钢结构住宅产业化的探索

        同样的建筑面积，采用钢结构建造的房屋使用面积较其他结构形式的要多，这是由于钢结构建筑的特性而决定的。杭萧钢构股份有限公司（以下简称杭萧钢构）是住房和城乡建设部认定的钢结构行业的第一家“国家住宅产业化基地”，也是在钢结构住宅领域取得较好成绩的一家企业。本版自今日起连续刊登杭萧钢构集团副总裁兼总工程师杨强跃等撰写的《钢结构住宅产业化的探索》一文，敬请关注。——编者
一、住宅产业化
        住是人类生活的四大要素之一，人生的2/3时间在住宅及其周围的居住环境中度过，因此，住宅是需要为人类提供具有安全性、居住性、耐久性、环境性能和经济性等性能和功能的产品。
        随着城镇化的快速发展，国内对住宅的需求持续呈上升态势，住宅产业也成为国民经济的支柱产业。笔者认为，实现住宅产业化生产，提高住宅产品的质量，节约能源消耗，符合我国目前可持续发展的战略需求。
        根据联合国经济委员会的定义，“产业化”的特点有6个：
        一是生产的连续性；二是生产的标准化；三是生产过程各阶段的连续性；四是工作高度组织化；五是尽可能用机械代替人的手工劳动；六是生产与组织的一体化研究与实验。
        结合住宅建筑的特点，即把住宅纳入社会化大生产的范畴，以住宅建筑为最终产品，做到住宅开发设计定型化、标准化，建造施工部件化、集约化、装配化，生产管理信息化，以提高住宅建筑产品的质量、提高生产的效率、延长住宅建筑的寿命、降低生产成本、降低生产过程中所需的能耗。
二、国内外住宅产业化发展现状
        国外住宅产业发展总的特征是按工业化方式组织生产。从二战后到20世纪60年代，住宅工业化遍及欧洲各国，并扩展到美国、加拿大、日本等经济发达国家。此后，住宅工业化建设从数量的发展向质量提高方向过渡。进入20世纪80年代后，随着社会经济、文化的发展，人们对居住要求的提高，住宅工业化开始转向注重住宅功能和多样化的工业化方向发展，住宅体系由专用体系向通用体系转变。
        法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一，他们创立了以全装配式大板和工具式模板现浇工艺为标志的“第一代建筑工业化”，并向发展通用构配件制品和设备为特征的“第二代建筑工业化”过渡。建筑体系由住宅向学校、办公楼、医院、体育及俱乐部等公共建筑发展。
        瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家之一，其80%的住宅采用以通用部件为基础的住宅通用体系。
        丹麦是世界上第一个将模数法制化的国家，大量居民住宅也采用多样化的装配式大板体系。
        英国的住宅产业化水平也很发达，采用的建筑结构形式是多元化的，并建造了一定数量的多高层钢结构住宅，如伦敦Raines庭院。
        前苏联及东欧一些国家在20世纪50～60年代以装配式大板住宅建筑体系为主，现正在探索标准构件的通用化体系，同时也结合各国的具体条件，适当发展现浇和现浇装配相结合的工业化住宅体系。
        美国住宅建筑市场发育完善，住宅用构件和部品的标准化、系列化及其专业化、商品化、社会化程度很高，几乎接近100%，各种施工机械、设备、仪器等租赁化非常发达，混凝土商品化程度达到84%。美国住宅多建于郊区，以低层住宅为主。早先的美国住宅多以木结构建造，随着轻型钢结构应用技术日趋成熟、完善，现逐步以钢代木。据统计，1996年美国已拥有20万幢钢框架小型住宅，约占住宅建筑总数的20%；轻型钢结构体系所占建筑市场的比例已从1965年的15%发展到2000年的75%。
