装配式钢结构中小学校建筑实践——以上海市新建浦江镇第五小学为例

■ 徐伯英 XU Boying

0 引言

近年来，随着我国建筑领域产业化的发展，装配式结构越来越被广泛应用。装配式钢结构作为一种特殊的结构型式，成为目前土木工程领域研究和应用的热点课题之一。其特点是自重轻、安装方便、建设周期短、施工污染小、抗震性能好，逐渐成为21世纪的“绿色建筑”之一。

2016年，国务院印发了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发〔2016〕71号），明确了大力发展装配式建筑的指导思想、基本原则、工作目标及八项任务。上海市印发了《上海市绿色建筑发展三年行动计划(2014-2016) 》（沪府办发〔2014〕32号）、《装配式建筑单体预制率和装配率计算细则(试行)》（沪建建材〔2016〕601号），强调以土地源头实行“两个强制比率”：2016年，外环线以内符合条件的新建民用建筑全部采用装配式建筑，外环线以外超过50%，2016年起单体预制装配率不低于40%。

当前，在国家方针和地方相关政策的推动下，装配式钢结构在公共建筑中应用广泛，而在学校类建筑中应用寥寥。本文通过上海市首例装配式钢结构教育类建筑——浦江镇第五小学综合教学楼，介绍了装配式钢结构从设计到施工的实施情况,并藉此探讨钢结构在教育类建筑中的应用前景。

1 工程概况

浦江镇第五小学位于上海市闵行区浦江镇浦锦路、江榉路交汇处，规划用地17 047m2，规模为30个班，总建筑面积为16 395m2，其中地上建筑面积13 955m2，地下建筑面积2 440m2。项目总体分为三大区域：场地西侧的教学区、场地北侧的校前区、场地东侧的体育活动区。教学区主要包含3栋教学楼（普通教学楼、综合教学楼、专用教学楼）及连接教学楼的2个连廊。

项目内的3栋教学楼及2个连廊均采用钢柱、钢梁框架结构，楼板为组合式楼板。其中,钢柱、钢梁完全是工厂预制，现场拼装，组合楼板底部的压型钢板仅作为模板使用、不参与结构受力分析。该项目中，钢柱、钢梁均为全预制，楼板为全模免支撑板，仅梁、板、柱三项建筑单体预制率为45%，完全满足上海市对装配式建筑单体预制率大于40%的要求。

另外，该项目中外墙部分还采用了外挂墙板的做法，这个也属于加分项。外墙板采用的是蒸压加气混凝土板，经过节能计算，建筑外墙不再需要采取其他外保温措施，墙体自保温满足节能要求。

以综合教学楼设计为例，该建筑为内廊式设计，东西两侧为楼梯间。1层作行政办公及卫生保健室，2～4层每层设置4间普通教室和1间老师办公室。该楼为4层钢框架结构，层高3.6m，建筑总高度16.0m。建筑造型上摒弃浮华、力求简洁明快，通过颜色的搭配实现与环境的协调（图1）。

2 装配式钢结构框架设计要点

2.1 建筑布置

我国的《装配式钢结构建筑技术标准》（GB/T 51232-2016）[1]规定，装配式建筑应模数协调，采用模块化、标准化设计，将结构系统、外围护系统、设备与管线系统和内装系统集成。

该工程中，建筑布置考虑了结构构件布置、立面基本元素组合及可实施性等要求，采用大开间大进深，并采用标准化房间布置。

该建筑基本以3m为模数，层高均为3.6m；柱距主要有3 300mm、6 000mm、9 000mm等几种尺寸，在满足使用功能要求的前提下，尽量做到模式化（图2～4）。

装配结构的另一个特点是集成化设计。该建筑单体采用南北向连廊和其他教学楼相连接，在设备与管线系统布置时同时兼顾总体设计，并和周围房间布置保持相同距离，楼梯、卫生间处于相同位置，使管网密集区主要集中于东部区域，设备检修时基本不影响其他房间的使用。

对于教育类建筑而言，布局的模数化、规则性，以及设备的集成化恰恰是其主要特征，因此，钢结构装配式建筑是完全能适应教学楼建设的。

外墙是建筑围护结构中的重要组成部分，其优劣对房屋整体质量有重要影响。相对于装配式主体结构而言，配套的外墙技术发展滞后，能够应用于实际的装配式钢结构外墙寥寥无几，究其原因主要有以下三点：①建筑使用上对保温、隔热、隔声、防火、防水、防潮等要求。结构上对墙体的受力性能、正常使用性能等的要求。②装配式施工要求外墙规格应满足模数化、标准化、轻质化。以便在施工过程中方便搬运、减少施工工序，提高施工效率。③在造价上，需要从设计、生产、运输、储存、工艺等多环节入手，综合控制。例如，增加同种外墙材料模具的利用率；选择性能好的材料，增加建筑面积利用率，延长外墙使用寿命；缩短运输距离，降低人工成本等。

图2 综合教学楼1层平面图

图3 综合教学楼2层平面图

图4 综合教学楼3层/4层平面图

图5 1～4层结构布置图

经过多方面分析和反复比较（表1），该项目的建筑墙体统一采用ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)条板，屋面采用泡沫玻璃保温板，材料选择上具有通用性和互换性。

然而，相较于传统建材，ALC条板由于自身材料特性，虽然保温隔热性能较优，但材料强度较低，建成后在墙面上增加荷载较难实现，如需吊挂重量较大的黑板、电视机等设备，需要另行增加支架。

2.2 结构设计

结构布置时，应着眼于满足建筑使用功能、施工方便快捷、标准化程度高等几方面因素。结合教学用房一般较为规则方正的特点，该项目中主体结构采用统一的构件布置方案，统一的节点连接方式，实现了设计规格化和施工模式化。图5为1～4层结构布置图，钢柱为 箱型 400×400×16，箱型 400×400×12；钢梁为焊接H500×250×10×18，H500×200×10×16，H400×300×12×16，H400×200×12×16，H400×200×8×12。

