长、埋设深、操作条件差等特点基础上,优选适合的防水工艺,淘汰传统工艺。特别是量大面广的地下工程外墙防水工艺,不宜采用卷材型防水技术,因卷材在立墙粘贴方面难度大,不易粘贴严密,尤其是卷材搭接处不容易黏结密实,地下水就容易渗窜进入墙内,因此宜采用如“非固化橡胶沥青”或“渗透结晶型”等防水涂料,也可以采用一些有成熟经验的“刚性防水”技术,如FS101+FS102或将赛柏斯防水剂直接渗入混凝土内的刚性防水技术。以上这些防水方法工艺简单,劳动效率高,质量易保证,可大大缩短工期,经济效益较好,符合工业化施工要求。
在地下车库积极推广无梁楼盖
    地下车库采用无梁楼盖(既板柱结构),可降低层高,简化工艺,减少地下部分埋设度,降低成本。无梁楼盖还简化了模板工艺,方便施工,提高工效,同时也可加快工程进度。
 
机电设备安装工程应积极推广
   “预制组合立管技术”等新技术在机电设备安装工程中的应用,可大大提升工业化水平。中建三局一公司早在8年前就将此技术成功应用于上海某超高层建筑中,效果显著,并于2009年组织编制了《预制组合立管技术规范》GB50682—2011。预制组合立管技术是将一个管井内拟组合安装的管道作为一个单元,一个或几个楼层为一节,节内所有管道及管道支架预先在工厂制作并组合装配、运输至施工现场进行整体安装的成组管道,各种水平管线也在工厂预制,现场安装,此工艺大大提高了劳动生产率和机械化施工水平。
预制组合立管技术适合超高层建筑施工,包括设计、制作、安装和验收,是机电设备工程施工中提高工业化施工水平的重要组成部分。
 
关于钢结构住宅工程的工业化施工问题
从上世纪开始,有不少施工企业(如北京住总)就开始着手研究钢结构住宅,行业内争议纷纷,核心问题是造价高,且住宅工程高度太高不一定受欢迎。随着我国钢铁业的迅速发展,以及对建筑工业化、产业化的迫切要求,近年来不少钢构企业大胆创新,建造了一些钢结构住宅产业化示范小区,如“钱江世纪城人才专项用房住宅小区”及“万郡大都城钢构住宅小区”(包头)。这两个住宅小区超百万平方米,为几十幢26~33层的高层住宅,采用了钢结构体系,有钢框架-型钢混凝土核心筒和钢框架-钢支撑体系两种结构形式。楼板选用工厂生产的钢筋桁架楼承板,内隔板和外墙板均采用由CCA板复合轻质灌浆墙,柱子采用方钢管混凝土柱。CCA板是以木浆纤维、硅酸盐水泥、精细石英砂、添加剂及水等经精确配料、高温高压、水热环境蒸压养护而形成稳定结晶体的高新技术产品,内隔墙系统是由CCA板固定在轻钢龙骨上形成的非承重体系。据有关资料介绍,通过全生命周期评价,该体系在节地、节材、节水、节能和环保,即绿色建筑性能方面发挥了重大作用,为今后钢结构住宅的推广应用起到了一定的推动作用。
 
装修、装饰工程
钢结构和RC结构在装修、装饰方面并没多大区别,可采用RC结构模式,建议在钢结构体系中加快将立体构件引入工业化部件的步伐(尤其在住宅工程中)。立体构件就是三维预制件,最具代表性的就是卫生间和厨房、垃圾管道等。预制卫生间围护墙可使用混凝土或轻钢骨架覆薄板制成,也可以采用玻璃钢,顶棚用铝合金龙骨覆以PVC装饰板,地面、墙面及面盆、马桶均可按设计标准在工厂内全部组装完毕运至现场一次吊装完成。据有关资料介绍,在日本这种卫生间“匣子”结构已安装300多万个单位,每个单位有些仅重350kg左右;香港的立体构件也于几年前开始试验应用。实践证明厨房和卫生间搞“匣子”结构不但可以大大缩短现场作业时间,提高劳动生产率、节约劳动力,而且可有效提升产品质量。
钢结构工程中,还有不少现浇混凝土构件,如核心筒、楼板等必须切实做到清水混凝土不抹灰的水平,坚决取消抹灰,按国家、地方标准(已有规范)认真施工。要坚决消灭装修阶段的砌筑和抹灰等落后手工操作工艺,减少现场湿作业,这是实现建筑工业化的重要方面。
 
坚持立体交叉作业,加快施工进度
钢结构除了工业化、机械化、装配化水平高这些突出优势外,还利于进行立体交叉作业,加快工程进度。钢结构工程在完成上层楼板混凝土浇筑后,可立即进行该层室内许多分项施工,如内隔墙、机电管线安装及各种粗装修工程等。外墙围护工程也可以由下而上进行安装。由于室内粗装修、机电设备管线、装饰等项目繁多,因此必须按照合理施工顺序安排好室内各项目工序,组织好劳动力,保证物资供应,逐层随结构向上推进,进行立体流水作业。这样,当结构完成后,室内外装修、装饰及机电安装也可以很快完成,国外有些工程上面还在进行结构施工,下部已经可以竣工使用了。此外,核心筒的立体交叉作业尤为重要,该部分结构、装修、机电均很复杂且工期长,必须精心安排好立体交叉作业,以便工程顺利竣工。
发展钢结构工程是实现建筑工业化(尤其是结构阶段)的重要途径,其具有独特的优势。在设计方面,尤其是钢结构的结构设计,应深入研究、努力创新,使钢材用量和钢结构造价能降下来,此外钢结构构件的连接技术还需进一步研究创新。今后钢产量仍会增加,而工人工资肯定也会继续增长,同时对绿色建筑和环境保护的要求也将更为严格,这对进一步发展钢结构和推动建筑工业化的发展都是十分有利的。不过,钢结构并不适用于所有建筑,特别是受造价的影响,希望建设单位和设计人员在与RC结构对比条件差距不太大时,能优先选用钢结构。从长远来看,随着建筑工人人工成本的增长和钢材资源的不断充足,再通过钢结构设计人员的优化和施工的不断创新,钢结构在促进建筑工业化发展方面将大有可为。

作者丨杨嗣信,以上内容节选自《钢结构是建筑工业化的理想结构体系——四论建筑工业化》

点击次数:1414  发布日期:2016-05-31  【打印此页】  【关闭