鋼結構住宅產業化的探索- 轉載
發布時間：2021-08-25
同樣的建筑面積，采用鋼結構建造的房屋使用面積較其他結構形式的要多，這是由于鋼結構建筑的特性而決定的。杭蕭鋼構股份有限公司（以下簡稱杭蕭鋼構）是住房和城鄉建設部認定的鋼結構行業的第一家“國家住宅產業化基地”，也是在鋼結構住宅領域取得較好成績的一家企業。本版自今日起連續刊登杭蕭鋼構集團副總裁兼總工程師楊強躍等撰寫的《鋼結構住宅產業化的探索》一文，敬請關注。——編者
一、住宅產業化
住是人類生活的四大要素之一，人生的2/3時間在住宅及其周圍的居住環境中度過，因此，住宅是需要為人類提供具有安全性、居住性、耐久性、環境性能和經濟性等性能和功能的產品。
隨著城鎮化的快速發展，國內對住宅的需求持續呈上升態勢，住宅產業也成為國民經濟的支柱產業。筆者認為，實現住宅產業化生產，提高住宅產品的質量，節約能源消耗，符合我國目前可持續發展的戰略需求。
根據聯合國經濟委員會的定義，“產業化”的特點有6個：
一是生產的連續性；二是生產的標準化；三是生產過程各階段的連續性；四是工作高度組織化；五是盡可能用機械代替人的手工勞動；六是生產與組織的一體化研究與實驗。
結合住宅建筑的特點，即把住宅納入社會化大生產的范疇，以住宅建筑為*終產品，做到住宅開發設計定型化、標準化，建造施工部件化、集約化、裝配化，生產管理信息化，以提高住宅建筑產品的質量、提高生產的效率、延長住宅建筑的壽命、降低生產成本、降低生產過程中所需的能耗。
二、國內外住宅產業化發展現狀
國外住宅產業發展總的特征是按工業化方式組織生產。從二戰后到20世紀60年代，住宅工業化遍及歐洲各國，并擴展到美國、加拿大、日本等經濟發達國家。此后，住宅工業化建設從數量的發展向質量提高方向過渡。進入20世紀80年代后，隨著社會經濟、文化的發展，人們對居住要求的提高，住宅工業化開始轉向注重住宅功能和多樣化的工業化方向發展，住宅體系由專用體系向通用體系轉變。
法國是世界上推行建筑工業化*早的國家之一，他們創立了以全裝配式大板和工具式模板現澆工藝為標志的“第一代建筑工業化”，并向發展通用構配件制品和設備為特征的“第二代建筑工業化”過渡。建筑體系由住宅向學校、辦公樓、醫院、體育及俱樂部等公共建筑發展。
瑞典是世界上住宅工業化*發達的國家之一，其80%的住宅采用以通用部件為基礎的住宅通用體系。
丹麥是世界上第一個將模數法制化的國家，大量居民住宅也采用多樣化的裝配式大板體系。
英國的住宅產業化水平也很發達，采用的建筑結構形式是多元化的，并建造了一定數量的多高層鋼結構住宅，如倫敦Raines庭院。
前蘇聯及東歐一些國家在20世紀50～60年代以裝配式大板住宅建筑體系為主，現正在探索標準構件的通用化體系，同時也結合各國的具體條件，適當發展現澆和現澆裝配相結合的工業化住宅體系。
美國住宅建筑市場發育完善，住宅用構件和部品的標準化、系列化及其專業化、商品化、社會化程度很高，幾乎接近100%，各種施工機械、設備、儀器等租賃化非常發達，混凝土商品化程度達到84%。美國住宅多建于郊區，以低層住宅為主。早先的美國住宅多以木結構建造，隨著輕型鋼結構應用技術日趨成熟、完善，現逐步以鋼代木。據統計，1996年美國已擁有20萬幢鋼框架小型住宅，約占住宅建筑總數的20%；輕型鋼結構體系所占建筑市場的比例已從1965年的15%發展到2000年的75%。
