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前  言

装配式建筑结构已在多高层住宅、写字楼等建设项目中越来越广泛应用,呈现出装配式建筑的巨大优势,成为建筑领域的新秀。

      中南钢构是国家装配式建筑产业基地。公司联合清华大学成功研发波形钢板组合结构技术”后共同主编的《波形钢板组合结构技术规程》(编号为T/CECS 624-2019)经中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会组织审查,于2019年9月20日批准发布,2020年3月1日起正式施行。规程的发布施行,为国家装配式建筑产业提供了一套全新且有规程依托的结构体系,并将助推我国装配式建筑产业的发展进程。

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图为中南钢构被授予“国家装配式建筑产业基地”

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图为中南钢构“高层建筑波形钢板组合结构体系研究”

被杭州市城乡建设委员会认定为“2020年度杭州市新型建筑工业化示范项目”

 

      一、技术研发

         1、研发背景:以前低层住宅钢结构多采用龙骨承重体系,即盒子结构,其缺点是不适合三层以上的住宅;多高层住宅钢结构多采用框架+剪力墙/框架+斜向支撑(防屈曲支撑、中心支撑)结构体系,但出现了梁柱与墙体宽度不一致带来的露梁、露柱,影响观感和使用,斜撑的使用还影响了门窗洞的设置,而波形钢板组合结构技术剪力墙可以克服这些缺点。

       2、研发过程:针对上述问题以及传统技术、工艺暴露的缺陷,中南钢构联合清华大学郭彦林教授团队成立研发小组,通过研究、分析、摸索,经过无数次的实体试验、力学分析,然后再经过样品房实际应用,终于成功研发出波形钢板组合结构技术这项科技成果。

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图为研发小组在进行试验

       波形钢板组合结构体系技术于2017年5月14日顺利通过了董石麟、江欢成、周绪红、聂建国、陈政清等院士及郁银泉、郝际平、范重、王立军、李霆等教授与设计大师参加的“高层建筑波形钢板组合结构体系”科技成果评估会,一致认为该项目成果总体达到国际先进水平,其中对波形钢板组合结构体系的理论分析和试验研究达到国际领先水平。

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图为参加评估会议的院士、专家、设计大师等合影

       3、结构原理:波形钢板组合墙由两块对称放置的波形钢板、内填混凝土、钢管混凝土边柱以及连接两块波形钢板的高强螺栓组成,其结构布置形式包括一字型、L型、T型等,边柱可采用方钢管、H型钢或槽型钢等,螺栓布置在波形钢板的波谷位置并呈正交或错列布置形式,起到限制(向内)与牵制(向外)波形钢板的位移,并通过波形钢板一并形成对混凝土的约束作用。

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图为波形钢板组合结构形式

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图为波形钢板组合结构的设计与施工效果图

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图为自动化生产制造的波形钢板剪力墙钢构件

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图为应用波形钢板结构技术建造的样板房在施工中

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图为应用波形钢板组合结构技术建造的样板房

         4、性能优势:波形钢板组合结构具有较高的承载效率和优越的抗震性能。波形钢板与内嵌混凝土通过对穿螺栓连接,二者具有非常高的组合效应。波形钢板由于自身的波形形状,其在压弯剪作用下的屈曲载荷远远大于平钢板;波形钢板受混凝土单侧约束以及对拉螺栓的牵制作用,大大提高其压弯剪屈曲载荷。同时,混凝土受波形钢板和对拉螺栓的约束作用,其强度与延性也有较大提高。

        5、构件生产:波形钢板压型与组装过程由设备下料、机械冷压、液压成孔、自动装配、自动焊接、自动涂装等加工工艺组成,实现工厂自动化和智能化构件的生产。

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图为波形钢板组合结构钢构件自动化生产线(效果图)


       二、规范编制

2017年11月6日,在杭州举办的装配式结构体系的讨论和交流会上,中国工程院院士聂建国等有关专家分析了装配式结构体系技术研究的新形势、新技术以及未来的推广、应用和发展方向,充分肯定了中南钢构在装配式结构体系研发及实施方面取得的成绩,并建议尽快推广和实施。

