2024年9月29日发(作者：上海局部装修改造哪家好)
(案例分析)一体化装配式钢结构
钢结构重量轻、塑性韧性好，具有较好的抗震性能，且对于空间的布置较为 灵活。
与钢筋混凝土结构相比，钢结构室内使用面积增大。装配式结构节约资源, 减少施工现
场的环境污染，如噪音、粉尘等。且现场施工工作量少、施工速度快, 受环境尤其是冬
季施工的影响较小，质量稳定。装配式钢结构建筑汇集了上述两 种结构的优点，且可以
重复利用，符合绿色环保的发展理念。
我国钢铁产能过剩，传统的住宅建造模式对环境的破坏较大，装配式钢结构 住房可
以较好地解决这些问题。2016年2月国务院下发了《关于进一步加强城 市规划建设管
理工作的若干意见》，重点提到发展新型建造方式、大力推广装配 式建筑，后续国家颁
布了十余个文件推动装配式建筑的发展。因此，我国的装配 式钢结构建筑拥有极大的发
展优势，具有良好的应用前景。
一、装配式钢结构建筑的发展历程
1、国外发展历程
受工业革命以及二战影响，西方发达国家及亚洲的日本等国家的住房需求量 增大。
由此，生产速度快、所需劳动力少且质量较为稳定的装配式钢结构建筑进 入了人们的视
野，装配式钢结构住宅得到了较好的发展。目前已经具有十分成熟 的体系：如美国
COnXteCh钢框架体系、英国MOdUIar结构体系、意大禾IJBSAIS 工业化建筑体系等。美
国、英国及意大利的冷弯薄壁型钢结构住宅主流体系有：
(1)美国较为广泛采用的体系有CTLS体系、DBS体系以及Conxtech体系。 其中
CTLS体系为板框式结构，立柱、梁、支撑等结构构件均采用C形冷弯薄 壁型钢，用钢
量较节省，适用于1〜4层建筑结构；DBS体系构件采用开孔专利 技术，方便水、电、气
等管线布置，结构自重轻，适用于4~6层建筑结构，在非 地震区最高可以用到12层；
Conxtech体系为纯钢框架结构，其梁柱连接具有白 锁功能，构造简单、安装方便、节省
材料、造价较低，适用于12~15层建筑结 构。
(2)英国较为广泛采用的体系有STlC体系、PANEL体系、ModUIar体系 以及
CaSSette体系。STlC体系中，所有的杆件按设计尺寸切割，采用螺栓或自 攻螺钉现场
连接。PANEL体系中带骨架的墙板、屋面板及屋架都在工厂内用专 用的模具加工成型。
MOdUlar体系以房间为模块预制单位，在工厂加工后运至现 场，是完整的房间构建单元。
CaSSette体系的构件模块化能进行快速的生产，克 服了传统细长墙面立柱的稳定性问
题，无需支撑便能合理地抵抗风荷载产生的剪 力。
(3)意大利主要采用BSAIS结构体系，该体系适用于1〜8层钢结构住宅， 柱子采
用H形钢，主梁采用大断面冷弯型钢，支撑采用角钢，梁柱通过高强螺 栓连接。楼板为
带凹痕的压型钢板。外墙板采用双层墙板体系，内隔墙采用轻钢 龙骨石膏玻璃棉，其结
构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方 便，在欧洲、非洲、中东等地
区应用较广泛。
2、国内发展历程
我国的装配式钢结构建筑起步较晚。自20世纪50年代起,在政府的鼓励下, 我国
的装配式建筑开始起步。在1956年国务院发布的《关于加强和发展建筑工 业的决定》
中，明确指出了“建筑工业化是建筑业的发展方向九当时工厂生产的 装配式构件主要是
预制板，其他构件生产较少，但这是我国装配式建筑发展的一 个良好开端。20世纪80
年代中期，装配式钢结构逐渐进入人们的视野，开始有 所发展。但到了 20世纪90年
代，受设计和施工水平限制以及大量农民工涌入城 市等因素影响，钢筋混凝土结构成为
主流，装配式建筑整体发展停滞不前。直至 1999年，国家发布了《关于推进住宅产业现
