集装箱式装配式建筑发展历程

装配式建筑施工是将建筑物预制构件加工完毕后，运输至施工现场，结合构件安装知识，进行装配。与传统现浇建筑相比，装配式建筑施工具有以下的优越性和局限性。

（1）装配式建筑施工的优越性

①构件可在工厂内进行产业化生产，施工现场可直接安装，方便快捷，可缩短施工工期。

②构件在工厂采用机械化生产，产品质量更易得到有效控制。

③周转料具投入量减少，料具租赁费用降低。

④减少施工现场湿作业量，有利于环保。

⑤因施工现场作业量减少，可在一定程度上降低材料浪费。

⑥构件机械化程度高，可较大减少现场施工人员配备。

（2）装配式建筑施工的局限性

①因目前国内相关设计、验收规范等滞后施工技术的发展需要，装配式建筑在建筑物总高度及层高上均有较大的限制。

②建筑物内预埋件、螺栓等使用量有较大增加。

③构件工厂化生产因模具限制及运输（水平、垂直）限制，构件尺寸不能过大。

④对现场垂直运输机械要求较高，需使用较大型的吊装机械。

⑤构件采用工厂预制，预制厂距离施工现场不能过远。

4．1．1 集装箱式结构施工

集装箱式装配式建筑也称盒式建筑，是指用工厂化生产的集装箱状构件组合而成的全装配式建筑。所有的集装箱式构件均应在工厂预制，且每个集装箱式构件应该既是一个结构单元又是一个空间单元。结构单元意味着每一个集装箱式构件都有自身的结构，可以不依赖于外部而独立支撑；空间单元意味着根据不同的功能要求，集装箱式构件内部被划分成不同的空间并根据要求装配上不同的设施。这种集装箱式构件内一切设备、管线、装修、固定家具均已做好，外立面装修也可以完成，将这些集装箱式构件运至施工现场，就像“搭建积木”一样拼装在一起，或与其他预制构件及现制构件相结合建成房屋。形象地说，在集装箱式结构建筑中一个“集装箱”类似于传统建筑中的砌块，在工厂预制以后，运抵现场进行垒砌施工，只不过这种“集装箱”不再仅是一种建筑材料，而是一种空间构件。这种构件是由顶板、底板和四面墙板组成，是六面体形（也有的做成五面和四面体的），外形与集装箱相似。这种集装箱式构件，只需要在工厂成批生产一些六面、五面或四面的型体，以一个房间大小为空间标准，在现场将其交错迭砌组合起来，再统一连接水、暖、电等管线，就能建成单层、多层或高层房屋建筑。

集装箱式装配式建筑的建造主要包括工厂预制、构件运输和现场装配3部分，如图4．1所示。

图4．1 集装箱式装配式建筑的建造

1）集装箱式装配式建筑发展概况

1967年，加拿大蒙特利尔市建成了一个由354个集装箱式构件组成的，包含了商店等公共设施在内的综合性居住体——“Habitat67”（67号栖息地）。这座钢筋混凝土集装箱建筑充分发挥了“集装箱”作为一种结构形式和建筑造型手段的作用，创造出了前所未有的建筑形象。“67号栖息地”由建筑师穆时·萨夫迪（Moshe Safdie）设计建造，建造的目的就是要保证每个家庭在现代城市人口高度密集的条件下，生活得舒适些，即得到更多的新鲜空气、阳光和绿荫。在城市范围内给予人们想要到城外去找寻的，而在现代公寓中无法找到的东西。建筑物由许许多多“集装箱”小单元堆积而成，每一个“集装箱”就是一所隔离开来的住宅，经过巧妙安装，在这里每一所“集装箱”住宅的屋顶都成为另一所住宅的花园或儿童游戏场所，并且每一家的花园平台都相对独立，相互之间不受别人视线的干扰。如图4．2所示。

图4．2 加拿大蒙特利尔市“67号栖息地”

1972年，日本建筑师黑川纪章与运输集装箱生产厂家合作，大量采用在工厂预制建筑构件并在现场组建的方法，在东京建成了舱体大楼（Capsule Tower）。该建筑由140个舱体构成，所有的家具和设备都单元化，收纳在2．3m×3．8m×2．1m的居住舱体内，作为服务中核的双塔内设有电梯、机械设备和楼梯等。楼体上部的舱体利用起重机安装而成。每个舱体下面有两个托架支撑着，而上面仅由两个螺丝固定。每个舱体的内部装修力求新颖奇特，墙、床、天花板集成一体化，屋内的墙角为圆角。除组合浴室之外，不锈钢洗碗槽、百叶窗、床垫等家具全部为特别订制。如图4．3所示。

