鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化建造模式研究

蔣明輝

摘要：民用建筑住宅產(chǎn)業(yè)化是我國建筑業(yè)發(fā)展的趨勢，而鋼結(jié)構(gòu)則是其最佳的載體。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)住宅建造過程中引入現(xiàn)代制造業(yè)的思想，通過鋼構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化制造和深化設(shè)計(jì)以及施工方案設(shè)計(jì)前移等方法優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)建造模式。最后，并在對(duì)比項(xiàng)目模式和生產(chǎn)基地模式二者對(duì)施工場地占用、設(shè)計(jì)精度要求以及對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度控制等優(yōu)劣勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合DEA方法分析傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造模式、鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目模式和生產(chǎn)基地模式三者的有效性，得出生產(chǎn)基地模式是適應(yīng)住宅產(chǎn)業(yè)化和節(jié)能環(huán)保要求的最佳建造模式。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；住宅產(chǎn)業(yè)化；標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制構(gòu)件的形式來完成建造行為。因此為實(shí)現(xiàn)我國建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，民用建筑中鋼結(jié)構(gòu)的推廣已成為不可逆的趨勢。鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點(diǎn)包括：節(jié)能環(huán)保、建筑可用面積大，且鋼結(jié)構(gòu)最重要的節(jié)能方面體現(xiàn)在鋼構(gòu)件的制作環(huán)節(jié)以及鋼材的回收利用方面，鋼結(jié)構(gòu)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(dá)到40%左右。而真正在建筑物使用階段鋼結(jié)構(gòu)住宅的能源節(jié)約效果相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則并不明顯，其能源節(jié)約的效果主要還是來自于圍護(hù)結(jié)構(gòu)和門窗氣密性等因素，和鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)主體無關(guān)。

而在現(xiàn)有研究過程中卻較少關(guān)注到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化制造所帶來的對(duì)工期的縮短、對(duì)施工場地的節(jié)省。在研究鋼結(jié)構(gòu)住宅建造模式時(shí)，可以將現(xiàn)代制造業(yè)的集成制造思想引入到鋼結(jié)構(gòu)住宅建造過程當(dāng)中去，通過鋼構(gòu)件的工廠化制造和現(xiàn)場裝配一體化建造思想來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化建造模式。將項(xiàng)目現(xiàn)場的構(gòu)件制作轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)基地，并且通過生產(chǎn)基地的工業(yè)化生產(chǎn)模式，提高構(gòu)件的制造效率，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目工期的節(jié)??；此外，由于鋼構(gòu)件生產(chǎn)的轉(zhuǎn)移，將大大節(jié)約項(xiàng)目現(xiàn)場鋼構(gòu)件制造所占用的施工場地，也更符合現(xiàn)代城市發(fā)展對(duì)施工現(xiàn)場空間狹小的限制。而在考慮鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化實(shí)施的過程中結(jié)合精益化制造、供應(yīng)鏈管理和信息化管理的制造業(yè)管理思想。考慮鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目實(shí)施過程中各階段界面的搭接，把握中間產(chǎn)品成品化和工序前移和對(duì)設(shè)計(jì)水平優(yōu)化及合同、施工方案的深化設(shè)計(jì)，而不僅僅是傳統(tǒng)建筑形式各階段的前后承接。

2.鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化特點(diǎn)

2.1鋼構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)

此部分包括部品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的前移和部品部件的標(biāo)準(zhǔn)化制造。前者是指設(shè)計(jì)單位在生產(chǎn)基地對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行制造之前，即進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，通過虛擬建造等技術(shù)手段，在設(shè)計(jì)階段規(guī)劃好項(xiàng)目所需要采用的鋼構(gòu)件形式和種類，以及施工裝配方式，在鋼構(gòu)件制造階段可以計(jì)劃好項(xiàng)目所需的鋼構(gòu)件，以及裝配所需要的螺栓孔等安裝節(jié)點(diǎn)位置。