        日本的住宅产业化始于20世纪60年代初期。为了使现场施工简化，提高产品质量和效率，日本对住宅实行部品化、批量化生产。20世纪70年代是日本住宅产业的成熟期，这一时期产业化方式生产的住宅占竣工住宅总数的10%左右。20世纪80年代中期，产业化方式生产的住宅占竣工住宅总数的15%～20%住宅的质量和功能提高了。到20世纪90年代，采用产业化方式生产的住宅占竣工住宅总数的25%～28%。日本是世界上率先在工厂里生产住宅的国家，其工业化住宅的结构体系主要以轻钢结构为主，轻钢结构的工业化住宅占工业化住宅约80％左右；另外，日本也建造了一定数量的高层钢结构住宅，如芦屋浜高层钢结构住宅。
        1956年，我国开始提出建筑工业化发展思路，因住宅建设量大面广，其发展主要在住宅业。20世纪50年代末出现装配壁板式住宅，20世纪60年代出现砖壁板住宅，20世纪70年代以后开始推广大模板住宅、滑升模板住宅、框架轻板住宅。尽管近些年来，我国的住宅业取得了比较大的发展，但其发展水平还处于粗放型发展阶段，住宅产业化的发展才刚刚起步，具体表现在以下5个方面：一是住宅建设的工业化程度低；二是建筑材料、设备及住宅部品的生产和供应，没有形成技术先进、规模生产、系列化配套的社会化供应体系，导致住宅质量不高、设备通用性差、性能成本比不合理；三是资源没有得到有效利用，能源浪费严重；四是现场施工机械化、合理化程度低，施工技术服务体系缺乏；五是我国科技进步对住宅产业发展的贡献率低，住宅产业为一种粗放型的发展方式。
三、住宅产业化的主要方向
        住宅产业化是指用工业化生产的方式制造住宅，在提高住宅建设的劳动生产率的同时提升住宅整体品质，降低资源的消耗。
我国住宅产业化的建筑结构体系包括预制混凝土（PC）装配式建筑、轻型钢结构建筑、多高层钢结构住宅等。
        预制混凝土（PC）装配式建筑是在工厂内预制混凝土构件或部件，在施工现场装配而形成的住宅。预制装配式住宅的核心是构件预制与节点现浇相结合，发挥各自优势，保证结构的整体性。预制混凝土装配式住宅的优势有质量好、工期短、产业化程度高等，但与现浇混凝土结构相比，节点处现场施工质量控制要求高；同时整体性不如现浇混凝土，在高层以及高烈度区应用需谨慎。
        轻钢结构住宅体系是指由围护、墙体及隔断结构与钢架支承结构共同组成的住宅体系，刚架支承结构一般采用冷弯薄壁型钢。轻钢结构住宅一般用于低层住宅中，尤其是别墅中。该体系质量轻，构件工厂加工现场装配，施工速度快，质量好。
多高层钢结构住宅体系由钢结构作为承重结构，配合工业化楼板系统、内外墙体系统，形成一套完备的住宅建筑体系。多高层钢结构住宅体系的优势有：柱网间距大、构件截面小，建筑布局灵活得房率高；结构构件全部在工厂加工，现场装配化程度高。多高层钢结构住宅体系需要解决的是楼板和内外墙板体系的工业化问题，并满足建筑隔声、保温、防水以及与钢结构的连接节点构造等要求。
四、钢结构住宅产业化的现状与存在的问题
        第一，钢结构住宅的优势。推进我国住宅产业化发展，应结合目前住宅的实际情况，通过推广应用既能满足住宅建设需要，又能适应今后住宅建设发展方向要求的先进、成熟、经济、适用的新技术、新产品，用现代科学技术加速改造传统住宅产业，提高住宅产业的技术水平和住宅建设的整体效益，推进住宅产品的系列化开发、规模化生产、配套化供应。钢结构住宅在很多方面满足了上述的要求：
