装配式钢结构建筑的设计、制作与施工
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第2章 提高钢结构建筑性价比的途径

2.1 概述

建筑物由四大系统组成,即结构系统(梁、板、柱、剪力墙等主体承重构件组成的系统,也可含基础)、围护系统(内隔墙、外围护墙、幕墙、门窗、管井、防水、保温、隔热、隔声等)、装修系统(内装修、外装饰等)、设备系统(给水排水、暖通、强弱电、智能通信等)。

应该针对客户价值(健康、舒适、安全和耐久)、工程价值(两提一减一降),因地制宜地对项目的各个系统从设计、建造到使用各个环节进行优化,以提高钢结构建筑的性价比,扭转钢结构带给广大公众的价格高、防火差、容易锈蚀、隔声差的印象。

本章将针对建筑物四大系统,围绕钢结构,以性价比高为根本目标,从价格和性能两方面同时展开,介绍提高性价比的途径。

根据长期的经验,提高钢结构建筑性价比至少有14条途径,见表2.1-1。

表2.1-1 提高钢结构建筑性价比的主要途径

(续)

2.2 进行结构设计优化

2.2.1 高性能结构

对于高性能结构,应具有高承载安全性能、高承灾安全性能、高使用性能、方便施工、工期短、高环保性能、高维护便利性能、高耐久性能以及低成本等特征。其中:

(1)高承载性 指在资源消耗相等的前提下,结构具有高的承载能力。

(2)高承灾性 指在资源消耗相等的前提下,在遭遇罕遇的大地震时,结构不会整体倒塌。在可能发生的火灾、爆炸或撞击作用下,局部发生的结构破坏不会引起结构的连续性倒塌,且结构中产生的破坏,灾后能方便修复,使结构快速恢复使用。

(3)高使用性 指结构在经常出现的荷载(永久荷载、楼面活荷载、风荷载、多遇地震等)作用下产生的变形、振动等,不应影响结构的正常使用。注意,正常使用性能允许适度较低的保证率。

(4)方便施工、工期短 指结构构件应便于加工制作与安装,尤其要注意缩短现场安装工期。

(5)低成本 指在满足相同的正常使用功能、承载和承灾安全性能的前提下,建造成本低。

2.2.2 以提高承载性能为目标的钢结构设计优化

高承载性钢结构可以从结构材料、结构构件和结构体系3个方面加以实现。

1.采用高强度钢材

目前我国已经编制发布了从Q235到Q960的结构钢材标准,然而现阶段我国建筑钢结构仍以Q235和Q345钢材为主。采用更高强度的钢材,一般可以减小构件截面尺寸,从而减少用钢量。例如,Q460钢比Q235钢的钢材强度提高了约50%,因此,采用Q460钢的钢柱截面尺寸可以明显减小。

为了实现舒适性和适变性,结构跨度越来越大。大跨结构是以自重为主要荷载、对自重内力效应敏感的结构,采用高强钢可以取得更明显的经济效益。如,国家体育场(鸟巢)采用Q345钢时,主要构件钢板的最大厚度为220mm;改用Q460钢后,Q460钢比Q345钢的强度提高了约33%,另外构件截面减小后结构的自重也减轻,两个因素叠加使构件的用钢量实际节省约50%。可见,对于自重为主要荷载的结构,采用高强钢可以取得非常好的节材效益。

2.采用高承载截面

相同的截面面积但不同的截面形状,构件的承载力会不同。例如,烟台机场屋盖梁跨度55m,与普通工字形钢梁相比,波纹腹板工字形钢梁用钢量节省了15%,同时节省了大量人工费;“9·11”事件中倒塌的那个纽约世贸中心的楼面梁跨度达18.3m,采用桁架梁可以非常显著地减少用钢量。

3.采用高效结构体系

结构体系对整体结构的承载性能影响很大。比如,刚接框架结构抵抗侧力靠梁柱的抗弯性能,而支撑结构体系抗侧力主要靠支撑抗轴力性能。构件的轴向刚度和承载力通常远大于弯曲刚度和承载力。因此在用钢量相同的条件下,支撑结构体系的抗侧刚度和承载力要远大于刚接框架。

2.2.3 以提高承灾性为目标的钢结构设计优化

考察结构的承灾性能主要看结构的抗震性能,提高结构承灾性的关键是优化结构的抗震性能。

1.提高钢框架结构抗震性能的方法

刚接框架是钢结构常用的一种结构形式,但刚接框架梁柱节点在地震中容易破坏,其原因是梁柱刚性节点连接一般采用焊接,传统的焊接连接的节点容易发生低周疲劳脆断,变形能力较难满足大震需求(图2.2-1)。

图2.2-1 地震引起的钢框架梁柱节点区附近裂缝

a)美国Northridge地震 b)日本Kobe地震

近年来,为解决刚接梁柱节点在地震下易破坏的问题,对强度较高的钢材,一般采用盖板加强节点或骨式节点等特殊设计的节点。根据实验,采用改进的过焊孔也可避免焊缝破坏。也有人将盖板与过焊孔并用,可更好地解决焊缝低周疲劳脆断问题。还可以采用端板式半刚性栓接节点,这种节点通过适当的设计控制,可以做到仅端板弯曲屈服,塑性转动能力很大(超过0.06rad),完全满足大震变形需求(图2.2-2)。

图2.2-2 端板式半刚性栓接节点塑性转动能力

2.提高钢框架-支撑结构抗震性能的方法

钢框架-支撑结构中的支撑在地震反复作用下易发生受压屈曲破坏,而支撑一旦屈曲,其刚度将迅速下降,且会随着支撑的反复松弛—张紧,抗侧刚度发生剧烈突变,对抗震十分不利。改用屈曲约束支撑可以完全避免钢支撑屈曲破坏。通过采用合适的钢材和构造,使屈曲约束支撑在压力作用下只会屈服不会屈曲,具有很好的塑性变形能力和消能能力。屈曲约束支撑在小震作用下可以像普通支撑一样承载,而在大震作用下可以像金属阻尼器一样消能减震,实际上是一种消能—承载双功能构件(图2.2-3)。

图2.2-3 屈曲约束支撑的构造原理图示

当在结构中设置支撑会影响建筑使用时,可以设置消能—承载双功能屈曲约束钢板墙(图2.2-4)。

3.提高钢-混凝土混合结构抗震性能的方法

钢框架-混凝土核心筒混合结构通常以混凝土筒为主抵抗地震水平力作用,混凝土筒上会开门洞而成为联肢剪力墙,墙肢之间的连梁通常为混凝土深梁,延性差,地震下易破坏,消能能力不强。为克服混凝土连梁的缺点,在联肢墙中可以采用钢连梁,钢连梁实际上也是一种消能—承载双功能构件,为降低连梁成本,也可以采用波浪腹板钢连梁(图2.2-5)。

图2.2-4 屈曲约束钢板墙的构造原理图示

图2.2-5 昆明中铁大厦的波浪腹板钢连梁

4.高强钢在抗震钢结构中的适用性

随着钢材强度的提高,钢材的延性(塑性变形能力)将降低(图2.2-6),因此钢材很难做到强度很高的同时延性也很好,所以在抗震结构中,高强钢适用于地震下不屈服或塑性变形较小的构件和部位(图2.2-7)。

图2.2-6 钢材延性随着强度提高而降低

图2.2-7 高强钢适用于地震下不屈服或塑性变形较小的构件和部位

2.2.4 以方便现场安装、缩短现场工期为目标的钢结构设计优化

钢构件在安装过程中的连接质量、拼接精度、构件自身初始变形和损伤缺陷、节点板尺寸偏差、构件边缘加工质量等,均直接影响钢结构质量。

近年来,随着钢结构项目的不断积累,大量的施工问题也不断暴露出来,其主要问题是钢结构的现场焊接和检验比较难,会加长现场工期。部分项目改为全螺栓连接,操作简单,检验容易,可大大加快现场安装速度。