1973年，在匈牙利举行了集装箱式建筑的国际讨论会，70年代中期有较大的发展，现已有30余国家或地区建成不同类型的集装箱式构件房屋，其中以居住房屋为多，也有少量公共建筑和工业建筑。集装箱式构件房屋在美国是从活动房屋演变而成，但在大多数国家则从装配式建筑发展而来。起初采用木或钢制的为多，现在大多采用钢筋混凝土的集装箱式构件，也有的是采用铝合金、塑料或用玻璃纤维增强的塑料制成。罗马尼亚和前苏联建造的钢筋混凝土集装箱式构件房屋能安全地承受7～8度的地震荷载。

目前，世界上已有30多个国家修建了集装箱式构件房屋，生产集装箱式构件较多的国家也有20多个。集装箱式构件的使用范围也由低层发展到多层乃至高层。有的国家已建到20层以上。加拿大有规模庞大的集装箱式构件综合体，前苏联甚至出现了集装箱式构件建筑小区，并逐渐由城市推广到了农村。我国自1979年起，在青岛、南通、北京等地，陆续试建了几栋集装箱式构件房屋。总建筑面积1634．8m2，1982年至2015年又新建集装箱式构件住宅楼约15000m2。青岛也用钢筋混凝土杯形构件建造了一栋住宅楼，并已试制钢筋混凝土隧道形集装箱式构件。现已建成的北京丽都饭店属于轻型集装箱式构件建筑，第一期工程共用引进的钢构架轻型集装箱式构件500多个。

图4．3 东京舱体大楼

2）集装箱式结构的优缺点

（1）优点

①施工速度快：以一栋3000m2的住宅楼为例，从基础开挖到交付使用，一般不超过4个月，最快的仅为2～3个月，而其主体结构在1个星期就可以摞起来。不仅加快了施工速度，也大大缩短了建设周期和资金周转时间，节约了常规建设成本。

②装配化程度高：装配程度可达85％以上，修建的大部分工作，包括水、暖、电、卫等设施安装和房屋装修都移到工厂完成，施工现场只余下构件吊装、节点处理，接通管线就能使用。

③自重较轻：箱型构件是一种空间薄壁结构，与传统砖混建筑相比，可减轻结构自重30％以上。

④工程质量容易控制：由于房屋构件是在预制构件厂内采用工业化生产的方式制作，材料品质稳定，操作工人的素质对成品质量的影响较小。因此，从构件出厂到安装施工的质量易于全程控制，更不易出现意外的结构质量事故。

⑤建筑造价低：建筑造价与砖混结构住宅的建筑造价相当或略低，普通多层砖混结构住宅建筑造价约800元／m2，而多层集装箱式结构住宅一般不超过800元／m2。

⑥使用面积大：集装箱式结构房屋完全不同于人们常见的“活动板房”，其规格、模数及建筑面积可与普通砖混住宅的房间相同，但在其相同建筑面积的条件之下，初级集装箱式结构实际使用面积可以增加5％以上。

⑦建筑节能效果明显：集装箱式钢筋混凝土房屋构件的外墙和建筑物山墙，皆可采用导热系数很低的聚苯乙烯泡沫板做保温隔热处理。据测算，若推广使用10万m2的集装箱式结构建筑物代替砖混结构，可节约烧制黏土砖的土地125亩（1亩≈666．67m2），标准煤43752t。节约了能源和土地，减少了大气污染，有助于实现中国政府节能减排的目标。

⑧绿色文明施工：施工现场产生的建筑垃圾、粉尘、噪声等环境危害大大下降，有利于现场绿色建筑施工环保要求的具体实施，大幅减少施工引起的扰民等环境危害。施工现场占地减少、用料少、湿作业少，明显减少施工车辆和机械的噪声等不利于现场文明的因素，对施工现场周围的环境干扰极小。

⑨主体结构施工安装不受气候限制：整体房屋项目建造过程中80％的施工阶段，可无须考虑气候条件的影响。

⑩方便拆迁：有建筑物拆迁需要时，无论是永久性的还是临时性的集装箱式结构建筑，都可以化整为零，拆迁搬家易地重建，以适应城市规划建设的需要。被拆迁集装箱式构件基本完好的可二次或重复利用，可以大大降低拆迁成本、二次建造施工成本和大幅度降低因此而带来的建筑垃圾粉尘、噪声等系列污染或毁田等环境问题。

