装配式钢木结构建筑应用研究

文/无锡城市职业技术学院 无锡环境科学与工程研究中心 李凯文

无锡汽车工程高等职业技术学校 纪 敏

无锡城市职业技术学院 万 鑫

1 装配式建筑概述

国内建筑产能过剩，发展装配式建筑有利于对外输出产能。装配式建筑形成新的产业集群，对去库存和化解目前钢铁行业产能过剩的问题起到关键作用。装配式建筑在设计阶段要实现标准化、模块化，在制作阶段要实现智能化、数字化，在安装现场要实现信息化、装配化。传统建筑行业产生大量建筑粉尘、施工噪声、建筑垃圾等环境污染物，工厂生产、现场拼装的装配式建筑模式现场噪声小、粉尘污染少，可更合理配置资源，达到节能环保目的。施工过程中装配式建筑是可拆除的，90%建筑材料可回收再利用，比传统建筑碳排放量降低35%以上。装配式建筑实现了像造汽车一样造房子，像卖汽车一样卖房子，改变了传统建筑模式，变建筑工人为产业工人，变工地为工厂，改变传统劳动密集型的建筑模式，实现建筑产业升级。在提高质量、合理加快工期、环保节能方面，工业化模式下的装配式建筑有得天独厚的优势，有利于我国建筑行业健康发展。装配式建筑贯彻绿色发展理念，构建城乡生态体系屏障方略，树立“绿水青山就是金山银山”理念，优化田园景观资源配置，深度挖掘生态价值，统筹景观功能和体验功能，凸显宜居宜业的城乡新特色。

2 以木材为主的结构体系

2.1 木结构建筑

木结构是指以木材为主要受力体系的工程结构，钢材和水泥广泛应用前，木材是主要的建筑材料之一。木结构在我国古代曾发展繁盛，榫卯连接的宫殿和庙宇层出不穷。随着时代进步和科技发展，现代木结构建筑采用新材料、新工艺和工厂化精准生产，与传统木结构建筑相比具有绿色环保、保温节能、舒适耐久、结构安全等优势，具有优良的抗震隔声性能，在某些方面比钢筋混凝土和砌体结构更优越。

2.2 木混合结构建筑

木混合结构建筑是指木材与其他建筑材料共同形成受力体系的结构工程，木结构及木混合结构除大量用于住宅、学校和办公楼等中低层建筑外，也被大量用于大跨度建筑，如体育场、展览馆、图书馆、会议中心、商场和厂房等。最早的装配式建筑可追溯到17世纪向美洲移民时期所用的木构架拼装房屋。木混合结构体系大致分为以下2类。

2.2.1 原木结构体系

原木结构采用形状规格统一的圆形木、方木或胶合木构件叠合制作，是集承重与围护结构于一体的木结构体系，具有优良的保温、保湿、隔声、水密、气密等性能，原木建筑自身具有可呼吸性，能调节室内湿度，适用于医院、住宅、疗养院、养老院、幼儿园、托儿所、体育建筑等。

2.2.2 胶合木结构体系

胶合木结构是采用20～45mm厚锯材胶合而成的层板胶合木构件制造的房屋结构体系，墙体采用轻型木结构、砌体墙、玻璃幕墙及其他混凝土或砌体等不燃结构组成共同受力的结构体系，上部木结构与下部混凝土结构通过预埋在混凝土中的螺栓和抗拔连接件连接实现木结构中的水平剪力和木结构剪力墙边界构件中拔力的传递，与下部钢筋混凝土结构相比，上部木结构质量轻，抗侧刚度较小，具有下重上轻、下刚上柔的非均匀结构特点。

3 装配式钢木结构建筑

基于木结构建筑的优缺点，可采用钢木混合结构改善结构性能，钢木混合结构指由木材与其他建筑材料共同形成受力体系的结构工程，装配式钢木结构建筑在美国、欧洲、澳大利亚和日本等国应用广泛，高档美观的轻钢别墅在欧美国家随处可见，我国一些大城市也有很多独栋住宅采用此种轻钢结构。装配式钢木结构住宅将这种安全抗震和高品质的轻钢别墅在全国推广，安全抗震和冬暖夏凉的新型轻钢别墅在农村乡镇快速进入千家万户，与城市居高不下的房价相比，建房过程快捷，通过自主设计平台可轻松设计自己的专属住宅，政府鼓励这种新型节能抗震建筑大力推广，以解决老百姓住房抗震安全、节能环保等问题。装配式钢木结构建筑通过专业的工厂化生产，可进行高精度质量控制，装配速度快，连接安全可靠，实现了建筑材料应用的节能环保。装配式钢木结构住宅不再是建筑工程，而是一种住宅产品，更是居家服务的开始，完成后的建筑实体就是建筑产品，如商品房、写字楼等。装配式钢木结构建筑是经多年研发形成的标准化成熟成套住宅体系，实现了工厂化生产、装配化施工，现场装配时间短，装配式钢木结构住宅如同房地产开发商出售的商品房，经过精细化设计的整套住宅产品现场组装，灵活性更强。采用应用最广泛的轻钢框架体系，相比其他轻钢结构体系有应用时间长、规范完善、设计验算过程成熟可靠等优点。装配式钢木结构标准化施工，装配率高，安装简单快捷，连接可靠，施工质量极易控制。装配式钢木结构的梁柱受力体系可自由分隔，梁柱占用空间小，突出钢结构大开间且可自由分隔的优势，可最大程度满足用户的个性化需求；所有建筑构件均在工厂加工制作，全部采用智能化机械生产，相较现场施工，施工质量更易控制，整个结构体系较成熟；装配式钢木结构建筑墙体整体预制保温节能性能好，保温层位于中间位置，厚度仅约150mm，此种装配式钢木结构建筑室内空间更大。

