2.2 装配式钢结构建筑

根据CSA（加拿大标准协会）标准的解释，钢结构建筑是以钢材为结构构件加上相应的连接件和相关建筑部品组装而成的完整的建筑实体。

装配式钢结构建筑与传统的建筑形式相比，主要具有以下特点：

①强度高、自重轻、承载力高。因为钢的强度和刚度比钢筋混凝土高几倍，所以使用钢结构建筑结构体系其重量约为钢筋混凝土住宅的 1 /2，大大减小了房屋自重，构件截面较小，也增大了建筑物的可用空间。

②抗震性能优越。因为钢材是弹性变形材料，能大大提高建筑的安全可靠性。抗侧刚度大和建筑结构自重的减小也有利于提高抗震性能，并且地震后方便及时更换损伤构件。

③缩短施工工期﹑减少劳动力﹑提高工程质量及施工效率、降低安全隐患。装配式钢结构构件大多在工厂先预制好后运到现场安装。现场机械化程度高和作业量大大减少，对应的现场劳动力也大大减少、安全事故隐患大大减少、施工工期大大缩短和施工中产生的废水、噪声和扬尘也大大减少。

④空间布置灵活、可模数化设计、集成化程度高、延长建筑寿命。

⑤绿色环保，保护环境，化解钢铁行业过剩产能，可持续发展。钢材属于可二次回收再利用的材料，建造和拆除时对环境污染小，其节能指标可达 50%以上，属于绿色环保建筑材料。

⑥可实现住宅建设的工业化和产业化，综合经济效益高。

2.2.1 装配式钢结构建筑材料

按照装配式钢结构建筑的构成分，可分为结构系统、外围护系统、内装系统、设备管线系统 4 个部分。其中，结构系统为主要受力构件，主要包括梁柱体系﹑楼板体系﹑楼梯体系 3个部分；外围护系统主要起围护内部结构构件与抵抗外界水平力和保温隔热等作用，主要包括建筑外墙、屋面、外门窗及附属物，见表 2.1 和表 2.2。

装配式钢结构建筑提倡采用非砌筑墙体，采用工厂预制墙板。目前，常用的墙板有轻质蒸压加气混凝土板、轻钢龙骨类复合墙板、发泡陶瓷墙板、混凝土空心墙板、金属面板、夹心墙板等。

（1）轻质蒸压加气混凝土板（简称“ALC板”）

蒸压加气混凝土是由磨细的硅质材料（河砂、粉煤灰、石英尾矿粉、页岩等）、钙质材料（水泥、石灰等）、冷拔钢筋网架、发气剂（铝粉）和水等搅拌、浇筑、发泡、静停、切割和蒸压养护而成的多孔轻质实心混凝土制品。由于采用蒸压养护工艺，故称为蒸压加气混凝土。ALC板用于建筑非承重墙体。

（2）轻钢龙骨类复合墙板

轻钢龙骨平板墙体是指以轻钢龙骨为骨架，以 4~25 mm厚的建筑平板为罩面板，内部可铺设岩棉、玻璃棉等隔声、隔热材料所形成的非承重轻质墙体，主要应用于公共建筑的内隔墙、隔断工程。外挂面板产品包括硅酸钙板、纸面石膏板以及类似的材料和工艺制得的板材。目前行业内应用得最多的是硅酸钙板，硅酸钙板由水泥、石英粉、硅灰石、石灰、木质素纤维等原料经过制浆、成型、蒸养等工艺加工而成。材料经过 180 ℃的高温、高压养护，激发原料中硅质-钙质材料的活性，促进水化反应的进行，生成的主要水化产物为托贝莫来石晶体。从微观结构来看，硅酸钙板是由反应产生的胶结体将反应物一层一层地黏结在一起的宏观表现。轻钢龙骨类复合墙板用于建筑非承重墙体。

（3）发泡陶瓷墙板

发泡陶瓷墙板是由瓷砖抛光渣、矿渣、钢渣等材料按比例配制而成的，用球磨机磨细加发泡剂搅拌均匀，喷雾干燥，干铺入模，入隧道窑，经1 200 ℃高温烧结，切割成需要厚度的多孔实心板材，烘干，包装，发货。原料在隧道窑中经过烘干、烧结、降温长达 50 h的烧制过程，最终得到成品。在工厂调查研究中发现，烧结发泡陶瓷墙板所用的原料需要经过严格的筛选控制，对原料的成分要求严格，进场的原料（即每个陶瓷厂的抛光渣）需按不同厂家分别堆放，烧成温度和时间也要经过严格控制。发泡陶瓷墙板用于建筑非承重墙体。

（4）混凝土空心墙板

混凝土空心墙板是一种以水泥为胶凝材料，以砂、石和适量的建筑废弃物为集料、适量钢筋等为增强材料，经挤压成型机一次挤压成型或者成组立模浇筑成型、自然养护而成的，沿板长方向有若干贯通长孔的混凝土轻质条板。混凝土空心墙板可用于工业与民用建筑的非承重墙体结构。

