北京首钢国际工程技术有限公司：装配式高层钢结构住宅工程的创新与实践

北京首钢国际工程技术有限公司：装配式高层钢结构住宅工程的创新与实践

概括

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅项目总建筑面积35164平方米。该住宅楼设计引入国际先进的SI（S为支撑体、I为填充体）设计理念；结构采用大空间框架-抗侧力结构体系；楼面采用组合楼面，阳台、楼梯等水平构件均为预制构件；外墙采用200mm厚新型加气条板+100mm厚复合保温板；采用整体卫生间、整体橱柜、同层排水技术；全过程采用BIM信息化技术；在耐候钢技术上引入防腐技术。

介绍

首钢铸造村4号、7号钢结构住宅项目位于北京市石景山区铸造村，位于西五环外、西六环内，距离市中心约21.8公里，距离阜石路0.2公里，距离五环路4.6公里。

4号楼、7号楼钢结构住宅楼总建筑面积35164平方米，其中地上建筑面积30711平方米，地下建筑面积4453平方米。4号楼地上13层，地下2层；7号楼地上15层，地下2层。地上部分为住宅，层高2.9米；地下一层为自行车库；地下二层战时为人防掩体，平时为办公室。

该项目为三星级绿色建筑，工业化评价为AA标准，并被北京市住建委列为住宅工业化试点项目。

铸造村钢结构住宅绿色高效、节能环保，建筑设计引入SI（S代表支撑，I代表填充）设计理念，解决结构支撑与填充不同寿命的问题，在保证住宅建筑耐久性和全生命周期的同时，实现住宅设备设施、室内产品的维护与更新。

采用安全可靠的大空间框架-抗侧力结构体系；楼板为组合楼板，阳台、楼梯等水平构件全部为预制构件，减少施工缺陷，提高施工效率；外墙采用200mm厚新型加气条+100mm厚复合保温板，实现墙板与主体结构柔性连接，立面平整，整体性好，不易渗漏；采用一体化卫生间、一体化橱柜、一体化储物、轻钢龙骨隔墙、同层排水技术，实现室内装修技术干法施工工艺，提高建筑质量和住宅品质；全过程采用BIM信息化技术，实现国内首次在高层钢结构住宅中应用耐候钢，钢材耐腐蚀性能提高40%。

建筑SI设计理念

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅，采用国际先进的SI技术体系，将S部分与I部分分离，减少设备及室内装修对主体结构的破坏，延长房屋整体使用寿命，方便设备及室内装修的使用、维修和更换，解决了结构支撑体与填充体寿命不同的问题，保证了住宅建筑的耐久性和全生命周期，同时方便住宅设备设施、室内装修产品的维修更新。

遵循SI理念，公寓布局以模块化设计方式入手，以由内而外、自上而下的思维方式实现建筑功能。将居住空间分解为厨房、卫生间、客厅、卧室、阳台、出入口等功能子空间。在此基础上从模块化层面进行系统研究，将开发设计、生产安装、后期维护等环节整合，形成全产业链解决方案，并尽可能实现标准化、系列化、模块化。

设计过程中，标准楼层布局一致，户型调整以模块化设计方式入手，即从内到外、从上到下实现建筑功能。房间尺寸基本以300mm模数为单位。考虑钢结构的受力特点，主体结构简洁规则，平面凹凸变化不大。

图1 SI概念在空间布局中的体现

大空间+抗侧力结构体系

钢结构住宅地下室采用现浇混凝土结构，地上主体结构采用钢框架-钢支撑结构体系。钢柱采用矩形钢管混凝土柱，柱内填充自密实混凝土，不仅有利于防火、隔音，还可以增大柱距，内部空间可自由划分；钢柱基础采用预埋柱脚；采用首钢生产的轧制H型窄梁，梁截面宽度不大于200mm，解决了钢结构住宅梁外露的问题；梁柱连接采用螺栓焊接连接，可有效减少节点连接用钢量。钢结构住宅计算模型如图2所示。

