預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)濟(jì)性研究

陳亮

摘 要：現(xiàn)代化的建筑工程中為了提升工程項(xiàng)目的質(zhì)量，降低施工過程中的人工成本以及簡(jiǎn)化施工流程，在施工過程中使用預(yù)制好的鋼結(jié)構(gòu)作為建筑物的柱體、梁體以及主要的框架結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上安裝相應(yīng)的墻板、樓板以及其他必要的建筑結(jié)構(gòu)。這種組裝式的施工技術(shù)可以大幅度提升工程效率，減少施工過程中的濕作業(yè)量以及降低人工成本。通過工程量以及工程造價(jià)來分析預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑所具有的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu);經(jīng)濟(jì)性;建造成本

中圖分類號(hào)：F426.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1673-291X（2021）28-0143-05

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)在實(shí)踐過程中逐漸表現(xiàn)出施工效率較低、人工成本高以及施工程序復(fù)雜等問題。預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)可以讓施工企業(yè)將預(yù)制好的鋼梁、鋼柱、墻板以及其他結(jié)構(gòu)通過裝配的方式來完成施工，進(jìn)而可以在很大程度上提升建筑施工的效率、簡(jiǎn)化施工程序以及降低人工成本。但現(xiàn)階段，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體施工成本還是比傳統(tǒng)的混凝土施工方法更高一些。

一、相關(guān)概念和發(fā)展現(xiàn)狀

（一）預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)概述

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑施工模式在實(shí)踐中逐漸表現(xiàn)出工序復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高以及環(huán)保效應(yīng)差等缺點(diǎn)，預(yù)制裝配式施工利用在工廠中事先制造好的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等作為主要的施工材料，將這些預(yù)制好的材料運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)并通過焊接或者螺栓緊固等方式來進(jìn)行組裝和固定，這種施工方法呈現(xiàn)出裝配式的特點(diǎn)。預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑物主要采用預(yù)制好的鋼梁、鋼柱等作為主要的框架承重材料。鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有重量輕、抗震性能好以及結(jié)構(gòu)跨度大等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)廠房、高層住宅以及辦公樓等建筑物的施工中可以大量采用鋼結(jié)構(gòu)作為施工材料，工程效率以及施工過程中的環(huán)保效應(yīng)在這種施工技術(shù)支撐下可以得到大幅度提高[1]。主要原因在于這種施工技術(shù)可以大量采用吊裝機(jī)械設(shè)備對(duì)已經(jīng)預(yù)制完成的各種大型梁體、墻體或者其他構(gòu)筑物進(jìn)行吊裝就位，施工人員只需要在各種結(jié)構(gòu)基本就位的情況下對(duì)其進(jìn)行有效的固定或者連接即可。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

裝配式建筑的相關(guān)概念在20世紀(jì)70年代在我國出現(xiàn)并逐步發(fā)展至今，空心樓板、預(yù)制屋面梁以及預(yù)制屋面板等預(yù)制結(jié)構(gòu)是國內(nèi)最早使用的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，不過當(dāng)時(shí)非常有限的施工技術(shù)并不能保障施工質(zhì)量和效果。現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)從20世紀(jì)90年代起在國內(nèi)的建筑施工中得到了廣泛的應(yīng)用并在很大程度上延緩了裝配式施工的發(fā)展。但是在最近十年，現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)逐漸暴露出人工成本高、工序復(fù)雜、質(zhì)量缺陷多等一系列問題，最大的制約在于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)需要消耗大量的人力資源且整體成本在不斷上漲。裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)可以大幅度簡(jiǎn)化施工流程以及降低施工現(xiàn)場(chǎng)的人工作業(yè)量，在現(xiàn)階段人工成本大幅上漲的情況下可以借助裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)來降低人工成本[2]。

二、鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系及主要構(gòu)件

建筑工程的剪力墻、主體框架結(jié)構(gòu)以及內(nèi)筒結(jié)構(gòu)等都屬于常見的鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用范圍，在高層、多層以及超高層建筑施工中都可以應(yīng)用這些常見的鋼結(jié)構(gòu)施工體系。