當(dāng)然并不能因?yàn)樽≌a(chǎn)業(yè)化而追求鋼構(gòu)件制造基地的加工深度，而應(yīng)該在充分考慮項(xiàng)目企業(yè)的核心資源的情況出發(fā)，考慮項(xiàng)目所在區(qū)域的配套資源和企業(yè)所能籌措到的社會(huì)資源；以降低成本、縮短項(xiàng)目建設(shè)周期為目標(biāo)，考慮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，通過外包或?qū)I(yè)分工的形式將鋼構(gòu)件的制造任務(wù)分配出去，提高企業(yè)的生產(chǎn)能力和專業(yè)化水平。

2.2鋼構(gòu)件的模塊化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化并不是鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的單一化。標(biāo)準(zhǔn)化是為了提高建造效率而對(duì)建筑實(shí)施階段所需的差異性不大的鋼構(gòu)件，按照一定得規(guī)則（包括：構(gòu)件的使用功能、構(gòu)件制造工藝、構(gòu)件的物流運(yùn)輸限制、構(gòu)件安裝的便易性），而對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行分類并按照一定的范圍對(duì)鋼構(gòu)件產(chǎn)品進(jìn)行合并簡化，從而減少構(gòu)件產(chǎn)品類型數(shù)量，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造。

但標(biāo)準(zhǔn)化并不是對(duì)建筑形式的限制和單一化，并且消費(fèi)市場不會(huì)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(gòu)件產(chǎn)品的多樣化，以滿足現(xiàn)代建筑外形多樣性的需求。而建筑模塊化則是解決建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件分為主體部分、連接部分和裝飾部分。其中運(yùn)用連接部分和主體部分來實(shí)現(xiàn)建筑的標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)用裝飾部分來完成建筑物的多樣化，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化元素和非標(biāo)準(zhǔn)元素的結(jié)合。

2.3施工方案設(shè)計(jì)的前移

通過施工方案設(shè)計(jì)的前移即將施工方案的設(shè)計(jì)選取由傳統(tǒng)的項(xiàng)目施工階段前移至建筑設(shè)計(jì)階段，在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用虛擬建造等技術(shù)模擬鋼結(jié)構(gòu)建筑裝配安裝的全過程，分析施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題，根據(jù)施工模擬結(jié)果，改進(jìn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)形式和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，合理調(diào)整優(yōu)化施工方案，在整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段就實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)、鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)形式、施工方案的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)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(gòu)件住宅的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅的建造流程復(fù)雜，包括了支模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等工藝。而鋼結(jié)構(gòu)住宅的裝配化施工則由于工廠鋼構(gòu)件制作的原因，簡化了施工流程和工藝。但同時(shí)也由于鋼構(gòu)件的工廠預(yù)制和現(xiàn)場的裝配化施工也造成了一下的高要求：對(duì)生產(chǎn)工人和現(xiàn)場施工工人能力的要求，施工場地的限制對(duì)鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅的工廠化制造在為項(xiàng)目工期和項(xiàng)目場地布置帶來優(yōu)勢的同時(shí)，也同時(shí)增加了項(xiàng)目建造管理的復(fù)雜性，但這些都是可以通過鋼構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、模塊化生產(chǎn)、施工方案設(shè)計(jì)的前移來降低和解決的。

3.鋼結(jié)構(gòu)住宅的生產(chǎn)模式

現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)住宅建造模式主要有鋼構(gòu)件在項(xiàng)目現(xiàn)場加工制造安裝的傳統(tǒng)項(xiàng)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(chǎn)基地模式一一鋼構(gòu)件在生產(chǎn)基地生產(chǎn)加工，通過物流運(yùn)至項(xiàng)目現(xiàn)場，在項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行安裝施工，減少鋼構(gòu)件在施工現(xiàn)場加工制造對(duì)項(xiàng)目場地的占用。后者生產(chǎn)基地則更適宜于工業(yè)化生產(chǎn)，但其對(duì)生產(chǎn)和物流的要求也相應(yīng)較高，其優(yōu)劣勢主要存在以下幾點(diǎn)：