代化，提高住宅质量的若干意见》， 其中明确指出了“加快住宅建设从粗放型向集约型
转变，推进住宅产业现代化， 提高住宅质量，“积极开发和推广使用轻钢框架结构及其
配套的装配式板材工 由此，我国装配式钢结构建筑开始了新的探索发展阶段。
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2016 年 2017 年 2018 年 2019 年
a) 2016—2019年新开工建筑面积
■钢结构■混凝土结构■木结构 其他结构
b) 2019年各种装配式结构的比例
图1我国装配式建筑的发展概况
二、装配式钢结构体系的研究现状及应用
目前主要的装配式钢结构体系有以下∏种：装配式钢框架结构体系；钢框 架-支撑
结构体系；钢框架-钢板剪力墙结构体系；钢框架-核心筒结构体系；模块 化建筑结构体
系；方钢管混凝土组合异形柱结构体系；隐式框架-支撑(钢板墙) 钢结构体系；钢管束
组合剪力墙结构体系；多腔体钢板组合剪力墙结构体系；交 错桁架结构体系和冷弯薄壁
型钢结构体系。
1、装配式钢框架结构体系
装配式钢框架结构体系是指采用型钢梁柱、预制楼板或叠合板、预制墙体和 楼盖
组成的框架结构，具有空间布置灵活、塑性韧性好、抗震性能优异等优点， 但其抗侧刚
度较小，一般适用于6层以下的多层建筑。梁柱连接一般为刚性或半 刚性节点。常用的
外墙板主要有蒸压轻质加气混凝土( autoclaved lightweight concrete, ALC)墙板、
预制现场装配式轻钢龙骨复合墙板以及预应力混凝土夹 芯复合墙板，其中ALC板具有轻
质高强、保温隔声性好、施工方便、耐火持久、 渗透能力强等特点，在装配式建筑中已
得到广泛使用［2］。楼板主要有压型钢板 组合楼板、钢筋桁架楼承板、混凝土叠合楼
板以及PK预应力叠合楼板，其中钢 筋桁架楼承板受力合理、整体性能较好、施工速度
快、应用范围广；PK叠合板 采用带肋薄板构件，轻质高强、承载能力及抗裂性能好，运
输和安装便捷。
不少学者针对装配式钢框架结构体系开展了研究，主要集中在柱脚构造、梁 柱连
接构造、墙体类型等。为减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏，有的 提出了一种
具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构，如图2所示。该结构主要 由钢柱、中间梁段、
短梁段、自复位柱脚和金属耗能梁柱节点组成，利用梁端转 动时短梁段与长梁段之间的
间隙的张开与闭合引起金属阻尼器发生拉压塑性变 形来耗能。研究表明，该结构具有较
好的自复位性能和耗能性能，有效实现了消 能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复
的设计目标。有的提出了一种可变梁 高的装配式梁柱节点，如图3所示。该类节点主要
由梁、柱、T形件以及L形件 4部分组成，可以根据一定范围内梁高的变化对梁下翼缘
连接件的位置进行适当 调整，方便施工。研究表明，该节点具有较大的初始刚度及承载
力，具有良好的 抗震性能。
图2装配式摇摆钢框架构造
c）带椭圆孔的L形连接件 d）切除部分上翼缘的钢梁
图3 可变梁高装配式梁柱节点
美国提出的COnX体系，其梁霜连接组件是一种套板拼装连接，分为ConXL
与COnXR两种形式。COnXL连接的基本构造形式如图4所示，其组装过程如图 5所示。
连接节点的套板为T形，在梁柱拼装时，将梁端套板插入由两个柱面套 板组成的空间
内，使钢梁从上往下就位，并使用高强螺栓紧固。有人对ConXL 节点进行了改进，根据
国内的钢结构设计规范对节点的螺栓间距、位置以及连接 板的构造进行重新设计和布
