钢结构住宅产业化建造模式研究

蒋明辉

摘 要：民用建筑住宅产业化是我国建筑业发展的趋势，而钢结构则是其最佳的载体。在进行钢结构住宅建造过程中引入现代制造业的思想，通过钢构件的标准化制造和深化设计以及施工方案设计前移等方法优化钢结构建造模式。最后，并在对比项目模式和生产基地模式二者对施工场地占用、设计精度要求以及对项目进度控制等优劣势的基础上，结合DEA方法分析传统钢筋混凝土结构建造模式、钢结构项目模式和生产基地模式三者的有效性，得出生产基地模式是适应住宅产业化和节能环保要求的最佳建造模式。

关键词：钢结构；住宅产业化；标准化建造

1.序言

钢筋混凝土作为传统的建造方法，由于其建筑形式、建筑材料成型方式及防水、施工的要求，很难全部采用预制构件的形式来完成建造行为。因此为实现我国建筑业的产业化发展，民用建筑中钢结构的推广已成为不可逆的趋势。钢结构住宅的优点包括：节能环保、建筑可用面积大，且钢结构最重要的节能方面体现在钢构件的制作环节以及钢材的回收利用方面，钢结构建筑比钢筋混凝土建筑采用的材料在制作阶段的能源节约率达到40%左右[1]。而真正在建筑物使用阶段钢结构住宅的能源节约效果相对于传统钢筋混凝土结构则并不明显，其能源节约的效果主要还是来自于围护结构和门窗气密性等因素，和钢结构住宅结构主体无关。

而在现有研究过程中却较少关注到钢结构构件的标准化制造所带来的对工期的缩短、对施工场地的节省。在研究钢结构住宅建造模式时，可以将现代制造业的集成制造思想引入到钢结构住宅建造过程当中去，通过钢构件的工厂化制造和现场装配一体化建造思想来实现钢结构住宅的产业化建造模式。将项目现场的构件制作转移到生产基地，并且通过生产基地的工业化生产模式，提高构件的制造效率，实现项目工期的节省；此外，由于钢构件生产的转移，将大大节约项目现场钢构件制造所占用的施工场地，也更符合现代城市发展对施工现场空间狭小的限制。而在考虑钢结构住宅产业化实施的过程中结合精益化制造、供应链管理和信息化管理的制造业管理思想。考虑钢结构住宅项目实施过程中各阶段界面的搭接，把握中间产品成品化和工序前移和对设计水平优化及合同、施工方案的深化设计，而不仅仅是传统建筑形式各阶段的前后承接。

2.钢结构住宅产业化特点

2.1钢构件的标准化生产

此部分包括部品标准化设计的前移和部品部件的标准化制造。前者是指设计单位在生产基地对钢构件进行制造之前，即进行深化设计，通过虚拟建造等技术手段，在设计阶段规划好项目所需要采用的钢构件形式和种类，以及施工装配方式，在钢构件制造阶段可以计划好项目所需的钢构件，以及装配所需要的螺栓孔等安装节点位置。

当然并不能因为住宅产业化而追求钢构件制造基地的加工深度，而应该在充分考虑项目企业的核心资源的情况出发，考虑项目所在区域的配套资源和企业所能筹措到的社会资源；以降低成本、缩短项目建设周期为目标，考虑项目经济性，通过外包或专业分工的形式将钢构件的制造任务分配出去，提高企业的生产能力和专业化水平。

2.2钢构件的模块化设计

标准化并不是钢结构产品的单一化。标准化是为了提高建造效率而对建筑实施阶段所需的差异性不大的钢构件，按照一定得规则（包括：构件的使用功能、构件制造工艺、构件的物流运输限制、构件安装的便易性），而对钢构件进行分类并按照一定的范围对钢构件产品进行合并简化，从而减少构件产品类型数量，实现钢构件产品的产业化生产制造。