2.3 尽量减轻建筑自重

近年来的实践表明,钢结构建筑的造价偏高,导致开发商、建设单位推广钢结构建筑的意愿不强。一个重要的原因就是钢结构建筑的自重偏高,钢结构建筑的成本自然也就比现浇钢筋混凝土结构建筑高,钢结构“轻快好省”的优势发挥不出来。导致建筑自重偏高的原因可能是设计师为了迎合人们对“实墙感”的追求,或者设计师简单粗暴地将钢筋混凝土结构建筑的构造手法直接用于钢结构建筑。

下面从常用的钢筋混凝土剪力墙结构开始,重点讨论自重对钢筋混凝土结构成本的影响。然后,再根据钢结构与钢筋混凝土结构的相似性,得出减轻建筑自重以提高钢结构的性价比。

2.3.1 抗侧自重和非抗侧自重对结构水平位移的不同影响

层间位移角是结构设计的主要位移指标。为避免繁琐的公式推导,也便于理解,下面以某高层住宅建筑为例,分析抗侧自重和非抗侧自重对层间位移角的影响。

1.工程概况

北京通州区某高层住宅为钢筋混凝土剪力墙结构,地上41层,抗震设防烈度8度(0.2g),建筑高度129m。标准层建筑平面图见图2.3-1,标准层结构平面简图见图2.3-2,标准层楼面永久荷载为5.5kN/m2(含楼板自重),楼面活荷载为2kN/m2。以此为基准模型,其抗侧自重为剪力墙及其连梁的自重,非抗侧自重主要是楼板自重及楼面附加荷载。通过同比例调整各层剪力墙的墙厚,调整抗侧自重;通过同比例调整各层的楼面荷载(含楼板自重)调整非抗侧自重。

图2.3-1 标准层建筑平面图

图2.3-2 标准层结构平面简图

2.抗侧自重对层间位移角的影响

非抗侧自重不变。墙厚分别取基准模型的50%、100%、150%、200%、300%进行整体计算,对比结构最大层间位移角与墙厚即抗侧自重的关系,结果见图2.3-3。

可见,墙减薄,最大层间位移角明显增大;墙增厚,最大层间位移角减小,但趋势很平缓。

3.非抗侧自重对层间位移角的影响

抗侧自重不变。楼面荷载(含楼板自重)分别取基准模型的50%、100%、150%、200%、300%进行整体计算,对比结构最大层间位移角与荷载即非抗侧自重的关系,结果见图2.3-4。

图2.3-3 层间位移角与墙厚关系曲线

图2.3-4 层间位移角与荷载关系曲线

可见,荷载减小,最大层间位移角减小;荷载增大,最大层间位移角增大,两者成正比例关系。

4.自重同比例变化对层间位移角的影响

墙厚和楼面荷载同时取基准模型的100%、200%、300%、400%、500%进行整体计算,对比结构最大层间位移角的变化,结果见图2.3-5。

图2.3-5 墙厚、荷载同比例变化时的层间位移角

可见,墙厚和荷载同比例变化时,结构的最大层间位移角基本保持不变。

计算结果表明,增加抗侧刚度对减小层间位移角的作用不一定很有效,这是因为增加结构的抗侧刚度的同时,也会带来结构自重的增加。而减轻非抗侧自重,可以明显减小结构的层间位移角。因此,对于由水平位移控制的抗震结构,减轻建筑物自重的关键是减轻非抗侧自重。

之所以以钢筋混凝土剪力墙结构为算例,是因为其属于典型的“抗侧刚度与抗侧自重成正比”的结构。凡是“抗侧刚度与抗侧自重成正比”的结构均存在与上述案例相同的关系。钢结构体系中常用的框架结构、支撑结构和框架-支撑结构,当其截面轮廓不变而只改变钢板件壁厚时,基本符合“抗侧刚度与抗侧自重成正比”,因此这类结构均具有相同的规律。当支撑、框架柱和框架梁的截面高、宽、板材厚度均同比例调整时,其内在的规律也类似。更详细的分析请参见王昌兴等人的《减轻非抗侧自重的节材技术》[1]

2.3.2 减轻建筑物自重也是实现绿色低碳的途径

下面说明一下减轻建筑物自重与实现绿色低碳的关系。

建筑中常用材料的碳排放因子见表2.3-1。

表2.3-1 单位重量建筑材料生产过程中碳排放指标Xi

经统计,一般高层钢筋混凝土剪力墙结构住宅的单位建筑面积碳排放量约为0.24t,其中碳排放占比最大的建筑材料为混凝土,约占55%左右;一般钢结构住宅的单位建筑面积碳排放量约为0.13~0.18t,其中碳排放占比最大的建筑材料为钢材,约占40%~55%。相比钢筋混凝土结构,钢结构不仅能减轻建筑物自重,还有利于减少碳排放量,尤其是采用石膏板隔墙和网络架空地板做法时,减少碳排放量效果更明显。不同方案住宅的自重、碳排放量以及成本对比的统计结果见图2.3-6。成本统计时已经计入了近期砂石等材料成本的上涨因素。

图2.3-6 不同方案住宅自重、碳排放量及成本对比

2.3.3 减轻非抗侧自重的途径

减轻非抗侧自重有许多途径,随着建筑材料和建筑技术的发展还会不断出现更多新的途径。举例如下:

(1)采用轻质隔墙及轻质墙面做法 目前通常采用的轻质隔墙有以轻钢龙骨石膏板隔墙为代表的骨架隔墙板、玻璃隔墙、板材隔墙以及活动隔断等,相比普通轻质砌块隔墙,其重量更轻,施工也方便;同时由于轻质隔墙墙面平整度高,还可减薄墙面抹灰厚度甚至取消墙面抹灰。

轻质墙面做法,包括外墙石材饰面采用干挂法代替传统的湿作业挂贴、内墙面砖采用薄贴工艺等技术。

(2)采用轻质的楼面做法 采用网络活动地板楼面、木质地板楼面、涂层楼面、地毯楼面等轻质的楼面做法代替普通铺地砖楼面做法,可有效减轻梁、板等结构构件的负荷,从而进一步可减小梁、板截面尺寸。

对采用辐射采暖的楼面,通过合理布置管道等措施避免管道交叉,尽量减小楼面面层厚度。采用干式工法施工的低温热水地面辐射供暖系统,解决了传统的湿式地暖系统楼板荷载大、施工工艺复杂、管道损坏后无法更换等问题,具有施工工期短、楼板荷载小、易于维修等优点。

对于目前常见的同层排水下沉式卫生间,通过选用轻质回填材料、缩小下沉范围等方法减轻楼面重量,如某项目卫生间下沉范围如图2.3-7所示。

图2.3-7 同层排水卫生间缩小下沉范围

(3)采用轻质的屋面做法 在满足保温、隔声和使用要求的前提下,尽量采用轻质屋面,如金属夹心板屋面等。在满足设计师对于美观、防水等要求的前提下,尽量选用轻质屋面装饰材料,如合成树脂瓦等新型建材。

(4)减轻楼屋面板自重 当使用允许时,钢结构建筑的楼板或屋面板要优先选用轻质的楼板或屋面板结构,如钢结构、木结构。对于混凝土结构楼板,可在满足计算和构造要求的前提下尽量采用较小的板厚或适当设置次梁以减小板厚,大跨度楼板也可通过采用空心楼盖等途径减轻楼板的自重。对于不上人的屋面板,还可以选用太空板等轻质复合材料。另外,混凝土结构采用轻质混凝土材料浇筑可直接降低混凝土构件的自重。