4 装配式钢木结构建筑应用

4.1 定制化洋房

定制化洋房抗震、抗风能力强，房屋受力体系为冷弯薄壁轻钢结构，墙体采用欧松板作为围护结构，整体形成密肋结构体系，房屋抗震性能好，体轻墙薄，由于总重量是传统砖混建筑1/3～1/2，房屋基础小，节省工程造价，房屋框架体系全在工厂流水线加工，现场组装，加工速度快，每栋房屋的施工期为25～45d，比传统砖混房屋施工周期短1/3～1/2。由于房屋采用绿色环保且可重复使用的材料，可有效减少环境污染，节省有限土地资源。定制化洋房造型、风格多样化，房屋可根据不同要求，设计成不同风格的建筑形式，如欧洲、北美、维彩利亚、田园、现代、中式徽派等风格。由于房屋墙体比传统建筑的墙体薄，每栋房屋的实际使用面积比传统房屋增加5%～10%。定制化洋房配件齐全，房屋配件全采用定型系列化，采用新型保温隔声复合窗，室内装修可按用户喜好定制，房屋屋面防水采用SBS防水层上铺沥青彩色油毡瓦。

4.1.1 徽派建筑：徽风雅苑

采用现代设计建造方式，大大提高了建设速度，通过采用新型建筑材料，保温隔热效果更好，实现了冬暖夏凉效果，客厅270°观景，全景视野阳光、庭院美景被最大化引入室内，2楼露台具有可拓展空间，如有必要可改为小卧室、书房等其他用途。

4.1.2 经典木屋：森林之歌

内外墙、吊顶均采用进口木板，外墙聚氨酯保温材料，为极寒、极热地区使用的最佳保温材料，进口内外墙吸声、绝热、防腐、耐磨，房屋材料绿色环保，回收利用率达80%以上。

4.1.3 田园风：乡村别苑

超大观景新型保温隔声复合落地窗，房屋配件全采用定型系列化，适用于旅游度假区。

4.1.4 美国风情房屋

私家庭院，浓荫环保，亲近自然融入绿色生活，体轻墙薄，每栋房屋实际使用面积比传统房屋多5%～10%，适用于新农村、旅游区、园区等建设。养老扶贫房屋建筑面积121m2，有3套独立住户，配置独立厨房、卫生间，轻钢复合保温墙体，工期为15d，墙体保温隔热、隔声，满足用户不同需求，适用于易地扶贫搬迁项目以及养老院、移民房等（见图1）。

图1 美国风情房屋

4.1.5 新西兰新型房屋

样板房建筑面积为102m2，配有多个储藏间，厨房、餐厅、客厅布局紧凑，功能合理，根据新西兰房屋特点，屋檐宽大，提升了屋顶的防水性能，夏天太阳高度角大时保证凉爽，冬天太阳高度角小时保证光照。新西兰屋面坡度一般不大，气候适宜，屋顶罕有厚重积雪，适用于庄园、旅游区及居住区。

4.1.6 旅游度假产业房屋

建筑创意新颖，造型独特，采用高效轻型薄壁型材，自重轻、强度高，建筑面积为75，85m2，屋面采用玻璃采光顶，适用于旅游度假区、庄园（见图2）。

图2 旅游度假产业房屋

4.2 移动式建筑

移动式建筑是一种新兴建筑，是一种可方便组装、移动的居室，无须基础，尺寸、层数、面积均可按住户意愿定制，快速交货。目前，移动式建筑已在旅游景区配套、城市公共建筑、办公室、建筑工地管理用房、廉租房等领域广泛应用。移动式建筑的设计特点是根据房屋所处环境不同，可根据需求进行自由组装和拆卸。与传统建造方式相比，移动式建筑采用工厂制造＋现场安装模式，缩短大量施工工期，减少施工垃圾，有移动房屋、移动厕所和移动警亭等。