2018年5月19日,中南钢构联合清华大学共同主编、专家及设计大师等参编的《波形钢板组合结构技术规程》(CECS)编写启动会在杭州举行,与会专家和设计大师一致认为规程编制内容齐全、技术新颖、理论数据及计算公式表述清晰正确,符合在高层装配式钢结构建筑中的应用和实施。image.png

图为规程编制组第一次工作会议场景

      2018年10月28日,规程编制组第二次工作会议再次在杭州召开,中南钢构与清华大学等主编单位代表以及建筑设计院总工程师、专家教授、设计大师共30余人参加会议。

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图为规程编制组第二次工作会议场景

      2019年5月11日,中国工程建设标准化协会《波形钢板组合结构技术规程》(CECS)(送审稿)审查会在杭州白马湖建国饭店举行。经过评审组对送审稿的全面审查,以及主编单位、参编单位对评审组领导、专家提出的有关问题的相应解答,评审组成员对《波形钢板组合结构技术规程》(CECS)(送审稿)给予一致认可,通过了评审组的审查。

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图为《波形钢板组合结构技术规程》(送审稿)审查会场景


         三、技术概况

 波形钢板组合结构体系,包括波形钢板组合剪力墙,钢管混凝土柱和钢梁,以及墙梁节点。波形钢板组合墙为两块波形钢板通过对拉螺栓连接,内灌混凝土形成组合剪力墙,其截面包括一字型、L 型、T 型、Z 型。波形钢板采用非对称梯形波,波形钢板厚度不小于4mm,波峰85mm,波谷40mm,波幅35mm,波长180mm。其技术核心为波形钢板具有较好的抗压和抗剪屈曲承载力。钢管混凝土柱一般采用成品矩形管,现场浇筑混凝土形成组合构件,钢梁为H型钢,可以采用热轧钢或车间焊接钢。波形钢板组合墙是一类经济、高效的墙肢结构,具有承载力高、节约材料的优点。改变了传统钢板剪力墙施工工艺,波形钢板在施工阶段作为内灌混凝土的模板,实现装配式施工工艺。波形钢板组合结构体系较其他传统钢结构体系用钢量更低,经济性更好。

 波形钢板组合结构体系适用于多高层建筑,建筑高度可达100米。技术已经经过项目实践检验,与同类钢结构装配式建筑体系相比,技术成熟且具有成本优势。与传统现浇技术相比,综合造价基本持平或略有偏高。

        技术适用范围及应用条件

 波形钢板组合结构体系适用于抗震设防8度及8度以下的地区。该体系可应用于多高层住宅、办公楼、学校、医院、商场等建筑结构体系中。建设高度可达100米。在建筑中表现为主体结构的剪力墙构件以及配套的框架柱,框架梁和楼板等承重构件。该体系正常施工需要具备以下条件:1、具备波形板压制流水线及常规钢构件加工能力;2、具备常规塔吊设施;3、具备自密实混凝土浇灌条件。


         五、技术应用项目案例

        1、河北沧州罗湖·四季花语10#楼高层住宅项目:项目于2019年8月开始施工,计划2019年12月前完成结顶,项目建筑面积为13165平方米,建筑高度52.1米,地上18层,地下1层,共计2个单元144户。本项目是中南钢构与清华大学合作开发的波形钢板组合剪力墙技术成果在高层住宅中推广实施的首例项目,主体结构为异形钢管混凝土柱、钢管混凝土柱钢梁框架+波形钢板组合剪力墙结构体系,标志着中南钢构自主研发的装配式钢结构技术开始在国内高层住宅项目中落地应用。

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图为应用该技术的钢构件在车间进行生产制造

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 图为波形钢板结构技术构件在罗湖·四季花语10#楼高层住宅项目施工安装中

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图为罗湖·四季花语10#楼高层住宅项目完工图

        2、杭政储出[2019]13号地块1#、2#住宅项目:项目采用钢管混凝土柱钢梁框架+波形钢板组合剪力墙结构体系,总建筑面积为35648平方米。其中,1#楼建筑高度78.46米,层数为18层( 4层裙房),主楼的功能为办公,裙房的功能为商业;2#楼建筑高度73.65米,层数为17层( 3层裙房),主楼的功能为酒店客房,裙房的功能为酒店配套及商业。两塔楼共用一地下室,嵌固端均设在地下室顶板。

