钢结构建筑工业化
曾熠 曾德伟 王朝阳 蒋官业 李春田
（中建钢构有限公司华中大区 武汉 430000）
摘 要：本文研究的工业化建筑包括两方面，钢结构住宅和集装箱式模块化建筑。与传统的钢筋混凝土建
筑比较，钢结构住宅有诸多优势，如安装简便速度快、灵活布局模块化、抗震优越强度高、施工环保可回
收等。钢结构住宅的应用包括轻钢结构别墅、钢框架支撑结构中高层住宅以及集装箱式住宅。轻钢结构多
用于低矮层别墅型住宅，把在制造厂加工好的构件运输到安装现场后，对基础进行简单加固后就可以开始
安装施工了，施工过程中仅依靠人力就能快速完成住宅的建造。中高层的住宅适合使用钢框架支撑结构，
这种结构侧向刚度大，抗震性能优越，同时减小了梁柱的截面积，增加了房屋的使用面积。集装箱式建筑
模块化程度高，很适合快速建造安装，同时也拥有不亚于传统建筑的强度和美观。国内的箱式建筑主要应
用在临建上，仍在普及阶段，国外的箱式建筑已经从临时建筑发展到酒店、别墅、商城、办公楼等等领域。
钢结构产业化有很大的发展空间，亟待领域的开阔。
关键词：建筑工业化 钢结构住宅 轻钢 钢框架支撑 箱式建筑
1 建筑工业化
１．１ 定义和现状
建筑工业化也可称为建筑产业化，是以构件预制化生产、装配式施工为生产方式，以设计标准化、构件工厂化、施工机械化、管理科学化为特征，能够整合整个产业链，实现建筑产品节能环保，全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。
美日西欧等发达国家建筑工业化发展历程大致经历了三个阶段：第一阶段是产业化形成的初期阶段，重点是建立工业化生产体系；第二阶段是推进产业化的发展期，重点是提高建筑的质量和性价比；第三阶段是工业化发展的成熟期，重点是降低住宅的物耗和对环境的负荷，发展资源循环型住宅。发达国家目前正处在第三阶段，而我国目前正处在第一个阶段。
１．２ 发展建筑工业化的意义
综合来说，发展建筑工业化的意义主要有以下三点。
一是用产业现代化的方式转变粗放型的生产方式发展建筑产业。采用有规模、有效率的生产和组装方式，使原先工厂生产构件、现场搭建安装的方式转变为工厂生产组装模块、现场快速组装，增加了构件在工厂批量制造和组装的时间，降低了现场人工的劳动强度，大大缩短施工周期，同时减少了对施工现场环境的破坏。
二是推广应用产业现代化技术提升建筑建设的水平，改善建筑使用品质。我国每年的建筑能耗达到1.2万亿kWh电荷4.1亿t标准煤，再加上建材生产过程中产生的能耗，建筑业能耗约占全社会总能耗的46.7%。合理的推进建筑工业化，能大大改善建筑能耗问题，同时加入节能环保的各项举措，工业化的建筑还将变为绿色无污染可回收的可持续建筑，其使用品质将大大提高。
三是以建筑建设发展与相关产业的联动关系和支柱性产业的作用，发挥对国民经济积极促进作用。
2 钢结构住宅
２．１ 定义及分类
钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的96
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墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水、暖、电、卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。
根据楼房高度分类，钢结构住宅可分为低矮层（3层以下）、多层（24m 以下）、高层（100m 以下）和超高层（100m 以上）；根据支撑结构分类，可分为轻钢龙骨结构、交错桁架结构、钢框架结构、钢框架支撑结构、钢框架剪力墙结构等。
２．２ 钢结构住宅的特点
由于钢结构非常适合用于高层建筑和大跨度建筑上，使得非居住建筑中钢结构的使用非常多，但是随着住宅工业化的要求力度日益加大，钢结构为其优异的性能而在住宅建设中得到越来越多的应用，其优势主要体现在以下几点。
2.2.1 安装简便速度快
钢结构住宅的构件均是工厂预制、现场安装，越来越高的工业化程度使钢结构住宅的安装流程变得更加快捷。对于轻钢结构住宅，钢结构轻便、易安装，有时仅凭人力即可完成钢结构部分的安装，甚至整个房屋的施工从始至终都能不依靠大型施工设备。对于中高层的钢结构住宅，工业化的普及使得住宅工厂模块化生产和现场吊装得以实现，这样其施工周期与传统的住宅建筑施工周期相比会大大缩短。
