摘要

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅工程總建筑面積為35164 平方米。在該住宅建筑設計中引入國際先進的SI(S為支撐體，I為填充體)設計理念；結構采用大空間框架-抗側力結構體系；樓板采用疊合樓板，陽臺、樓梯等水平構件均為預制構件；外墻采用200 mm厚新型加氣條板+100 mm厚復合保溫板；采用整體衛浴、整體櫥柜、同層排水技術；全流程采用BIM信息化技術；防腐方面引入了耐候鋼技術。

0引言

首鋼鑄造村4號、7號鋼結構住宅工程位于北京市石景山區鑄造村，西五環以外西六環以內，距離市中心約21.8 km，距阜石路0.2 km，距五環主干路4.6 km。

4號、7號鋼結構住宅總建筑面積為35 164 平方米，其中地上建筑面積為30 711 平方米，地下建筑面積為4 453 平方米。4號樓地上13層，地下2層；7號樓地上15層，地下2層。地上部分為住宅，住宅層高2.9 m；地下1層為自行車庫；地下2層戰時為人防掩蔽所，平時為辦公用房。

該項目為綠色建筑三星，工業化評價為AA級標準，被北京市建委列為住宅產業化試點工程。

鑄造村鋼結構住宅具有綠色、高效、節能、環保的特點。建筑設計上引入SI(S為支撐體，I為填充體)設計理念，解決結構支撐體和填充體不同壽命的問題，在保證住宅建筑長久性和全生命周期的前提下，實現住宅設備設施和內裝產品的檢修和更新。采用具有安全可靠的大空間框架-抗側力結構體系；樓板采用疊合樓板，陽臺、樓梯等水平構件均為預制構件，減少施工缺陷的同時，提升施工效率；外墻采用200 mm厚新型加氣條板+100 mm厚復合保溫板，實現墻板與結構主體的柔性連接，外立面平整，整體性好，不易發生漏雨問題；采用整體衛浴、整體櫥柜、整體收納、輕鋼龍骨隔墻、同層排水技術實現內裝技術的干式施工工藝，提高施工質量和住宅品質；全流程采用了BIM信息化技術，實現了國內首次在高層鋼結構住宅中應用耐候鋼，將鋼材的耐腐蝕性能提升40%。

1、建筑SI設計理念

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅采用國際先進的SI技術體系，將S部分和I部分分離，減少設備、內裝對結構主體的損害，延長房屋整體使用壽命，方便設備、內裝的使用維護、更換，解決結構支撐體和填充體不同壽命的問題，保證住宅建筑長久性和全生命周期的前提下，方便地實現住宅設備設施和內裝產品的檢修和更新。

沿用SI理念，戶型布局從模塊化的設計方法入手，以由內而外、由上而下的思維方式實現建筑功能。將居室空間分解為功能子空間：廚房、衛生間、起居室、臥室、陽臺、出入通道。以此為基礎從模塊化的層面系統研究，整合開發、設計、生產安裝、后期維護各個環節然后形成全產業鏈的解決方案，盡可能實現標準化、系列化、模數化。

設計過程中，標準層建筑布局均相同，戶型調整是從模塊化的設計方法入手，即由內而外、由上而下地實現建筑功能。房間尺寸基本上為300 mm的模數，考慮鋼結構的受力特點，主體結構布置簡單、規整，平面凹凸變化不大。

圖1 SI理念在空間布局上的實現

2、大空間+抗側力結構體系

鋼結構住宅地下室采用現澆混凝土結構，地上主體結構采用鋼框架-鋼支撐結構體系。鋼柱采用矩形鋼管混凝土柱，內灌自密實混凝土，既有利于防火、隔聲，又能把柱距做大，內部空間可以自由分割；鋼柱基礎采用埋入式柱腳；采用首鋼自產的軋制H形窄梁，梁截面寬度不大于200 mm，解決了鋼結構住宅露梁問題；梁柱連接采用栓焊連接，能有效減少節點連接用鋼量。鋼結構住宅計算模型見圖2。

