我国钢结构住宅产业化研发现状和发展趋势

GXF360 2017-06-22

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我国钢结构住宅产业化研发现状和发展趋势

文/中天建设集团浙江钢构有限公司张茂国段坤朋徐晗金建勇

阐释我国钢结构住宅产业化的背景和优势。介绍了杭萧钢构、远大可建、中建钢构等企业的钢结构住宅产业化研发现状，包括结构体系、楼板系统、墙体系统等特色组成部分，从政策法规到技术应用等多方面，对我国钢结构住宅产业化的研发现状和发展趋势进行分析论述。

0 引言

我国是目前世界上最大的混凝土建筑大国。然而，过量的混凝土原材料需求造成我国农田、矿山、河流等自然环境方面的严重破坏[1]。近年来逐渐严重的雾霾现象已严重影响人民的生活健康，而混凝土现场施工也是引起雾霾的原因之一。对此，国务院于2013年1月出台《绿色建筑行动方案》（国办发[2013]1号文件），鼓励发展住宅产业化。住宅产业化是集住宅生产过程中的设计、构配件生产、现场拼装、销售和售后服务为一体的完整产业系统。

我国已成为世界钢产量大国[2]，2015年建筑业用钢量约占钢材消费的50%。钢结构建筑是一种新型建筑工业化集成产品，其核心是工业化。它便于改变传统的建筑生产方式，可以采用标准化设计、产业化生产、装配式施工、一体化装修、信息化工程管理和集成化服务的建筑生产方式，这些正是住宅产业化所需的。

我国钢结构产业经过十几年的发展，逐步形成了龙头企业引领行业技术的发展模式，研发并形成了独具特色的钢结构住宅产业化系统。本文将详细介绍我国钢结构住宅产业化的研发现状，并对其发展趋势进行分析论述。

1 我国现阶段钢结构住宅产业化研发现状

目前我国钢结构住宅产业化以企业带动为主，逐步形成了企业独具特色的产业化系统，并有一定数量的工程案例。但各企业成果尚在研究阶段，未形成国家级设计标准，也没有广泛的市场应用，还需进一步研发推广。

我国钢结构住宅产业化的研发主要依托龙头企业。目前已形成自主研发成果的企业有杭萧钢构、远大可建和中建钢构（见表1）。

1.1 杭萧钢构研发及应用成果

1.1.1 多高层钢结构住宅体系

杭萧多高层钢结构住宅体系定位多高层建筑结构，以矩形钢管混凝土结构为研发起点和切入点，逐步形成一套符合产业化特点的完整体系，于2007年11月获国家发明专利。

结构体系主要包括钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙结构体系和交错桁架结构体系[3]。其中剪力墙形式多样，包括内填钢板剪力墙、内填预制钢筋混凝土剪力墙和现浇钢筋混凝土剪力墙等。

柱采用冷弯成型高频焊接矩型钢管混凝土结构，承载力高，抗震和耐火性能好。梁采用高频焊接H型钢，兼具热轧H型钢规模化生产和焊接H形截面尺寸灵活的综合优势。框架梁通过直通横隔板式节点与框架柱刚接（见图1），避免柱壁层状撕裂现象的发生，节点抗震性能较好，可以实现节点工业化生产。次梁与主梁铰接连接。支撑主要采用高频焊接矩形钢管或H型钢。

楼板系统一般采用钢筋桁架楼承板（见图2）或钢筋桁架混凝土叠合板[4]（见图3）。楼板抗震性能优异，施工现场绑扎工作量较少，且无需现场支模或搭脚手架，显著缩短工期。目前钢筋桁架楼承板已由杭萧钢构企业标准升级为住建部行业标准。

墙体系统采用汉德邦CCA板灌浆墙[5]，轻钢龙骨固定于框架梁柱，两侧安装CCA板，预留灌浆孔灌注EPS混凝土（见图4）。该墙体防水、防火、保温隔热、隔声等性能优异，且抗震性能优越。

