冷弯薄壁型钢装配式建筑技术研讨与工程实践2016-11-15

[课  题]  冷弯薄壁型钢装配式建筑技术研讨与工程实践
[作  者]  吴曙岽  

       一 [摘  要]  采用冷弯薄壁型钢结构作为建筑主要承重构件的建造方式起源于北美，在欧美、澳洲、日本甚至于台湾等发达地区早已蓬勃发展多年，其模块化设计、工厂化制作、拼装式建造的特点，使得这种结构形式非常易于实现装配式建筑，再加上其节能保温、快速施工、回收性强的优点，冷弯薄壁型钢结构一直作为一种重要的绿色建材被发达国家及地区广泛应用。

       上世纪末，这种优秀的结构体系进入到了中国，然而十多年的发展历程，并没有让这种结构体系得到中国市场的广泛认可，在一片叫好声中，冷弯薄壁型钢结构房屋的众多开拓者们始终在煎熬中等待着“春天”的来临。

       二 [背  景]  2016年2月22日，中共中央国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，其中第四条“提升城市建筑水平”中，第11小条，明确提出：发展新型建造方式。大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染，缩短建造工期，提升工程质量。制定装配式建筑设计、施工和验收规范。完善部品部件标准，实现建筑部品部件工厂化生产。鼓励建筑企业装配式施工，现场装配。建设国家级装配式建筑生产基地。加大政策支持力度，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。积极稳妥推广钢结构建筑。在具备条件的地方，倡导发展现代木结构建筑。

       2016年6月16日，上海迪士尼乐园盛大开幕，人们恐怕很难想到在那些梦幻般的造型背后，在那些史诗般的建筑内部，钢结构、装配式的建造理念被应用的淋漓尽致，冷弯薄壁型钢的结构体系更是被设计到了极致。美国人给我们这些中国的建造者们好好上了一大课，做完了迪士尼，我们才发现：原来房子可以这样制作。

       三 [冷弯薄壁型钢装配式建筑体系简介]
       冷弯薄壁型钢是一个很大的概念，包含了材料壁厚从1.5mm~6mm的檩条、L型钢、H型钢、方钢管等各种冷弯型钢（见图示1）以及压型钢板。本文提到的冷弯薄壁型钢装配式建筑所采用的“冷弯薄壁型钢”是怎样的一种东西呢？

    

图示 1摘自《冷弯薄壁型钢结构技术规范》

       2011年12月出版了行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ227-2011），在这个行业标准中拓展了原来冷弯薄壁型钢材料壁厚不小于1.5mm的范围，最薄材料厚度可达0.6mm，主要型钢断面为C型和U型（见图示2、3），构件术语中出现了立柱、顶导梁、底导梁等新概念。

 

图示 2摘自《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》

     

图示 3摘自《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》

       从上面的术语和图示2、图示3来看，是不是跟普通的轻钢龙骨（见图示4）又很像呢？

 

图示 4摘自《建筑用轻钢龙骨》

        看完上面的描述，是不是很多人都已经蒙圈了。的确，这就是我们现在面临的现状，很多人看到我们的东西，尤其是在看到我们的价格时，直接就会说，这不就是檩条吗？这不就是轻钢龙骨吗？为什么要那么贵，这一句话几乎就可以把这个产业扼杀在摇篮里。但我们可以想想：有用普通轻钢龙骨做承重墙的吗？有在檩条上直接装石膏板，做装修的吗？连专业人士都分不清，更何况普通大众？因此在这里，我们必须明确，后续本文所指的冷弯薄壁型钢装配式建筑使用的“冷弯薄壁型钢”，仅指上述行业标准JGJ227-2011中提到的型钢——一种在原有冷弯薄壁型钢概念基础上衍生出来的，厚度薄很多，但又长相貌似轻钢龙骨的，厚度厚不少的特殊冷弯薄壁型钢。
       具体概念如下：采用材料壁厚在0.8mm~3.0mm的C型或U型冷弯薄壁型钢作为主要承重构件或主要围护体系构件的一种结构形式，型钢间距一般为300~600mm，型钢内部填充保温隔音材料，型钢两侧安装结构板材或围护板材，共同形成一种“板肋结构”。采用上述结构形式，以装配式的手段建造房屋的手段，我们称之为冷弯薄壁型钢装配式建筑体系。
       从定义中，我们可以看到，这种体系被区分成了两大应用范围：一是完全用冷弯薄壁型钢作为整个房子的承重结构，无其他H型钢或混凝土框架等作为主要支撑构件（简称纯冷弯薄壁型钢结构建筑，图示5）；二是把冷弯薄壁型钢结构做成墙体组件（尤其是外墙），配合其他框架结构使用（简称冷弯薄壁型钢复合墙板建筑，图示6）。前者的应用范围主要是别墅、度假屋、办公楼等低层建筑，后者的应用范围较为广泛，可以配合各种框架体系，用于写字楼、公寓、商场等多、高层建筑，替代传统围护建材，诸如水泥砌块等。

           

图示 5                                                        图示 6

       那么本文的冷弯薄壁型钢都有些怎样与众不同的地方呢？
       首先，此轻钢龙骨非彼轻钢龙骨。前文提到，从外观看我们的冷弯薄壁型钢就是轻钢龙骨，但我们的冷弯薄壁型钢是要能够承重、受力，而且是承受不小的力，这点是普通轻钢龙骨所做不到的。因此这套结构体系才会有自己的一套行业标准，在标准中对构件规格、材料壁厚、屈服强度、镀锌量等均已有明确要求。因此也可以说我们用的冷弯薄壁型钢就是高档次的轻钢龙骨，是把普通轻钢龙骨进行了升华，用于更广阔的范围。