(5)提高施工精度 提高施工精度可避免二次找平、减少抹灰工程量、减小面层做法重量。这也是减轻建筑物自重的重要途径。提高施工精度一是选用工厂化生产的构件,二是加强现场施工管理、改进提高施工工艺。采用铝合金模板更易保证构件的准确度、平整度和垂直度,可达到清水混凝土的效果。

(6)优化结构布置 在满足计算要求的前提下,采用轻质隔墙代替部分抗侧效率较低的混凝土剪力墙,也是行之有效的途径之一。虽然非抗侧自重有所增加,但抗侧自重减小,建筑物总的自重减小。当然,这需要设计师对不同的布置方案进行大量的计算分析,才能找到最优的方案。

2.4 采用高性价比外围护墙

材料是发展装配式钢结构建筑的物质基础,开展新型复合建筑材料的研发和应用,对支撑我国新型建筑工业化具有重要意义。

预制外墙板是集成化程度最高、最复杂的产品,它包括了围护结构、门窗工程、保温工程、防水工程、装饰工程、机电工程(预埋)等多个分部分项工程的内容,也可能包括主体结构在内。

新型复合建筑材料最好能够同时具备以下8大方面的性能:

1)强(高强、不易风揭、耐久、耐候、耐火、不易开裂、耐紫外线)。

2)轻(自重轻)。

3)密(防渗、防潮、防水、气密、吸水率低)。

4)隔(隔热、保温、隔声)。

5)柔(适应结构变形)。

6)美(美观、尺寸精度高、板件尺寸大、实墙感强)。

7)绿(呼吸、蓄能、自洁、加工制作安装时资源消耗少、安装工地上声光气干扰少)。

8)省(工厂化、模块化、集成化制作,装配式安装以节省人工、时间和成本,易碎模块更换方便)。

可喜的是,我国已经开发出的某些坡屋面材料基本能够实现上述目标,并且能够与光伏太阳能完美结合。

下面重点讨论一下非承重墙。

目前国内常用的非承重墙体系有:AAC(AAC=Autoclaved Aerated Concrete)板、炉渣混凝土板、陶粒混凝土板、轻钢龙骨体系隔墙、泡沫混凝土板、EPS砂浆板等。根据国外长期使用经验,最适合于钢结构的外围护墙和隔墙材料(体系)是轻钢龙骨体系(包括以幕墙的构造手法来处理构造和变形的幕墙式的外墙系统),这主要是因为其高强、快速且轻质的特点。通常认为,轻钢是非承重墙的产业化解决方向,轻钢为装饰材料提供了“挂点”,轻钢为管线提供了空间。

笔者认为,更有发展前途的外围护墙和隔墙材料(体系)是蒸压加气混凝土。蒸压加气混凝土过去也被称为加气泡沫混凝土(ACC=Aerated Cellular Concrete),在我国一般称其为蒸压加气轻质混凝土(ALC=Autoclaved Lightweight Concrete)。它的历史可以追溯到20世纪早期。中国是较早应用AAC的国家(20世纪90年代)。

近几十年来,AAC生产技术有了长足的发展。AAC材料的物理性能得到了改善,密度为300kg/m3的超轻AAC块,导热系数很容易低于0.08。在欧洲,导热系数值0.045、密度145kg/m3的超轻AAC已经成功地应用于实际工程。今天,AAC已经是一种坚固的建筑材料、优良的隔热材料、良好的吸声材料、很有吸引力的装饰材料。日本开发的AAC面板能够适应高烈度地震的大变形。与传统AAC的独立封闭孔隙结构不同,AAC还可以做成连续的开放气孔,大大提高其吸声性能。AAC面板可以很容易地承受5~6h的直接火灾暴露,因此,其与钢结构配套,可以很好地解决钢结构的防火问题。欧洲正越来越多地把研发重点聚焦到AAC的面层强化和高精度砌块的生产工艺。荷兰开发出了表面气孔不外露的光滑表面产品,使得可以简单快速和经济地进行表面处理,如直接油漆或贴墙纸,大大提高了市场竞争力。

由此可见,AAC作为一种高度绝缘的材料,非常适用于内墙、外墙、防护等众多部位,无论是在内部还是外部,AAC都是优良的建筑材料。由于其生产消耗了大量工业废弃物,AAC也是一种重要的绿色材料,其在国际建筑市场上已经获得了相当大的份额。AAC因同时具有优异的耐火、隔热、保温、隔声等多方面的性能,在国内目前是性价比最高的外墙材料(通常300mm厚直接使用时成本约600元/m2,而在重庆ALC的成本已经由前些年的1000元/m3降到500元/m3)。

对于外围护墙,必须关注外保温材料对房屋质量的影响。近年来,许多常用保温材料相继出现问题,被迫禁用或限用。保温效果不理想,必然会影响到钢结构建筑的推广。

(1)保温砂浆 保温砂浆添加了大量的无机材料,具有不燃烧的特性,曾经一度填补行业空白。尽管保温砂浆导热系数较大,但在我国南方地区应用,其节能效果还是比较明显的,所以保温砂浆逐步被市场认可。

保温砂浆一般现场混合搅拌,受工人操作水平、气候环境、施工现场条件等因素影响,所以监管较难。保温砂浆的常见问题是易脱落、开裂、渗水、空鼓等。针对保温砂浆出现的问题,北京、江苏在国内率先禁止使用保温砂浆。从2020年开始,所有新建建筑要求实现节能75%的总目标,保温砂浆从此无用武之地。

(2)保温岩棉 岩棉的主要成分为无机物,保温、防火效果更好,价格优势也比较明显。但岩棉的生产过程需要消耗大量能源,环境污染问题突出。为环保达标,岩棉生产企业不断加大资金投入,改进和更新生产设备,淘汰落后产能、技术,导致岩棉的成本大幅提高,价格优势完全消失。

除此之外,普通保温岩棉还存在如下不足:抗拉强度低;吸水率高,在湿热条件下易塌陷沉降而造成空鼓、脱落;岩棉纤维之间存在大面积的内外连通的空隙,在热胀冷缩和负风压作用下易蓬松、鼓胀,达不到应有的保温效果。

2017年年底,开封市开始限制使用岩棉板薄抹灰外保温系统。

2019年,湖南省发现,岩棉板薄抹灰外墙外保温技术不符合湖南省气候特点且存在安全隐患,无龙骨和防护面板的岩棉、玻璃棉制品内保温系统对人体健康存在隐患。

2020年10月13日,上海市发布《上海市禁止或者限制生产和使用的用于建设工程的材料目录(第五批)》,禁止在建筑外墙使用采用胶黏剂或(和)锚栓作为锚固连接件的外墙外保温系统(基本涵盖了所有的薄抹灰体系外墙外保温技术,保温装饰复合板除外);禁止在建筑外墙使用岩棉保温装饰复合板外墙外保温系统。

(3)XPS、EPS聚苯乙烯挤塑板等有机材料 XPS、EPS板外保温体系是全球范围内应用最广泛的外墙外保温材料,但也是国内多起火灾的主要燃料。《上海市禁止或者限制生产和使用的用于建设工程的材料目录(第五批)》规定,禁止在建筑外墙使用采用胶黏剂或(和)锚栓作为锚固连接件的外墙外保温系统;禁止在27m以上住宅以及24m以上公共建筑外墙使用保温板燃烧性能为B1级的保温装饰复合板外墙外保温系统,且保温装饰复合板单块面积应不超过1m2,单位面积质量应不大于20kg/m2