（2）缺点

①预制工厂投资大；

②运输、安装需要大型设备。

3）集装箱式结构施工

（1）集装箱式构件类型

集装箱式构件根据受力方式不同，分为无骨架体系和骨架体系。

①无骨架体系（见图4．4）：一般由钢筋混凝土制作，目前最常用采用整体浇筑成型的方法，使其形成薄壳结构，适合低层、多层和≤18层的高层建筑。钢筋混凝土集装箱式构件的制造工艺现多采用钟罩式（顶板带四面墙）、卧杯式（顶板、底板带三面墙），也有从房间宽度中间对开侧转成型为两个钟罩然后拼成构件的。个别的采用杯式（底板及四面墙）成型法，或先预制成几块板或环，然后拼装成为构件的。钟罩式的底板、卧杯式的外墙、杯式中的顶板都是预制平板，用螺栓或焊件与构件连接（见图4．5）。

图4．4 无骨架体系

图4．5 无骨架体系构件生产工艺示意图

②骨架体系（见图4．6）：通常用钢、铝、木材、钢筋混凝土作为骨架，用轻型板材围合形成集装箱式构件，这种构件质量很轻，仅100～140kg／m2。

图4．6 骨架体系

（2）集装箱式构件生产

集装箱式构件在预制工厂生产，经过结构构件连接，防水层、保温隔热层铺装，管道安装，门窗安装，地砖铺贴，装饰面板铺贴等工序，一个个集装箱式构件就生产出来了。预制生产时需注意：

①所用材料需符合各项有关规定。

②构件尺寸需符合设计要求，偏差不能超过允许范围。若偏差过大，将严重影响现场构件拼装。

③构件整体强度和刚度不仅要满足使用阶段要求，还要满足吊装运输要求，防止构件在运输吊装过程中出现严重变形和损坏。

④各部件需安装牢固，防止在运输和吊装过程中出现变形和掉落。

生产好的集装箱式构件经检验合格后按品种、规格分区分类存放，并设置标牌，如图4．7所示。

图4．7 集装箱式构件工厂标准化生产示意图

（3）集装箱式构件运输

集装箱式构件的运输应符合下列规定：

①应根据构件尺寸及重量要求选择运输车辆，装卸及运输过程应考虑车体平衡。

②运输过程应采取防止构件移动或倾覆的可靠固定措施。

③构件边角部及构件与捆绑、支撑接触处宜采用柔性垫衬加以保护。

④运输道路应平整并应满足承载力要求。

如图4．8所示。

图4．8 集装箱式构件运输

（4）集装箱式结构装配

集装箱式装配式建筑的装配大体有以下几种方式：

①上下集装箱式构件重叠装配［见图4．9（a）］。

②集装箱式构件相互交错叠置［见图4．9（b）］。

③集装箱式构件与预制板材进行装配［见图4．9（c）］。

④集装箱式构件与框架结构进行装配［见图4．9（d）］。

⑤集装箱式构件与筒体结构进行装配［见图4．9（e）］。

图4．9 集装箱式装配式建筑的装配方式

应根据建筑物的功能、层数、结构体系等因素合理选择装配方案。对于单层或层数较少的建筑，通常采用上下集装箱式构件重叠装配或集装箱式构件相互交错叠置，对于层数较多的建筑，通常采用集装箱式构件与预制板材进行装配、集装箱式构件与框架结构进行装配或集装箱式构件与筒体结构进行装配，如图4．10、图4．11所示。

图4．10 上下集装箱式构件重叠装配

图4．11 集装箱式构件与筒体结构进行装配

装配前应完成建筑物基础部分的施工，预埋件应安装就位，装配时应注意：

①临时支撑和拉结应具有足够的承载力和刚度。

②吊装起重设备的吊具及吊索规格应经验算确定。

③构件起吊前应对吊具和吊索进行检查确认合格后方可使用。

④应按构件装配施工工艺和作业要求配备操作工具及辅助材料。

如图4．12所示。

图4．12 集装箱式装配式建筑装配

4．1．2 PC结构施工

PC（Precast Concrete）结构是预制装配式混凝土结构的简称，是以混凝土预制构件为主要构件，经装配、连接以及部分现浇而成的混凝土结构。PC构件种类主要有：预制柱、预制梁、预制叠合楼板、预制内墙板、预制外墙板、预制楼梯、预制空调板。