1.1.2 钢管束组合结构体系

2014年1月，杭萧钢构申请获得钢管束混凝土组合结构体系发明专利[6]。该体系与多高层钢结构住宅体系相比，围护系统基本相同，结构体系大幅创新。它由柱、钢管束组合结构构件与H形钢梁或箱形梁连接而成。钢管束是由若干U形钢与矩形钢管在工厂进行拼接组装而成的多个竖向空腔的结构单元，空腔内灌注自密实混凝土，形成钢管束混凝土组合剪力墙。钢管束平面形式有T形、一字形、工字形、Z形等。

表1 国内钢结构住宅体系特点

图1 直通横隔板式节点

图2 钢筋桁架楼承板

图3 钢筋桁架混凝土叠合板

图4 CCA板灌浆墙

1.1.3 工程案例

武汉世纪家园住宅小区共11幢高层住宅，地上11～24层采用杭萧多高层钢结构住宅体系，于2009年交付使用（见图5）。该工程被列为“住建部科技示范工程”。

杭州钱江世纪城人才专项用房项目11号楼，地下2层，地上30层，建筑高度95.1m。采用钢管束组合结构体系，该工程于2015年2月开工建造，2015年5月顺利封顶（见图6）。

1.2 远大可建研发及应用成果

1.2.1 装配式斜支撑节点钢结构框架体系

远大可建钢结构住宅产业化研发定位多高层建筑。结构体系采用其自主研发的装配式斜支撑节点钢结构框架体系，并以该体系为核心，配套研发使用的梁、柱、楼板、墙板等，最终形成一套完整的钢结构住宅系统，并于2012年申请获得国家发明专利[7]（见图7）。

柱采用箱形截面钢柱，钢柱侧边设置斜向支撑，形成一个整体钢立柱[8]。支撑形式分为节点加强型斜撑和X形斜撑（见图8）。该立柱结构强度高，组装方便，可工业化、标准化生产。

该体系可应用集成式组合楼板，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（见图9）。该楼板系统集合了结构、围护、装饰及水电系统，实现了钢构焊接、混凝土浇筑、楼面装饰以及所有水、电、暖、通风系统的横向管线敷设等工序的工厂化施工，显著提高建筑装配率。钢柱与组合楼板的连接采用插入式套装，整体钢立柱两端设有导向板，便于插入组合楼板设计位置，然后用高强螺栓连接或者法兰连接（见图10）。

墙体系统主要采用模块化墙体[9-10]。墙体以冷弯薄壁型钢作为骨架，以保温防潮性好的发泡材料作为墙体，墙体四周采用软性材料密封，在内部集成电线、控制线、开关、插座等。墙体上可预装内、外装饰面板。墙体安装有销钉，便于与框架结构连接固定。

1.2.2 工程案例

“小天城”位于湖南省长沙市，建筑面积18万m2，于2015年建成。该建筑高200多m，19天完成现场结构施工（见图11）。

“T30A塔式酒店”位于湖南省湘阴县，建筑面积1.7万m2，于2011年完工。该建筑共30层高，15天完成结构施工，无现场湿作业（见图12）。

1.3 中建钢构研发及应用成果

1.3.1 装配式绿色钢结构建筑

中建钢构于2015年提出一种集成装配式绿色钢结构建筑[11]，适用于低层及多高层建筑，采用钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系。

梁、柱截面形式采用常规截面，其中柱主要采用箱形截面钢柱，梁为H形钢梁。如图13所示，梁柱节点采用螺栓连接，连接节点采用钢柱预留牛腿端部，无现场焊接工作。

楼板系统一般采用钢筋桁架楼承板。施工现场免支模，底模采用覆塑板，可拆除回收循环利用，避免后续吊顶施工，且可以实现立体交叉作业，可缩短主体结构施工周期，降低综合成本（见图14）。

