预制装配式钢结构建筑设计方法及经济性探究*

张 楠

(兰州交大设计研究院有限公司 兰州 730070)

预制、装配与钢结构是当前建筑行业为谋求未来发展而进行探索的路径,将三者有效地融合,便能够最大化地提高建筑工程的整体施工质量和施工效率,减少施工期间的环境污染问题,为建筑使用人员提供安全保障。目前,我国正在城市化建设的紧要关头,通过预制装配式钢结构在建筑行业中的有效应用,能够进一步加快城市化建设的步伐,为社会整体繁荣发展提供保障。就预制装配式钢结构而言,钢结构毋庸置疑均属于装配式结构,但并非所有采用钢结构的建筑皆属于装配式建筑,预制装配式钢结构建筑需要钢结构、围护系统、设备与管线系统等多项配合,必须满足全方面的标准化生产。因此,完善的预制装配式钢结构的设计工作更加困难,需要大量数据作为设计依据,并进行有效地运用和处理,才能够最大化预制装配式钢结构设计的实际应用效果。在设计过程中,设计人员也必须兼顾工程施工的整体经济性,为项目的正常运行及使用提供保障。

1 预制装配式钢结构概述

预制装配式钢结构是指在建筑工程的结构施工中,施工前便统一生产的梁、板、柱、墙等结构件,以焊接、螺栓连接等方式进行装配,以钢材为主要材料构成的建筑结构。完善的预制装配式钢结构能够作为建筑结构体系,为建筑工程的施工与使用提供有效的支撑,保障建筑物的功能性完整,最大化建筑工程的建造及使用效果[1]。

2 预制装配式建筑概念和特征

2.1 概念

预制装配式建筑的基本理念,便是通过在施工前对结构部件的加工与处理,在现场施工时只需通过对预制结构部件的拼接与加固,便能够快速形成装配式建筑。与现代建筑常用的现浇混凝土等建筑结构不同,装配式建筑的大部分部件生产工作在施工现场正式施工前就已经加工完毕,因此,各结构部件的质量都会直接影响装配式建筑的整体施工效果,部件加工环节也属于装配式建筑施工的一部分。

2.2 特点

装配式建筑因其特殊的施工流程,其主要特点有以下2点:

2.2.1 施工质量控制简便

首先,预制装配式建筑的结构部件会在正式施工前进行统一生产,相较于现场施工中对施工质量的控制不足问题,施工前统一生产的模式能够更全面的对装配式结构部件进行掌控,为后续的正式施工提供全面质量保障。其次,预制装配式建筑的正式施工以拼接、连接结构部件为主,在施工过程中只需关注结构部件的连接效果即可,能够简化施工现场的质量管理工作。因此,无论从施工工艺或是施工管理方面,预制装配式建筑的最终施工质量控制方面都存在较为明显的优势[2]。

2.2.2 保护环境节约资源

预制装配式建筑施工现场无扬尘、无废水、无噪音。减少建筑垃圾的产生、建筑污水的排放量,建筑噪声的干扰、有害气体及粉尘对环境的破坏,可实现绿色施工、节能减排以及促进经济的可持续发展。

3 预制装配式钢结构建筑结构选型与构造

3.1 建筑结构走向

目前,预制装配式钢结构建筑的结构类型的共分为以下3种:

3.1.1 钢框架结构体系

建筑钢框架结构是指通过由钢材制成的梁和柱组成的建筑结构,主要用于建筑竖向和水平荷载要求较高的建筑施工中,如工用厂房、大跨度厅堂等。钢框架结构体系的设计与施工除需保证建筑材料的强度外,还需要设计人员根据建筑工程的总体需要,调整梁柱的设计比例,才能够最大化钢框架结构体系的实际应用效果。

3.1.2 剪力墙结构体系

随着城市化建设的深入,当前城市中的用地越来越紧张,这也导致当前城市中大部分的新建建筑都向“高”发展,而在高层建筑及超高层建筑的结构中,水平荷载将是建筑稳定的主要影响因素。

通过在建筑结构中设置剪力墙,能够在建筑施工及使用时有效地保证建筑工程的整体抗侧移能力(见图1)。

图1 剪力墙结构示意图

3.1.3 支撑结构体系

支撑结构体系是钢结构体系的一部分,是保证预制装配式钢结构建筑整体稳定的重要辅助结构,通过水平结构支撑、柱间支撑、隅撑等结构设计,能够保证结构件之间的稳定,进而保证预制装配式建筑的整体结构稳定(见图2)。

图2 支撑结构实物图

在较为复杂的钢结构设计中,支撑结构体系还能够进一步优化建筑的结构荷载分布,调整建筑的整体刚度,提高建筑结构的整体功能[3]。

3.2 构造

预制装配式钢结构是以型钢或钢板,通过工程施工前对钢材的处理与加工,制成钢柱、钢梁、钢桁架等构件,施工时只需以焊接、螺栓连接等方式,将钢制结构件以设计标准进行连接,便能够达成施工目的。

预制装配式钢结构与装配式混凝土结构相比,其外墙体系更为复杂,包括空腔外墙体系、复合外墙体系、幕墙体系及砌体外墙体系等,且各有不同优势,为最大化提升装配式建筑钢结构的使用效果,在选择外墙体系时也应综合工程特点进行。

4 设计特点与设计要点

4.1 设计特点

预制装配式钢结构的设计特点是当前建筑行业对其青睐的主要因素,主要包括以下5个方面:

4.1.1 流程精细化

在建筑工程的建设全过程中,传统建筑工程建设将流程分为规划、设计、施工、运营共四个部分,这也使得建筑工程的整体施工并不连贯,影响建筑工程的整体施工进度和施工效率。预制装配式钢结构的设计因装配式建筑的特点,在设计中需要工作人员深度思考工程施工需要,对每个结构部分、结构件个体进行标准明确,使得预制装配式钢结构的整体建设流程更加精细,为后续施工提供完善的保障条件。