1）PC结构的优点

PC结构与传统现浇混凝土结构比具有以下优点：

①品质均一：由于工厂严格管理和长期生产，可以得到品质均一且稳定的构件产品。

②量化生产：根据构件的标准化规格化，使生产工业化成为可能，实现批量生产。

③缩短工期：住宅类建筑，主要构件均可以在工厂生产到现场装配，比传统工期缩短1／3。

④施工精度：设备、配管、窗框、外装等均可与构件一体生产，可得到很高的施工精度。

⑤降低成本：因建筑工业化的量产，施工简易化减少劳动力，两方面均能降低建设费用。

⑥安全保障：根据大量试验论证，在抗震、耐火、耐风、耐久性各方面性能优越。

⑦解决技工不足：随着多元经济发展，人口红利渐失，建筑工人短缺问题严重，PC结构正好可以解决这些问题。

2）PC结构施工方法分类

从建筑物结构形式及施工方法上PC结构施工方法大致可分为4种：

①剪力墙结构预制装配式混凝土工法，简称WPC工法。

②框架结构预制装配式混凝土工法，简称RPC工法。

③框架剪力墙结构预制装配式混凝土工法，简称WRPC工法。

④预制装配式铁骨混凝土工法，简称SRPC工法。

（1）WPC工法

WPC工法即剪力墙结构预制混凝土工法（见图4．13）。用预制钢筋混凝土墙板来代替结构中的柱、梁，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，局部狭小处现场充填一定强度的混凝土。它是用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构，因此需要每一层完全结束后才能进行下一层的工序，现场吊车会出现怠工状态，适用于2栋以上的建筑才能够有效利用施工设备。

图4．13 WPC工法示意图

（2）RPC工法

RPC工法即框架结构预制装配式混凝土工法（见图4．14），是指预制梁和柱在施工现场以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构工法。由预制梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载，墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。此种工法要求技术及成本都比较高，故多与现场浇筑相结合。比如梁、楼板均做成叠合式，预留钢筋，现场浇筑成整体，并提高刚性。多用于高层集合住宅或写字楼，可实现外周无脚手架，大大缩短工期。

图4．14 RPC工法示意图

（3）WRPC工法

WRPC工法即框架剪力墙结构预制装配式混凝土工法（见图4．15），是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。

图4．15 WRPC工法示意图

（4）SRPC工法

SRPC工法即预制装配式钢骨混凝土工法（见图4．16），是将钢骨混凝土结构的构件预制化，与RPC工法的区别是，通过高强螺栓将构件现场连接。通常是每3层作为一节来装配，骨架架设好之后才能进行楼板及墙壁的安装。此工法适用于高层且每层户数较多的住宅。

3）PC结构施工要点

PC结构装配式建筑一般仍采用现浇钢筋混凝土基础，以保证预制构件接合部位的插筋、预埋件等准确定位。PC构件装配的首要环节是现场吊装，在进行吊装时首先应确保起重机械选择的正确性，避免因机械选择不当导致的无法吊装到位甚至倾覆等严重问题。PC构件吊装过程中，应结合具体预埋构件的实际情况选择起吊点，保证吊装过程中PC构件的水平度与平稳性。在吊装过程中应充分规划施工空间区域，轻起轻放，避免因用力不均造成的歪斜或磕碰问题。在吊装的过程中，应不断进行精度调整，在定位初期应使用相应的测量仪器进行控制。当前主要的PC构件吊装定位仪器为三向式调节设备，能够确保吊装定位的准确性。

图4．16 SRPC工法示意图

作为PC构件装配过程中的关键部分，连接点施工是极易出现质量问题的环节，同时也是预制装配式高层住宅建筑施工的重点。现阶段，此部分连接施工主要分为干式连接和湿式连接两种形式。其中，干式连接仅通过PC构件的拼接与紧固，借助连接固件完成结构成型，节省了施工现场节点处混凝土浇筑施工步骤。与此相对应，湿式连接指的是在吊装定位与拼接紧固完成后，施工人员在节点位置进行混凝土浇筑，通过混凝土材料的成型聚合完成建筑结构体系成型。在实际施工环节中，上述两种方式应有针对性地选择应用。

标准层施工时，每层PC构件按预制柱→预制梁→预制叠合楼板→预制楼梯→预制阳台→预制外墙板的顺序进行吊装和构件装配，装配完毕后需按设计要求进行预制叠合楼板面层混凝土浇筑和节点混凝土浇筑。如图4．17至图4．30所示。

图4．17 预制柱吊装

图4．18 预制柱对接

图4．19 预制梁吊装

图4．20 预制梁、柱连接

图4．21 预制墙体吊装

图4．22 预制墙体固定

图4．23 预制楼板吊装

图4．24 预制叠合楼板安装完毕

图4．25 预制楼梯吊装

图4．26 预制楼梯对接

图4．27 预制外墙吊装

图4．28 预制外墙固定

图4．29 节点处浇筑混凝土

图4．30 预制叠合楼板混凝土面层浇筑

由于在工厂预制PC构件时已经将门、窗、空调板、保温材料、外墙面砖等功能性和装饰性的组件安装在PC构件上了，所以与传统现浇钢筋混凝土建筑相比，PC结构装配式建筑装配完毕后只需要少许工序便能完成整个建筑的施工，节省了施工时间，同时也降低了建筑施工成本。