图2 计算模型

2.1 节点设计

钢结构作为预制构件，其核心就是钢构件的连接，主要结构连接包括柱脚设计、梁柱连接、支撑连接、梁梁连接以及钢柱的现场拼装等。

梁与柱采用螺栓焊接连接，钢柱连接处设置水平隔墙，为增加外窗顶部净高设置钢反梁，典型连接节点如图3所示。

a—梁、柱节点平面；b—1-1剖面。

图3 梁柱连接节点

支撑连接时，钢支撑强轴线朝外，与主体结构刚接；钢柱拼接时，每隔3层运到现场，现场拼接，拼装后剪除耳板；设计柱底座时，将柱底座外包，结构预埋端在地下层顶部，钢柱延伸至地下层底部；梁梁连接采用铰接节点。

2.2 地震变形指标

在首钢铸造村装配式高层钢结构住宅设计中，利用PKPM系列结构设计程序和YJK结构设计程序，对多遇地震和罕遇地震的影响进行了分析，并采用大型有限元软件MIDAS进行复核。在综合考虑各种因素的基础上，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅钢框架-钢支撑体系层间位移角控制在1/300以内。经过罕遇地震静力弹塑性分析，钢结构住宅楼层间位移角可控制在1/70以内，各项性能指标均满足现行相关规范的要求。

预制PC构件

3.1 预制混凝土组合板

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅楼板采用预制混凝土组合楼板技术，可实现快速安装。预制混凝土组合楼板虽然存在运输、堆放、吊装困难的缺点，但整体性好，刚度大，可节省模板，且楼板上下表面平整，便于饰面层装饰，适用于对整体刚度要求较高的高层建筑、大跨度建筑。预制混凝土组合楼板由下部预制混凝土底板和上部现浇层组成。组合楼板预制部分厚度为60mm，现浇层厚度为70mm； 预制板表面设为凹凸差不小于4mm的粗糙面，并在预制板内设置桁架钢筋，增加预制板的整体刚度和水平界面抗剪能力。

3.2 预制楼梯

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅楼地下室采用现浇混凝土楼梯，地上部分各层高度相同，采用预制混凝土楼梯。楼梯间采用全预制，如图4所示。楼梯间与钢梁连接处一端预留2个直径为80mm的孔，钢梁处焊接槽钢，孔内灌注细石混凝土，另一端可滑动。

图4 实际楼梯

3.3 预制阳台板、空调板

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅楼的阳台板可悬挑长度达，装配式阳台板与主体结构三面支撑，空调板支撑在反梁上，这两个构件可在指定工厂单独定制（图5）。

图5 预制阳台板与空调板实际效果

创新墙板系统

墙板体系特别是外墙板体系成为钢结构住宅的技术瓶颈，首钢在行业内首次提出的内嵌式外墙体系得到了行业的认可，成为行业主流做法。

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅完全满足北京市地方标准DB 11/891-2012《居住建筑节能设计标准》的要求，部分重要节能指标对比见表1。

表1 外围护系统节能指标对比

4.1 外墙板

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅外墙体系为100mm厚（45mm岩棉板+35mm厚OKS聚能（改性）挤塑板）AB型OKS复合保温板+200mm厚加气混凝土条形墙（或100mm厚钢筋混凝土预制板）。

该外墙体系的优点是：实现了墙板与主体结构抗震柔性连接，立面平整，整体性好，不易渗漏。外墙与钢梁连接节点如图6所示。

图6 外墙与钢梁连接节点

4.2 内墙板

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅已拥有两套内墙体系：加气混凝土条板体系（厚200毫米或100毫米）和钢带浮石板复合内隔墙体系。

加气混凝土条带体系相关连接节点参照《加气混凝土砌块及板材结构规范》，主要构造要求如下：

1）墙板采用均匀平缝时，板缝宽度不应大于5mm，安装时应将砂浆挤入缝隙间。

2）墙板侧边、顶边与钢筋混凝土墙、柱、梁、板等主体结构连接处应预留10～20mm的缝隙，缝隙宽度须符合结构设计要求。墙板与主体结构之间应采用柔性连接，缝隙处应用弹性材料填充。有防火要求时，应采用防火材料（如岩棉、玻璃棉等）填充缝隙。墙体抹灰层应设隔墙缝。墙板接缝处、内外墙体与不同材料（如混凝土、钢结构、金属附件）交接处、外墙抹灰层如采用强度较高的抹灰层时，应采取防裂措施，如采用耐碱玻璃纤维网格布压入聚合物水泥砂浆层中。