（5）金属面板夹心墙板

金属面板夹心墙板的两侧用金属材料形成面层，中间夹以保温隔热材料的复合墙板。

2.2.2 装配式钢结构构造

目前，装配式钢结构建筑主要有钢管混凝土装配式建筑体系、新型模块化钢结构、钢管混凝土组合异形柱结构、整体式空间钢网格盒式结构、钢管束组合剪力墙结构几种体系。

（1）钢管混凝土装配式建筑体系

该体系以钢管混凝土为基本受力构件，同时设置钢板、核心筒、钢支撑等抗侧力构件。其围护结构以轻质混凝土砌块或新型轻质墙板为主。新型轻质墙板根据构造方式分为内嵌式、外挂式以及嵌挂结合式。内嵌式墙板需要设置钢支撑，施工工序复杂，限制了其应用推广。常用的外挂式墙板有轻质混凝土夹芯板、太空复合板、增强夹芯板。嵌挂结合板有DK复合板、ALC板等。

该体系使用装配化的楼板，免去了支模施工工序，实现了部分装配化。

与传统的钢柱建筑和钢筋混凝土建筑相比，装配率达到 70%。力学性能、抗震性能和热工性能均优良，具有节省钢材、降低造价、施工工期短等优点。但是，钢管混凝土装配式结构没有实现主体结构系统与外围护系统、内部管线设备系统的一体化建造。楼板施工中的水电管线等设备大都需要敷设在现浇层内，还有待研究开发。

（2）新型模块化钢结构

新型模块化钢结构建筑体系一般用于工业建筑，装配率超过 90%。该体系目前主要有模块化可建模式和盒子建筑两大类。

模块化钢结构建筑体系的主体结构包括装配式主板和斜向支撑。装配式主板由工厂预制好，并与斜向支撑立柱共同组成空间受力体系。装配式主板由压型钢板组合板、支撑钢桁架组成。装配式主板内部嵌入空调、消防、水电等管线设备。该体系具有施工速度快、现场安装无垃圾等优点。同时，建筑户型以及门窗的位置可自由改变。但该结构还存在结构受力构件裸露以及隔音效果差等问题。

盒子建筑是先将传统建筑房间按功能区域进行划分，由工厂提前预制好模块的立柱、墙体、楼板、门窗等构件，然后将箱型模块运输到现场进行整体吊装组合，其装配化程度高，建筑自重轻，工期短。盒子建筑在国内应用较少，目前还处于研究阶段。对工厂要求较高，由于盒子建筑的构件尺寸较大，运输、吊装、施工都有困难，成本问题也是制约原因。

（3）钢管混凝土组合异形柱结构

钢管混凝土组合异形柱建筑体系通过竖向构件相互连接，并按设计要求设置纵横向加劲肋。从而能够使各异形柱之间形成有效的空间格构式整体结构，相互之间协同工作，具有很强的抗震能力。异形柱的截面尺寸较小，方便隐藏在墙体内部，房间布置灵活；钢管混凝土组合异形柱较常规混凝土墙柱，承载力和构件延性更好，施工效率更高；在地震多发地区，对建筑抗震要求较高，采用型钢混凝土异形柱，不但能美化建筑空间，也具有良好的抗震性能。该结构体系具有以下缺点：较常规钢结构，用钢量增大；较常规钢管混凝土柱，由于此类构件空腔数量较多，截面较小，因此，对混凝土作业的质量要求更高，人工及材料成本有一定的上升；组合截面在工厂生产过程中，在具备完整的机械化生产线前，人工及时间成本较高，且焊接次数较多，焊缝较多，质量较难控制，同时检测成本也相应提高，可用于小高层项目中。

（4）整体式空间钢网格盒式结构

空间钢网格盒式结构多应用于高层建筑中，如图 2.1 所示。空间钢网格（单层、双层空腹）力学效应等效为空间网格板，竖向与横向的空间网格板组成空间网格盒式结构，它具有“板”的力学效应。空间钢网格板，由工厂焊接或拼装单元，在节间中央弯矩最小处采用高强螺栓等强连接后形成整体，现场可杜绝电焊，防止火灾。空间钢板网格结构或钢框架-核心筒结构作为竖向承重外墙及分户墙，横向钢网格楼盖作为建筑楼板，两者连接后其结构形式就形成了三维受力结构。空间钢板网格结构或钢框架-核心筒结构可根据建筑功能自由划分，居室布置比较灵活。

（5）钢管束组合剪力墙结构

该体系由钢管束剪力墙作为竖向承重构件，钢筋桁架作为楼板体系，如图 2.2 所示。在钢管束内浇筑混凝土，使钢管束和混凝土协同工作。同时，可根据需要将钢管任意排列，解决了梁柱在室内容易暴露的问题。其缺点是用钢量多，施工工作量大。