        一是从采用的建筑材料上讲，钢结构住宅是以钢结构为骨架配合多种复合材料的轻型墙体拼装而成，无论是承重结构体系还是配套楼板及围护墙体，所用材料均可达到工厂标准化、系列化、批量化生产，改变了传统住宅采用砖、瓦、灰、沙、石在现场大量作业的情况。
        二是从采用新技术上讲，钢结构住宅对建筑技术的要求大大高于传统砖石或混凝土住宅，它可以利用建筑方面的新技术、新产品向住户提供多样化、选择性、适应性强的经济住宅。
        三是钢结构住宅可以带动其他建材产品的进一步发展。随着钢结构建筑的普及推广，与钢结构密切相关的防火、防腐材料已得到快速发展；围护与承重结构完全分开，有利于轻质、高强、节能、环保的新型墙体材料的开发、创新；为适用于钢结构的工厂化生产制造的节点构件及设备产品提供广阔的建筑市场；对施工机械化程度的较高要求，促进施工机械的改良与革新。
        四是钢结构住宅由于采用标准化、系列化、批量化生产和机械作业，将大大提高劳动生产率。住宅开发从项目走向企业，从工地走向工厂，这是住宅产业化发展的必然趋势。随着我国工业化进程的加快，工业化住宅不仅对住宅建设会产生深远的影响，而且必将在住宅市场上占有巨大的份额。
第二，国内钢结构住宅的实施案例。钢结构住宅在我国的应用刚刚起步，已有成功案例的主要企业有杭萧钢构、宝钢集团、莱钢集团
等。
        汶川地震后，宝钢承担的救灾安置房项目——都江堰幸福家园·逸苑用地面积83亩，总建筑面积11.5万平方米，可安置受灾群众1324户。该项目是由宝钢总承包建设的全钢结构安居房，被列为四川省首批启动的灾后重建重点项目，也是国际钢铁协会LivingSteel指定钢结构住宅示范工程。
        由莱钢集团建设的凯旋新城钢结构住宅项目，其有效使用面积比相应砖混结构和钢筋混凝土结构提高约3%～6%。
        杭萧钢构股份有限公司（以下简称杭萧钢构）经过10多年研发，形成了一套完善的钢结构住宅体系成套技术。该体系从主体结构构件、梁柱节点、楼板系统和墙板系统、钢结构的防火防腐等几个方面系统解决了钢结构住宅的产业化问题。该技术符合标准化设计、工业化制造、装配化施工、信息化管理的产业化要求。
        2010年，杭萧钢构成为钢结构行业的首个“国家住宅产业化基地”，生产基地钢结构住宅三板体系配套能力达1000万平方米，为钢结构住宅的产业化生产提供生产和质量保障。
        由杭萧钢构建设的武汉世纪家园采用了杭萧钢构自主研发的多高层钢结构住宅成套体系，该项目也是住房和城乡建设部“节能省地型”科技示范工程。该项目于2009年交付入住，其性能得到了社会与住户的充分肯定，特别是外墙系统成功地解决了开裂与渗漏问题。
        采用杭萧钢构自主研发的多高层钢结构住宅成套体系建设的万郡·大都城住宅小区是全国钢结构住宅产业化示范小区，2013年1月被住房和城乡建设部批准为“省地节能环保型住宅、国家康居示范工程”，2013年7月通过绿色建筑二星设计标识专家评审。
        由杭萧钢构建设的安哥拉安居家园工程采用钢框架——支撑体系。该工程在非洲被誉为“五星级住宅”，得到安哥拉总统桑托斯、安哥拉政府以及联合国人居署的肯定，并被授予“联合国人居环境奖”。
        第三，钢结构住宅需要解决的问题。我国钢结构住宅起步较晚，大规模的研究开发、设计制造、施工安装还是近些年才发展起来的。与发达国家相比，我国钢结构住宅的产业化还存在较大差距，有待于不断改进和提高。目前制约我国钢结构住宅推广应用和发展的主要问题有：
        一是建筑材料方面，钢结构所需的钢材产量很高，材质、材性和选用标准比较齐全，但仍需要进行完善，比如冷弯型钢结构在钢结构住宅中应用的防火验收标准、耐火耐候钢材的开发应用等。钢结构住宅的围护材料研究方面有待进一步完善，研发适用于工厂化部品生产的围护材料，满足建筑保温、隔声、防火、防水以及易于现场连接等的性能要求。