值得注意的是，采用预制PC构件装配时，为了保证节点的可靠性，以及建筑的整体性能，在节点处和叠合楼板面层通常会采用现浇混凝土的方式（见图4．29、图4．30）。这种部分采用现浇混凝土以增强结构整体性能的方式，除了用于节点和叠合楼板外，还能用于剪力墙叠合墙板的施工。以下实例中的上海青浦新城某商品房项目采用的就是这种方法。

4）PC结构应用实例

上海青浦新城某商品房项目总用地面积27938．2m2，包括8栋16～18层装配式住宅、一座地下车库、一座垃圾房和一座变电站，总建筑面积83218．35m2，其中地上建筑面积56917．49m2，地下建筑面积为26300．86m2。项目建筑面积100％实施装配式建筑，单体预制混凝土装配率≥30％。

小区住宅楼层数主要为16～18层，标准层层高2．95m。户型以一梯四户和一梯两户为主，每单元设2台电梯和1部疏散楼梯，地下一层为机动车与非机动车库及设备用房。

住宅房型设计以标准化模块化为基础，以可变房型为设计原则。住宅3层以下竖向构件采用现浇，顶层屋面采用现浇，其余楼层采用预制。立面造型风格简洁明快，具有工业化建筑的特点。如图4．31所示。

图4．31 项目效果图

项目设计围绕基于工业化建筑的标准模数系列，形成标准化的功能模块，设计了标准的房间开间模数，标准的门窗模数，标准的门窗洞口尺寸，标准的交通核模块，标准的厨卫布置模块，并将这些标准化的建筑功能模块组合成标准的住宅单元，各功能模块的尺寸详见图4．32所示。

根据标准化的模块，再进一步拆分标准化的结构构件，形成标准化的楼梯构件、标准化的空调板构件、标准化的阳台构件，大大减少结构构件数量，为建筑规模化生产提供了基础，并显著提高构配件的生产效率，有效地减少材料浪费，节约资源，节能降耗，如图4．33所示。

该地块所有住宅单体皆采用装配式剪力墙结构体系，主要预制构件包含叠合墙板、全预制剪力墙、叠合楼板、叠合梁、预制阳台、预制空调板、预制楼梯，单体预制率皆大于30％。

图4．32 房型标准化表（部分）

图4．33 标准化的PC楼梯构件（左）、PC阳台构件（中）和PC空调板构件（右）

该项目结构体系由叠合墙板和叠合楼板为主，辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁、板，共同形成剪力墙结构。如图4．34所示。

图4．34 结构三维模型示意图

叠合墙板，由内外叶两层预制墙板与桁架钢筋制作而成。现场安装就位后，在节点连接区域采取规定的构造措施，并在内外叶墙板中间空腔内浇注混凝土，预制叠合墙板与边缘构件通过现浇段连接形成整体，共同承受竖向荷载与水平力作用。

叠合楼板，由底部预制层和桁架钢筋组合制作而成。运输至现场辅以配套的支撑进行安装，并在预制层上设置与竖向构件的连接钢筋、必要的受力钢筋以及构造钢筋，以其为模板浇筑混凝土叠合层，与预制层形成整体共同受力。

叠合墙板、叠合楼板充当现场模板，省去了现场支模拆模的繁琐工序，预制构件在制作过程中采用全自动流水线进行生产，工业化程度较高，是发展住宅工业化行之有效的方式，如图4．35、图4．36所示。

图4．35 叠合墙板示意图

图4．36 叠合楼板示意图

需要注意的是，如果PC构件较大，会增大工厂预制、道路运输和现场装配的难度，但是如果PC构件较小，那么同一个建筑所需的PC构件数目就会大大增加，同样会增加工厂预制和现场装配难度。因此，合理的构件拆分就显得尤为重要。该项目中，通过内梅切克的Allplan工程软件进行构件的深化设计，得到最合理的构件拆分方案，如图4．37、图4．38所示。

图4．37 构件拆分图

图4．38 经深化设计得到最优的PC构件拆分方案

此外，为进一步提高装配式混凝土结构的经济性，考虑到现浇部分的结构边缘构件标准化，所有一字形构件尺寸为200mm×400mm，L形构件尺寸统一为500mm×500mm，丁字形构件尺寸为400mm×400mm，节约了铝模板的品种和数量，有效地减少了装配式建筑的造价。如图4．39所示。

图4．39 现浇节点标准化

4．1．3 钢结构施工

1）钢结构建筑的应用

装配式钢结构建筑又分为全钢（型钢）结构和轻钢结构，这里所说的钢结构指的是全钢（型钢）结构。结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。

