工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望

张爱林, 张艳霞

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044;2.北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心， 北京 100124)



工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望

张爱林1,2, 张艳霞1

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044;2.北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心， 北京 100124)

简要分析了工业化装配式钢结构建筑发展面临的重大机遇，指出我国建筑业粗放式的生产和建设模式必须向绿色化、工业化、信息化转型升级，发展全寿命绿色建筑及工业化装配式钢结构体系是必由之路. 研发了工业化装配式高层钢结构多种新体系以及新节点和新构造，包括装配式斜支撑高层钢结构、桁架梁-方钢管柱结构体系新体系、模块化装配式角钢桁架梁柱体系、震后可恢复功能装配式预应力钢框架、装配式摩擦耗能复位框架-支撑结构体系、盖板装配式钢板剪力墙体系. 通过理论分析和实验研究了工业化装配式钢结构整体稳定、抗震性能、梁柱节点连接性能、装配式钢结构快速建造、全预制楼板体系和叠合式楼板体系性能、外挂式墙板配套连接构造性能等关键问题并取得成果. 对进一步推进工业化装配式钢结构建筑发展进行了展望.

工业化；新体系；装配式钢结构；关键问题；展望

1 工业化装配式钢结构发展重大机遇

作为世界第一产钢大国，中国年产钢10亿t以上，占世界钢产量的50%，产能严重过剩. 然而，我国钢结构建筑仍没有实现产业化，钢结构建筑只占5%，而发达国家占到50%以上. 国家“十三五”规划中强调：要研究并推广在各类建筑中应用钢结构新体系，扩大钢结构的应用范围；我国的钢结构设计标准要与国际接轨、完善钢结构设计规范和标准；为实现钢结构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；争取到2020年，我国钢结构建筑占10%以上. 住房和城乡建设部《建筑产业现代化发展纲要》明确提出，到2020年，装配式建筑占新建建筑的比例30%以上，到2025年，装配式建筑占新建建筑的比例50%以上. 2015年12月20日中央城市工作会议全面深刻地分析了我国建筑业存在的突出问题，明确提出了解决思路、关键环节和具体要求. 2016年9月14日李克强总理主持召开国务院常务会议，认为大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效. 发展建筑钢结构符合时代背景，受到国家政策的鼓励和支持，市场十分巨大，其发展前景十分广阔[1-2].

2 工业化装配式高层钢结构关键问题研究

2.1 装配式高层钢结构体系创新研究

从2011年起，受远大可建科技有限公司的委托并承担了《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，对装配式斜支撑高层钢结构体系(图1)进行优化设计研究，包括整体结构组成优化、整体结构大震弹塑性分析、柱子承载力分析、主板承载力分析、框架承载力试验、节点连接试验与设计等一系列理论和试验研究. 该体系是主板+立柱+斜撑模式，主板由工厂预制好的钢筋混凝土压型钢板组合板、钢桁架组成. 斜撑连接立柱和主板形成空间受力体系，保证钢结构空间稳定. 立柱承受竖向荷载并与斜支撑连接形成侧向抗侧力系统. 针对我国工业化装配式钢结构标准规范空白的状况，主编出版湖南省地方标准《装配式斜支撑节点钢框架结构技术规程》(标准编号：DBJ43/T311—2015，住房和城乡建设部备案号：J13063—2015)，这是我国首部关于工业化装配式钢结构的标准规范.

同时研发了工业化装配式高层钢结构多种新体系以及新节点和新构造，包括桁架梁- 方钢管柱结构体系新体系、模块化装配式角钢桁架梁柱体系、震后可恢复功能装配式预应力钢框架、装配式摩擦耗能复位框架- 支撑结构体系、盖板装配式钢板剪力墙体系，获得了50余项发明专利，并进行了系列试验研究和样板工程建设[3-6].

工业化装配式柱贯通梁实腹式钢结构框架体系由装配式梁板和装配式立柱采用螺栓装配而成，如图2所示. 柱与柱之间未采用法兰板连接，且连接处设在理论反弯点的位置. 装配式梁板包括型钢梁和楼板，在工厂预制成为一体,在施工现场将装配式梁板通过其梁端封板及梁上盖板与装配式立柱的梁柱节点相互拼接.