（一）框架體系

1.鋼結(jié)構(gòu)框架。建筑施工中需要通過一定的框架結(jié)構(gòu)為樓層間的面板以及墻板等提供良好的支承和固定體系，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中一般需要通過垂直布置的柱體以及水平布置的梁體來搭建出特定結(jié)構(gòu)的框架。鋼梁和鋼柱的受彎承載能力對(duì)其側(cè)抗剛度的大小具有決定性的作用。通常情況下，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑物的高度達(dá)到一定程度之后，就需要增大梁體和柱體的截面積，這樣可以提高框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。然而這種情況必然會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)框架的重量、成本等出現(xiàn)大幅度上漲并制約其使用范圍，因而這種框架式結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑中的使用相對(duì)比較少見。

2.框架剪力墻結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中需要在框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上按照一定的方向和位置來布置剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物側(cè)向位移的控制以及側(cè)向剛度的提升都與鋼結(jié)構(gòu)—剪力墻體系的設(shè)置具有密切的聯(lián)系。這種剪力墻結(jié)構(gòu)在防火及耐火性能方面也具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，但是這種結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)烈地震作用的影響下會(huì)產(chǎn)生非常顯著的應(yīng)力集中并對(duì)局部的墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞[3]。

3.鋼結(jié)構(gòu)框架支撐體系。為了強(qiáng)化框架結(jié)構(gòu)中部分柱體的側(cè)抗力還需要在柱體之間設(shè)置一些橫向的支撐，其主要原因在于鋼結(jié)構(gòu)柱體在承受上層結(jié)構(gòu)的壓力作用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生側(cè)向的形變并造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在側(cè)向設(shè)置一些橫向的支撐能夠大幅度提升其承載能力并確保鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)模式可以在確保鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減少鋼材的使用量以及節(jié)約建造成本。

4.鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)筒體系。在建筑結(jié)構(gòu)的中心部位通過鋼框架—內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的體系來形成封閉的核心筒結(jié)構(gòu)，建筑物在水平方向上的載荷全部都由這些筒體來承擔(dān)。在高層以及超高層建筑中設(shè)置這種內(nèi)筒結(jié)構(gòu)可以有效地提升建筑物對(duì)地震的承受能力，其應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件的能力也會(huì)全面提升[4]。

（二）樓面板體系

1.現(xiàn)澆的混凝土樓板。鋼結(jié)構(gòu)建筑中通常會(huì)采用已經(jīng)發(fā)展非常成熟的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)來作為樓板施工的材料，這種施工技術(shù)操作相對(duì)比較簡(jiǎn)便且澆筑完成的樓板結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度，同時(shí)鋼筋混凝土材料可以有效地控制住樓板施工的經(jīng)濟(jì)成本。這些混凝土材料凝固之后可以與鋼梁之間形成良好的固結(jié)效果，并產(chǎn)生協(xié)同工作的效應(yīng)。其缺點(diǎn)是當(dāng)建筑物的跨度比較大時(shí)樓板的安全性就難以滿足工程需要，在這種情況下需要通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)來提升樓板的承載力并確保建筑物的安全性。混凝土材料消耗大、樓板重量大、混凝土結(jié)構(gòu)易開裂以及施工周期比較長(zhǎng)也是這種樓板施工技術(shù)的主要缺陷，整體而言，施工單位比較習(xí)慣于采用這種樓板施工技術(shù)[5]。

2.混凝土—壓型鋼板組合樓板。這種施工技術(shù)需要先在鋼梁上設(shè)置一些薄鋼板作為襯底，而且這些鋼板之間呈現(xiàn)出凹凸相間的結(jié)構(gòu)造型，完成這一步之后再在這些薄鋼板上澆筑適當(dāng)厚度的混凝土材料并使其形成良好的整體性，鋼梁上的栓釘可以在很大程度上強(qiáng)化這種樓板結(jié)構(gòu)的整體性和強(qiáng)度。這種施工方式在澆筑混凝土的過程中不用事先設(shè)置模板系統(tǒng)并節(jié)省相關(guān)的成本。為了加快施工速度，還可以采用多層同時(shí)施工的方案。這種施工技術(shù)可以在很大程度上提升大跨度樓板的整體性和剛度，且具有較強(qiáng)的施工便利性。但是這種施工方法因?yàn)槭褂昧藟盒弯摪宥黾邮┕げ牧系馁M(fèi)用，提升了建筑防腐和建筑裝飾的要求[6]。壓型鋼板—混凝土組合樓板的最大跨度通常不能超過4米且一般控制在2—3米的范圍內(nèi)。