置，改进后的装配式节点如图6所示。研究表明，该 节点的破坏发生在梁端削弱处，符
合“强柱弱梁，“强节点弱构件”的设计理念， 具有良好的抗震性能。
图
4 ConXL连接的基本构造
图5 ConXL节点的组装过程
一方钢管柱
一柱面上套板
一柱面中套板
一柱面下套板
梁端
上翼缘
套板
梁端腹板一
连接板
梁端T
下翼缘一
套板
b）
梁端翼缘套板组件
C）
梁柱组件拼接
d）
梁柱节点
图6新型装配式节点构造
有人提出了一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点, 节点装
配过程如图7所示。研究表明，该节点装配便捷且具有良好的滞回性能、 耗能能力、延
性性能。专家分析了蒸压加气混凝土（ALe）墙板以及轻钢龙骨纸 面石膏板填充墙（LSF
干式墙）对装配式钢框架的滞回性能、刚度退化以及耗能 能力的影响。研究表明，ALC
墙板可延缓钢框架的失效，并提高钢框架的初始 刚度、峰值荷载以及耗能能力，而LSF
干式墙板对钢框架力学性能的影响不明 显。专家提出了一种震后可恢复功能装配式预
应力钢框架体系及一种采用螺栓腹 板摩擦装置（PSC连接）的震后可恢复功能装配式钢
框架节点，如图8所示。该 结构体系通过高强螺栓耗能，在节点内置钢绞线的预应力作
用下自动复位。研究 表明：该框架结构具有良好的开口闭合机制，能够在地震后自动复
位并恢复结构 功能，设计合理的节点传力性能良好。
带外伸式下翼缘Z字形
图7带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点装配示意图
图8震后恢复功能装配式预应力钢框架体系
装配式钢框架结构体系具有较广泛的工程应用，例如山东省装配式建筑示范 工程
——文昌嘉苑项目，总建筑面积为69万皿，其中17#楼主体结构采用装配 式钢框架结
构，楼板采用PK预制板，外墙板及内墙板均采用ALC板；该设计 采用了一体化的集成
设计，即预制构件设计、建筑设计、室内设计是相互配合同 步推进的，这在一定程度上
减少了作业量。
2、钢框架-支撑结构体系
钢框架-支撑结构体系是在钢框架结构体系的基础上在框架上设置支撑结 构，形成
共同工作的双重抗侧力结构体系。与纯钢框架相比，该结构抗侧刚度更 大，抗震性能更
优。
中心支撑的水平刚度较大，构造简单；但中心支撑的设置不利于门窗洞口的 开设，
且该结构在地震后易发生侧向屈曲，导致结构体系无法继续正常工作。偏 心支撑在中心
支撑基础上增加了耗能梁段，抗震性能更优；但其构造复杂，大震 后耗能梁的屈服会导
致楼板破坏，支撑体系会出现变形，耗能能力有限。防屈曲 支撑是一种新型耗能支撑，
在普通支撑的外围加入约束套筒，从而防止支撑在受 压过程中发生屈曲；防屈曲支撑在
地震作用下有着较好的稳定性能及优越的耗能 能力、抗震性能。
专家对一种新型分层装配式支撑钢结构体系进行了改进和研究。如图9所 示，该
体系的梁柱连接采用梁贯通式全螺栓端板节点，即在梁柱节点处保持梁通 长、柱分层，
通过螺栓将柱子端板与梁翼缘直接连接。该体系工业化程度高、技 术集成度高、设计便
捷、品质稳定、施工周期短，同时还具有耐久、保温、隔热、 防火、隔音、防潮等特点。
但不满足“强柱弱梁”的设计理念，最终表现为层破坏 机制，故仅适用于普通低层多层
住宅领域。专家为探究分层装配支撑钢框架体系 在真实地震动作用下的响应，进行了振
动台试验研究。结果表明，分层装配支撑 钢框架体系应用于低多层建筑时具有优良的抗
震性能与震后可恢复性。
图9新型分层装配式结构梁柱节点示意图
钢框架-支撑结构体系具有较多的工程应用，位于县的“T30A塔式酒店”即采 用
了装配式斜支撑节点钢结构框架体系，如图10所示。该建筑共30层，建筑面 积共1.7