3.1對(duì)項(xiàng)目施工現(xiàn)場的占用

傳統(tǒng)項(xiàng)目模式由于項(xiàng)目內(nèi)部交通、預(yù)制構(gòu)件的制作場地和相應(yīng)的大量混凝土、鋼筋、鋼構(gòu)件等建筑材料的制作以及其所帶來的環(huán)保要求對(duì)施工的限制，使得項(xiàng)目場地的要求極大，與現(xiàn)在由于城市發(fā)展帶來項(xiàng)目施工場地的限制形成巨大矛盾，對(duì)施工場地布置和施工組織設(shè)計(jì)，造成極大困難。而作為鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)基地模式由于鋼構(gòu)件的制作在項(xiàng)目以外的生產(chǎn)基地，制作完成直接運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行裝配安裝，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以節(jié)省20%的施工場地，而且不會(huì)在項(xiàng)目現(xiàn)場不會(huì)構(gòu)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(xiàn)場所占處理空間，也便于有害物質(zhì)的處理回收。

3.2對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度控制的影響

生產(chǎn)基地模式對(duì)于項(xiàng)目進(jìn)度控制的要求更高，其不僅僅只是傳統(tǒng)項(xiàng)目模式的項(xiàng)目施工過程中的進(jìn)度管理，而是貫穿整個(gè)從建筑設(shè)計(jì)到建筑施工各個(gè)階段的全過程的進(jìn)度控制，包括了建筑設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)與鋼構(gòu)件制造過程的協(xié)調(diào)，鋼構(gòu)件制造的進(jìn)度管理，鋼構(gòu)件成品物流與項(xiàng)目現(xiàn)場施工的協(xié)調(diào)，以及鋼結(jié)構(gòu)裝配階段的進(jìn)度管理等。其都直接的關(guān)系著整個(gè)項(xiàng)目的順利開展和有效銜接，如果物流與項(xiàng)目現(xiàn)場施工的不協(xié)調(diào)，可能造成施工現(xiàn)場的鋼構(gòu)件的大量堆置，造成而外管理保護(hù)費(fèi)用，也可能造成現(xiàn)場裝配等待物流而形成的項(xiàng)目被迫停工。因此項(xiàng)目的進(jìn)度控制是項(xiàng)目全過程的進(jìn)度控制。

3.3對(duì)設(shè)計(jì)精度要求

模數(shù)是一種度量單位，它在工程項(xiàng)目中的基本作用是對(duì)建筑物尺寸進(jìn)行量化和精確化，以確定建筑物構(gòu)件、預(yù)埋件和安裝預(yù)留孔等的位置和大小。模數(shù)的大小和精確程度決定了鋼結(jié)構(gòu)工程中構(gòu)件生產(chǎn)和施工的精準(zhǔn)性。因此在設(shè)計(jì)階段即應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中模數(shù)的大小以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件生產(chǎn)和施工流程的精確性。在鋼構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中借助模數(shù)體系可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件精度的提高，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件預(yù)埋空和安裝孔的位置，做到精確施工，減少二次施工，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件和半成品的有效利用，減小損耗；而在現(xiàn)場裝配安裝過程中，運(yùn)用模數(shù)來控制施工安裝過程有利于施工現(xiàn)場的鋼構(gòu)件裝配安裝；有效地模數(shù)體系，可以使鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)主體、建筑輔助等部分的尺寸都以此模數(shù)體系為基準(zhǔn)，使得項(xiàng)目結(jié)構(gòu)和戶型設(shè)計(jì)、原料加工、鋼構(gòu)件生產(chǎn)和物流、現(xiàn)場的裝配安裝、竣工的驗(yàn)收檢驗(yàn)有一個(gè)統(tǒng)一有序的規(guī)則來實(shí)施，從而使得生產(chǎn)加工裝配實(shí)現(xiàn)規(guī)格化、簡單化、精準(zhǔn)化。