4.1.2 设计模数化

设计模数化是建筑工程的基础之一,预制装配式钢结构的特点使设计人员在开展工作时,必须掌握并明确每一个结构部件的标准,这也使得预制装配式钢结构的模数化标准更高。

4.1.3 配合一体化

设计工作不是凭空畅想,是基于现有条件对建筑工程的有效规划。因此,在预制装配式钢结构的设计中应确保设计的科学合理,使设计、结构件生产、施工等流程一体化,最大化设计工作的效果[4]。

4.1.4 成本精确控制

建筑工程的施工成本是衡量建设单位能否获利的关键因素。预制装配式建筑的设计特点,建设单位能够全面掌握建筑工程的整体用料,进而精确估算成本。

4.1.5 技术信息化

随着现代科学技术的发展,BIM 技术等现代建筑用具已经基本普及到各个设计单位中,能够使建筑工程的设计工作更加简便、精细,减少设计问题的出现。

4.2 设计要点

为保证预制装配式钢结构的设计合理,设计人员在开展工作时应严格遵守以下设计要点:

4.2.1 整体规划

建筑工程的设计工作也不会由某个工作人员全部负责的,在不同的区域中需要不同专业的设计人员参与,并最终汇总为设计图纸,如:电气图纸、暖通图纸等都由不同专业的设计人员负责。而整体规划顾名思义,就是在预制装配式钢结构建筑的设计中,各专业设计人员应共同开展设计工作,在建筑结构的设计每个专业的设计人员都能够从不同的角度考虑结构设计的合理性,为工厂一次成形生产保障基础条件。

4.2.2 预制构件设计

预制结构件是预制装配式钢结构的施工主要依据,因此,在设计预制件时设计人员必须保证结构件的尺寸、数量、类型等标准符合建筑工程的整体需要,同时在开展设计工作时,应综合考虑施工单位的整体力量,适当调整装配施工过程中的难度。预制件的设计工作是为施工及结构件制作提供依据的环节,若设计预制件时工作人员过于追求性能或出于其他因素导致预制件的生产较为困难,会导致预制件生产条件与设计不符,最终影响预制装配式钢结构的整体施工质量。

4.2.3 节点设计

节点是预制装配式结构件的连接点,节点设计的重点是高精度。高精度能够保证各结构件连接后的严密效果,提高建构稳定性。同时,在进行节点设计时,设计人员应从设计工作角度降低预制件的连接难度,综合考虑施工现场的各项条件,将节点设计与施工工艺相结合,从而可以提高节点设计在实际施工中的操作可行性。

4.2.4 提高设计实用性

设计工作是为预制件生产及施工提供前提条件的工作环节,若在设计中工作人员脱离实用性标准,会增大预制件的生产与施工难度。为保证设计实用性,首先应减少预制件种类,避免过多种类的预制件增加生产与施工难度;其次应保证结构件的连接效果,提高工程质量;最后应根据建筑工程施工需要,保证管线的施工条件[5]。

5 预制装配式钢结构建筑经济性分析

5.1 建筑成本经济性

相较于传统结构类型的施工,预制装配式钢结构建筑的经济性主要体现在以下几个方面:

5.1.1 便于造价控制管理

造价控制管理是当前建设单位以盈利或不亏损为目的开展的管理行为,通过对建筑工程各阶段的成本管控,能够有效避免资金的无用浪费。但传统设计、施工模式,导致建筑用料量多以“估算”为主,并不能为造价控制管理提供可靠的数据支持,而预制装配式钢结构建筑的设计会深入到每个结构件的设计中,为建设单位开展造价控制提供完善的数据支持,从而最大化造价控制管理的实际开展效果。

5.1.2 优化合同合理性

在建筑工程施工中,为保证建筑工程的顺利机型,建设单位一般在签订合同时,会按照过往的施工经验,向施工单位额外支付3%～10%的材料损耗费用,避免部分材料无端损耗而影响施工进度。但在预制装配式钢结构的施工中,因预制件均在施工前便已经制作完成,且预制件的质量较高,发生损耗问题的可能较小,能够使建设单位与施工单位签订合同时,更合理地优化建材损耗部分的条款,在保证双方利益的基础上,避免资金的估算错误问题[6]。

5.1.3 运输与人工费用

在建筑工程的施工中,建材的运输问题与施工人员的薪资是建筑工程造价的重要组成部分,相较于传统建筑工程的施工流程,装配式建筑因预制件在施工前已经生产完毕的原因,需要从预制厂运输至施工现场,会导致运输费用提升10%～20%。但预制装配式钢结构的施工较为简便,无需过于复杂的技术支持,且施工效率较快,较传统建筑工程而言,预制装配式建筑的人工费用能够降低40%。

5.2 缩减成本的方法

在建筑工程的施工中,钢结构作为建筑结构类型之一,因其使用钢材占比较高,导致其成本较一般混凝土结构的整体造价也会有所提升。为了最大化建设单位的效益,应在保证建筑工程整体功能的基础上,缩减成本。在设计中各专业应全面配合,确保预留孔洞位置准确,减少设备支架等的二次铺设以及孔洞的现场二次施工。在保证建筑功能的基础上减少多余荷载布置,达到梁柱截面优化,降低钢材使用占比目的。

综上所述,经济性作为预制装配式钢结构的主要特点之一,通过调整设计,能够在保证建筑工程结构稳定的基础上进一步提升施工效率和施工质量,减低施工过程中对周边环境的污染。设计人员应积极总结预制装配式钢结构建筑的设计特点及工作经验,优化预制装配式钢结构建筑的设计,保证设计合理性。