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图为杭政储出[2019]13号地块1#、2#总效果图


        技术应用效益分析

 1、技术推广的经济效益:波形钢板组合结构体系具有装配化程度高,结构承载和抗震性能优越的特点,高度响应国家关于住宅结构体系装配化、产业化的号召,实现建筑体系的绿色节能。该体系在满足经济效益最优化的前提下,社会效益显著,满足可持续发展要求。现阶段,钢结构住宅结构体系在国内市场正面临空前的大力发展,现有的钢结构住宅数量相对较少,因此市场前景广阔、潜力巨大。波形钢板组合结构体系技术推广量按每年100万平方米计算,企业产生直接经济效益6.4亿元,利润 7800万元,增加税收2240万元。

 2、与混凝土结构相比的经济、社会效益:与传统混凝土结构相比,波形钢板组合结构以其独有的结构受力特点和加工制造特点,可产生以下社会、经济效益:

(1)缩短工期:采用工厂化制作和现场装配化施工,施工进度 2~3 天一层,工期可缩短1/3~1/2;

(2)降低资金成本:工期缩短,实现融资成本和管理成本减少至传统结构的 0.75~0.85;

(3)降低人工成本:装配化施工,现场用工量减少 60%~70%,直接人工成本和人工管理费降低60%~70%;

(4)降低建筑物自重量:钢结构自重轻,地下室所需的承载能力也相应减轻,地下室的直接成本和间接成本减少至传统结构的 0.8~0.9;

(5)增加建筑物实际使用面积:波形钢板组合结构体系,钢构件截面较传统的混凝土结构截面显著减少,建筑物套内使用面积增加 5%~8%,高得房率的优势,销售单价可适当增加 5%左右;

(6)增加地下车位数量:地下室构件截面较优,地下车位数量增加 10%~20%,车位的直接销售收入增加 10%~20%;

(7)节省财务成本:该结构体系装配化施工,隐蔽工程少,质量透明与可控;工厂标准化生产,尺寸精确到毫米;房屋品质提升,提前交付加快资金周转,节省财务成本;

(8)降低碳排放量:波形钢板组合结构体系,采用新型墙体材料,现场混凝土用量较少,综合碳排放减少近40%,履行企业社会责任;

(9)降低污染:装配化施工,现场湿作业较少,现场扬尘、噪音、污水减少 80%以上,实现文明施工;

(10)节约水资源:墙体中大量采用尾矿石英砂、粉煤灰、脱硫石膏等,变废为宝,实现工业废料资源化利用,减少天然矿山的开采和粘土资源的浪费;湿作业减少和新型材料工厂制作,有效地减少水资源的浪费,施工现场地下降水水源基本能满足施工作业需要;

(11)提高使用舒适度:该体系工厂化制作,现场装配化施工,实现四节一环保,满足绿色建筑要求;钢结构与传统混凝土结构相比具有较好的延性,抗震性能好,给用户提供安全舒适的居住环境。

 3、与钢管束结构体系、箱型钢板墙结构体系比较,波形钢板组合结构体系可产生以下的经济、社会效益:

(1)车间焊接工程量大幅减少,焊接作业材料成本和人工成本可减少 60%左右,直接产生的环境负面效益可减少 60%左右;

(2)围护体系采用组合墙已有螺栓连接,施工过程无需焊接,加快施工进度,维护体系的直接成本可较大程度的降低;

(3)围护体系采用螺栓连接,高空作业危险系数较大程度地降低;

(4)围护体系的抗震性能比焊接连接的性能较大程度地改善,真正实现百年住宅。


        七、未来前景

       在国家政策的大力支持下,装配式建筑已在全国范围内成为项目建设的首选,应用波形钢板组合结构技术,能更加提高功效,降低成本,并且根据城市化发展的进程加快以及国家有关政策支持,装配式住宅建筑的市场将越来越大,前景越来越宽广;同时,随着一带一路沿线国家经济发展及建设的加快,国外城市对装配式建筑的需求量也将越来越大,而波形钢板组合结构技术能更好满足这一需求,可以在国内生产,国外装配,大大减少境外作业的施工量和工期,并有效保护周边环境,进一步彰显中国建造的强大优势。