也就是说,常见的以EPS板、XPS板、聚氨酯板等有机类材料为芯材的保温装饰板,包括XPS、EPS砂浆板薄抹灰外保温体系在内,今后的应用空间将大大缩小。

(4)保温板燃烧性能为A级的保温装饰复合板 发泡水泥板、泡沫陶瓷板、泡沫玻璃板、无机改性聚苯板等即属于这类A级板材产品。

发泡陶瓷板自重约400kg/m3,50mm厚的发泡陶瓷板+10mm厚的面板自重已经超过了20kg/m2,而且非常脆。发泡水泥板的密度更大很多,也很脆。按《上海市禁止或者限制生产和使用的用于建设工程的材料目录(第五批)》的规定,禁止在80m以上的建筑外墙使用保温板燃烧性能为A级的保温装饰复合板外墙外保温系统,且保温装饰复合板单块面积应不超过1m2,单位面积自重应不大于20kg/m2。即这一类保温体系在上海只能在80m以下的建筑上使用,尺寸规格还有限制。

由以上分析可知,过去常用的外墙外保温技术,除AAC和轻钢龙骨体系外,使用上都受到了限制甚至被淘汰了,目前急需研发更保温、更安全、更耐久的保温体系。一般而言,复合板可能是最有前途的方向。比如,以隔声好的发泡陶瓷(50mm厚45分贝≈70~80mm的ALC)+吸声好的保温棉与韧性非常好的铝板复合,可以生产出高强轻质的高性能板材。再比如AAC板,AAC通常作为基板提供强度、保温、隔热、隔声、气密、防水、防火功能,工厂或现场喷涂真石漆或外粘贴瓷片(薄贴瓷砖)等做成保温装饰一体化板,可以确保美观的同时解决AAC面层强度偏低的问题。

复合板研发时,应特别关注其长期耐久耐候性能。一体化板的通病是容易开裂,有的板材甚至经受不了2个冬夏循环的考验。发泡水泥材料的强度、模量、线胀系数一般较低,容易开裂,只能作为辅助的填充材料。含钙高的材料的吸水率一般比较高,硅钙板的吸水率可达30%,耐久性差,而发泡陶瓷的主要材料是硅铝,且在1150~1600℃下煅烧而成,吸水率极低,长期使用稳定性很好。如果采用墙中间灌浆的工艺,则要注意容易因灌不满而出现空鼓的情况。这些问题如果重视不够,将可能带来难以处理的问题。

当然随着建筑节能要求的提高,外墙保温层越来越厚、越来越重,因此,研发时应特别注意避免“厚脸皮”问题。三明治预制混凝土板就是个典型,其重量很大,用于钢结构体系会使得钢结构的成本大幅度增加。

外墙是建筑中集成度最高、最复杂的产品,这意味着外墙板的研发一定是跨学科、跨领域的集成创新,而不是材料设计工艺领域的“线性创新”,比如三明治板采用钢制连接件时热阻损失可达30%,而改用玻纤尼龙连接件GFRP时热阻损失则可小于1%,相差非常明显。材料创新是高性能、轻量化的基础。传统的工程设计方法应该转而面向制造的设计方法,即设计—制造一体化、材料—结构一体化、保温—装饰一体化、节点—设计一体化。

2.5 科学构建钢结构防腐体系

1931年建成使用的纽约帝国大厦已经90岁了,埃菲尔铁塔100多岁了,钢材性能仍很稳定,所以钢结构的耐久性问题纯粹是个表面防护问题,钢材本身不会劣化。这一点比混凝土材料(图2.5-1)要好很多。据此科学地构建钢结构的防腐体系,既不能过于乐观,更不能盲目悲观。

图2.5-1 北京三环路立交桥破损的预制混凝土(下方有大量人、车通过)

我们来看一下几个代表性城市无防护钢材的年腐蚀速度(表2.5-1),以对钢结构腐蚀有个大概的概念。

表2.5-1 无防护钢材的年腐蚀速度(单位:mm/年)

由表2.5-1可知,钢材的腐蚀速度与其所处环境相对湿度关系很大,与钢材的牌号关系不大。有意思的是,广州和上海的相对湿度均为78%,但腐蚀速度相差近一倍,这说明腐蚀速度还与环境温度有很大关系。这里钢材所处的环境是钢材表面的环境,温度和湿度均是指钢材表面的温度和湿度。要判断钢材的腐蚀速度、确定涂装体系,不能依据当地的气象条件,而是要重点考虑建筑的性质、使用情况,来估计钢材表面的温度和湿度,以此为基础,科学地确定涂装体系。

在日本,大多数城市处于海边,大气中的盐分、湿度均很高,对钢结构的威胁很大,但其室内钢构件防腐涂装体系却很简单。当需要进行防火涂装时,一般就不采取专门的防腐蚀措施了(或者是采用普通防锈漆30μm×2道)。具体可参考《日本建筑钢结构设计》(中国建筑工业出版社)。

美国早期建设的一大批高层钢结构工程的实例证明,钢结构防腐的原理是空气隔绝、避免氧化,只要防锈漆不破损,隔绝就有效,再加上外层的防火涂料和装饰材料包裹,办公、住宅等建筑在使用年限内并不需要中途进行防腐维修。

因此可以说,对钢结构建筑,防腐本来是个简单问题;现在大家对钢结构耐久性的担心,主要是因为看到了生活中大量的露天、无防护的钢材出现了严重的锈蚀。其实,经过防腐处理的钢结构如果出现锈蚀,一般与涂装施工质量有关。

在影响涂装质量的各因素中,表面除锈质量是最大的影响因素。只要按照我国现行标准规范设计、施工和使用,除锈彻底,涂装质量合格,钢结构的防腐涂装的有效保护年限完全可以超过50年的建筑寿命。钢材的除锈方法和除锈等级需要在设计文件中明确规定。

建筑钢结构防腐蚀设计、施工、验收和维护应符合现行行业标准《建筑钢结构防腐蚀技术规程》(JGJ/T 251—2011)的规定。钢结构投入使用后,需要对防腐涂装进行定期检查,并根据检查结果进行维修。

钢结构防腐涂装设计一般包括:涂装工艺(含钢材表面处理工艺)设计、涂层配套体系(包括腐蚀环境分析、防腐寿命确定、材料选用、经济成本)设计、外观色彩设计。应注意底漆、中间漆、封闭漆、面漆的作用不同,材料也应有所区别。

总之,要严格按相关标准执行,保证钢结构的耐久性。参考国外的钢结构的使用经验,在类似于住宅和普通公建的使用环境中,可以考虑适当简化钢结构防腐体系。

2.6 确保钢结构防火性能

与防腐不完全相同,建筑钢结构防火设计应严格按照现行国家标准《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)、《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)、《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》公消(2018)57号文的规定执行,也应关注消防主管部门的其他要求。

钢结构防火常用的方法有喷涂(抹涂)防火涂料、包覆防火板、包覆柔性毡状隔热材料、外包混凝土、金属网抹砂浆或砌筑砌体等。对于钢管混凝土构件,管内混凝土对耐火性能有一定的作用,可以考虑。钢结构住宅当梁柱不允许外露时,宜充分利用装饰面层的基板,优先采用包封法进行防火保护。

在防火涂料的选择上,优先选用以无机成分为主的非膨胀型防火涂料,可以免除涂料老化失效的顾虑。涂料较厚时,可在涂料层内挂设玻纤网格布,以避免防火保护层开裂脱落。

钢结构设计时应特别注意明确所选防火材料的有关主要指标参数,对膨胀型防火涂料应明确等效热阻(Ri);对非膨胀型防火涂料应明确等效热阻(Ri)或等效热传导系数(λi);对非轻质防火材料需要注明质量密度(ρ)、比热容(c)、导热系数(λ)等;还应注明防火层的设计厚度、施工允许偏差和构造要求等。