图3所示为模块化装配式桁架梁- 方钢管柱结构体系[7]. 该体系包括装配式梁板模块和装配式法兰柱模块，装配式梁板模块包括配有角钢腹杆的格构式桁架梁、柱座节点和楼板；装配式法兰柱模块位于装配式桁架板上的柱座节点上；通过构造上的改进使得模块化拆分更加科学，所有板块的拼接处均位于轴线处，更加利于设计和施工.

图4～图6提出3种震后可恢复功能装配式钢框架体系[8-10]. 并进行了节点、平面框架、空间框架、整体结构分析和性能化设计系列研究工作. 该体系通过预应力和阻尼器作用能够实现结构震后复位和恢复功能.

2.2 装配式钢结构典型节点连接性能研究

为了研究新型工业化装配式斜支撑钢框架的桁架梁和斜支撑传力路径、受力性能、破坏机理[11-13]，设计了4个足尺的一层两跨单榀框架静力试验(如图7、图8)，并与无斜撑钢框架进行了对比(如图9). 研究表明：装配式带斜撑钢框架延性好，抵抗水平荷载的能力强，结构塑性变形均发生在桁架梁和斜支撑上，满足规范强柱弱梁的规定；斜撑作为支撑构件，对抵抗水平荷载和变形起着至关重要的作用.

研发了多种新型装配式钢结构梁柱节点. 图10为一种Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点. 设计了6组试件进行试验研究，如图11所示. 结果表明：该节点能有效利用拼接区摩擦面滑移、螺栓和孔壁挤压以及板件屈服实现耗能；减少翼缘高强螺栓数目能有效提高节点延性性能和塑性转动能力.

图12为带有桁架梁的梁柱节点[14]. 该节点采用类似于实腹梁的腹板拼接和上下盖板螺栓连接，利于实现施工现场的无火、无尘、全螺栓拼接. 并且又对焊接、栓焊混合连接和全螺栓连接节点的受力性能进行了试验和有限元对比分析[15]，如图13.

课题组对模块化装配式角钢桁架梁进行了静力性能试验研究如图14，并进行了有限元分析，研究结果表明：各桁架梁试件破坏位置、变形发展情况一致. 而腹杆刚度强于弦杆，未发生屈服，强剪弱弯，受力合理.

图15、图16为震后可恢复功能装配式钢框架节点试验、有限元和理论滞回曲线对比[8-10]，三者吻合较好.

图17、图18是提出的一种多盖板装配式钢板剪力墙节点并进行试验与有限元分析，研究表明设计合理的节点传力性能良好.

2.3 装配式钢结构抗震性能研究现状

装配式钢结构的抗震性能尤为重要，课题组对装配式钢结构进行了框架抗震性能试验和整体结构弹塑性分析工作，如图19～图21所示.

2.4 装配式钢结构快速装配研究

针对装配式钢结构建筑，研究柱- 柱节点、梁柱节点和楼板分块快速吊装方案，如图23所示.

2.5 装配式楼板和围护结构

针对装配式钢结构建筑，提出装配式钢结构楼板体系[16]如图24、图25，分别为全预制楼板体系和叠合式楼板体系，并且对两种楼板进行了试验.

针对当前工程中外挂式墙板配套连接构造对装配式建筑的适用性差，安装存在现场焊接、湿作业、安装过于繁琐等问题，课题组提出一种整体装配式ALC外墙[17-18]，使外墙装配过程更加便捷，吊装过程如图26所示.

在以上研究基础上，进行了两个实际工程试点，如图27、图28所示.

3 工业化装配式钢结构建筑展望

3.1 遵循全寿命过程绿色建筑理念构建全产业链

工业化装配式钢结构体系符合全寿命绿色建筑理念，必须针对我国目前建筑领域全寿命过程的节地、节能、节水、节材和环保的共性关键问题，以提升建筑能效、品质和建设效率. 抓住新能源、新材料、信息化科技带来的建筑行业新一轮技术变革机遇，通过基础前沿、共性关键技术、集成示范和产业化全链条设计，加快研发绿色建筑及建筑工业领域的下一代核心技术和部品，使我国在建筑节能、环境品质提升、工程建设效率和质量安全等关键环节的技术体系和产品装备达到国际先进水平，为我国绿色建筑及建筑工业化实现规模化、高效益和可持续发展提供技术支撑[19].