圖2 計算模型

2.1 節點設計

鋼結構作為預制構件，核心是鋼構件連接，結構主體連接包括柱腳設計、梁-柱連接、支撐連接、梁-梁連接以及鋼柱現場拼裝。

梁、柱連接采用栓焊剛接，鋼柱連接處設橫隔板，為提高外窗戶頂凈高，設置鋼反梁，典型連接節點如圖3所示。

a—梁、柱節點平面；b—1—1剖面。
圖3 梁-柱連接節點

支撐連接時，鋼支撐強軸朝外，與主體結構剛接；鋼柱拼接時，鋼柱每3層一段運至現場，現場拼接，拼裝完后切除耳板；柱腳設計時，采用外包柱腳，結構嵌固端在地下1層頂部，鋼柱伸至地下1層底部；梁-梁連接采用鉸接節點。

2.2 抗震變形指標

在首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅設計工作中，通過采用PKPM系列結構設計程序、YJK結構設計程序對多遇地震和罕遇地震作用進行分析，同時采用大型有限元軟件MIDAS進行復核，在綜合考慮各種因素的基礎上，將首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅鋼框架-鋼支撐體系的層間位移角控制在1/300以內，經過罕遇地震靜力彈塑性分析，鋼結構住宅層間位移角可控制在1/70以內，所有性能指標均滿足現行相關規范要求。

3、預制PC構件

3.1 預制混凝土疊合樓板

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅的樓板可采用預制混凝土疊合樓板技術實現快速安裝。盡管存在運輸、堆放、吊裝困難等缺點，但預制混凝土疊合樓板整體性好，剛度大，可節省模板，而且板的上下表面平整，便于飾面層裝修，適用于對整體剛度要求較高的高層建筑和大開間建筑。預制混凝土疊合樓板由下部預制混凝土底板和上部現澆層組成。疊合樓板的預制部分的厚度為60 mm，現澆層厚度為70 mm；預制板表面做成凹凸差不小于4 mm的粗糙面并在預制板內設置桁架鋼筋，以增加預制板的整體剛度和水平界面抗剪性能。

3.2 預制樓梯

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅地下室部分采用現澆混凝土樓梯，地上部分每層層高相同，采用預制混凝土樓梯。樓梯梯段為全預制，見圖4。樓梯在與鋼梁連接處一端預留2個直徑80 mm的孔，鋼梁處焊槽鋼，用細石混凝土灌實孔洞，另外一端可滑動。

圖4 樓梯實物

3.3 預制陽臺板、空調板

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅陽臺板可實現外挑1 400 mm的長度，預制陽臺板與主體結構采用三邊支撐，空調板支撐于反梁上，這兩塊部件可指定工廠單獨定制(圖5)。

圖5 預制陽臺板、空調板實際效果

4、創新的墻板體系

墻板體系，尤其是外墻板體系已經成為鋼結構住宅的技術瓶頸，首鋼在行業內首次提出的內嵌式外墻體系得到業內認可，已成為行業主流做法。

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅完全滿足北京市地方標準DB 11/891—2012《居住建筑節能設計標準》中的各項規定，表1為部分重要節能指標的對比。

表1 外圍護體系節能指標對比

4.1 外墻板

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅外墻體系為100 mm厚(巖棉板45 mm+OKS聚能(改性)擠塑板35 mm厚)AB型OKS復合保溫板+200 mm厚加氣混凝土條板墻(或100 mm厚鋼筋混凝土預制板)。

該外墻體系的優點：實現了墻板與結構主體的抗震柔性連接，外立面平整，整體性好，不易發生漏雨問題。外墻與鋼梁連接節點見圖6。

圖6 外墻與鋼梁連接節點

4.2 內墻板

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅已擁有兩套內墻體系：加氣混凝土條板體系(200 mm厚或者100 mm厚)和鋼帶浮石板復合內隔墻體系。

加氣混凝土條板體系相關連接節點參見13J104《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構造》采用。主要構造要求如下：

1)墻板平均平縫拼接時板縫縫寬不應大于5 mm，安裝時應以縫隙間擠出砂漿為宜。

2)墻板側邊及頂部與鋼筋混凝土墻、柱、梁、板等主體結構連接處應預留10～20 mm縫隙，縫寬需滿足結構設計要求。墻板與主體結構之間宜采用柔性連接，宜用彈性材料填縫，有防火要求時應采用防火材料填縫(如巖棉、玻璃棉等)。墻面抹灰層應設分格縫。墻板板縫處、內外墻體與不同材料(如混凝土、鋼結構、金屬配件)交接處、外墻抹灰層如采用強度較高的抹灰層時應采取防裂措施，如采用耐堿玻纖網格布壓入聚合物水泥砂漿層的做法。