3.鋼筋桁架混凝土樓板。這種樓板施工技術(shù)的特點(diǎn)是在預(yù)制廠中將鋼筋材料制備成鋼筋桁架并將其與鋼板焊接在一起，相對(duì)于傳統(tǒng)的施工方案，這種施工技術(shù)可以大幅度減少施工現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋的工作量并有效地提升作業(yè)效率[7]。這種樓板材料在施工時(shí)需要先通過吊車等設(shè)備放置在相應(yīng)的位置上，然后在其他條件滿足要求的情況下進(jìn)行混凝土二次澆筑作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)澆混凝土施工同等的效果。

（三）墻板體系

1.輕型砌筑墻體。鑒于鋼結(jié)構(gòu)框架所具備的良好承重性能，此處所說的輕型砌筑墻體主要指的是建筑結(jié)構(gòu)中不承擔(dān)承重作用的輕質(zhì)強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，此類墻體在建筑材料方面主要采用石膏切塊、蒸汽加壓混凝土塊或者空心磚等砌體材料。傳統(tǒng)的黏土磚在燒制的過程中需要消耗較多的化石燃料、產(chǎn)生較多的碳排放以及污染氣體，而且有不少黏土磚是由一些生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、安全條件較差的小型磚窯生產(chǎn)而成的，其環(huán)保效應(yīng)和安全效應(yīng)都比較差。新型的砌體材料在回收利用各種礦物生產(chǎn)廢料的同時(shí)，還可以提升砌體結(jié)構(gòu)在防火、防水以及保溫等多個(gè)方面的性能。但是這些砌體材料在施工過程中不可避免地需要使用水泥砂漿作為粘接的材料并可能對(duì)鋼材產(chǎn)生一定的腐蝕性。因此，在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建造過程中并不適宜大量采用這種容易對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕作用的材料來開展施工[8]。

2.輕質(zhì)板材墻體。利用混凝土材料制備而成的輕質(zhì)板材或者在板材中加入保溫隔熱材料制備而成的夾芯板材也是常用的墻體板材。現(xiàn)階段這種板材結(jié)構(gòu)可以通過工廠的預(yù)制化生產(chǎn)進(jìn)行大規(guī)模的制造并形成統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，再運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)并通過專業(yè)的起重機(jī)械設(shè)備來進(jìn)行吊裝就位以及安裝固定。常用板材如下：一是輕質(zhì)加壓蒸汽混凝土板。這種板材是通過在蒸汽加壓混凝土材料中加入一定數(shù)量的鋼筋網(wǎng)片之后加工制備而成的，這種板材內(nèi)部形成了很多密閉的氣孔并有著非常顯著的保溫性能、隔熱性能以及防噪聲性能。這種新型墻板材料技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟且在住宅項(xiàng)目的建設(shè)中被列為推薦使用的施工材料。二是鋼筋混凝土絕熱材料復(fù)合板。這種板材在中間的夾層內(nèi)設(shè)置了巖棉或者聚苯板而最外面的兩層為薄壁鋼筋混凝土。中間的夾層材料具有非常良好的隔熱保溫效果。這種施工板材在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中主要采用裝配式的施工方法且具有較高的安裝效率。三是金屬復(fù)合板材。這種墻體施工材料的兩個(gè)面層常常使用不銹鋼板或者鍍鋅鋼板而內(nèi)部的夾層使用聚苯板等保溫材料，這種墻體施工材料的主要優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度高、安裝速度快以及拆裝效率高等[9]。

三、經(jīng)濟(jì)性分析

在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析的過程中需要通過一定的數(shù)據(jù)對(duì)比來確定施工方案是否具有良好的成本控制效果，此處根據(jù)某預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際造價(jià)情況來分析這種施工方案的經(jīng)濟(jì)性。本文主要通過對(duì)比鋼結(jié)構(gòu)建筑和傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑之間的建造成本來分析前者的經(jīng)濟(jì)性。

