鋼結構住宅產業(yè)化建造模式研究

蔣明輝

摘 要：民用建筑住宅產業(yè)化是我國建筑業(yè)發(fā)展的趨勢，而鋼結構則是其最佳的載體。在進行鋼結構住宅建造過程中引入現代制造業(yè)的思想，通過鋼構件的標準化制造和深化設計以及施工方案設計前移等方法優(yōu)化鋼結構建造模式。最后，并在對比項目模式和生產基地模式二者對施工場地占用、設計精度要求以及對項目進度控制等優(yōu)劣勢的基礎上，結合DEA方法分析傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構建造模式、鋼結構項目模式和生產基地模式三者的有效性，得出生產基地模式是適應住宅產業(yè)化和節(jié)能環(huán)保要求的最佳建造模式。

關鍵詞：鋼結構；住宅產業(yè)化；標準化建造

1.序言

鋼筋混凝土作為傳統(tǒng)的建造方法，由于其建筑形式、建筑材料成型方式及防水、施工的要求，很難全部采用預制構件的形式來完成建造行為。因此為實現我國建筑業(yè)的產業(yè)化發(fā)展，民用建筑中鋼結構的推廣已成為不可逆的趨勢。鋼結構住宅的優(yōu)點包括：節(jié)能環(huán)保、建筑可用面積大，且鋼結構最重要的節(jié)能方面體現在鋼構件的制作環(huán)節(jié)以及鋼材的回收利用方面，鋼結構建筑比鋼筋混凝土建筑采用的材料在制作階段的能源節(jié)約率達到40%左右[1]。而真正在建筑物使用階段鋼結構住宅的能源節(jié)約效果相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構則并不明顯，其能源節(jié)約的效果主要還是來自于圍護結構和門窗氣密性等因素，和鋼結構住宅結構主體無關。

而在現有研究過程中卻較少關注到鋼結構構件的標準化制造所帶來的對工期的縮短、對施工場地的節(jié)省。在研究鋼結構住宅建造模式時，可以將現代制造業(yè)的集成制造思想引入到鋼結構住宅建造過程當中去，通過鋼構件的工廠化制造和現場裝配一體化建造思想來實現鋼結構住宅的產業(yè)化建造模式。將項目現場的構件制作轉移到生產基地，并且通過生產基地的工業(yè)化生產模式，提高構件的制造效率，實現項目工期的節(jié)??；此外，由于鋼構件生產的轉移，將大大節(jié)約項目現場鋼構件制造所占用的施工場地，也更符合現代城市發(fā)展對施工現場空間狹小的限制。而在考慮鋼結構住宅產業(yè)化實施的過程中結合精益化制造、供應鏈管理和信息化管理的制造業(yè)管理思想?？紤]鋼結構住宅項目實施過程中各階段界面的搭接，把握中間產品成品化和工序前移和對設計水平優(yōu)化及合同、施工方案的深化設計，而不僅僅是傳統(tǒng)建筑形式各階段的前后承接。

2.鋼結構住宅產業(yè)化特點

2.1鋼構件的標準化生產

此部分包括部品標準化設計的前移和部品部件的標準化制造。前者是指設計單位在生產基地對鋼構件進行制造之前，即進行深化設計，通過虛擬建造等技術手段，在設計階段規(guī)劃好項目所需要采用的鋼構件形式和種類，以及施工裝配方式，在鋼構件制造階段可以計劃好項目所需的鋼構件，以及裝配所需要的螺栓孔等安裝節(jié)點位置。

當然并不能因為住宅產業(yè)化而追求鋼構件制造基地的加工深度，而應該在充分考慮項目企業(yè)的核心資源的情況出發(fā)，考慮項目所在區(qū)域的配套資源和企業(yè)所能籌措到的社會資源；以降低成本、縮短項目建設周期為目標，考慮項目經濟性，通過外包或專業(yè)分工的形式將鋼構件的制造任務分配出去，提高企業(yè)的生產能力和專業(yè)化水平。

2.2鋼構件的模塊化設計

標準化并不是鋼結構產品的單一化。標準化是為了提高建造效率而對建筑實施階段所需的差異性不大的鋼構件，按照一定得規(guī)則（包括：構件的使用功能、構件制造工藝、構件的物流運輸限制、構件安裝的便易性），而對鋼構件進行分類并按照一定的范圍對鋼構件產品進行合并簡化，從而減少構件產品類型數量，實現鋼構件產品的產業(yè)化生產制造。