钢结构的应用有着悠久的历史，大家所熟知的法国巴黎埃菲尔铁塔和美国纽约帝国大厦，主体结构都是全钢结构。

埃菲尔铁塔高324m，由很多分散的钢铁构件组成，钢铁构件有18038个，重达10000t，施工时共钻孔700万个，使用铆钉259万个。除了4个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总质量7000t。埃菲尔铁塔工程于1887年1月28日正式破土动工，基座建造花了一年半时间，铁塔安装花了8个月多一点时间，整个工程于1889年3月31日竣工。如图4．40所示。

图4．40 法国巴黎埃菲尔铁塔

帝国大厦楼高381m，总层数102层，1951年增添了高62m的天线后，总高度为443．7m，使用钢材33万t。项目于1930年1月22日开始动工，1931年4月11日完工，比计划提前了12天，其主体结构施工创造了每星期建4层半的建设速度，在当时的技术水平下是惊人的，如图4．41所示。

图4．41 美国纽约帝国大厦

我国钢结构建筑发展大体可分为3个阶段：一是初盛时期（20世纪50—60年代初）；二是低潮时期（60年代中后期—70年代）；三是发展时期（80年代至今）。50年代以苏联156个援建项目为契机，取得了卓越的建设成就。60年代国家提出在建筑业节约钢材的政策，执行过程中又出现了一些误区，限制了钢结构建筑的合理使用与发展。80年代沿海地区引进轻钢建筑，国内各种钢结构的厂房、奥运会的一大批钢结构体育馆的建设，以及多栋高层钢结构建筑的建成是中国钢结构发展的第一次高潮。但我国每年的建筑用钢量仅1％被用于预制钢结构，与发达国家80％以上的用量比较，差距巨大。进入2000年以后，我国国民经济显著增长，国力明显增强，钢产量成为世界大国，在建筑中提出了要“积极、合理地用钢”，从此甩掉了“限制用钢”的束缚，钢结构建筑在经济发达地区逐渐增多。特别是2008年前后，在奥运会的推动下，出现了钢结构建筑热潮，强劲的市场需求，推动钢结构建筑迅猛发展，建成了一大批钢结构场馆、机场、车站和高层建筑。其中，有的钢结构建筑在制作安装技术方面具有世界一流水平，如奥运会国家体育场等建筑。奥运会后，钢结构建筑得到普及和持续发展，钢结构广泛应用到建筑、铁路、桥梁和住宅等方面，各种规模的钢结构企业数以万计，世界先进的钢结构加工设备基本齐全，如多头多维钻床、钢管多维相贯线切割机、波纹板自动焊接机床等。并且现在数百家钢结构制作特级和一级企业的加工制作水平具有世界先进水平。近几年，钢产量每年多达6亿多吨，钢材品种完全能满足建筑需要。根据国家产业政策发展要求，钢结构行业“十三五”整体发展规划目标是：2020年，全国钢结构用量比2014年翻一番，达到8000万t～1亿t，占粗钢产量的比例超过10％；钢结构出口量比2014年翻两番，达到1000万吨，占钢结构总量的10％以上；钢结构用钢材从目前的“Q345＋Q235”为主，过渡到“Q345＋Q390”为主；钢结构设计、施工、检测监测等关键技术总体上达到国际先进水平。如图4．42所示。

图4．42 央视新大楼钢结构装配

2）钢结构的优缺点

与传统混凝土结构相比，钢结构具有以下优缺点：

（1）优点

①材料强度高，自身重量轻：钢材强度较高，弹性模量也高。与混凝土和木材相比，其密度与屈服强度的比值相对较低，因而在同样受力条件下钢结构的构件截面小，自重轻，便于运输和安装，适于跨度大，高度高，承载重的结构。

②施工速度快：工期比传统混凝土结构体系至少缩短1／3，一栋1000m2的住宅建筑只需20天，5个工人方可完工。

③抗震性、抗冲击性好：钢结构建筑可充分发挥钢材延性好、塑性变形能力强的特点，具有优良的抗震抗风性能，大大提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，钢结构能够避免建筑物的倒塌性破坏。

④工业化程度高：钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高建设产业的水平。

⑤室内空间大：钢结构建筑比传统建筑能更好地满足建筑上大开间灵活分隔的要求，并可通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，户内有效使用面积提高约6％。

⑥环保效果好：钢结构施工时大大减少了沙、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色、100％回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大部分材料可以再用或降解，不会造成过多的建筑垃圾。