（一）成本因素

工程項(xiàng)目成本的主要造成因素可劃分為直接費(fèi)用、利潤、稅金以及間接費(fèi)用等。建筑工程項(xiàng)目的主要成本費(fèi)用通常都集中在其直接費(fèi)用上且這一費(fèi)用的變化將決定其整體的營收效益[10]。在分析鋼結(jié)構(gòu)建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑的成分造價(jià)時(shí)需要格外重視影響其直接費(fèi)用的主要因素。這兩種建筑模式在直接費(fèi)用的構(gòu)成方面主要存在以下幾個(gè)方面的差異：一是預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑需要花費(fèi)較大的費(fèi)用來完成預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝;二是鋼結(jié)構(gòu)材料的防火費(fèi)用和防腐費(fèi)用較低;三是傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工方案需要花費(fèi)較多的模板費(fèi)用和腳手架搭建費(fèi)用，而裝配式施工可以大幅減少這兩方面的費(fèi)用支出;四是這兩種施工模式在保溫費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用以及抹灰費(fèi)用等方面也存在較多的差異性。

（二）成本對(duì)比

根據(jù)本次研究中所參照的某實(shí)際項(xiàng)目情況制作出兩種施工方式的主體工程量對(duì)比，項(xiàng)目總建筑面積大約在3 800平方米且不同部分的工程量見表1。分析結(jié)果如下：傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工方案需要開展大量的濕作業(yè)且混泥土澆筑時(shí)還需要搭建模板和腳手架。采用預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工方案之后可以大幅度降低混凝土的使用量并減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)的工作量，模板和腳手架的搭建也因此而出現(xiàn)了大幅度的減少。從表1中的數(shù)據(jù)可知，混凝土材料的使用量減少了大約56%。而該項(xiàng)目預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑施工消耗的鋼材量大約為傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土施工模式的1.466倍。

（三）工程造價(jià)對(duì)比

在工程造價(jià)對(duì)比方面主要根據(jù)本次研究項(xiàng)目所在省份（四川?。┑慕ㄖこ潭~信息以及工程造價(jià)信息（成都市）來獲取材料價(jià)格信息，進(jìn)而計(jì)算出兩種建造模式下的工程總造價(jià)，具體見下頁表2。

采用現(xiàn)澆混凝土技術(shù)來完成以上工程作業(yè)內(nèi)容時(shí)產(chǎn)生的工程量以及相關(guān)的造價(jià)如表3所示。

通過對(duì)表2和表3的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比可以分析出以下結(jié)論。

1.預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑物的單方造價(jià)達(dá)到了981.71元/平方米，而傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑單方造價(jià)為626.87元/平方米，也就是說前者每平方米的造價(jià)比后者高出了354.84元，造價(jià)高出了不少。

2.預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁體單方造價(jià)達(dá)到了257.66元/平方米，現(xiàn)澆混凝土建筑的梁體單方造價(jià)達(dá)到了125元/平方米，這兩種建造方式的柱體單方造價(jià)分別達(dá)到了179.90元平方米/和103.11元/平方米。僅僅從這兩種承重結(jié)構(gòu)的造價(jià)來分析，預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑物明顯要高于現(xiàn)澆混凝土建筑的造價(jià)。

3.以上兩種建造方式的墻體結(jié)構(gòu)單方造價(jià)則分別達(dá)到了303.25元/平方米和191.09元/平方米，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑中的墻體單方造價(jià)明顯更高。

4.通過測(cè)算得出預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的人工費(fèi)用成本占傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑成本的62%，而且前者的施工總項(xiàng)目數(shù)量占后者的60%。也就是說，預(yù)制裝配式建筑施工方法在人工費(fèi)用以及施工程序上較之傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工模式具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)，但總體上前者的造價(jià)更高。

結(jié)語

預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中表現(xiàn)出程序更加簡(jiǎn)單、人工成本相對(duì)更低以及施工效率更高等優(yōu)點(diǎn)，而且鋼結(jié)構(gòu)在組裝過程中可以大量使用機(jī)械方式來進(jìn)行裝配，人工作業(yè)量、濕作業(yè)量以及高風(fēng)險(xiǎn)的作用量也都因此而大幅度減少。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工技術(shù)使用得非常成熟，但總體上存在工序比較復(fù)雜、質(zhì)量控制難度較大以及人工作業(yè)量比較大等特點(diǎn)，而且施工工程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染情況也比裝配式施工更高。在選擇施工方案時(shí)需要綜合考慮質(zhì)量、安全、造價(jià)控制以及環(huán)境保護(hù)等多方面的因素，此次對(duì)這兩種施工方法的成本進(jìn)行分析和對(duì)比，得出的結(jié)論是預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的整體成本相對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土施工方案更高。

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