绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用

王巍

（山西省安装集团股份有限公司，山西太原 030012）

0 引言

从我国建筑业的总体发展过程来看，装配式建筑在每个发展阶段都是一种独特的产品，它有着时代的特征。与传统的建筑结构相比，装配式建筑所使用的建筑形式以钢结构为主体，这种结构具有材料质地较轻、资源利用程度高、现场施工装配化等明显的特征，而且还可以在一定程度上赋予生产过程循环化的性质。将钢结构应用到装配式建筑中，不仅可以有效地节约能源，还可以减少严重的环境污染。

20世纪80年代以来，我国的建筑业经历了一场巨大的变革，施工方式也从传统的施工方式向现代化的施工方式转变。而且，在低碳经济、可持续发展思想的全面贯彻下，装配式绿色建筑将是建筑业的发展趋势。在2017年年初，我国国务院办公厅发布的《关于促进建筑业持续健康发展的意见》中，更是明确了装配式施工的重要意义。作为一种天然式的装配式结构，钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比，具有显著的优势。而且，因为装配式钢结构可以快速地与标准化、模块化、信息化以及工厂化等发展要求相匹配，还可以与现代“创新、绿色、开方、协调、共享”的发展理念相契合，它是推动国家建筑绿色环保与可持续发展的动力源泉。

1 绿色装配式钢结构建筑的特点

1.1 绿色装配式钢结构建筑的含义

“绿色”的钢结构是在“绿色发展”的基础上，将钢结构设计标准化、生产工业化、施工组装、装修一体化、管理信息化和应用化，并支持进行构件标准化。装配式钢结构是一种节能减排、节能减排、促进工业结构优化、改善工程质量的新型建材。

1.2 绿色装配式钢结构建筑的特点

（1）生产特性。在钢构件的组装设计中，要求构件制造商根据钢材的特性，采用现代工艺进行工艺制造。保证所加工制造的钢结构部件达到设计的标准。在建设项目开始前，完成组装钢架的所有部件，并将其安全运送至工地，以便进行适当的存储和存储。由于在实际工程中，由于各部件之间的拼装与连接所花费的时间相对较少，从而加速了建造速度，加速了建造的产业化进程，改善了建筑质量。在目前的市场经济条件下，建设项目建设耗费了许多的人力物力，而在目前的市场经济条件下，能耗高已经是社会普遍关心的问题，同时也是制约国家发展的一个瓶颈[1]。使用大量的钢构件，以满足钢铁生产的需求。而组装型钢架的各种部件也将在不同的工厂进行加工，从而促进了预制板的发展，从而促进了整个行业的发展。同时，采用组装钢制构件进行流水作业，使其工业化、工业化、机械化程度得到了改善，使其产品的智能化，使构件的制造水平得到了进一步的改善。

（2）能源和环境友好特性。装配式钢结构符合绿色环保的要求，降低了原材料的配比，例如，在建筑框架的安装中，可以使围护结构与保温墙体更好的结合，并采用了新的砌体材料。在工程建设中要注意各种物料的用量，如砂石、水泥、块儿料等，以防止建材的大量消耗[2]。同时，采用组合钢混合体也能有效降低建筑废弃物的产生。避免在建筑废弃物治理中投入大量的金钱，减少对周围建筑的污染，是一种可持续发展的环保理念。装配式钢结构如图1所示。

图1 装配式钢结构

1.3 信息化管理与智能化管理模式的应用

在生产过程中，部件的制造要给员工创造一个良好的工作环境，而且生产过程和质量检验都需要大量的员工，一个良好的工作环境可以减少员工的不确定因素。另外，在建筑工地进行钢结构构件的安装，以运输和安装为主，这将会大大减少建筑工人的数量，从而提高建筑安全管理法规的执行[3]。