万皿。主体结构施工仅用15d
o
整栋建筑被划分为若干块空间模块，墙 体、门窗、电气、
空调、照明、给排水等工程均在工厂中制造完成，随后运输至 施工现场进行吊装。对
“T30A塔式酒店”的综合性能进行了分析，建立了装配式 建筑可持续发展的评价模型，
结果表明该建筑在装配式建筑中处于中上游水平， 但存在成本较高的问题。
图10 T30A塔式酒店现场施工
三、一体化装配式钢结构
随着目前装配式建筑相关政策的不断发布，各地逐步展开了较大规模的装配 式建
筑实践。但总体上来说，装配式混凝土结构建筑居多，而装配式钢结构建筑 尤其是住宅，
其主体结构部分以外的工业化围护系统、非结构部品件及内装系统 与钢结构主体的一
体化集成技术，还有待进一步完善与提高。
在此方面，日本积水住宅株式会社（SEKlSUIHOUSE,以下简称积水）在 全世界范围
内开发了大量低层独栋及联排别墅，均采用一体化装配式钢结构体 系，通过先进环保的
材料、精心细致的“以人为本”理念，打造安心、安全、健 康、舒适的居住环境，对我
国加快装配式钢结构建筑及产业链系统的完善性与先 进性有很大的参考学习意义。
项目位于交汇处，其中（东区）由E1#〜E6#高层住宅、E7#〜E26#联排别墅、 E27#
配套服务用房及地下车库、门卫等组成，地上总建筑面积约15.6万而；低 层联排别墅
部分（雅居）为16栋3层、4栋2层装配式钢结构体系，地上建筑 面积约2.1万由。
全产业链工业化模式
联排别墅地上部分采用一体化装配式钢结构体系，其围护系统、隔墙、楼板、 屋
顶、机电系统及内装系统均采用工厂成品或半成品，现场装配集成。积水在沈 阳建有综
合的工业化住宅生产基地，联排别墅所使用的钢结构零部件及外墙、内 装饰材料，均采
用高度自动化的设备生产，还与室内装修的板材、内部装修设备 等厂商合作，在工厂内
形成一条龙式生产线；施工现场由自有的专业工程公司进 行安装及内装修施工，并提供
后期维修保养服务。总体上来看，从源头开始通过 设计、材料采购、加工生产、专业安
装及自有维修形成完善的工业化产业链，确 保了自有开发理念在整个过程中的严格实
施，为业主提供了优质、舒适的住宅产 品。
按照《省装配式建筑预制装配率计算细则（试行）》的规定，本项目地上主 体钢结
构、外墙围护系统、内隔墙系统、楼板、屋盖及机电系统全部采用工厂成 品现场集成组
装，故其在主体结构和外围护结构预制构件ZK装配式内外围护 构件Z2、内装建筑部品
Z3等部分的评分均为满分；另外在创新加分项S的标准 化、模块化、集约化设计中都
有一定程度应用，故获得加分项2分。最终，本项 目各单体的预制装配率达到102%,充
分体现了工业化全产业链的优势。
装配式钢结构主体设计
主体钢结构部分采用积水自有的“ B系统构造”，即梁贯通构造体系，每个 梁柱
节点处均为单向抗侧力构造，且钢柱竖向无需严格对齐贯通，适用于低层钢
结构体系，主体及非结构部分采用全装配、全干法的拼接工艺，结构主体通过 ETABS
分析软件计算，所有构件均满足承载能力、变形及稳定性的要求。
▲ 系统构造”示意图
抗侧力体系
钢柱与钢梁材质均为Q235B,通过高强螺栓连接形成平面内抗侧力体系， 两个方向
的侧向力由该方向的平面内框架承担，参照《低层冷弯薄壁型钢房屋建 筑技术规程》进
行抗侧力构件及主次梁布置，可根据需要灵活设置，钢柱通过螺 栓与混凝土基础梁连
接，钢梁上下翼缘上根据75mm模数的间距打满孔，钢柱按 此模数进行布置连接，极大
提高了设计及加工制作的效率。
通过严格的抗震试验，验证了主体结构的整体性能以及柱梁节点的有效性， 确保
建筑在灾害发生时的安全性。同时，主体钢构件采用致密的电镀涂层，达到 了 I类环
境中20年以上的防腐效果，结合超薄防火涂料提升了主体结构构件的 耐久性。