钢结构建筑还应在使用维护手册中明确要求,禁止在使用中随意破坏防火层,凡破损的防火层要及时修复。

满足以上要求后,钢结构的防火安全性便有足够的保障,可以放心居住使用。

2.7 确保隔墙的隔声效果

隔声分为隔空气声和隔撞击声(撞击声也称固体声)。前者是指隔空间声场的声能,后者是使撞击的能量辐射到建筑空间中的声能有所减少。隔声性能的差异用材料的入射声能与透过声能相差的分贝数表示,差值越大,隔声性能越好。

对于楼板,需要隔空气声能力和隔撞击声能力均达标;对于分户墙、外窗、户门、分室墙,只要求隔空气声能力达标。

常听说钢结构建筑的隔声较差。仔细比较钢结构建筑与混凝土结构建筑就可以发现,混凝土结构建筑一般不采用轻质隔墙,而钢结构建筑为了降低结构造价,有时会采用轻质隔墙,这恰恰是钢结构建筑隔声效果较差的原因所在。轻质隔墙一般采用干式工法与结构连接,留下的缝隙需要采用工业毡严格密封(工业毡做密封材料较密封胶条好,尤其是对高频噪声);而广大施工人员熟悉的是湿式的抹灰工艺,对干法施工的要点尚未完全掌握,对施工难点没有引起足够重视,导致钢结构建筑隔声效果差。很多采用轻质隔墙的项目,如北京石景山的万达酒店,采用轻钢龙骨石膏板隔墙,隔声效果非常好。钢结构的隔声问题不是钢结构固有的问题,只要施工安装时加以重视,完全可以很好地避免。

不论是钢结构建筑还是混凝土结构建筑,为确保隔声效果,特别提醒注意以下几点:

1)水、暖、电、气管线穿过楼板和墙体时,孔洞周边应采取严格的密封隔声措施。

2)电梯不应与卧室、起居室紧邻布置。

3)管道井、水泵房、风机房应采取有效的隔声措施,水泵、风机应采取有效的减振措施。

4)门窗缝隙进行有效密封,提高门窗隔声能力。

5)接线盒、开关盒及隔墙四边封堵构造应合理高效,施工方便。

6)隔声严格的轻钢龙骨墙,内部龙骨最好做断桥处理,以隔绝撞击声。

7)轻质填充材料应避免受潮塌陷沉降,杜绝施工填塞不严实,降低隔声效果。

2.8 重视楼盖振动舒适度验算,提高振动质量

钢结构楼盖的平面外竖向刚度一般低于混凝土楼盖,表现为挠度大、竖向振动明显、加速度大。我们通过适当预起拱即可轻松解决挠度问题,这与混凝土梁的解决路线是一样的,但更方便。但是,楼盖竖向振动舒适度问题却是钢梁独有的新问题,是采用钢结构体系必须重视的问题。

我们习惯了设计混凝土结构,当解决承载力问题时,一般可以通过加大截面和配筋;当以解决挠度为目的时,一般通过适当预起拱即可;当以解决抗风问题为主时,一般只需要增大主体结构的抗侧刚度;当以解决抗震问题为主时,一般希望增加耗能能力,提高冗余度;当关注结构防倒塌能力时,需要尽量提高结构的冗余度,凝聚竖向构件的承载力;当要避免裂缝过大时,采用细而密的钢筋非常有效;而抵抗基础的差异沉降,则需要加大水平构件的抗弯刚度和承载力、调整竖向构件的应力水平和基底应力水平等;……面对钢梁楼盖,我们要改善竖向振动舒适度,可以采取加大梁截面、增加楼盖自重、增加阻尼等办法,但通过振动理论研究发现,增加梁之间的联系,从而增大楼盖的振动质量是个简便经济的办法,应注意作为首选的方法之一。因为这个方法不会增大结构自重,不影响使用,也基本不增加成本。

2.9 采用SI建筑体系

SI体系就是S(Skeleton-支撑体)与I(Infill-填充体)分离的建筑体系。其中的支撑体(S)是指建筑主体结构,以及外围护结构和公共管井等长久不会改变的部分。填充体(I)包括建筑的全部内装系统,即架空地板、空腔墙体或轻质隔墙、吊顶等。

通过S与I的彻底分离,SI体系增强了建筑结构的耐久性,保证了管线设备维修更换便捷,为延长建筑寿命增加了一个理由。因此,SI体系很适合建造百年建筑,也适合设备管线更新频率较高的建筑(如展示建筑)。

百年建筑的长寿化设计,就是提高建筑支撑体的物理耐久性,同时,将受损概率大的填充体与支撑体彻底分离,从技术上实现了在不损伤支撑体的前提下,对建筑构件、部品的随意剔凿、打洞、更新、改造等,也可以很方便地对管线设备进行维修更新,这样就大大改善了建筑的灵活适变性和可更新性,大大提升了建筑全寿命期内的实用价值。

建筑体系是实现建筑长寿化的基础。SI体系通过采用尽量大的平面空间,适当预留结构承载潜力,使建筑空间适应使用者需求的变化。即,在适应当前需求的同时,使建筑具有更大的弹性以应对未来使用的变化,为实现更长使用寿命创造条件。建筑的主体结构开放程度越高,使用价值也越大,可持续性也就越好。

SI体系降低了维护管理费用,也控制了资源的消耗。

管线分离是实现建筑产业现代化的可持续发展目标的主要技术之一,也是新型建筑工业化生产的主要技术之一。

随着社会的持续进步,使用者需求也会不停变化,所以内装更新、设备扩容、管线改造等工作会在建筑全寿命期内频繁发生。若限制了内装和设备管线的更新和维护,则在主体结构达到耐久年限前,就可能因使用功能不能满足需求而面临被拆除的窘境。因此,长寿命的建筑必须解决好建筑的适变性问题。

总之,SI体系是最有前途和故事的整体建筑系统,可给业主带来最大的使用改造灵活性,是业主全寿命均适合居住的建筑(适合养老、适合养病、适合奋斗、适合浪漫、适合学习、适合育幼、适合节俭、适合变化),内外装修天然可以与轿车类似。SI体系还具有如下优点:最大化地工厂化,现场技术要求低、出错难、容错能力强、容(尺寸偏)差能力强,操作和管理工作量小,工作强度低,劳动安全保障需求低,工期节省、运输成本较低(重量轻)、堆放场地需求较小(场地占用时间短)。

SI体系特别强调提高支撑体的耐久性能。提高支撑体的耐久性,广义地讲需要同时做好以下两方面的工作:

1)延长结构系统和外围护系统的使用寿命。

2)主体结构和固定的管井管线位置充分考虑未来平面变化的便利性。

2.10 提高建筑全寿命适变性

对住宅建筑来说,居住者对居住空间的使用要求会随着家庭结构的变化而变化,参见表2.10-1。因此,居住建筑的设计宜尽量考虑到各个阶段家庭的不同特征,兼顾居住者对使用空间改造和功能布局变动的需要。套型设计充分考虑不同家庭结构的情况,在同一居住单元内方便地实现多种套型的变换。尽量提高建筑全寿命的适变性是住宅设计的方向。

表2.10-1 不同阶段家庭基本情况

为了提高建筑的适变性,当然也需要主体结构有足够大的开放度相配合。采用大空间的结构体系,尽可能减少室内主体结构构件,就可以最大限度地减少结构主体对适变性的影响,同时集约布置管井管线,可以使使用空间最灵活,适变性最佳,满足人们对住宅的不同布局方式、功能分室的需求。