2 基于生态理念的绿色装配式钢结构建筑体系方案

2.1 新型装配式钢结构体系配置

在对钢结构系统进行创新和优化时，既要有先进的结构设计理论，又要对传统的结构设计方法进行深入的探讨。通过这种方式，既可以为结构系统的优化配置提供了有利的环境，也可以使技术人员了解到传统的结构设计方法中的问题，从而从根本上提高住宅的经济效益。因此，在实际的设计与施工中，要善于运用和运用新型的设计思想与传统的设计问题，并提出一种新型的装配式钢结构系统的配置方案，既可以解决传统的设计思想，又可以提高结构的整体性能，确保生态效益的实现[4]。

在设计阶段，设计者必须正确认识建筑的基本位置，将先进的内部控制技术与整体设计思想结合起来，并进行相应的设计。其中，系统配置的基础是建筑物的结构框架，此外还需要对梁体、柱体进行分析，将生态布局纳入规划中。在必要时，还要对系统进行技术评估，以确定系统结构的抗侧力效应，并对不合理的地方进行适当的调整。同时，必须将基础房屋的基础构造纳入设计中，并严格遵守《装配式钢结构建筑标准》的有关规定，以确保结构系统的精度。BIM技术是提高设计精度的一项重要技术，它可以应用于钢结构装配式建筑的设计。

2.2 新型围护体系配置

新的围护系统是对原有的钢结构形式进行了优化与改进。新型建筑围护结构的设计，强调结构、建筑、内部的一体化，形成了一种绿色、高效的新型结构与系统。以建筑的功能为中心，以框架为单元进行主体结构的施工，尽可能地使建筑的立柱、网状等规格统一，并合理地安排房型的设计与功能布置。以钢结构为基本条件，在满足建筑功能的前提下，通过合理的钢结构布局，能够满足大面积的室内布局要求，满足实际的要求[5]。同时，要严格控制项目的成本，降低施工难度，从而有效促进建筑业的可持续、稳定发展。

2.3 模块化、工厂化的新型建筑体系

绿色装配式钢结构可以达到工厂、模块化的目的。利用预制件，可以使钢结构的基础框架迅速成型。在建筑工地上，实现了无湿操作，所有的预制件都是工厂化的，如可拆卸式活动房、模块化的集装箱房。可拆卸式活动房，其主体框架主要是轻型钢结构。建筑围护采用了彩色钢板，采用了标准的模数组合，采用螺栓进行连接，安装和拆卸速度较快，具有操作简单、节省时间、环保、节能、建筑垃圾较少等优点[6]。模块化的集装箱，以箱子为基础。以型钢、薄钢板为箱体骨架，采用不燃烧材料作外罩，箱室最大的特色就是内外装饰均可在工厂内进行，无须重新装修。与传统的建筑系统相比，工厂化建筑结构、外墙、门窗、内部装饰等都可以在工厂中实现。在工厂内进行生产，可以达到更好的一致性和规模，在质量管理系统的监管下，所有的预制件都要经过严格的质量检查，然后才能出厂，保证工程完工后，不会有任何的问题。采用工业化生产技术，实现大规模、机械化生产，其生产、安装效率比手工作业快10倍以上，而且物料利用率也比手工作业高，减少了大量的材料浪费，节约了施工总费用。对钢结构的每一个生产环节都要进行严格的质量检验与控制，确保所有的部件都能达到国家的质量要求，从而保证工程的安全、质量，并能防止因材料不达标而导致工程停工、返工等问题，从而节省施工的时间，保证工程的顺利完成。

2.4 工业化住宅建筑体系

工业化住宅建设是当前我国住宅建设的一个重要发展趋势，传统的房屋结构以钢筋混凝土为主，使用水泥会产生大量的CO2，造成资源的浪费，同时产生的污水也会对周围的环境造成一定的污染。钢结构房屋的钢可回收再利用，不会变成建筑废弃物，不需投入大量的资金进行处置，而且满足了住宅节能和环境保护的要求。预制件采用标准化的模数化设计，工厂内实现加工、制造.钢结构住宅采用了新的建材，既满足了绿色环保的需求，又具有抗震、防火的双重作用。在住宅建筑的设计中，采用异地装配的模数，对部件、部件进行标准化，形成标准化、系列化的居住产品。实现了部件部件的工业化生产，组合，降低了工程的难度。目前，我国钢结构住宅发展并不顺利，存在着钢结构技术、外部环境等诸多问题。