图5 武汉世纪家园住宅小区

图6 杭州钱江世纪城人才专项用房11号楼

图7 装配式斜支撑节点钢结构框架体系

图8 整体钢立柱

图9 集成式组合楼板

图10 钢柱与组合楼板连接节点

图11 小天城

墙体系统采用蒸压砂加气混凝土板（AAC板）作为基墙，保温装饰ET板为面层[12-13]。该墙体容重较轻，安装方便，与框架连接节点工艺成熟。

1.3.2 钢结构模块化建筑

钢结构模块化建筑是中建钢构住宅产业化的另一个系列，同样应用于低层和多高层建筑，采用钢框架结构体系。

该系统向部品化、模块化发展，将结构划分为一维柱模块和二维梁模块（见图15）。梁、柱截面形式采用常规截面，其中钢柱一般采用箱形截面，钢梁一般采用H形钢梁或箱形截面。二维梁模块与一维柱模块的连接节点设有短柱，并采用高强螺栓连接（见图16）。

楼板系统采用集成装配式楼板。内层为桁架组拼模块、龙骨及发泡混凝土，外层为水泥纤维板、增强板及装饰地板。同时电缆管、水管等集成在楼板内部。该楼板具有可工业化生产、异地循环使用等优点。

墙板系统采用集成装配式墙板。墙体骨架由方钢管、C型钢、支撑条等组成，由发泡混凝土形成墙板，外侧加装铁丝网、水泥纤维板、玻镁板（内墙）或涂料（外墙）。墙板框架内可以加设电缆管及水管，集成化程度高，可工业化生产。

图12 T30A塔式酒店

图13 梁柱连接节点

图14 钢筋桁架楼承板

图15 模块划分

图16 梁柱节点

图17 中建钢构大厦

图18 钢结构别墅

1.3.3 工程案例

中建钢构大厦位于深圳市，高166.7m，建筑面积5.5万m2。该建筑采用中建钢构装配式绿色建筑体系，于2015年封顶，被评为“住建部科技示范工程”，并获美国LEED-CS金级认证（见图17）。

武汉某开发区一栋2层的钢结构别墅，由10个二维长方形模块组成，于2015年7月完工，成为国内首个模块化绿色钢结构住宅（见图18）。

2 我国钢结构住宅产业化的发展趋势

2.1 国家政策方面

2013—2016年，中央先后出台《绿色建筑行动方案》《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》[14-17]等4项相关文件及多项配套文件推广钢结构建筑，增加钢结构在公共建筑领域的应用，并要求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。2016年6月1日实施的《中国地震动参数区规划图》GB18306—2015正式取消了不设防地区，钢结构住宅良好的抗震性能将有更广大的市场。这些政策文件将促进我国住宅钢结构产业化的健康发展。

2.2 尽快完善钢结构住宅的相关标准、规范

目前，国内很多钢结构企业在做住宅产业化相关方面的研发，但在产品质量、通用性、协调性等方面还需要政府相关部门的规范和引导。

1）钢结构住宅产业化研发的关键技术的可靠性，如新型结构体系、新型节点连接等，需要完善的相关标准、规范证实其可靠性并需要相关审定认证制度。

2）钢结构住宅产业化的相关构件及集成化楼板、墙板系统大多于工厂工业化生产，需要完善的质量检测技术及检测标准对相关构件和集成化系统进行质量检测。

2.3 借鉴国外钢结构产业化研发经验

日本、欧美等国家钢结构住宅产业化发展较早，具有独特的优势特色。例如日本的住宅超市，消费者自主选择各类住宅产品，设计师进行调整修改后，生产、施工只需一周到几周时间完成。我国部分企业已经开始逐步借鉴日本及欧美等国家的优秀钢结构住宅体系，如无比钢结构体系、轻钢木结构体系等。利用国外优势经验并结合我国实践开展新的研发，是钢结构企业进行钢结构住宅产业化研发的途径之一。

2.4 钢结构住宅部品的工业化生产

目前我国钢结构企业的住宅产业化研发还处于发展阶段，各企业的钢结构产业化系统依旧存在一定程度的现场湿作业，如混凝土的浇筑，楼板、墙板与框架连接节点的现场后补处理等。但工业化、规模化生产的观念已逐渐深入企业内部，利用钢结构工厂优势及条件，实现钢结构住宅构件的工业化、规模化生产，同时减少施工现场湿作业，缩短工期，减少工程造价，将是我国钢结构住宅产业化未来发展的重点、难点。