但標準化并不是對建筑形式的限制和單一化，并且消費市場不會滿足簡單規(guī)則的矩形式建筑形式，因此不同的建筑形式必然要求鋼構件產品的多樣化，以滿足現代建筑外形多樣性的需求。而建筑模塊化則是解決建筑構件標準化和建筑形式多樣化矛盾的最佳途徑，通過特殊性分解為“普通加特殊”的思路，將鋼構件分為主體部分、連接部分和裝飾部分。其中運用連接部分和主體部分來實現建筑的標準化，運用裝飾部分來完成建筑物的多樣化，從而實現標準化元素和非標準元素的結合。

2.3施工方案設計的前移

通過施工方案設計的前移即將施工方案的設計選取由傳統(tǒng)的項目施工階段前移至建筑設計階段，在設計階段運用虛擬建造等技術模擬鋼結構建筑裝配安裝的全過程[2]，分析施工過程中可能會出現的問題，根據施工模擬結果，改進構件的設計形式和節(jié)點設計，合理調整優(yōu)化施工方案， 在整個項目的設計階段就實現建筑設計、鋼構件及節(jié)點形式、施工方案的統(tǒng)一協(xié)調設計優(yōu)化，減少施工過程中的變更及其所帶來的工期延誤和成本增加等問題。

2.4鋼構件住宅的標準化施工工藝

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構住宅的建造流程復雜，包括了支模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等工藝。而鋼結構住宅的裝配化施工則由于工廠鋼構件制作的原因，簡化了施工流程和工藝。但同時也由于鋼構件的工廠預制和現場的裝配化施工也造成了一下的高要求：對生產工人和現場施工工人能力的要求，施工場地的限制對鋼構件物流配送的要求，裝配施工的施工組織的要求。

總體來說鋼結構住宅的工廠化制造在為項目工期和項目場地布置帶來優(yōu)勢的同時，也同時增加了項目建造管理的復雜性，但這些都是可以通過鋼構件的標準化生產、模塊化生產、施工方案設計的前移來降低和解決的。

3.鋼結構住宅的生產模式

現有鋼結構住宅建造模式主要有鋼構件在項目現場加工制造安裝的傳統(tǒng)項目模式，以及民用建筑中采用較少而工業(yè)建筑中采用較多的生產基地模式——鋼構件在生產基地生產加工，通過物流運至項目現場，在項目現場進行安裝施工，減少鋼構件在施工現場加工制造對項目場地的占用。后者生產基地則更適宜于工業(yè)化生產，但其對生產和物流的要求也相應較高，其優(yōu)劣勢主要存在以下幾點：

3.1對項目施工現場的占用

傳統(tǒng)項目模式由于項目內部交通、預制構件的制作場地和相應的大量混凝土、鋼筋、鋼構件等建筑材料的制作以及其所帶來的環(huán)保要求對施工的限制，使得項目場地的要求極大，與現在由于城市發(fā)展帶來項目施工場地的限制形成巨大矛盾，對施工場地布置和施工組織設計，造成極大困難。而作為鋼結構的生產基地模式由于鋼構件的制作在項目以外的生產基地，制作完成直接運輸到項目現場進行裝配安裝，據統(tǒng)計可以節(jié)省20%的施工場地[3]，而且不會在項目現場不會構件制作的水污染、光污染、固體污染，也節(jié)約了環(huán)保所需付出的現場所占處理空間，也便于有害物質的處理回收。

3.2對項目進度控制的影響

生產基地模式對于項目進度控制的要求更高，其不僅僅只是傳統(tǒng)項目模式的項目施工過程中的進度管理，而是貫穿整個從建筑設計到建筑施工各個階段的全過程的進度控制，包括了建筑設計階段設計與鋼構件制造過程的協(xié)調，鋼構件制造的進度管理，鋼構件成品物流與項目現場施工的協(xié)調，以及鋼結構裝配階段的進度管理等。其都直接的關系著整個項目的順利開展和有效銜接，如果物流與項目現場施工的不協(xié)調，可能造成施工現場的鋼構件的大量堆置，造成而外管理保護費用，也可能造成現場裝配等待物流而形成的項目被迫停工。因此項目的進度控制是項目全過程的進度控制。