目前，最常用的是钢管束组合系统的结构模型，它采用了一种基于“钢管束组合”的结构模型，它可以将一个整体的模型结合起来，通过仿真试验，得到了钢管的承载能力和刚度。而成板的构造则要求采用“H型”钢筋桁架，能很好地解决接头承载能力的问题。同时，新型的剪力墙也要加大研究力度，相比于传统的钢板剪力墙，它的优点是重量轻，地震作用小，可以灵活的安装，更多的空间，可以代替钢结构，改善房屋的使用效果和安全性[7]。通过对住宅的布局、承重设计和剪切效应的试验，确定住宅建筑所需的钢料量，从而保证住宅的安全。

3 装配式钢结构建筑体系的应用

3.1 装配式钢结构中梁柱的连接节点

根据连接刚度的不同，可以将梁柱连接方式划分为刚性连接、半刚性连接、铰接连接。根据连接方式，可以将梁柱连接方式分为全焊接连接、栓焊混合连接、全螺栓连接。在多层钢结构中，梁、柱的连接可以采用刚性连接，即梁的翼缘与腹板的整体焊接，也可以通过翼缘的焊接、腹板的螺栓、翼缘和腹板的螺栓等来实现。采用全焊接方法可以达到等强度刚接的钢结构，但是由于现场焊接作业繁重，而且受多种因素的制约，使得焊接施工中出现了许多质量问题。此外，由于焊接残余应力大，在实际焊接中很难进行，而且对其进行质量检验的成本也很高，因此，在钢梁和柱间进行焊接时，不宜采用就地焊接[8]。采用栓焊复合接头，不但施工简便，而且可以确保焊接强度与完全焊接接头的强度相当。美国、日本的大地震后，钢结构虽然强度高、塑性好、韧性好，但在大地震的冲击下，还是会导致梁柱的一些节点产生脆性断裂，而断裂的部位主要集中在梁下翼缘和立柱的焊缝处。同时也充分暴露了钢结构焊接接头的缺陷。

因此，对于梁柱节点，应采取螺栓联接形式，以加快其安装速度，确保其施工质量。尽管采用这种螺栓连接方法，其节点数量要多于焊接节点，而且实际节点也要大，但是其整体经济效益要比现场焊接的造价要低一些。梁柱全螺栓联结既可达到刚性联结又可实现半刚性联结，而刚性联结方法的计算方法相对简便，在实践中得到了广泛的应用。而半刚性接头的实际能耗较高，螺栓用量少，经济效益高，但其实际计算和分析比较烦琐。这两种方法均适用于在多发性地震条件下的装配式、高层钢结构工程。

3.2 支撑与框架两者间的连接节点

由于建筑施工中高层建筑数量的增加，单纯的框架结构在经济上的应用日益减少。而中央支承框架与偏心支承框架结构在经济上表现出更高的优越性，但其支承强度也比较大。对于装配式钢结构，支架和支架之间的连接也多为全螺栓连接，这样可以方便施工单位在现场进行组装和维修。在支撑框架系统中，一般都是采用板型节点，将其与梁柱相连，从而提高了结构的整体稳定性。

4 结语

在我国，装配式钢结构的绿色环保技术已成为建筑业发展的必然趋势。所以，在具体的应用中，设计者要积极地将各种技术理论相结合，积极使用绿色环保的建筑材料，利用一体化的设计思想，推动结构与其他辅助设施的结合，使建筑结构的各个组成部分成为一个有机的整体，在一个好的结构体系的协同下，使其他设施的运作效率也能获得提高，从而实现可持续发展。并围绕此展开全面改进与优化，进而从根本上促使绿色装配式钢结构技术实践效果的有效提升。