我国现有的《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）[2]并未对装配式钢结构做出特殊规定，目前仍按该规范进行设计。需要注意的是，装配式钢结构节点的连接主要采用螺栓连接，矩形钢管柱与钢梁连接时采用横隔板贯通式连接，相对于内隔板式连接节点，避免了柱壁内外两侧施焊引起柱壁板变脆的缺陷，柱壁不会发生层状撕裂，提高了节点的抗震性能（图6）。

表1 外墙类型比较

在楼板的设计上，采用了钢筋桁架组合楼板（图7），该楼板有以下几个特点：①工厂预制成品，现场免模板安装，施工安装方便快捷，节约工期近30%；②现场钢筋绑扎量大量减少；③楼板双向刚度相近，整体性好；④可实现多层楼板同时施工；⑤钢筋排列均匀，施工质量易保证。

装配式钢结构的墙板连接节点具有特殊要求：①自身要有一定的强度和刚度，既能在日常使用中保证墙板不变形，也能在地震时防止墙板坠落伤人；②我国现行的抗震设计方法是钢框架承担全部水平荷载，墙板不参与工作，实际上墙板仍具有一定的抗侧力能力，因此，墙板的连接节点是保证两者共同工作的基础。在设计中应考虑以下几点：①节点的传力要明确可靠，自身强度要满足计算要求；②节点可产生一定的位移，通过柔性变形耗能，利于抗震；③节点连接件制作安装要简便，避免现场焊接和湿作业；④节点连接要具有通用性，提高标准化程度。

图6 梁柱刚接节点

图7 钢筋桁架组合楼板

《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（试行）》规定，2016年起单体预制装配率不低于40%。在构件设计时应统筹规划，既要满足自身安全性，也要注意预制装配率控制在标准线之上。该项目的预制装配率为57.2%（表2），满足上海市的要求。

3 装配式钢结构框架施工特点

钢结构是天然的装配式建筑，具有绿色建筑的特征，经过精心设计的钢结构建筑具有“轻、快、好、省”的优点。

轻：钢结构建筑使用的材料具有轻质高强的特征，相对于混凝土建筑自重降低30%左右；同时，钢结构具有优良的抗震抗风性能，大大提高了建筑的安全可靠性，尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，钢结构比混凝土结构遭受倒塌性迫害的可能性更低。国外很多国家都把教育建筑作为临时抗灾避难所，目前我国的学校也越来越多地承担起这样的功能，钢结构是顺应这种发展趋势的最合理的结构形式之一，也使建筑的避难性大大提高。

快：由于建造特征不同，钢结构比普通钢筋混凝土结构工程工期缩短50%以上。

好：钢结构建造过程节能、节水、节地，环保效果更好，在建筑拆除时，大部分材料可再利用或降解，不易造成建筑垃圾；

省：建筑总重轻，施工周期短，大大减少基础造价。

因此，钢结构装配式建筑更符合绿色建筑的特点和要求，也是目前对城市环境影响最小的结构形式之一。

4 存在的问题

上海市浦江镇第五小学综合教学楼是上海市首例采用装配式钢结构体系的学校类建筑，目前已经竣工投入使用。在项目参与各方的积极工作下，从设计到施工，较好地完成了指定工作，达到了预期的效果，说明该结构型式用于学校类建筑是完全可行的。但是在整个项目的完成过程中，仍存在一些亟待解决的问题。

（1）国家针对装配式钢结构还没有统一的规范或标准，造成设计标准不统一，施工仍主要以企业标准为主。

（2）和装配式钢结构配套的墙板类型较少，有待进一步研发。

（3）连接件现场焊接较多或过于复杂，不便于工厂加工制作，现场安装精度难以保证。

（4）由于钢结构自身重量轻，对于教学建筑，遇到上、下课学生集中疏散，易引起结构振动，建筑构件与钢结构连接部位易产生裂缝。

（5）装配式钢结构体系的教育类建筑物的建成，仅仅是建筑物全寿命周期的开始，后续要经过几十年的使用过程。钢结构体系有优点，也必然有其独有的缺点，在后续使用中是否可能出现屋顶漏水、外墙交接处渗水、结构局部变形引起楼板开裂、安装教学器具困难、局部锈蚀降低结构强度等等，需要建立长效、有效的监测体系，不断总结使用和管理维护经验，以保证使用安全，为新项目的建设提供可持续的优化依据，为教育建设事业的发展做出更大的贡献。

表2 结构构件、部品部件预制装配率

5 建议

（1）教育类建筑体量较大，主要教学用房相对规整，开间及跨度较大，尤其是体育馆报告厅等属于大跨度、大空间建筑结构，能够充分有力发挥钢结构自重轻、适用跨度大、节约空间的优点，且具有足够的可塑性，能够很好地适应建筑造型的需要。

钢结构装配式建筑能完全适用于教育类建筑，且能更好地提高建筑使用效率、缩短施工周期、改善施工环境，更绿色节能。但作为教育类建筑，使用对象为人员密集场所，对防火疏散有着很高的要求，应保证满足室内外有关防火设计规范，做到万无一失。

（2）充分利用并发挥装配式钢结构自身的特点，减少湿作业和现场焊接作业。

（3）开发研究新型墙板材料和节点连接技术，既要保证受力可靠又要方便施工。

（4）充实部件库，设计中采用标准型材，减少深化量。

（5）针对钢结构的特点，为使用单位编制提供使用手册，加强竣工后的检测和观测，做好记录，通过实际使用形成更加完善的技术体系，为学校的绿色建筑设计做出积累和提升。