3.3對設計精度要求

模數是一種度量單位，它在工程項目中的基本作用是對建筑物尺寸進行量化和精確化，以確定建筑物構件、預埋件和安裝預留孔等的位置和大小。模數的大小和精確程度決定了鋼結構工程中構件生產和施工的精準性。因此在設計階段即應考慮鋼結構項目中模數的大小以實現構件生產和施工流程的精確性。在鋼構件生產制造過程中借助模數體系可以實現構件精度的提高，準確實現鋼構件預埋空和安裝孔的位置，做到精確施工，減少二次施工，實現構件和半成品的有效利用，減小損耗；而在現場裝配安裝過程中，運用模數來控制施工安裝過程有利于施工現場的鋼構件裝配安裝；有效地模數體系，可以使鋼結構項目的結構主體、建筑輔助等部分的尺寸都以此模數體系為基準，使得項目結構和戶型設計、原料加工、鋼構件生產和物流、現場的裝配安裝、竣工的驗收檢驗有一個統(tǒng)一有序的規(guī)則來實施，從而使得生產加工裝配實現規(guī)格化、簡單化、精準化[4]。

3.4對項目施工工藝的要求

而項目施工工藝的要求與設計精度的要求是息息相關的，例如鋼結構形式中柱腳螺栓的預埋位置對精度的要求特別高，如果螺栓預埋孔的位置不對可能需要重新打孔甚至灌注混凝土，而如果不顧預埋孔位置強行裝配安裝，則可能因為軸心距對主體結構帶來嚴重危害。且焊接工藝也是影響鋼結構建筑質量的重要因素，鋼結構設計中采用了大量的斜撐等形式，造成立焊較多而不是焊接質量最容易得到保證的俯焊[5]，且由于鋼構件采用生產基地制作的形式，而非施工現場制作，很難構件制作實時與裝配施工的溝通，因此要求設計、制造階段與施工階段的協(xié)調，對施工方案設計前移，提高了對施工工藝的要求。

4.案例分析

以武漢市的典型鋼結構住宅項目和普通鋼筋混凝土住宅項目為數據來源，在充分了解和計算其相關指標的基礎上，結合對其經濟性分析，兼顧考慮施工方案和施工過程，在僅考慮項目施工階段為前提，提出以下幾個考察指標。其中輸入指標包括：項目成本（元/m2）、施工工期、人工時投入（工日/m2）、施工工藝要求、設計深度要求；輸出指標：節(jié)能效率、施工場地占用、環(huán)保效果。并利用DEA（數據包絡分析）方法構造綜合評價模型（C2R），運用無量綱的指標評價思想，對傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構、項目模式的鋼結構、生產基地模式的鋼結構三種住宅結構建造形式的優(yōu)劣性進行分析。

通過對數據的收集分析和專家問卷調查法，得出輸入和輸出指標集數據。其中施工工期、施工工藝要求、設計深度要求、節(jié)能效率、施工場地占用、環(huán)保效果以傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構為基準進行評分。

即：輸入指標集=

{1342，1，6.9，1，1；1478，0.8，4.3，1.1，1.2；1593，0.5，2.3，1.4，1.5}；

輸出指標集={0，0，0；0.2，0.231，0.2；0.5，0.523，0.6}

運用MATLAB軟件編程計算，檢查決策單元中θ是否為1。輸入數據后計算結果如下：

從DEA的分析計算結果來看，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構住宅和項目模式的鋼結構住宅為非有效，而生產基地模式的鋼結構住宅為相對有效，可以帶來良好的經濟效益，最大程度節(jié)約工期和實現節(jié)能目的。

5.結論

以生產基地模式建設的鋼結構住宅相對于項目模式而言，有著對項目工期的縮短和生產鋼構件的工業(yè)化的優(yōu)勢，但由于項目與鋼構件生產基地的分離，也使得其存在著對鋼構件模數，鋼結構節(jié)點施工、設計精度和物流運輸要求高的難點，但是這些問題并不是不可以克服的，例如提高模數精度、深化設計、鋼構件的標準化和施工方案設計的前移等方法。而解決這些難點，可以很順利的實現建筑業(yè)的節(jié)能減排，最終推進我國住宅產業(yè)化的發(fā)展。

參考文獻

[1] 龍恩深.建筑能耗基因理論與建筑節(jié)能實踐[M].科學出版社，2009

[2] 張宏勝.虛擬建造在鋼結構工程施工中的研究與應用[D]. 重慶大學.2004

[3] 李英攀.我國鋼結構住宅建筑及其產業(yè)化研究[D].武漢理工大學，2003

[4] 胡小龍.多高層鋼結構住宅外圍護系統(tǒng)模數定位研究[J]. 科技咨詢導報.2007.01：63-64

[5] 蔡玉春.面向產業(yè)化的鋼結構住宅工程管理模式研究[D]. 武漢理工大學，2010