但标准化并不是对建筑形式的限制和单一化，并且消费市场不会满足简单规则的矩形式建筑形式，因此不同的建筑形式必然要求钢构件产品的多样化，以满足现代建筑外形多样性的需求。而建筑模块化则是解决建筑构件标准化和建筑形式多样化矛盾的最佳途径，通过特殊性分解为“普通加特殊”的思路，将钢构件分为主体部分、连接部分和装饰部分。其中运用连接部分和主体部分来实现建筑的标准化，运用装饰部分来完成建筑物的多样化，从而实现标准化元素和非标准元素的结合。

2.3施工方案设计的前移

通过施工方案设计的前移即将施工方案的设计选取由传统的项目施工阶段前移至建筑设计阶段，在设计阶段运用虚拟建造等技术模拟钢结构建筑装配安装的全过程[2]，分析施工过程中可能会出现的问题，根据施工模拟结果，改进构件的设计形式和节点设计，合理调整优化施工方案， 在整个项目的设计阶段就实现建筑设计、钢构件及节点形式、施工方案的统一协调设计优化，减少施工过程中的变更及其所带来的工期延误和成本增加等问题。

2.4钢构件住宅的标准化施工工艺

传统钢筋混凝土结构住宅的建造流程复杂，包括了支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土等工艺。而钢结构住宅的装配化施工则由于工厂钢构件制作的原因，简化了施工流程和工艺。但同时也由于钢构件的工厂预制和现场的装配化施工也造成了一下的高要求：对生产工人和现场施工工人能力的要求，施工场地的限制对钢构件物流配送的要求，装配施工的施工组织的要求。

总体来说钢结构住宅的工厂化制造在为项目工期和项目场地布置带来优势的同时，也同时增加了项目建造管理的复杂性，但这些都是可以通过钢构件的标准化生产、模块化生产、施工方案设计的前移来降低和解决的。

3.钢结构住宅的生产模式

现有钢结构住宅建造模式主要有钢构件在项目现场加工制造安装的传统项目模式，以及民用建筑中采用较少而工业建筑中采用较多的生产基地模式——钢构件在生产基地生产加工，通过物流运至项目现场，在项目现场进行安装施工，减少钢构件在施工现场加工制造对项目场地的占用。后者生产基地则更适宜于工业化生产，但其对生产和物流的要求也相应较高，其优劣势主要存在以下几点：

3.1对项目施工现场的占用

传统项目模式由于项目内部交通、预制构件的制作场地和相应的大量混凝土、钢筋、钢构件等建筑材料的制作以及其所带来的环保要求对施工的限制，使得项目场地的要求极大，与现在由于城市发展带来项目施工场地的限制形成巨大矛盾，对施工场地布置和施工组织设计，造成极大困难。而作为钢结构的生产基地模式由于钢构件的制作在项目以外的生产基地，制作完成直接运输到项目现场进行装配安装，据统计可以节省20%的施工场地[3]，而且不会在项目现场不会构件制作的水污染、光污染、固体污染，也节约了环保所需付出的现场所占处理空间，也便于有害物质的处理回收。

3.2对项目进度控制的影响

生产基地模式对于项目进度控制的要求更高，其不仅仅只是传统项目模式的项目施工过程中的进度管理，而是贯穿整个从建筑设计到建筑施工各个阶段的全过程的进度控制，包括了建筑设计阶段设计与钢构件制造过程的协调，钢构件制造的进度管理，钢构件成品物流与项目现场施工的协调，以及钢结构装配阶段的进度管理等。其都直接的关系着整个项目的顺利开展和有效衔接，如果物流与项目现场施工的不协调，可能造成施工现场的钢构件的大量堆置，造成而外管理保护费用，也可能造成现场装配等待物流而形成的项目被迫停工。因此项目的进度控制是项目全过程的进度控制。