2.11 提高建筑构件部品的制作安装精度

卫浴是住宅重要的组成部分,采用模块化的整体卫浴可以大大便利制造和安装,也便于控制和保证质量,提高制作安装尺寸精度,相应地就可以减小给施工安装偏差的预留空间,节约墙面空间面积。

整体厨房与整体卫浴一样,是内装部品中最直接展现工业化工艺水准的部分。所有柜体均采用专用设备、专门工艺、专门材料加工,拼缝处进行精细化的特殊处理,使得实际偏差尽量小。

钢结构构件制作涉及的工艺过程很多,如剪、冲、切、折、割、钻、焊、喷、压、滚、弯、卷、刨、铣、磨、锯、涂、抛、热处理等,钢构件制作的每一个工艺步骤都影响钢构件的加工制作质量。好在钢结构构件制作都在工厂内进行,环境条件好,有利于提高制作精度。目前发现的问题是,工人的制作经验不足,对温度、加工引起的尺寸偏差估计不准,对受荷后的变形量没有预留,由此带来了现场结构构件和部品安装的困难。为应对此类问题,常常需要特殊的容差构造,部品与结构之间预留较大的缝隙或加厚找平层厚度,由此造成了一定的空间和材料浪费。

随着部品部件制作精度的提高,安装技术的进步,相关施工企业应注意同步推动配套标准(包括企业标准)、构造、工艺的进步,缩小安装间隙,减薄找平层,提高实际使用面积。这样,可以将提高建筑构件部品的制作安装精度的好处充分体现出来。在EPC项目中,更加容易做到这一点。

2.12 提高钢结构制作安装效率

2.12.1 提高钢结构制作效率的方式

可通过以下途径提高钢结构构件的制作效率,降低制造成本。

1)尽量采用常用的轧制型钢截面,少用焊接截面和采购困难的截面,减少钢构件制作工作量。

2)在不太增加材料用量的前提下,尽量减少型钢规格、钢板厚度、钢材种类,以便批量采购,降低采购成本,提高生产效率。

3)采用自动化制造设备、信息化管理手段,提升制造智能化水平,提高钢构件制作精度和效率,降低制作成本。

2.12.2 提高钢结构现场安装效率的途径

钢结构现场焊接的优点是省材料;缺点是对工人的技术要求高,人工成本高,施工质量受环境影响大,质量保障难度大,用电量大,检测工作量大,且对钢结构的防腐涂装影响大,焊缝处相对更容易生锈。

而钢结构现场安装采用螺栓连接可克服焊接的缺点,采用工具施工,对工人的技术要求低,安装速度快,效率高,人工成本较低,且对钢结构的防腐涂装影响小,钢结构不易生锈;但缺点是材料用量大,材料成本较高。

随着我国人工成本的不断提高,钢结构现场螺栓连接的优势将逐渐凸显,因此,为提高钢结构现场安装的效率,应鼓励优先采用螺栓连接。

2.13 实现“五化”

“标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理”这是建筑工业化的最标准的诠释。这“五化”建造新模式涵盖了装配式建筑建造的全过程,是装配式建筑区别于传统建筑的重要特征,也是钢结构装配式建筑低成本高质量优势的最主要来源。

根据笔者的体会,将“五化”予以展开以便理解:

1)标准化设计——模数化、标准化、轻量化设计。

2)工厂化生产——工厂化、批量化、集成化生产。

3)装配化施工——采用标准化构件,进行装配化施工。

4)一体化装修——适变化、一体化装修。

5)信息化管理——信息化管理甚至智能化建造与应用。

除此之外,低成本、高质量也是钢结构建筑工业化的两个非常重要的特征。成本是开发商最为关心的问题。测算建筑成本时,应注意既要算显性成本,也要算隐性成本,把这两个方面的成本算清楚了,就会得出结论:装配式钢结构体系最应该实现“五化”。

“五化”做得越彻底,装配式钢结构建筑在质量和成本上就越有竞争力。

2.13.1 标准化设计是“五化”的基石

设计是整个产业链的开端,因此标准化设计是建筑工业化的基石。

当今的常规设计不关注标准化,甚至不需要符合模数,更不会关心下游生产和安装的便利性,这主要是由于产业链没有实际整合,设计方最终的产品是图纸而不是建筑。

未来的建筑设计将包括制造设计和装配设计。

制造设计是以保证质量、提高速度、降低成本为目标的工厂工艺设计,而装配设计则指是在现场尽量快速、高质量、省人工的安装设计。制造设计和装配设计理应属于设计层面,目标之一是将尽量多的工作放到工厂,最大限度地实现工程质量和效率的双提升。复合墙板幕墙一直是遵循这个理念进行设计的。从根本上说,目前设计遵循的是基于工地建造的工程化方式,装配化要求设计团队将他们的思维从工程化方式转移为工厂化方式,这是未来建设工程的发展趋势。

下面以轻钢龙骨隔墙为例说明制造设计和装配设计考虑的不同因素。一道龙骨墙,除了骨架以外就是蒙皮和装饰面,过去都在现场切割安装。转变思路后,制造设计和装配设计时,就需要推敲隔墙的加工制作各个细节。骨架可以在工厂进行预制——龙骨墙做成整片,然后从工厂运输到工地。如果面层板在工厂预制好,为避免运输和安装过程中的破损,需要增加包装、运输、安装成本,但是,人工费和现场工期的节省,也许会带来更大的效益,如同集装箱房在工厂内全预装一样。

对于标准化设计,其原则是模数统一、模块协同、少规格、多组合,各专业一体化考虑,实现平面标准化、立面标准化、构件标准化、部品标准化。

建筑标准化到一定程度后,将实现产品生产不再完全依赖传统的建筑设计图纸,则可说实现了“产品标准化”,体现了工业效率,边际成本接近零;而当实现了工程建设操作简单,无质量隐患,则可说实现了“工程标准化”,体现了工程效率。

楼梯和卫浴有希望率先实现“产品标准化”。目前整体卫浴在中国发展出现了瓶颈,就是产品标准化工作滞后所致。由于整体卫浴在中国没有尺寸标准,使得现在整体卫浴最大的痛点是模具过多,模具费用过高。一个房企几百个户型,卫生间各种尺寸都有,因此,标准化势在必行。据说日本全国的整体卫浴也就只有21个尺寸。

2.13.2 标准化设计应包括内装

设计阶段应摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的错误概念,实行结构、围护、内装和机电四大系统协同设计。以内部结构布置为基础,以工业化和内装部品为支撑,以内装功能为核心,尽量统一部品尺寸,功能单元设计与功能布局协同设置,在满足功能的前提下优化空间布置,尽量按符合工业化建筑的独特要求,实现内装模块化集成,最大限度保证适用、安全、耐久、防火、保温和隔声等性能要求,同时降低施工难度,严格控制造价。推广单元化、模块化、部品化的装配式,通过标准化设计、工厂化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用,推动设计建造方式创新,促进建筑产业转型升级。积极应用建筑信息模型技术,统筹结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统,推行一体化集成设计,提高建筑领域各专业间的协同设计能力。