3.4對(duì)項(xiàng)目施工工藝的要求

而項(xiàng)目施工工藝的要求與設(shè)計(jì)精度的要求是息息相關(guān)的，例如鋼結(jié)構(gòu)形式中柱腳螺栓的預(yù)埋位置對(duì)精度的要求特別高，如果螺栓預(yù)埋孔的位置不對(duì)可能需要重新打孔甚至灌注混凝土，而如果不顧預(yù)埋孔位置強(qiáng)行裝配安裝，則可能因?yàn)檩S心距對(duì)主體結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重危害。且焊接工藝也是影響鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量的重要因素，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了大量的斜撐等形式，造成立焊較多而不是焊接質(zhì)量最容易得到保證的俯焊，且由于鋼構(gòu)件采用生產(chǎn)基地制作的形式，而非施工現(xiàn)場制作，很難構(gòu)件制作實(shí)時(shí)與裝配施工的溝通，因此要求設(shè)計(jì)、制造階段與施工階段的協(xié)調(diào)，對(duì)施工方案設(shè)計(jì)前移，提高了對(duì)施工工藝的要求。

4.案例分析

以武漢市的典型鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目和普通鋼筋混凝土住宅項(xiàng)目為數(shù)據(jù)來源，在充分了解和計(jì)算其相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)其經(jīng)濟(jì)性分析，兼顧考慮施工方案和施工過程，在僅考慮項(xiàng)目施工階段為前提，提出以下幾個(gè)考察指標(biāo)。其中輸入指標(biāo)包括：項(xiàng)目成本（元/m²）、施工工期、人工時(shí)投入（工日/m²）、施工工藝要求、設(shè)計(jì)深度要求；輸出指標(biāo)：節(jié)能效率、施工場地占用、環(huán)保效果。并利用DEA（數(shù)據(jù)包絡(luò)分析）方法構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)模型（C²R），運(yùn)用無量綱的指標(biāo)評(píng)價(jià)思想，對(duì)傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、項(xiàng)目模式的鋼結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)基地模式的鋼結(jié)構(gòu)三種住宅結(jié)構(gòu)建造形式的優(yōu)劣性進(jìn)行分析。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的收集分析和專家問卷調(diào)查法，得出輸入和輸出指標(biāo)集數(shù)據(jù)。其中施工工期、施工工藝要求、設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分。

即：輸入指標(biāo)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(biāo)集={0，0，0：0.2，0.231，0.2：0.5，0.523，0.6}

運(yùn)用MATLAB軟件編程計(jì)算，檢查決策單元中0是否為1。輸入數(shù)據(jù)后計(jì)算結(jié)果如下：

從DEA的分析計(jì)算結(jié)果來看，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅和項(xiàng)目模式的鋼結(jié)構(gòu)住宅為非有效，而生產(chǎn)基地模式的鋼結(jié)構(gòu)住宅為相對(duì)有效，可以帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，最大程度節(jié)約工期和實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

5.結(jié)論

以生產(chǎn)基地模式建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)住宅相對(duì)于項(xiàng)目模式而言，有著對(duì)項(xiàng)目工期的縮短和生產(chǎn)鋼構(gòu)件的工業(yè)化的優(yōu)勢，但由于項(xiàng)目與鋼構(gòu)件生產(chǎn)基地的分離，也使得其存在著對(duì)鋼構(gòu)件模數(shù)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工、設(shè)計(jì)精度和物流運(yùn)輸要求高的難點(diǎn)，但是這些問題并不是不可以克服的，例如提高模數(shù)精度、深化設(shè)計(jì)、鋼構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化和施工方案設(shè)計(jì)的前移等方法。而解決這些難點(diǎn)，可以很順利的實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的節(jié)能減排，最終推進(jìn)我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。