        二是结构体系方面，对于各种钢结构体系，目前还没有明确规定使用范围，因此在住宅结构选型时，多从结构的受力性能出发以降低用钢量。钢结构体系的设计需要考虑结构安全、经济性能、部品构件标准化的问题，是一个复杂的系统工程，虽然目前已有不少的研究，但实际应用中仍未达到产业化的广泛推广，钢结构住宅体系的结构选型和优化仍需大量的研究与创新。
        钢结构住宅的建造可引入BIM系统等信息化技术手段。BIM提供了一种交互式的住宅虚拟设计平台，可针对每个部品构件，建立构件信息化系统。在构件制作、施工前对构件进行虚拟三维检讨，以期在制作和施工前发现存在的各种问题并予以解决。引入BIM系统，可以从设计方面完善各专业的配合；从制造方面控制产品的质量和精度；从施工方面控制施工定位精度和施工组织，有效提高现场的效率。
        政府通过公有住宅建设模式以及政策法规方面的引导作用。可以借鉴先进国家的经验，譬如，日本以公有住宅建设来解决住房短缺问题并推进工业化，以政策和法规来引导与规范住宅产业的发展。
        三是经济性能方面，钢结构住宅体系仍存在单方造价过高的问题，特别是与传统的现浇混凝土结构相比，建安单方成本往往高5% 15%，但在资金成本、人工费、使用面积方面，仍有明显的经济优势，具有较好的综合效益。
        四是民众观念方面，虽然钢结构住宅在国外已经成熟和完善，但对国内民众还是新鲜事物。中国消费者长期习惯了砖混或钢筋混凝土的住宅，从慢慢开始接受到逐步习惯、进而喜欢钢结构住宅，还需要一个循序渐进的过程。
        此外，防火、防腐也是制约钢结构住宅推广的一个问题。由于我国钢结构的发展和应用时间不长，对钢结构防火设计的研究还不够深入，传统耐火设计要求对防火涂料的性能与施工质量的控制要求，将会增加工程造价。与钢结构主体使用年限相比，防腐涂料的耐久性还需要提高。近几年我国防火防腐技术有了较大发展，但与工业化产业化要求相比，还有待进一步的研制和开发。
        钢结构住宅建设模式的制约也不能小觑，现有的住宅建设模式基本上是开发建设与设计分离、设计与建造分离，这种现状严重地影响了钢结构住宅产业化发展与推广的原动力。
五、钢结构住宅的发展方向
        钢结构住宅的产业化需要产业链的整合，需要将钢结构住宅的源头标准化模数化设计、钢结构工业化制造、围护体系制造、配套门窗厨卫设备等综合考虑，提供配套适应性强的产品。钢结构只是解决住宅建筑的结构问题，整合建筑体系完整的产业链条，提供完整的产品，还需要其他住宅配套体系的协作。
        在产品研发方面，不能仅仅依靠企业，行业协会或政府主管部门应作为主导，整合全流程各参与企业的共同研发。
        在设计方面，可从产品的标准化、模数化方面入手，形成系列化配套产品，有利于产业化生产，提高部品构件的适用性。钢结构的结构体系需要创新，满足住宅建筑对布局以及使用方面的功能要求，避免较大的钢柱、支撑等对建筑使用的影响，减薄建筑墙体厚度。钢结构的制造方面，控制产品质量和制作精度、降低制作成本。围护体系的制造应由专业化公司承担，为钢结构住宅体系提供质量可靠、装配性强的标准产品。配套门窗、整体厨卫等生产厂家，可配合开发适用于钢结构住宅的标准配套产品。
        钢结构住宅体系的建造流程需进行改变。部品构件的加工大部分需在工厂内完成，现场只进行装配化安装，提高现场的装配化性能，采用机械设备，减少现场人工，缩短现场的工期。