鋼帶浮石板復合內隔墻組成及特點如下：

鋼防火(耐火)極限不小于3 h；隔聲強，空氣隔聲值為52 dB；墻體剛度大，門框安裝牢固；防潮，可用于潮濕房間。

5、裝飾裝修一體化

設計標準化是實現內裝工業化的前提，通過部品標準化的設計來實現內裝的產業化。通過標準化的廚衛系統、標準化的收納系統等來提高產業化效率。同時，采用整體衛浴、整體櫥柜、整體收納、輕鋼龍骨隔墻、同層排水及單立管排水、管道檢修口、局部架空地板、適老化設計及部品、負壓式新風換氣、煙氣直排等優良部品實現內裝技術的干式施工工藝，大大提高施工質量和住宅品質。

5.1 架空地板及同層排水

相比較傳統濕作業鋪裝地板，架空地板全部干法作業施工簡單；重量輕、荷載小從而降低了樓板的承載力要求；傳統做法中水、暖、電的管線均穿行在樓板中，水專業有些管線還要穿行在下層住戶家中，一旦有問題維修很麻煩，架空地板后管線布置在架空層中，維修簡單方便。

相對于傳統的隔層排水處理方式，同層排水方案最根本的改變是通過本層內的管道合理布局，徹底擺脫了相鄰樓層間的束縛，避免了由于排水橫管侵占下層空間而造成的一系列麻煩和隱患，包括產權不明晰、噪聲干擾、滲漏隱患、空間局限等，同時采用壁掛式衛生器具，地面上不再有任何衛生死角，清潔打掃變得格外方便。

5.2 集成廚房、衛生間

傳統的整體櫥柜只是簡單地將洗、切、燒、存儲的功能集合在整體櫥柜系統中完成，它只是廚房中的一個整體部件，沒有從根本上解決廚房的裝修問題。首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅的整體廚房則通過整合“墻面、臺面、地面、集成吊頂、整體櫥柜”五大系統，使問題得到完美解決。對于衛生間，首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅的整體衛生間通過運用整體壓膜底盤，使衛生間具備防水防漏功能。

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅集成廚房既包含墻體、墻頂、墻地、門窗、燈光等環境因素，又將更多的電器、廚具炊具等廚房用品也融入了進去，整合空間更大，是全方位的廚房解決方案。

集成衛生間主要特點在于它的整體模壓底盤。這種先進的工藝取代傳統泥水匠貼瓷片做浴室的方式。在有限空間內實現洗漱、沐浴、梳妝、如廁等多種功能。采用一體化防水底盤、壁板、頂蓋構成整體框架，并將衛浴潔具、浴室家具、浴屏、浴缸、龍頭、花灑、電器配件等都融入到一個整體環境中。在有限的空間內完美布局，整體浴室提高了住宅品質。整體廚衛將原有的衛生間和廚房的現場手工作業改為在工廠精準預制，到現場精細裝配。

5.3 精裝修

鋼梁、鋼柱在房間內有陽角是不能回避的問題，住建部于2015年10月下發《關于在本市保障性住房中實施全裝修成品交房有關意見的通知》(京建法〔2015〕17號)，要求本市公共租賃住房、經濟適用住房、限價商品住房、棚戶區改造安置房及自住型商品住房全面實施全裝修成品交房。首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅依照產業化要求一次精裝到位，通過建筑、結構專業密切配合，達到了精裝修后將梁柱隱藏的效果。

6、BIM信息化技術

6.1 BIM設計

裝配式鋼結構住宅是對以往傳統設計中大量的現場施工過程的重大改進，是以工裝模塊化組件輔以少量的現場施工作業方法進行建筑生產的施工技術。這項技術不僅對傳統施工流程順序和工法進行了大量的調整，也對設計、材料、設備、設施、采購、供應以及安裝和施工技術提出了更高的要求。從設計角度上傳統現場作業中實現的大量建筑元素，要重新改成以施工定貨圖為標準的單體化設計，并且要求在設計之初就充分考慮到安裝和施工可能面臨的各項問題。從材料和設施配套以及供應的角度講，對整個供應環節提出了嚴格執行工廠化產品級的采購和檢驗要求，從施工角度上看傳統施工過程中的臨時場地布置等將面臨更多的高精度產品的出入庫管理，存放安全性、破損防護與修復等要求。