2.2.2 灵活布局模块化
将住宅的户型、房间像零件一样模块化制造，不仅可以大大提高楼房的建造速度，而且还能灵活布局以适应不同业主的要求。传统住宅的业主往往需要等到整栋大楼建造完成才能开始规划装修等，模块化的钢结构住宅的则不同，由于户型、房间都是在工厂加工制造组装，这就允许业主在住宅大楼还未搭建时就对自己的房间进行布置和改进，当住宅搭建完成时，即可直接入住。
2.2.3 抗震优越强度高
钢筋混凝土建筑的抗震性能不佳，在四川等地的震灾现场，经常能看到因地震而垮塌的混凝土建筑。钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小；而且钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。
2.2.4 绿色环保可回收
钢结构住宅能将节能、防水、隔热等先进的成品集合在一起，实现综合成套应用，将设计、生产、施工安装一体化，提高住宅的产业化水平。钢结构住宅比传统结构住宅的拆除更容易实施，钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小，符合可持续发展的要求。
２．３ 钢结构住宅工程典型案例
2.3.1 低矮层钢结构住宅实例——成都华阳麓山国际社区别墅群
2004年，成都万华房地产开发有限公司在成都华阳麓山国际社区出品了两个轻钢结构别墅群，分别是逸翠谷和橡树坡，设计单位是美国DAHLIN 规划设计集团。逸翠谷有136栋别墅，建筑面积总共3.58万m 2，橡树坡有90栋别墅，建筑面积总共2.9万平方米。这两个别墅群均为轻钢结构，采用冷弯薄壁型钢作为主要构件。
图1 独栋别墅逸翠谷和橡树坡
2.3.2 中高层钢结构住宅实例——幸福家园•
逸苑
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都江堰幸福家园逸苑是由宝钢总承包建设的全钢结构安居房，位于都江堰市主干道二环路东侧，工程用地面积83亩，总建筑面积11.5万平米，可安置灾民1324户。
图2 幸福家园·逸苑效果图
建筑以6层为主，部分为11层和18层。6层住宅主要采用钢框架-钢板剪力墙或钢框架-支撑的体系，11层住宅主要采用钢框架-钢板剪力墙体系，18层住宅主要采用钢框架-偏心支撑体系。三种高度的住宅楼均采用轻质砌块和现浇混凝土楼板作为围护结构。
图3 幸福家园·逸苑住宅钢结构（从左至右依次为6层，11层，18层）
在钢框架-钢板剪力墙、钢框架-支撑、钢框架-偏心支撑三种体系中，钢框架-钢板剪力墙体系的抗震性能最佳。以9级地震为模拟条件，地震来临初期钢框架-钢板剪力墙体系变化不大，随着地震加强，钢板剪力墙因耗能发生破坏，地震结束时，剪力墙破坏比较严重，但主体结构安然无恙。
图4 钢框架-钢板剪力墙体系在9级地震情况下的有限元模拟
2.3.3 高层钢结构住宅实例——T30Ａ塔式酒店
T30A 塔式酒店由山东远大可建科技有限公司在360小时内建造完成，这座30层的高楼建筑面积共1.7万平方米，整栋建筑为模块化全钢结构，一座大楼被划分为若干块空间模块，在工厂制造完成后只需运至施工现场进行吊装即可。
除了建造速度快之外，这座大楼还采用了包括外墙厚保温、多层玻璃窗、新风热回收、电梯下降发点等30项节能技术，同时实现了“5倍节能、9度抗震、20倍空气净化、只产生1%建筑垃圾及93%工厂化制造”，整座建筑用钢量比常规建筑少10%-20%，混凝土少80%-90%，建筑成本比常规建筑低10%-30%，而且由于施工过程无需焊割、不用水泥、不打纱布，所以施工现场无火无水无尘。
图5 T30A 塔式酒店外观图及施工过程
图6 T30A塔式酒店模块运输示意图
3 集装箱式模块化建筑
３．１ 定义及分类
箱式建筑是以集装箱为基本模块，在工厂内流水线上制造完成各模块的结构建造和内部装修后在运输到工程现场，按不同用途与功能快速组合成风格各异的房屋建筑。
箱式建筑按照结构不同可分为三类，集装箱改造建筑、轻钢龙骨模块建筑和插入式模块建筑。插入式模块建筑是在国内应用最广泛的箱式建筑。
３．２ 箱式建筑的特点
３．２．１ 标准性