钢带浮石板复合内隔墙的组成及特点如下：

钢材的耐火(耐火)极限不小于3h；隔声性强，空气隔声值可达52dB；墙体刚性好，门框安装牢固；防潮，可在潮湿的房间内使用。

装饰装修一体化

设计标准化是实现室内装饰工业化的前提，室内装饰工业化是通过构件标准化设计实现的。通过标准化厨卫系统、标准化储藏系统等，可以提高工业化的效率。同时通过采用一体化卫浴、一体化橱柜、一体化储藏、轻钢龙骨隔断、同层排水及单立管排水、管线检查口、局部架空地板、防老化设计及构件、负压新风通风、排烟直排等优良构件，实现室内装饰技术干施工工艺，大大提高施工质量和住宅品质。

5.1 架空地板及同层排水

相对于传统湿式地板，架空地板施工简单，全部采用干式方法，自重轻，荷载小，降低了对楼板的承载力要求。传统方法中，水、暖、电管线全部穿过楼板，部分水管线要穿过较低楼层居民家中，一旦出现问题，维修起来非常麻烦。而采用架空地板后，管线布置在架空层，维修简单方便。

相较于传统隔层排水处理方式，同层排水解决方案最根本的改变是通过本层内管道的合理布局，彻底摆脱相邻楼层间的制约，避免排水横管占用下层空间带来的一系列麻烦与隐患，包括产权不清、噪音干扰、漏水风险、空间受限等。同时采用壁挂式卫生器具，地面不再存在卫生死角，清洁极为方便。

5.2 厨卫一体化

传统集成厨柜只是将洗菜、切菜、烹饪、储藏等功能简单整合到集成厨柜系统中，只是厨房中不可或缺的组成部分，并没有从根本上解决厨房装修问题。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅集成厨房通过“墙面、台面、地板、集成吊顶、集成厨柜”五大系统，完美解决了这一问题。对于卫生间，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅集成卫生间采用一体式压膜底盘，使卫生间防水防漏。

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅楼集成厨房不仅包含了墙体、墙面吊顶、墙面地板、门窗、灯光等环境要素，还融入了更多的厨房电器、厨具、厨房用品等，集成空间更大，是一套完整的厨房解决方案。

集成卫浴的主要特点是其整体成型的底盘，这种先进的技术取代了传统的泥水匠铺瓷砖制作卫浴的方式，在有限的空间内实现了洗漱、沐浴、更衣、如厕等多种功能。一体化的防水底盘、墙板、顶盖组成整体框架，将洁具、浴室家具、浴屏、浴缸、龙头、花洒、电器配件等全部整合成一个整体环境。在有限的空间内完美布局，集成卫浴提升了住宅的品质。集成厨卫以工厂精密预制、现场精细装配取代了卫浴、厨房原有的现场手工作业。

5.3 精装修

房间内存在阳角对于钢梁、钢柱来说是一个无法回避的问题。2015年10月，住房和城乡建设部发布《关于全市保障性住房实行全装修成品房交付的通知》（京建法〔2015〕17号），要求全市公共租赁住房、经济适用住房、限价商品房、棚户区改造安置房和自住商品房全面实行全装修成品房交付。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅按照工业化要求一次性全装修，通过建筑、结构专业人员的密切配合，达到了精装修后隐藏梁柱的效果。

BIM信息技术

6.1 BIM设计

装配式钢结构住宅是对传统设计中大量现场施工工序的重大改进，是一种以模块化工装构件辅以少量现场施工方式生产建筑的施工技术。该技术不仅对传统施工工序顺序和施工方式做出大量调整，而且对设计、材料、设备、设施、采购、供应、安装和施工技术提出了更高的要求。从设计角度看，传统现场作业中实现的大量建筑构件必须重新改为基于施工顺序图的单一设计，并要求在设计之初充分考虑安装施工中可能面临的各种问题。从材料及设施配套供应角度看，整个供应环节要求严格执行工厂产品级采购和检验要求。从施工角度看，传统施工过程中的临时场地布置将面临更多高精度的产品进出库管理、储存安全、破损防护和修复要求。