基于這些特點，首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅的BIM設計摒棄了傳統BIM設計以設計成果模型化和設計過程質量檢驗為核心的技術思路，強調包括設計、產品、采購、裝配、施工、業主等全流程化的組織和協同思想，強調設計圖紙與工廠化產品間的邏輯組織，強調以裝配思想為核心的約束控制，強調產品的標準化和采購及備品備件的控制技術，強調模塊化產品對建筑整體的影響效果。采用了更為廣泛的協同角色設置，允許不同級別的不同用戶，按照不同的角色定義和對應權限進行相關應用。采用目前國內主流的協同管理平臺技術實現上述協同技術思想。

在模型化和信息化方面，首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅強調以標準的參數化方法進行模塊化產品設計以及產品的參數化檢驗，通過關聯技術及時了解不同規格產品以及產品的尺寸誤差對整個建筑體系的綜合影響。通過對產品的高精度模型化和連接、節點等的處理技術，使產品的設計尺寸、安裝要求更好地反饋于制造單位，同時制造單位的產品控制結果也可以更直接地作用于設計模擬。

首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅的BIM設計水平基本上達到了DB 11/T 1069—2014《民用建筑信息模型設計標準》中BIM4.0的水平。

6.2 BIM施工集成

通過搭建PKPM-BIM施工協同管理平臺(圖7)，進行碰撞檢查，實現各專業之間的協同工作，將深化設計問題消化在了初步設計階段，為后續施工的順利進行奠定了基礎。

圖7 BIM集成模型

該項目作為鋼結構產業化住宅的試點項目，不僅沒有經驗可依，而且預制裝配化率高，導致各專業之間銜接困難，在施工過程中碰撞、銜接問題時有發生。在該項目中通過將Revit模型導入Navisworks進行碰撞檢查測試，在施工前就解決了現場可能出現的沖突和碰撞，避免人力、物力以及時間上的損失，而在4D模擬施工階段，可以把整個工程現場在虛擬模型中描述出來并進行分析，減少了返工。BIM最直觀的特點在于三維可視化，利用BIM的三維技術在前期可以進行碰撞檢查，優化工程設計，減少在建筑施工階段存在的錯誤損失和返工的可能性。施工人員可以利用碰撞優化后的三維管線方案，進行施工交底、施工模擬，提高施工質量，同時也提高了與業主溝通的能力。BIM技術的應用還可以提早發現設計中鋼梁、鋼柱與樓板碰撞，電氣管線穿鋼梁，鋼梁、墻板、板的連接等問題。

6.3 BIM運維管理

建筑工程運營管理中應用模擬性強、數據優化、兼具可視性和可出圖性的BIM,能夠保障建筑各項信息的完整度,有效提高信息傳遞的效率,為管理者決策提供科學依據,并減少不必要的人力成本投入和資源消耗,使建筑工程運營階段的管理工作能夠更加智能化和人性化,最終獲得良好的經濟效益和社會效益。

7、耐候鋼技術應用

該項目實現了國內首次在高層鋼結構住宅中應用耐候鋼，將鋼材的耐腐蝕性能提升了40%。同時，所有主要鋼結構及其配件均必須經噴珠(砂)拋丸處理，不得以手工除銹(除鍍鋅鐵件外)，除銹等級須達到Sa2.5級及以上。凡暴露鋼構件分段制作連接處，焊縫要求打磨齊平，涂刷面層涂料后不得有明顯焊接痕跡。

鋼結構除銹后刷漆要求：底漆采用環氧富鋅漆1道，漆膜厚60 μm；中間漆采用環氧底漆1道，漆膜厚度70 μm；鋼柱防火涂料采用25 mm厚型防火涂料，滿足鋼柱2.5 h耐火極限要求;鋼梁防火涂料采用15 mm厚型防火涂料，滿足鋼梁1.5 h耐火極限要求。增加火克板對梁、柱進行保護。

8、結束語

鑄造村裝配式高層鋼結構住宅具有綠色、高效、節能、環保的特點。該項目是在模塊化的基礎上整合開發、設計、生產安裝、后期維護各個環節的形成的全產業鏈解決方案，盡可能標準化和系列化，是一套成熟完整的技術體系。

來源：高占陽，袁霓緋，李洪光，張雅麗. 首鋼鑄造村裝配式高層鋼結構住宅技術體系研究[J]. 鋼結構, 2019, 34(6): 49-53.

來源：鋼結構