2.5 钢结构住宅产业化研发团队一体化

住宅产业化是一个整体系统，涉及设计、制作、运输、施工、装饰装修、管理等全方位工作。钢结构住宅产业化需要在研发阶段融合各方面的工作，例如装饰装修材料与楼板、墙板系统的集成化，结构部品的设计需要考虑运输造价、施工现场无湿作业以及如何减少对二次装饰装修的影响等问题。因此，钢结构住宅产业化的研发团队不能只有结构设计人员，还需要建筑设计、工厂加工工艺、现场施工安装、装饰装修材料等各方面技术人员参与。各专业技术系统化的整合将推动我国钢结构住宅产业化快速发展。

2.6 绿色建筑的发展

我国已逐渐从提高住宅数量向提高住宅质量和功能方向转变，因此对建筑材料的质量要求也越来越高。绿色建筑越来越受到社会的重视，民众对节能建筑的需求势必推动钢结构住宅节能化、环保化的发展。目前，钢结构住宅产业化中的各种部件已逐渐展示出其节能环保优势，例如梁柱构件的可拆卸循环使用，楼板、墙板系统材料由单一材料向复合材料发展，幕墙系统的节能化发展，减少现场湿作业对环境的影响等。钢结构企业对绿色建筑的关注度逐步提升。

2.7 计算机软件的应用

随着各钢结构企业对新型结构体系、部品的研发，现有设计软件显示出一定的缺陷性，而大型的有限元分析软件如ANSYS、SAP等，操作繁琐，效率不高，需加快现有设计软件的发展更新。

钢结构住宅产业化涉及建筑全寿命周期，如何利用计算机网络及软件将建筑全寿命周期有机联系起来，提高住宅建造过程中设计、生产、运输、安装等的协调统一，将是重要的发展趋势。

3 结语

历经10多年的发展，钢结构住宅产业化的理念已逐步深入我国各钢结构企业，部分龙头企业已形成其独具特色的钢结构住宅产业化系统，并已完成一些样板工程，且建筑类型覆盖面广泛。未来，龙头企业必定会利用自身优势，逐步完善缺陷，同时不断创新；其他企业也会奋起直追，逐步开展钢结构住宅产业化相关内容的研发，共同发掘钢结构住宅市场。

钢结构企业需看清目前研发中存在的问题，明确研发方向，控制成本、改善性能、提高效率，更好地促进我国钢结构住宅发展，使其成为国民经济的重要增长点。

参考文献：

[1] 吴云.多层钢结构住宅的技术经济分析[D].兰州：兰州理工大学，2006.

[2] 牛志霖. 关于中国钢铁工业发展问题的思考[J]. 北京建筑工程学院学报，2010，26（3）：8-12.

[3] 杨强跃，赵伟，李文斌. 杭萧多高层钢结构住宅体系的制作和施工[J].施工技术，2008（5）：149-153.

[4] 杨强跃. 杭萧钢构高层钢结构住宅体系的研发与应用[J]. 住宅产业，2010（7）：81-82.

[5] 钱飞伟，李庆刚，刘重阳，等. 具优异防水功能的CCA板灌浆墙在钢管束高层住宅体系中的应用[J]. 中国建筑防水，2016（1）：26-29.

[6] 浙江杭萧钢构股份有限公司. 一种用于工业化居住建筑的框架——钢管束组合结构体系：201420023561[P]. 2014-01-15.

[7] 远大可建科技有限公司. 一种新型钢结构系统： 201220248503.7[P]. 2012-05-30.

[8] 远大可建科技有限公司. 一种钢结构立柱：201220248502.2[P]. 2012-05-30.

[9] 远大可建科技有限公司. 一种建筑墙体：200920065808.2[P]. 2009-09-04.

[10] 远大可建科技有限公司. 一种建筑墙体：200920065807.8[P]. 2009-09-04.