基于这些特点，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的BIM设计摒弃了传统BIM设计以设计成果建模、设计过程质检为核心的技术思路，强调设计、产品、采购、装配、施工、业主等全过程的组织与协同思路，强调设计图纸与工厂产品之间的逻辑组织，强调以装配式思路为核心的约束控制，强调产品的标准化及采购、备件管控技术，强调模块化产品对整体建筑的影响。采用更广泛的协同角色设置，允许不同层级的不同用户根据不同的角色定义及对应的权限进行相关应用，并采用目前国内主流的协同管理平台技术来实现上述协同技术思路。

在建模与信息化方面，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅强调采用标准参数化方法进行模块化产品设计和产品参数化检验，并通过关联技术及时了解不同规格产品、产品尺寸误差对整个建筑体系的综合影响。通过对产品和连接、节点等加工工艺的高精度建模，产品的设计尺寸、安装要求可以更好地反馈给制造单位，制造单位的产品控制结果也能更直接地作用于设计仿真。

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅建筑BIM设计水平基本达到DB 11/T 1069-2014《民用建筑信息模型设计标准》中BIM4.0水平。

6.2 BIM施工集成

通过搭建PKPM-BIM施工协同管理平台（图7），进行碰撞检查，实现各专业间的协同工作，在初步设计阶段消化深层次设计问题，为后续施工的顺利进行奠定基础。

图7 BIM集成模型

该项目作为工业化钢结构住宅试点项目，不仅没有经验可依，而且预制装配化率较高，导致各专业之间的衔接困难，施工过程中经常发生碰撞、连接问题。该项目通过导入Revit模型进行碰撞检查测试，在施工前解决了现场可能出现的冲突和碰撞，避免了人力、物力、时间的损失。在4D模拟施工阶段，可以在虚拟模型中描述和分析整个项目现场，减少返工。BIM最直观的特点就是三维可视化，利用BIM的三维技术，可以在前期进行碰撞检查，优化工程设计，减少施工阶段出现错误、损失和返工的可能性。施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线图进行施工汇报和施工模拟，提高施工质量，同时也提高了与业主沟通的能力。 BIM技术的应用还可以在设计中提前发现诸如钢梁、钢柱与楼板的碰撞，电气管线穿过钢梁，钢梁与墙板、板之间的连接等问题。

6.3 BIM运维管理

将BIM以其强大的模拟、数据优化、可视性和标绘能力应用于建设项目运营管理中，可以保证各类建筑信息的完整性，有效提高信息传递效率，为管理者的决策提供科学依据，减少不必要的人力成本投入和资源消耗，使建设项目运营阶段的管理工作更加智能化、人性化，最终取得良好的经济效益和社会效益。

耐候钢技术应用

本项目在国内首次在高层钢结构住宅中使用耐候钢，使钢材的耐腐蚀性能提高40%。同时，所有主要钢结构及其附件均须进行喷丸（喷砂）处理，不得进行人工除锈（镀锌铁件除外），除锈等级须达到Sa2.5级以上。外露钢构件分段连接处，焊缝须打磨平整，表面涂装后不得留有明显焊接痕迹。

钢结构除锈后涂装要求：底漆环氧富锌漆1道，漆膜厚度60μm；中漆环氧底漆1道，漆膜厚度70μm；钢柱防火漆25mm厚，满足钢柱2.5h耐火极限要求；钢梁防火漆15mm厚，满足钢梁1.5h耐火极限要求。增设防火板保护梁、柱。

结论

铸造村装配式高层钢结构住宅绿色高效、节能环保，项目以模块化方式集开发设计、生产安装、后期维护为一体形成的全产业链解决方案，尽可能实现标准化、系列化，是一套成熟完整的技术体系。

来源：高占阳,袁妮飞,李红光,张亚丽.首钢铸造村装配式高层钢结构住宅技术体系研究[J].钢结构,2019,34(6):49-53。

DOI: 10.13206/j.gjg。