3.2 加快工业化建筑设计关键技术的研究

英国已经建造出3D打印的工业化模式房屋，建造机器人技术、自动化技术和工业化技术正在全球建筑领域刮起风暴.

我国装配式高层钢结构建筑要想做到工业化生产，必须要有健全的产业链，从取材、设计、制造、运输、安装乃至使用过程中的物业服务等各个环节入手，针对每一环节的运转机制提出相应的工业化生产、信息化管理技术和方法. 研发装配式高层钢结构创新体系及快速装配式节点构造、围护体系和部品配套、快速装配施工建造技术等产业化体系. 研究装配式、模块化钢结构体系设计技术和装配式高性能结构体系及其连接节点工作机理及设计技术；研究工业化建筑围护体系、构配件及部品的高效连接节点设计技术及主体结构与围护结构、建筑设备、装饰装修一体化集成设计技术. 要大力推动建造方式创新，以推广装配式建筑为重点，通过标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，并建成一批产业化的有影响力的示范工程，促进我国建筑产业转型升级.

3.3 加快制定和完善装配式建筑相关标准

发展装配式钢结构建筑必须有设计、制造、安装施工和验收评定等一系列标准、规范的编制与实施，让专业技术人员有规可循. 目前我国现有标准规范已不适应工业化装配式钢结构建筑的快速发展，甚至出现空白，严重阻碍我国建筑业的转型升级. 在规范标准编制和完善的过程中，管理部门、高校、科研单位和建筑企业要协同创新，完善现有标准规范，编制新的标准规范. “产、学、研”相结合，以高层装配式钢结构建筑为载体，开发新型节能墙体和环保低碳的建筑体系，促进建筑行业技术革新；对新体系、新技术的可靠性进行专业评估，确保钢结构建筑或产品经济环保、技术先进、符合模数标准、利于推广使用.

3.4 健全与装配式钢结构相适应的项目管理体制

目前，很多建设总承包企业不具备工厂专业化装配式生产和安装能力，而少数具备能力的企业却又无承包资格，传统建筑行业的项目建设管理体制相对于钢结构建筑产业化的发展形势却很陈旧，亟需体制的自我升级，健全与装配式建筑相适应的发包承包、施工许可、工程造价、竣工验收等制度，实现工程设计、部品部件生产、施工及采购统一管理和深度融合. 加强对装配式建筑企业的管理，强化全过程监管，确保装配式钢结构建筑出精品工程.

3.5 培养新型技术人才及管理人才

培养技术人才和管理人才尽快到位同样是推广高层装配式钢结构建筑的关键一步. 目前，我国建筑企业还处在农民工时代，建筑工人大多数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，与建筑业现代化发展要求差距巨大. 农民工要市民化，要成为建筑产业工人，才能结束我国建筑业的农民工时代. 我国建筑业只有走工业化、产业化道路才能实现现代化. 建筑施工现场若要实现像装配飞机那样把标准化、模块化、装配式的建筑构件或部品快速安装施工，相关新型建筑产业技术人才和管理人才是不可缺少的.

工业化装配式高层建筑产业化是发展我国全寿命绿色建筑、促进建筑产业化转型升级，实现我国建筑业现代化的必由之路. 因此加强工业化建筑设计关键技术的研究迫在眉睫，加快制定和完善装配式建筑相关标准势在必行，新型技术人才及管理人才的培养不可或缺，健全与装配式建筑相适应的项目建设管理体制至关重要. 今后要打破部门壁垒，多领域部门协同推进，形成工业化、产业化推广环境，完成工业化装配式钢结构建筑的历史性突破.

[1] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[Z].2016

[2] 住房和城乡建设部.建筑产业现代化发展纲要[Z].2016

[3] 张爱林. 工业化装配式高层钢结构体系创新、标准编制及产业化关键问题[J]. 工业建筑, 2014(8):1-6

[4] 张爱林. 工业化装配式多高层钢结构住宅产业化关键问题和发展趋势[J]. 住宅产业, 2016(1):10-14

[5] 张爱林. 工业化装配式高层钢结构体系创新研究[N]. 中国建设报,2015-01-19(8)