⑦文明施工：钢结构施工现场以装配式施工为主，建造过程大幅减少废水排放及粉尘污染，同时降低现场噪声。

（2）缺点

①耐腐蚀性差：钢结构必须注意防腐蚀，因此，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。钢结构在涂油漆前应彻底除锈，油漆质量和涂层厚度均应符合相关规范要求。在设计中应避免使结构受潮、漏雨，构造上应尽量避免存在有检查、维修的死角。新建造的钢结构一般间隔一定时间都要重新刷涂料，维护费用较高。

②耐火性差：温度超过250℃时，钢材材质发生较大变化，不仅强度逐步降低，还会发生蓝脆和徐变现象；温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。在有特殊防火需求的建筑中，钢结构必须采用耐火材料加以保护以提高耐火等级。

③施工技术要求高：由于我国现代建筑都是以混凝土结构为主，从事建筑施工的管理人员和技术人员对钢结构的制作和施工技术相对比较生疏，以民工为主的具体施工人员更不懂钢结构工程的科学施工方法，导致施工过程中的事故时常发生。

④钢材较贵：采用钢结构后结构造价会略有增加，这往往会影响业主的选择。其实上部结构造价占工程总投资的比例很小，总投资增加幅度约为10％。而以高层建筑为例，总投资增加幅度不到2％。显然，结构造价单一因素不应作为决定采用何种材料的依据。如果综合考虑各种因素，尤其是工期优势，则钢结构将日益受到重视。

3）钢结构施工

装配前应按结构平面形式分区段绘制吊装图，吊装分区先后次序为：先安装整体框架梁柱结构后楼板结构，平面从中央向四周扩展，先柱后梁、先主梁后次梁吊装，使每日完成的工作量可形成一个空间构架，以保证其刚度，提高抗风稳定性和安全性。

对于多高层建筑，在垂直方向上钢结构构件每节（以三层一节为例）装配顺序为：钢柱安装→下层框架梁→中层框架梁→上层框架梁→测量校正→螺栓初拧、测量校正、高强螺栓终拧→铺上层楼板→铺下、中层楼板→下、中、上层钢梯、平台安装。钢结构一节装配完成后，土建单位立即将此节每一楼层的楼板吊运到位，并把最上面一层的楼板铺好，从而使上部的钢结构吊装和下部的楼板铺设和土建施工过程有效隔离。

钢结构装配式建筑施工如图4．43所示。其中，楼板装配有两种方式：一种是在钢梁上铺设预制好的混凝土楼板［见图4．43（g）］；另一种是在钢梁上铺设压型钢板［见图4．43（h）］，再在压型钢板上铺设钢筋浇筑混凝土，使压型钢板和现浇混凝土形成一个整体，也叫组合楼板。

图4．43 钢结构施工

钢结构构件装配，主要包括钢柱、钢梁、楼梯的吊装连接、测量校正、压型钢板的铺设等工序，但是在钢结构装配的同时需要穿插土建、机电甚至外墙安装等部分的施工项目，所以在钢结构构件装配时必须要与土建等其他施工位进行密切配合，做到统筹兼顾，从而高效、高质地完成施工任务。

4．1．4 轻钢结构施工

1）轻钢结构建筑的应用

轻钢结构建筑一般采用冷弯薄壁型钢或轻钢龙骨作为骨架形成框架结构，并布置柱间支撑保证其稳定性。楼层采用主次梁体系及组合楼盖，不上人屋面则采用檩条和压型钢板。内墙为轻质隔断墙，外墙则采用轻质保温板。由于冷弯薄壁型钢和轻钢龙骨截面面积小且较薄，因此承载力较小，一般用来装配多层建筑或别墅建筑。

轻钢结构低层住宅的建造技术是在北美木结构建造技术的基础上演变而来的，经过百年以上的发展，已形成了物理性能优异、空间和形体灵活、易于建造、形式多样的成熟建造体系（见图4．44、图4．45）。在世界上被誉为人居环境最好的北美大陆，有95％以上的低层民用建筑，包括住宅、商场、学校、办公楼等均使用木结构或轻钢结构建造。近年来，随着木材价格的节节攀升，北美轻钢结构体系的市场发展正以超过30％的增长率快速增长，逐步为市场所广泛接受。

图4．44 北美木结构住宅

图4．45 轻钢结构住宅

目前，发达国家的轻钢结构住宅产业化进一步升级，工业化程度很高，工地已不是建设工程的主战场。以瑞典为例，它是当今世界上最大的轻型钢结构住宅制造国，其轻型钢结构住宅的预制构件达95％，欧洲各国都到瑞典去定制住宅，通过集装箱发运回去安装。同时在日本、韩国以及澳大利亚，轻钢结构也被大量采用。如图4．46—图4．48所示。