3.3对设计精度要求

模数是一种度量单位，它在工程项目中的基本作用是对建筑物尺寸进行量化和精确化，以确定建筑物构件、预埋件和安装预留孔等的位置和大小。模数的大小和精确程度决定了钢结构工程中构件生产和施工的精准性。因此在设计阶段即应考虑钢结构项目中模数的大小以实现构件生产和施工流程的精确性。在钢构件生产制造过程中借助模数体系可以实现构件精度的提高，准确实现钢构件预埋空和安装孔的位置，做到精确施工，减少二次施工，实现构件和半成品的有效利用，减小损耗；而在现场装配安装过程中，运用模数来控制施工安装过程有利于施工现场的钢构件装配安装；有效地模数体系，可以使钢结构项目的结构主体、建筑辅助等部分的尺寸都以此模数体系为基准，使得项目结构和户型设计、原料加工、钢构件生产和物流、现场的装配安装、竣工的验收检验有一个统一有序的规则来实施，从而使得生产加工装配实现规格化、简单化、精准化[4]。

3.4对项目施工工艺的要求

而项目施工工艺的要求与设计精度的要求是息息相关的，例如钢结构形式中柱脚螺栓的预埋位置对精度的要求特别高，如果螺栓预埋孔的位置不对可能需要重新打孔甚至灌注混凝土，而如果不顾预埋孔位置强行装配安装，则可能因为轴心距对主体结构带来严重危害。且焊接工艺也是影响钢结构建筑质量的重要因素，钢结构设计中采用了大量的斜撑等形式，造成立焊较多而不是焊接质量最容易得到保证的俯焊[5]，且由于钢构件采用生产基地制作的形式，而非施工现场制作，很难构件制作实时与装配施工的沟通，因此要求设计、制造阶段与施工阶段的协调，对施工方案设计前移，提高了对施工工艺的要求。

4.案例分析

以武汉市的典型钢结构住宅项目和普通钢筋混凝土住宅项目为数据来源，在充分了解和计算其相关指标的基础上，结合对其经济性分析，兼顾考虑施工方案和施工过程，在仅考虑项目施工阶段为前提，提出以下几个考察指标。其中输入指标包括：项目成本（元/m2）、施工工期、人工时投入（工日/m2）、施工工艺要求、设计深度要求；输出指标：节能效率、施工场地占用、环保效果。并利用DEA（数据包络分析）方法构造综合评价模型（C2R），运用无量纲的指标评价思想，对传统钢筋混凝土结构、项目模式的钢结构、生产基地模式的钢结构三种住宅结构建造形式的优劣性进行分析。

通过对数据的收集分析和专家问卷调查法，得出输入和输出指标集数据。其中施工工期、施工工艺要求、设计深度要求、节能效率、施工场地占用、环保效果以传统钢筋混凝土结构为基准进行评分。

即：输入指标集=

{1342，1，6.9，1，1；1478，0.8，4.3，1.1，1.2；1593，0.5，2.3，1.4，1.5}；

输出指标集={0，0，0；0.2，0.231，0.2；0.5，0.523，0.6}

运用MATLAB软件编程计算，检查决策单元中θ是否为1。输入数据后计算结果如下：

从DEA的分析计算结果来看，传统钢筋混凝土结构住宅和项目模式的钢结构住宅为非有效，而生产基地模式的钢结构住宅为相对有效，可以带来良好的经济效益，最大程度节约工期和实现节能目的。

5.结论

以生产基地模式建设的钢结构住宅相对于项目模式而言，有着对项目工期的缩短和生产钢构件的工业化的优势，但由于项目与钢构件生产基地的分离，也使得其存在着对钢构件模数，钢结构节点施工、设计精度和物流运输要求高的难点，但是这些问题并不是不可以克服的，例如提高模数精度、深化设计、钢构件的标准化和施工方案设计的前移等方法。而解决这些难点，可以很顺利的实现建筑业的节能减排，最终推进我国住宅产业化的发展。

参考文献

[1] 龙恩深.建筑能耗基因理论与建筑节能实践[M].科学出版社，2009

[2] 张宏胜.虚拟建造在钢结构工程施工中的研究与应用[D]. 重庆大学.2004

[3] 李英攀.我国钢结构住宅建筑及其产业化研究[D].武汉理工大学，2003

[4] 胡小龙.多高层钢结构住宅外围护系统模数定位研究[J]. 科技咨询导报.2007.01：63-64

[5] 蔡玉春.面向产业化的钢结构住宅工程管理模式研究[D]. 武汉理工大学，2010