[6] 张爱林，赵越，刘学春,等. 一种工业化装配式柱贯通梁实腹式钢结构框架体系[P].中国专利：1310195604.1，2013-05-23

[7] 倪真，赵越，刘学春，张爱林. 模块化装配式钢结构桁架梁承载力性能研究[J]. 工业建筑,2014，44(8)：14-18

[8] Zhang Ailin, Zhang Yanxia. Cyclic behavior of a prefabricated self-centering beam-column connection with a bolted web friction device[J]. Engineering Structures,2016,111:185-198

[9] 张爱林，张艳霞，赵微，费晨超. 可恢复功能的装配式预应力钢框架拟动力试验研究[J].振动与冲击,2016,35:207-215

[10] 张爱林，张艳霞，陈媛媛，王宗洋. 中间柱摩擦阻尼器的预应力钢框架静力推覆试验研究[J].建筑结构学报，2016, 37(3):125-133

[11] 张爱林，惠怡，刘学春. 斜撑对装配式钢框架梁柱拼接节点抗震性能影响研[J]. 工业建筑，2014，44(8)：35-38

[12] 张爱林，马靖，刘学春. 装配式斜支撑钢框架承载力性能试验研究[J]. 工业建筑，2014，44(8)：10-14

[13] 刘学春，张爱林，黄欢，叶全喜，周湘江，谭永强. 模块化装配式斜支撑节点钢框架试验研究[J]. 北京工业大学学报,2015(6):880-889

[14] 刘学春，徐阿新，张爱林等. 一种多装配式高层钢结构体系的梁柱节点连接装置[P].中国专利：ZL201210574890.8，2015-05-27

[15] 刘学春，徐阿新，倪真，张爱林. 模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究[J]. 工业建筑，2014，44(8)：23-27

[16] 张爱林,赵越,刘学春. 装配式钢结构新型轻质叠合楼板设计研究[J].工业建筑,2014(8):46-49

[17] 胡婷婷.装配式钢结构建筑整体装配外墙连接构造设计与试验研究[D].北京：北京工业大学，2014

[18] 马林.整体装配式外墙与主结构连接承载力与抗震性能研究[D]. 北京：北京工业大学，2016

[19] 绿色建筑及建筑工业化2016年度项目申报指南[Z].2016

[20] Lin,Y.C.,Sause,R., and Ricles,J.M. Seismic Performance of Steel Self-Centering, Moment-Resisting Frame: Hybrid Simulations under Design Basis Earthquake[J]. Struct. Eng., 2013,139(11):1823-1832

[21] Lin,Y.C.,Sause,R., and Ricles,J.M.Seismic Performance of a Large-Scale Steel Self-Centering Moment-Resisting Frame: MCE Hybrid Simulations and Quasi-Static Pushover Tests[J]. Struct. Eng., 2013,139(7):1227-1236

[责任编辑：佟启巾]

Study and Overview of Critical Problems for the New System of Industrialized Prefabricated Tall Steel Structure

Zhang Ailin1,2, Zhang Yanxia1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.Beijing Engineering Research Center of High-Rises and Large-Span Prestressed Steel Structure，Beijing 100124)

Magnificent opportunities for the development of the industrialized prefabricated steels structure have been analyzed in the thesis briefly. It has been pointed out that transformation and upgrades towards greenization, industrialization and informatization of the extensive production and construction modes of our country, and the development processes of the whole life-cycle green constructions and industrialized prefabricated steel structure systems are necessary. Various types of new industrialized prefabricated tall steel structure systems, new connections and new construction, including the prefabricated tall steel structure with sway braces, the new system by adopting truss beam-cube steel column structural systems, the modularized prefabricated angle steel truss beam-column system, the resilient prefabricated prestressed steel structure, the prefabricated self-centering frame-support structure with friction energy dissipating devices and the prefabricated cover plate steel shear wall system are researched and developed. The overall stability, seismic performance, connecting capacity of beam-column connection, rapid construction of prefabricated steel structure, the performance of the precast floor system and superposed floor system and the performance of the supporting connection construction of out-hung walls are studied through the theoretical analysis and experiments, and some achievements have been accomplished. The overview of the prompting the development of the industrialized prefabricated steel structure is carried out.

industrialization; new system; prefabricated steel structure; critical problems; overview

1004-6011(2016)03-0021-08

2016-09-08

国家自然科学基金项目(51278010)；国家重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”重点专项(2016YFC0701500)

张爱林(1961—)，男，教授，博士生导师，博士，研究方向：现代预应力钢结构和工业化装配式钢结构.

TU391

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