4.2.1 移动式房屋

移动式房屋具有防护性高、抗震性强、使用寿命长、可多次重复使用等优点，价格相较普通住宅低廉很多，组装工期很短，且不会产生大量建筑垃圾，在未来将成为替代传统住房的新型住宅（见图3）。

图3 移动式房屋

4.2.2 移动式厕所

移动式厕所是一种可方便组装、移动的建筑。移动式厕所具有占地面积小、吊装运输方便等优点，为无性别厕所，1个厕所有2个方便单间，专人看护且为水冲式。排泄物直接排入城市污水管（见图4）。

图4 移动式厕所

4.2.3 移动式警亭

移动式警亭在工厂预制墙体、屋面等，按设计要求并根据周边环境预先定制，能迅速组装为成套警亭，采用标准化、模块化、通用化生产，易于拆装且可多次重复使用。移动式警亭的优点是节约资源，减少施工垃圾和装修垃圾约99%，建材回收率比传统建筑高70%，成组楼房的安装比普通建筑的工期少50%以上，保温性能是传统砖混结构房屋的2倍左右；移动式警亭使用便捷，在工厂制作完成后，运到目的地，安装通电后即可使用；需要迁移时，连同房内物品一起整体迁移，到达目的地并放置到使用地点并安装通电后即可使用（见图5）。

图5 移动式警亭

移动式警亭可根据用户需求装修，其舒适性完全可达到普通住宅精装修的程度，有效改善户外作业人员的工作环境。移动式警亭以整体钢结构作为骨架，相较砖混结构警亭，在抵抗自然灾害方面具有优势。外墙为独特的复合外墙系统，最外层为50mm厚的聚氨酯保温装饰一体化板，有良好的保温隔声装饰性能，强度很高且由螺栓固定，可经受大地震冲击，将钢梁钢柱包裹其中，有效避免外墙开裂渗水及冷热桥现象，中间层为镀锌龙骨，保证了外墙钢度，80mm间隙可布管线，隔声、隔热且防水，可明显降低固体传声，内层采用无机轻质墙体材料，有良好的防火、隔声及保温性能，装饰性好。毛坯房内部与钢筋混凝土结构墙体相似，看不到外露的钢梁钢柱，但隔声、保温及防火性能更好，也更环保健康，复合外墙系统在隔声、保温、防渗、防开裂(插口式连接，不会开裂)及抗震强度上要明显优于传统建筑。

5 装配式钢木结构建筑研究要点

5.1 保温节能及隔声技术

外墙采用50mm厚聚氨酯保温材料，80mm空气对流，100～120mm轻质墙体材料，保温性能符合极寒地区要求，合肥市高档住宅小区外墙一般采用20mm厚聚氨酯保温层，东北高档小区一般采用50mm厚聚氨酯保温层，上述材料及构造有极佳隔声效果，明显高于传统建筑，屋面采用50mm聚氨酯保温层＋空气对流＋吊顶，保温、隔热及隔声性能高于传统建筑和农民的自建建筑。

5.2 防火技术

装配式钢木结构建筑耐火等级为4级，分户墙采用150～180mm轻质无机墙体，内隔墙采用100～120mm轻质无机墙体，钢柱钢梁采用内隔墙包裹，耐火时间达2h以上。

5.3 楼面构造

装配式钢木结构楼面由楼承板及混凝土楼面组成，楼承板可节约现场搭设脚手架及支模时间，整体性好，隔声、防水及可装饰性较轻钢龙骨组合楼板更佳。

5.4 屋面系统

由轻钢屋架、屋面保温防水系统及屋面装饰系统组成，轻钢屋架由高强度热镀锌型钢架组成，质轻、高强，防腐性能好，与主体结构有效连接。屋面保温防水系统采用50mm厚聚氨酯复合板，优于现有农村建筑的屋面保温效果，符合寒冷地区保温要求，同时聚氨酯材料也是极好的隔声材料，屋面采用聚氨酯复合板＋防水卷材＋沥青瓦(或彩瓦)等3道防水，可防止屋面渗水，屋面装饰层有沥青瓦、彩瓦等多种材料选择，起装饰作用，同时作为屋面的第一道防水，外观效果好，维修简单，同时，装配式钢木结构建筑可利用太阳能。

6 结语

装配式建筑施工速度快，制作精度高，环保隔热效果好，实现了建筑工业化。装配式钢木结构建筑安装简单快捷、连接可靠、梁柱受力体系梁柱占用空间小，可实现空间自由分隔，满足用户个性化需求。目前，装配式钢木结构建筑在全国推广应用，可用于定制化洋房、移动式房屋等建筑。装配式钢木结构建筑在楼面构造、屋面系统、保温节能及隔声技术和防火技术方面有待进一步深入研究。