日本的住宅產業化始于20世紀60年代初期。為了使現場施工簡化，提高產品質量和效率，日本對住宅實行部品化、批量化生產。20世紀70年代是日本住宅產業的成熟期，這一時期產業化方式生產的住宅占竣工住宅總數的10%左右。20世紀80年代中期，產業化方式生產的住宅占竣工住宅總數的15%～20%住宅的質量和功能提高了。到20世紀90年代，采用產業化方式生產的住宅占竣工住宅總數的25%～28%。日本是世界上率先在工廠里生產住宅的國家，其工業化住宅的結構體系主要以輕鋼結構為主，輕鋼結構的工業化住宅占工業化住宅約80％左右；另外，日本也建造了一定數量的高層鋼結構住宅，如蘆屋浜高層鋼結構住宅。
1956年，我國開始提出建筑工業化發展思路，因住宅建設量大面廣，其發展主要在住宅業。20世紀50年代末出現裝配壁板式住宅，20世紀60年代出現磚壁板住宅，20世紀70年代以后開始推廣大模板住宅、滑升模板住宅、框架輕板住宅。盡管近些年來，我國的住宅業取得了比較大的發展，但其發展水平還處于粗放型發展階段，住宅產業化的發展才剛剛起步，具體表現在以下5個方面：一是住宅建設的工業化程度低；二是建筑材料、設備及住宅部品的生產和供應，沒有形成技術先進、規模生產、系列化配套的社會化供應體系，導致住宅質量不高、設備通用性差、性能成本比不合理；三是資源沒有得到有效利用，能源浪費嚴重；四是現場施工機械化、合理化程度低，施工技術服務體系缺乏；五是我國科技進步對住宅產業發展的貢獻率低，住宅產業為一種粗放型的發展方式。
三、住宅產業化的主要方向
住宅產業化是指用工業化生產的方式制造住宅，在提高住宅建設的勞動生產率的同時提升住宅整體品質，降低資源的消耗。
我國住宅產業化的建筑結構體系包括預制混凝土（PC）裝配式建筑、輕型鋼結構建筑、多高層鋼結構住宅等。
預制混凝土（PC）裝配式建筑是在工廠內預制混凝土構件或部件，在施工現場裝配而形成的住宅。預制裝配式住宅的核心是構件預制與節點現澆相結合，發揮各自優勢，保證結構的整體性。預制混凝土裝配式住宅的優勢有質量好、工期短、產業化程度高等，但與現澆混凝土結構相比，節點處現場施工質量控制要求高；同時整體性不如現澆混凝土，在高層以及高烈度區應用需謹慎。
輕鋼結構住宅體系是指由圍護、墻體及隔斷結構與鋼架支承結構共同組成的住宅體系，剛架支承結構一般采用冷彎薄壁型鋼。輕鋼結構住宅一般用于低層住宅中，尤其是別墅中。該體系質量輕，構件工廠加工現場裝配，施工速度快，質量好。
多高層鋼結構住宅體系由鋼結構作為承重結構，配合工業化樓板系統、內外墻體系統，形成一套完備的住宅建筑體系。多高層鋼結構住宅體系的優勢有：柱網間距大、構件截面小，建筑布局靈活得房率高；結構構件全部在工廠加工，現場裝配化程度高。多高層鋼結構住宅體系需要解決的是樓板和內外墻板體系的工業化問題，并滿足建筑隔聲、保溫、防水以及與鋼結構的連接節點構造等要求。
四、鋼結構住宅產業化的現狀與存在的問題
第一，鋼結構住宅的優勢。推進我國住宅產業化發展，應結合目前住宅的實際情況，通過推廣應用既能滿足住宅建設需要，又能適應今后住宅建設發展方向要求的先進、成熟、經濟、適用的新技術、新產品，用現代科學技術加速改造傳統住宅產業，提高住宅產業的技術水平和住宅建設的整體效益，推進住宅產品的系列化開發、規模化生產、配套化供應。鋼結構住宅在很多方面滿足了上述的要求：
一是從采用的建筑材料上講，鋼結構住宅是以鋼結構為骨架配合多種復合材料的輕型墻體拼裝而成，無論是承重結構體系還是配套樓板及圍護墻體，所用材料均可達到工廠標準化、系列化、批量化生產，改變了傳統住宅采用磚、瓦、灰、沙、石在現場大量作業的情況。