▲结构平面布置示意图
日 表示钢柱从下层一直延伸至上层
匚□表示钢柱从本层一直延伸至上层
I 表示钢柱从下层一直延伸至本层
一表示刚接
I-
表示较接
Γ^≡i
表示降板
325mm, ALC
板淳
IoOmm
性慧 表示降板
50mm, ALC
版房
-Oomm
本层结构平面图中未注明的
ALC
板州!为
15Omm
▲钢柱脚连接详图
▲钢柱、钢梁现场连接
楼盖体系
楼板采用150mm厚预制ALC板简支于钢梁上，并于板间密缝拼接，端部通 过MlO
螺杆与钢梁做限位构造连接。另外，在卫生间降板处，ALC楼板搭接于 梁下翼缘上的构
造角钢上，每跨梁间板底都设置对角拉杆，以保证平面内的整体 性，防止地震时板跨变
形导致楼板脱落。
▲楼盖体系断面详图
▲楼板下表面拉杆布置
▲楼板与钢梁连接节点
装配式围护体系
建筑外围护部分采用工厂预制生产的、兼顾强度和美观的新一代复合结构外 墙板
"SHELLTEC墙”，运用独有的“高压真空挤压方式”将混凝土状的原料压 挤成型，可达
到两倍于一般混凝土的强度，同时达到了 Ih以上的外壁耐火时间。 外墙板分块用专用
挂件连接于龙骨上，接缝用柔性胶处理，以消除温度变形及实 现防水效果。
外墙采用龙骨组合保温体系，即将高性能玻璃丝棉（保温材料）嵌入龙骨间, 辅以
防潮隔膜，以保证保温性能的同时，防止吸收水汽；墙内面层则为石膏板， 方便现场确
定点位并留洞。
▲外墙构造详图
▲外墙节点详图
工业化集成内装
人一生中摄入最多的物质是空气，其占摄入物质总量的83%,因而良好的空 气环境
是保障健康的首要因素。项目室内装修中注重选用环保健康建材，地板、 墙纸、天花板
涂料使用甲醛释放量较小的F四星级建材，将甲醛等有害物质的释 放降至最低，打造出
健康、舒适的空气环境。内装采用一体化设计集成，竖向管 线、线盒均嵌入墙体龙骨中，
机电水平管线布置于吊顶内；现场与主体钢结构安 装完成后，与龙骨及吊顶施工穿插进
行。
▲屋顶与吊顶安装
一体化机电系统
本项目从设计制造阶段开始便积极推进削减碳排量的措施，实现所有建造流 程中
的“环保”。项目采用保温窗扇与热反射隔热双层玻璃，使全屋具备优异的 气密性；
通过可高效过滤PM2.5的全热交换器系统，以24h小风量进行换气， 将污浊的空气与
热量一同排出，并对新风送气进行热量回收，可有效减轻空调负 担，降低使用费用；
采用温水地暖系统及先进的软水处理系统，保证健康的居住 环境。
向外部博气
▲ 24h新风系统
▲设备管线安装
总结
本项目通过前期的一体化集成设计、全产业链的成熟工业化部品件供应及专 业安
装，实现了全装配式节能环保住宅的快速、高质量实施，过程中有以下几点 体会：
(1)前置的精细化设计与定位是关键，需在设计早期阶段确定材料及系统 定位，
并根据实际部品件进行集成设计。
(2)钢结构主体布置需大胆创新，根据建筑及装修功能要求适当调整，由 两个方
向的面内抗侧力“龙骨墙”体系分别承担各自方向的侧向荷载，同时梁仅 承担竖向荷
载，楼盖采用干法密缝拼接，柱、梁布置具有了极大自由性，也为建 筑及装修的布置调
整提供了最大自由度，同时有助于提高标准化、自动化加工及 安装效率。
(3)健康舒适的室内环境永远是住宅的首要需求，需要通过环保的材料、 工厂高
效率的集成工艺及现场的专业安装等专业化分工达成。
(4)配套的成熟部品件是实现建筑高效率、高质量的重要补充。将钢结构 住宅大
范围推广，必须依赖于配套部品件的完善成熟。
(5)积极实施住宅保险制度，针对部品件、机电设备及房屋整体进行商业 投保，
能够有效提升维护质量和效率，改善居住体验。
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