中国钢铁工业的产量已居于世界前列，但钢材在建筑业的使用比例还远低于发达国家的水平。随着我国钢产量的快速增长及新型建材的发展和应用，轻钢结构低层住宅体系正逐步发展起来并引起了广泛的关注，同时轻钢结构低层民用住宅建筑技术也符合国家对建筑业的产业导向。如图4．49、图4．50所示。

图4．46 轻钢结构多层公寓

图4．47 轻钢结构多层酒店

图4．48 轻钢结构别墅

图4．49 轻钢结构装配式建筑结构体系

1—轻钢龙骨；2—屋面OSB板；3—保温层；4—呼吸纸；5—通风层；6—屋面OSB板；7—防水层；8—屋面沥青瓦；9—石膏板；10—轻钢龙骨；11—隔音保温层；12—OSB板（合成木料）；13—保温层；14—呼吸纸；15—木龙骨；16—外墙挂板；17—钢带；18—吊顶

图4．50 轻钢结构装配式建筑典型结构节点

2）轻钢结构的优缺点

（1）优点

①采用轻质薄壁型材，自重轻、强度高、结构性能好，抗震性能佳；且轻质高强材料占用面积小，建筑总重量较轻，可以降低基础处理的费用，降低建造成本。

②构件之间采用螺栓连接，安装简便，搬运重量小，仅需小型起重设备，现场施工快捷，一栋200m2房屋的施工周期在1个月之内。

③轻钢结构的生产工厂化和机械化程度高，商品化程度高。建房所需的主材都是在工厂生产的，原材料用机械设备加工而成，效率高，成本低，质量也有很好的保障。这些设备多半引进国外先进技术，很多大企业的新型房屋产品具有国际品质。

④住宅建筑风格灵活，外观多姿多彩，大开间人性化设计，满足不同用户的个性化要求。

⑤现场基本没有湿作业，不会产生粉尘、污水等污染。

⑥轻钢结构具有可移动性，如果遇到拆迁，轻钢房屋可以拆分为很多部件，运输到新地点后重新安装即可。因为这些部件都是通过螺丝和连接件连接到一起的，安装、拆卸非常简单。

⑦轻钢结构80％的材料可以回收再利用。从主材来看，钢材不会随着时间的流逝生虫或者变为朽木，若干年拆除后可以回收再利用，非常环保，也非常经济。

⑧轻钢结构适应性非常强，无论是在寒冷的东北，还是炎热的海南，都非常适用，只不过建筑的构造有所不同而已。

（2）缺点

①技术人员缺乏，轻钢结构是近几年在国内刚发展起来的新型结构，相应的技术规范、规程的编制工作相对滞后，多数设计人员钢结构知识陈旧，缺乏相关培训，对轻钢结构设计理论和计算方法不熟悉。

②严重依赖产业配套，比如预制墙板、屋面板、墙体内填保温材料、防火材料。国内现在流行的混凝土、砌体结构形式，墙体基本为现场湿法砌筑，而轻钢结构需要干法预制墙板。

③需要内装修材料、装置、方法的配套，比如把热水器、空调、画框安装到预制墙板上的方法和现在安装在砌体墙上的方法还是有很大差别的，再比如压型钢板楼面的防水做法、隔音做法等。

④需要定期检修维护，因为钢材的耐久性还是不如混凝土。

⑤跟传统混凝土建筑比，造价略贵。

3）轻钢结构施工

盖房子首先要设计户型图纸，轻钢房屋也不例外。厂家将做好的CAD建筑设计图导入轻钢骨架生成软件中，软件自动将图纸生成轻钢骨架结构模型，解析成结构图。在结构图中每一根轻钢骨架的尺寸、形状、开洞位置与大小都有详细的说明。如图4．51～4．53所示。

然后在工厂预制轻钢龙骨，并分块组合。

图4．51 轻钢结构设计

图4．52 轻钢构件生产

图4．53 轻钢构件及组合

轻钢构件在工厂预制的同时，施工现场可以进行平整场地、基础施工、防水处理、管道铺设等工序。轻钢结构装配式建筑自重较轻，特别是轻钢别墅的自重很轻，不到砖混结构房屋重量的1／4，因此和砖混结构房屋的地基有所不同，可以不用挖很深做基础。如图4．54、图4．55所示。

待现浇混凝土基础达到一定强度后方可进行主体结构装配，装配顺序一般为：一层墙体装配→楼梯装配→二层楼面装配→二层墙体装配→屋架装配→屋面板材装配→墙体板材装配。如果建筑层数较多，在进行较高楼层墙体装配的同时还能进行较低楼层的墙体板材装配，缩短施工工期，节省造价。如图4．56、图4．57所示。

图4．54 轻钢结构混凝土基础浇筑

图4．55 轻钢结构基础

图4．56 轻钢结构施工

图4．57 轻钢结构装配完成