二是從采用新技術上講，鋼結構住宅對建筑技術的要求大大高于傳統磚石或混凝土住宅，它可以利用建筑方面的新技術、新產品向住戶提供多樣化、選擇性、適應性強的經濟住宅。
三是鋼結構住宅可以帶動其他建材產品的進一步發展。隨著鋼結構建筑的普及推廣，與鋼結構密切相關的防火、防腐材料已得到快速發展；圍護與承重結構完全分開，有利于輕質、高強、節能、環保的新型墻體材料的開發、創新；為適用于鋼結構的工廠化生產制造的節點構件及設備產品提供廣闊的建筑市場；對施工機械化程度的較高要求，促進施工機械的改良與革新。
四是鋼結構住宅由于采用標準化、系列化、批量化生產和機械作業，將大大提高勞動生產率。住宅開發從項目走向企業，從工地走向工廠，這是住宅產業化發展的必然趨勢。隨著我國工業化進程的加快，工業化住宅不僅對住宅建設會產生深遠的影響，而且必將在住宅市場上占有巨大的份額。
第二，國內鋼結構住宅的實施案例。鋼結構住宅在我國的應用剛剛起步，已有成功案例的主要企業有杭蕭鋼構、寶鋼集團、萊鋼集團
等。
汶川地震后，寶鋼承擔的救災安置房項目——都江堰幸福家園·逸苑用地面積83畝，總建筑面積11.5萬平方米，可安置受災群眾1324戶。該項目是由寶鋼總承包建設的全鋼結構安居房，被列為四川省首批啟動的災后重建重點項目，也是國際鋼鐵協會LivingSteel指定鋼結構住宅示范工程。
由萊鋼集團建設的凱旋新城鋼結構住宅項目，其有效使用面積比相應磚混結構和鋼筋混凝土結構提高約3%～6%。
杭蕭鋼構股份有限公司（以下簡稱杭蕭鋼構）經過10多年研發，形成了一套完善的鋼結構住宅體系成套技術。該體系從主體結構構件、梁柱節點、樓板系統和墻板系統、鋼結構的防火防腐等幾個方面系統解決了鋼結構住宅的產業化問題。該技術符合標準化設計、工業化制造、裝配化施工、信息化管理的產業化要求。
2010年，杭蕭鋼構成為鋼結構行業的首個“國家住宅產業化基地”，生產基地鋼結構住宅三板體系配套能力達1000萬平方米，為鋼結構住宅的產業化生產提供生產和質量保障。
由杭蕭鋼構建設的武漢世紀家園采用了杭蕭鋼構自主研發的多高層鋼結構住宅成套體系，該項目也是住房和城鄉建設部“節能省地型”科技示范工程。該項目于2009年交付入住，其性能得到了社會與住戶的充分肯定，特別是外墻系統成功地解決了開裂與滲漏問題。
采用杭蕭鋼構自主研發的多高層鋼結構住宅成套體系建設的萬郡·大都城住宅小區是全國鋼結構住宅產業化示范小區，2013年1月被住房和城鄉建設部批準為“省地節能環保型住宅、國家康居示范工程”，2013年7月通過綠色建筑二星設計標識專家評審。
由杭蕭鋼構建設的安哥拉安居家園工程采用鋼框架——支撐體系。該工程在非洲被譽為“五星級住宅”，得到安哥拉總統桑托斯、安哥拉政府以及聯合國人居署的肯定，并被授予“聯合國人居環境獎”。
第三，鋼結構住宅需要解決的問題。我國鋼結構住宅起步較晚，大規模的研究開發、設計制造、施工安裝還是近些年才發展起來的。與發達國家相比，我國鋼結構住宅的產業化還存在較大差距，有待于不斷改進和提高。目前制約我國鋼結構住宅推廣應用和發展的主要問題有：
一是建筑材料方面，鋼結構所需的鋼材產量很高，材質、材性和選用標準比較齊全，但仍需要進行完善，比如冷彎型鋼結構在鋼結構住宅中應用的防火驗收標準、耐火耐候鋼材的開發應用等。鋼結構住宅的圍護材料研究方面有待進一步完善，研發適用于工廠化部品生產的圍護材料，滿足建筑保溫、隔聲、防火、防水以及易于現場連接等的性能要求。