2.13.3 标准化设计评价

未来的建筑设计必定从设计、制造、建造三个维度展开评价,以获得完美的技术解决方案。

(1)设计评价 评价其是否基于建筑空间,具有较强容错能力且安装便捷。

(2)制造评价 评价其是否实现标准化产品模块,能在工厂批量化生产和实现规模化库存,使产品成本大幅降低。

(3)建造评价 评价其是否实现将现场的复杂工艺集成到工厂,现场是否实现标准化地快速安装连接,快速建造。

凡是符合产业现代化要求、具备产业现代化特征的任何建造方式,只要能“两提两减”,即提升质量、提高效率,减少用工、减少污染,都应该鼓励应用。

比如,近些年发展起来的钢筋桁架楼承板,钢筋桁架采用自动化生产设备在工厂生产,既减少了现场工人也减少了工厂工人,模板通过连接件与钢筋桁架连接,可拆卸,可重复使用。钢筋桁架楼承板将钢筋与模板工程大量转移到工厂进行,可显著减少现场的钢筋绑扎和模板支撑工作量,现场作业工人数量大幅度减少,明显加快施工进度,真正实现“两提两减”(因此,采用钢筋桁架楼承板的工程,应计入装配率)。

2.13.4 标准化与个性化的协调

模数化是标准化的基础,模数化、标准化才可能批量化,这是工业化的必要条件。建筑尤其是住宅作为一个产品面向用户,开发商不希望千篇一律,希望满足不同用户的个性化需求。目前看来最好的方式是内部采用标准化的部品,而通过钢柱、钢梁、楼板、墙体、整体厨卫、装配式装修的灵活组合,兼顾标准化和个性化。

2020年7月,住房和城乡建设部发布了《钢结构住宅主要构件尺寸指南》,规定了住宅中常用构件的类型、规格表,希望钢厂可直接批量生产标准化型材,提供给设计单位选用,形成良性循环,共同提高结构构件的标准化水平,既能提高构件质量又能降低工程造价。

因为工业化建筑特别需要模数化和标准化,所以说模数化、标准化是钢结构的标配。某些类型的建筑,如高层住宅、高层办公类建筑,其本身标准化、模块化属性很强且对成本敏感,所以这类建筑特别适合于工业化。

当然,有些建筑追求建筑语言与建筑功能的融合,造型特殊,没有固定的逻辑和模数,甚至没有造价限制。这类建筑就不适合于工业化的方式建造。

2.14 开展工程总承包

2.14.1 成本超支和进度延期是建筑业的常态

麦肯锡曾经对国际上重大的工程项目做过一个分析,从总体来看,大多数项目的成本最终超出预算80%左右,工期平均超出预期20个月左右;而基础设施业务基本只有20%左右的项目能够按时完工,40%的项目要拖期1~2年,另40%的项目要延期2年以上;石油化工领域的工程更为夸张,几乎没有按时完成的,至少拖期1~2年,甚至有30%左右的工程要拖3年以上。参见图2.14-1。

图2.14-1 国际上部分重大工程项目的预算超支和工期拖延情况

国际上是这样的,国内也差不太多,成本超支和进度延期是行业的常态,采用EPC模式是解决这类问题的一个途径。

2.14.2 钢结构需要更好的管理协作

钢结构与预应力混凝土、木结构一样,存在多方面的特殊情况。

(1)建设流程方面 混凝土结构的材料加工和施工都在现场完成,钢结构多了钢构件工厂制作环节,整体流程进度会受到工厂和运输进度的制约。

(2)材料采购方面 混凝土结构建筑所用的钢筋、模板、脚手架、商品混凝土、干粉砂浆等,均为初级的原材料,市场供应非常充分,项目建设不可能受采购制约,而且成本透明且较低。钢结构的钢材和工业化部品原材料的批量一般都较小,谈判困难,价格贵,且需要有订货周期,需要预留出厂家加工制作的时间。

(3)建造技术方面 混凝土现场的钢筋绑扎、模板支撑架搭设及拆除、混凝土浇筑以人工操作为主,钢结构构件的制作主要在工厂靠设备去完成,现场钢结构的连接采用高强螺栓和焊接连接。

(4)技术工人方面 混凝土建筑工人市场容量很大,工人技术熟练;钢结构设计、施工各环节的技术人员和工人均相对稀缺。

(5)总承包与钢结构分包和部品部件厂家协调方面 目前国家政策严禁设计指定生产厂家。一般的部品部件(包括钢构件)在设计时只规定了类型和主要技术标准,只有等到总承包部品招标完成后,厂家(包括钢结构加工厂家)才可能介入深化设计配合工作,这就势必影响设计的进度、深度和质量。比如墙板,不同厂家要求的连接节点、拼缝构造等不完全相同,需要钢结构、装修等专业进行配套修改。在EPC模式下,可以提前确定各分包单位,尽早参与设计,有时间和动力深度配合,有助于提高工程质量。

具体到钢结构住宅,还有更特殊的情况。

(1)采购方面 钢结构住宅构件原料多为相对不常用的、尺寸较小的型材,不像公共建筑较多地以常见的钢板为原材料,这带来了材料采购谈判的劣势,导致采购价格贵、供货周期长。如果总承包将不同住宅建筑单体分包给不同加工厂去分别深化设计、采购原材料,则各规格的型材可能会达不到厂家要求的最小批量,采购价格会高很多甚至无法完成采购。钢结构的最大劣势是每个规格钢材的需求量很小,使得钢材采购价格会远高于钢筋。一种规格的钢材必须有数百吨以上的量,与原材料供货商洽谈采购时才不会处于劣势。除了钢材,住宅中的墙体、楼板、装配式装修部品部件,同样需要提前深化,协调规格,提前统一订货采购。

(2)工期方面 这本来是钢结构的优势,可以满足钢结构住宅项目的高周转需求。遇到多个单体同时施工时,要求钢结构出厂速度很快,通常可以协调多个钢结构厂同时供货。这种协作模式对管理协调的要求非常高,可能会因为协调组织跟不上,导致工期比现浇混凝土结构更长。

(3)施工质量精度方面 钢结构住宅的防火保护层很薄,且构造节点设计时一般只考虑有限的尺寸偏差,因此,钢结构对施工偏差更敏感,要求更高的施工精度。

(4)目标用户方面 用户对钢结构住宅的细节更加挑剔。

钢结构对总体工期目标、总体质量目标和总体成本目标的要求都很高,而三者之间是有一定矛盾的。工期赶得紧,质量难保证,成本也高;质量抓得严,成本和工期都会失控。必须在EPC模式下,通过加强员工培训和选拔,统一采购,强化管理,才能同时实现上述三个总目标。

作为建筑工业化背景下的设计师,本身不能排斥工业化体系,需要改变思路,从设计之初就以工业化的思维去做设计,同时对下游加工制造、施工难度、造价等各方面有更深入的考虑,以建筑为最终的产品,让设计成果可以更为畅通地向下游传递。这对于设计师的要求无疑是更高了。

2.14.3 什么是工程总承包

我国2019年出台的《房屋建筑和市政基础设施项目工程总承包管理办法》中把工程总承包定义为“工程总承包,是指承包单位按照与建设单位签订的合同,对工程项目设计、采购、施工或者设计、施工等阶段实行总承包,并对工程的质量、安全、工期和造价等全面负责的工程建设组织实施方式”,这个定义的核心在于:对整个项目全面负责,作为总承包商,不能仅仅关注质量、安全和成本,而是要全面地保证整个工程有效运行。

目前主要的工程总承包模式包括:①设计-采购-施工(EPC),即“交钥匙”总承包,是典型的EPC总承包模式;②设计-采购-施工管理(EPCM);③设计-施工总承包(D-B),在该种模式下,建设工程涉及的建筑材料、建筑设备等采购工作,由发包人(业主)来完成;④设计-采购总承包(E-P);⑤采购-施工总承包(P-C)等。某个施工企业与设计院合作,形成联合体,但设计和施工实际上还是各自负责,这种形式并不能称之为EPC,各方面力量融合的联合体才是EPC的核心。也就是说,EPC是指总承包公司或联合体受业主委托,按照合同约定对工程建设项目的设计、采购、施工、试运行等实行全过程或若干阶段的承包。通常总承包公司或联合体在总价合同条件下,对其所承包工程的质量、安全、费用和进度负责。