箱式建筑是以集装箱的结构和尺寸发展而来的，按照国家标准化组织（ISO）的规定，集装箱应满足强度足够、能够反复使用、可快速卸装、具有标准尺寸等要求。同时集装箱通常由地基梁、顶端框架梁、角部框架柱、角部吊装节点等构建组成，这样在一定程度上保证了箱式建筑的工业化。３．２．２ 安全性
通常40英尺集装箱的顶部、底部和前后侧面的承重能力达1.7t/m2，左右侧面的抗压能力为0.5t/ m2，4个角柱的承重能力达到86.4t。横向刚性15.2t，纵向刚性7.6t，其抗压和抗风能力很强。因此利用集装箱改造或者按照集装箱标准建造的箱式建筑结构稳定牢固，同时自身有较好的水密性与防腐蚀性，能够有效保证居住者的安全性。
３．２．３ 环保性
首先，箱式建筑所有的模块化单元都是根据国际标准化生产而成，其组装和安装便捷， 能够有效缩短现场施工周期与提高施工效率，减少对周边的环境污染，属于预制式建筑；其次，与传统建筑材料混凝土相比集装箱建筑的材料主要以钢材为主，在箱式建筑报废后其材料能有效地再利用和回收，属于绿色环保型产业，有利于循环经济的发展。
３．２．４ 经济性
集装箱在全球范围内应用广泛，作为一种目前最普遍的运输单元，相关的运输和装卸配套设施比较完善。箱式建筑灵活性强，移动便捷，是临时居住的最佳选择。箱式建筑搬迁时无需大规模的拆卸，无论是运输，安装还是拆卸都十分方便。这些特点决定了箱式建筑在人力、物力上显著的经济性。集装箱本身的封闭结构，决定了箱式建筑对周边环境与配套设施的要求不高，平整的基地即可达到施工要求。有效节约了土地资源。箱式建筑这些性质可以在很多领域广泛适用，便捷且经济。
３．３ 箱式建筑工程典型案例
箱式建筑的特点决定了它的应用范围非常广泛，从城市商业用房到军事临时用房，从政府安置用房到旅游用房，从建筑工地用房到永久性建筑，箱式建筑都可以胜任。但是，工业化程度的高低使得不同国家箱式建筑的应用领域各有不同。
欧洲、美国和日本等发达国家由于建筑工业化起步较早，各种模块化拼装与可拆迁的箱式建筑产
品都已经比较成熟，在产品设计、制造、安装和维护方面形成了完备的体系，产品广泛用于工业和民
用建筑领域，既有永久建筑，也有临时建筑。
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100在我国，箱式建筑以往主要用作建筑工地、矿山、军营的宿舍和办公室等临时建筑，还有一部分企业承担国外来图加工，产品主要出口国外。但随着我国对建筑工业化水平的重视，有些企业开始研究可供永久居住和使用的、功能要求更高的箱式建筑。
3.3.1 集装箱改造建筑——荷兰的Keetwonen 学生公寓
集装箱改造建筑是直接由集装箱改建的箱式建筑，这类建筑保留集装箱的侧梁和角柱，根据建筑设计的要求，在顶板、底板或波纹板上开孔或者洞口，以设置门窗或安装楼梯、电梯、通过管道。
位于荷兰阿姆斯特丹的荷兰的Keetwonen 学生公寓是目前为止世界上最大规模的集装箱住宅区。项目使用了1034个40英尺标准集装箱单元，总建筑面积为31020m 2。集装箱的改装以及安装卫生间、厨房和互联网设施的工作都是在中国完成的，随后这些改装好的集装箱被海运到荷兰，然后被摞成五层高的楼房，并在前部加装了楼梯和走廊，后部安装了阳台。住宅区还配有超市，自行车修理店，餐厅，洗衣房和一个篮球场，所有这些设施也都是由集装箱改建而成。
图7 荷兰的Keetwonen 学生公寓
3.3.2 轻钢龙骨模块建筑——英国曼彻斯特大学Wilmslow Park 学生公寓
轻钢龙骨模块建筑是由冷弯薄壁型钢形成轻钢骨架，在工厂拼接成可以承受荷载的箱式建筑，在集成必要的装备后，运送到施工现场简单安装即可使用。轻钢龙骨模块建筑需要在箱体上设置交叉钢条，用以抵抗水平荷载，用钢量比集装箱改造建筑略少。
位于英国曼彻斯特的Wilmslow Park 学生公寓是OPAL 公司的轻钢龙骨模块建筑，该建筑采用1425个轻钢龙骨模块，共7层，仅花费4个月即建成。
图8 英国曼彻斯特大学Wilmslow Park 学生公寓
3.3.3 插入式模块建筑——珠海横琴岛澳门大学新校园工程项目及中建幸福城临建项目
插入式模块建筑的箱体可拆解成为立柱、上顶板、下底板和侧墙板等标准零部件，可在工厂组装好整箱运输，也可在施工现场组装，方便灵活。
图9 插入式模块建筑安装流程
3.3.3.1 珠海横琴岛澳门大学新校园工程项目
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