二是結構體系方面，對于各種鋼結構體系，目前還沒有明確規定使用范圍，因此在住宅結構選型時，多從結構的受力性能出發以降低用鋼量。鋼結構體系的設計需要考慮結構安全、經濟性能、部品構件標準化的問題，是一個復雜的系統工程，雖然目前已有不少的研究，但實際應用中仍未達到產業化的廣泛推廣，鋼結構住宅體系的結構選型和優化仍需大量的研究與創新。
鋼結構住宅的建造可引入BIM系統等信息化技術手段。BIM提供了一種交互式的住宅虛擬設計平臺，可針對每個部品構件，建立構件信息化系統。在構件制作、施工前對構件進行虛擬三維檢討，以期在制作和施工前發現存在的各種問題并予以解決。引入BIM系統，可以從設計方面完善各專業的配合；從制造方面控制產品的質量和精度；從施工方面控制施工定位精度和施工組織，有效提高現場的效率。
政府通過公有住宅建設模式以及政策法規方面的引導作用。可以借鑒先進國家的經驗，譬如，日本以公有住宅建設來解決住房短缺問題并推進工業化，以政策和法規來引導與規范住宅產業的發展。
三是經濟性能方面，鋼結構住宅體系仍存在單方造價過高的問題，特別是與傳統的現澆混凝土結構相比，建安單方成本往往高5% 15%，但在資金成本、人工費、使用面積方面，仍有明顯的經濟優勢，具有較好的綜合效益。
四是民眾觀念方面，雖然鋼結構住宅在國外已經成熟和完善，但對國內民眾還是新鮮事物。中國消費者長期習慣了磚混或鋼筋混凝土的住宅，從慢慢開始接受到逐步習慣、進而喜歡鋼結構住宅，還需要一個循序漸進的過程。
此外，防火、防腐也是制約鋼結構住宅推廣的一個問題。由于我國鋼結構的發展和應用時間不長，對鋼結構防火設計的研究還不夠深入，傳統耐火設計要求對防火涂料的性能與施工質量的控制要求，將會增加工程造價。與鋼結構主體使用年限相比，防腐涂料的耐久性還需要提高。近幾年我國防火防腐技術有了較大發展，但與工業化產業化要求相比，還有待進一步的研制和開發。
鋼結構住宅建設模式的制約也不能小覷，現有的住宅建設模式基本上是開發建設與設計分離、設計與建造分離，這種現狀嚴重地影響了鋼結構住宅產業化發展與推廣的原動力。
五、鋼結構住宅的發展方向
鋼結構住宅的產業化需要產業鏈的整合，需要將鋼結構住宅的源頭標準化模數化設計、鋼結構工業化制造、圍護體系制造、配套門窗廚衛設備等綜合考慮，提供配套適應性強的產品。鋼結構只是解決住宅建筑的結構問題，整合建筑體系完整的產業鏈條，提供完整的產品，還需要其他住宅配套體系的協作。
在產品研發方面，不能僅僅依靠企業，行業協會或政府主管部門應作為主導，整合全流程各參與企業的共同研發。
在設計方面，可從產品的標準化、模數化方面入手，形成系列化配套產品，有利于產業化生產，提高部品構件的適用性。鋼結構的結構體系需要創新，滿足住宅建筑對布局以及使用方面的功能要求，避免較大的鋼柱、支撐等對建筑使用的影響，減薄建筑墻體厚度。鋼結構的制造方面，控制產品質量和制作精度、降低制作成本。圍護體系的制造應由專業化公司承擔，為鋼結構住宅體系提供質量可靠、裝配性強的標準產品。配套門窗、整體廚衛等生產廠家，可配合開發適用于鋼結構住宅的標準配套產品。
鋼結構住宅體系的建造流程需進行改變。部品構件的加工大部分需在工廠內完成，現場只進行裝配化安裝，提高現場的裝配化性能，采用機械設備，減少現場人工，縮短現場的工期。