EPC的实施单位主要有三类:①以制造能力为主的企业;②以技术为主的企业;③传统的施工企业,如中建、中交等。总的来说,设计院在对设计要求比较高的项目上具有优势;施工企业在对生产管理要求比较高的项目上具有优势。

在EPC模式中,E(Engineering,工程)不仅包括具体的设计工作(design),更重要的是从工程内容总体策划出发,从工程建设甚至运营角度来对整个项目建设进行一个总体设计。即,E包括整个建设工程内容的总体策划以及整个建设工程实施组织管理的策划和具体设计工作,是EPC项目运营管控的魂,起主导和龙头作用。P(Procurement,采购)也不是一般意义上的建筑设备材料采购(制造),尚应涵盖专业设备、材料的采购(制造),要首选最好施工、最符合设计方案、成本最合理的设备和材料。C(Construction,建设、建造)不仅仅是施工,它要基于按时交付合格项目,包括施工、安装、调试、检测、移交和技术培训等,也包括对整体设计、设备采购的协同。

在EPC模式中,交付前应做无负荷试运行,还应带负荷联动试运行,试生产直至达产达标、正常生产为止。即应做到全部正常达标,业主接手就可正常使用。

在EPC模式中,总承包单位应当设立项目管理机构,设置项目经理,配备相应管理人员,加强设计、采购与施工的协调,完善和优化设计,改进施工方案,实现对工程总承包项目的有效管理控制,工程总承包(EPC)项目经理应当熟悉工程技术和工程总承包项目管理知识以及相关法律法规、标准规范,并具有较强的组织协调能力和良好的职业道德。

由于设备、材料费在整个项目造价中所占的比重很大,搞好采购工作对降低整个工程项目的造价有重要作用。材料设备采购控制是EPC项目成败的重要因素之一,不仅要对货物本身的价格进行研究分析,还要综合分析一系列与价格有关的其他方面问题。例如,根据市场价格浮动的趋势和工程项目施工计划,选择合适的进货时间和批量;选择合理的付款方式和付款货币,以提高资金的使用效率;根据对供货厂商的资金和信誉的调查,选择可靠的供货厂商。总之,要千方百计化解风险,减少损失,增加效益,以降低整个工程项目的造价。

图2.14-2 EPC中设计、采购和建造的关系

对于设计和建造、设计和采购、建造和采购相互交叉的部分,需要协调部门一起来做协同方案;除此之外,不发生交叉的工作需要各专业公司、专业工程师来负责完成(图2.14-2)。

2.14.4 工程总承包(EPC)模式的优势

EPC模式是工程建设未来发展的趋势,总承包人对建设工程的“设计、采购、施工”整个过程负总责、对建设工程的质量及建设工程的所有专业分包人履约行为负总责。即,总承包人是EPC总承包项目的第一责任人。

较传统承包模式,EPC总承包模式的优势总体可以概括为:节约工期、成本可控、责任明确、管理简化、降低风险。

(1)强调和充分发挥设计在整个工程建设过程中的主导作用,这有利于工程项目建设整体方案的不断优化。

(2)有效克服设计、采购、施工相互制约和相互脱节的矛盾,有利于设计、采购、施工各阶段工作的合理衔接,有利于实现建设项目的进度、成本和质量符合建设工程承包合同约定,确保获得预期的投资效益。

(3)建设工程质量责任主体明确,有利于确定和追究工程质量责任的承担人。

传统的模式,设计、采购、施工有很多接口。过去,施工图一定要画完并经三级审核签字,然后给业主,开始施工总承包招标工作,确定施工总承包单位之后再开始钢结构分包招标工作,分包单位确定后才开始施工详图设计、审核、材料定购、工厂加工,之后才是现场安装施工。按照这个顺序,每一个阶段必须干净利落地结束后再开始下一阶段,不允许有“三边”工程。但是按照EPC模式,设计、采购、施工总分包基本可以理解为“一家”,完成初步设计后,就可以给采购和施工提供相关的资料和信息,采购的相关信息也会及时反馈给施工和设计(图2.14-3)。整个加工过程中出现的困难,会及时联系设计单位进行修改完善,有助于整个项目的推行。

图2.14-3 EPC项目的接口

也可以说,过去设计-施工是串联关系,EPC模式后变为并联关系;过去技术和商务分离,现在是一家人。设计和施工割裂,造成损失大于5%,超过利润。总包与分包、劳务分离,不断招标不断签合同,消耗了大量的精力去管理和协调,难有精力去重视技术和核心竞争力。而EPC模式利益同向,大大减少了扯皮和浪费。

2.14.5 钢结构建筑呼唤EPC模式

EPC模式并不是万能的,那些建设范围、建设规模不明确的项目,建设标准、功能需求不明确的项目,前期条件(如地质)不清楚的项目,都不适合采用EPC模式。那么EPC模式到底适用于什么样的项目呢?可以肯定的是,量大面广的传统钢结构建筑非常适合采用EPC模式建设,这是因为钢结构的设计存在施工图设计和施工详图设计两个重要阶段,两个阶段的设计周期均很长,且呈严格的先后关系;钢结构的加工安装需要工厂加工和现场安装二者的严密协作,且钢构件往往需要长距离的运输,花费较长的时间。采用EPC模式后,设计—设计深化—加工制作—现场安装可以最紧密地协作,穿插作业,可以节省大量的时间,充分发挥钢结构施工速度快的优势。

2021年3月起,浙江开始施行《关于进一步推进房屋建筑和市政基础设施项目工程总承包发展的实施意见》,鼓励政府投资项目、国有资金控股的项目带头实施工程总承包。钢结构装配式建筑原则上应当在初步设计审批完成后即进行工程总承包项目发包,这非常有利于压缩钢结构二次深化设计的时间,发挥钢结构建设速度快的优势,并降低建设综合成本。

2.15 认真编制、严格执行房屋用户手册

对大家熟悉的钢筋混凝土剪力墙结构的商品房,入住前,业主常常会随装修做一些改造,比如,常常会发现业主为了布一条电线,在剪力墙上开很长的槽,为了将线管全部埋入墙内,粗暴地切断了影响管线通过的所有钢筋。凿墙打洞的事情更比比皆是,这都造成了很大的安全问题。针对类似问题,有关部门强调要编制房屋产品用户使用手册,提供给用户,要求严格遵守。

对于钢结构建筑,存在一些与钢筋混凝土剪力墙结构不同的问题,需要提醒用户注意。如,防火层的日常保护,破损后的修复;钢构件尽量避免施焊作业,不可避免时应采取的安全措施,以及焊后防锈涂层的修复;凡在轻质隔墙上开槽应严格进行隔声封堵;室内夜间应避免蹦跳等。这些问题最好在用户手册中进行详细说明,并进行宣贯,严格执行,保证房屋的安全和正常使用。

钢结构使用阶段的维护维修直接影响钢结构的安全使用体验,特别是钢构件的防腐、防火涂层维护,直接影响钢结构的耐久性以及使用安全。因此,钢结构在使用过程中的定期和不定期检测、维护是非常重要且必要的。对于露天使用的钢结构,更应严格规定和执行定期的检测鉴定制度。

广大业主对钢结构建筑的顾虑部分来自对钢结构建筑的不熟悉;但假以时日,用户就会发现,只要做好相关维护原来担心的钢结构的防火问题、锈蚀问题、隔声问题和舒适度问题都不是问题。国外的经验已经证明这一点。


[1] 《钢结构与绿色建筑技术应用》一书P27~35,中国建筑工业出版社,2019。