       其次，此C型钢非彼C型钢（檩条）。传统C型钢（檩条）主要是用于钢结构工业厂房，通常是安装在檩托板上，其加工工艺简单、设备粗糙，构件精度要求不高，尤其是弯曲内角（R角）、直线度、扭曲度、切口变形等数据都比较差。而冷弯薄壁型钢结构的安装形式是类似轻钢龙骨安装方式的C/U插接模式，对C/U两组构件的匹配精度要求极高，另外，所有构件都是工厂定制，甚至是由结构设计软件直接导出数据，自动生产，其构件各方面精确度都要求控制在±2mm以内，这样才能确保最终由冷弯薄壁型钢拼装出来的墙体、屋架或楼板的尺寸能够满足技术要求。

表1  三种构件一般性能比较        （未标注数据单位为mm）

       再次，冷弯薄壁型钢结构体系的受力机理是竖向龙骨与天地龙骨及侧向支撑或覆板组成受力墙体，竖向力由屋架或楼面梁传至墙体的竖龙骨，再传至基础；水平力由受力墙体传至基础。竖向力传力示意：屋架→二楼墙体竖向龙骨→楼面梁→一楼墙竖向龙骨→基础。整个结构体系见图示7。从图中可以看到，所有承重龙骨都在整体受力，整堵墙都是承重墙，没有传统结构体系中单独的柱、梁。

 

图示 7

       第四，冷弯薄壁型钢结构体系中的构件连接主要采用自攻自钻螺钉或铆钉作为紧固件，部分位置采用螺栓连接，不需要焊接，构件与螺钉之间、构件与构件之间非常紧密，确保结构的稳定性。施工简单、快捷、无污染。

       综上所述，冷弯薄壁型钢装配式建筑采用的是一种全新的结构形式，具有很多区别于传统结构形式的特点。那下面，让我们来结合工程实践看一看这种新型建筑形式在中国的发展。

       四 [冷弯薄壁型钢装配式建筑体系以往工程实践]
       作为一种源于北美木龙骨体系的新型结构形式，冷弯薄壁型钢装配式建筑体系早已在北美、澳洲、日本、欧洲甚至台湾得到了蓬勃的发展，并在各自区域分别形成了完整的建筑体系。从2000年开始，这种新型结构形式也来到了中国。其特有的节能环保、抗风抗震、工业化生产、施工便捷等优点也得到了众多国内开发商、承建商以及政府部门的认可，尤其是在低层建筑领域的应用范围，更是不断拓展。

    

图示 8  2002年大连枫桥园纯冷弯薄壁型钢别墅项目

       但从规模经济的角度来看，冷弯薄壁型钢装配式建筑体系在国内并未得到充分的应用，甚至可以说，这种结构的市场目前依旧只是小众市场。问题出在哪里了呢：
    1、“相对”造价过高。冷弯薄壁型钢毕竟只是一种结构，要把房子全部盖起来，还需要围护、水电、门窗等等，仅结构本身并不贵，一般也就在350元/m2左右（就这个价格还天天有人跟我纠结），而把各种保温材料、围护板材都装上以后，价格就上去了（毛坯都要1500~2000元/m2）。但这种价格的上升所带来的是房屋性能的提升，诸如：保温、隔音、抗风、抗震、低碳排放、可回收利用等等。800元/m2的传统建造模式恐怕难以提供给用户一个绿色环保的房子。
    2、自身功底没打好，客户体验感差。最早在国内做冷弯薄壁型钢装配式建筑的企业，多数是搞钢结构起家的，这比较容易理解，很多人都会直观的觉得那就是檩条，因为都知道普通轻钢龙骨盖不了房子，于是众多把檩条不当一回事的钢结构专家们开始搞冷弯薄壁型钢建筑，多数是碰的满脑袋包撤了。究其原因很简单，冷弯薄壁型钢只是个结构，在整个房屋造价中占得比例不高，在整个施工环节中同样也只是个开头，真正让客户有接触，有感觉，能够评判你水平高低的全在后道工序上，这是钢结构企业所欠缺的，更惹祸的是，从一开始这种东西就被定位用于高端别墅上，那客户对装修的要求可想而知。头几年的项目往往都在装修阶段上栽了不少跟头。当然也有例外，早期比较好的项目还是有的，诸如：北京的纳帕溪谷别墅（包括后续到处复制的纳帕尔湾）。不过，这个项目的主导是房产开发商，毕竟开发商的整体集成能力还是不错的。

图示 9  2009年昆山纳帕尔湾纯冷弯薄壁型钢别墅项目

    3、“居住习惯不同”。
       由于是板肋结构，墙体内部多数填充的是保温棉，这导致了一个后果，敲在墙上“咚咚”响，中国老百姓花了大半辈子血汗钱买个空心墙房子，显然难以接受。更有甚者，汶川援建时，我们给陕西、甘肃灾区供应农民自建房时（图示10），有些农民兄弟非常担心咱的墙会被锄头捅漏了，坚决不要，最后不得不再砌一片砖墙，用来靠农具。

   

图示 10  2008年汶川地震陕西、甘肃农民自建房

       价格贵、质量差、还是空心墙，你说这结构有啥推广的价值？有段时间我真迷茫了，但更让我迷茫的是，这么一无是处，为啥美国人要用它？为啥澳洲到处都是这玩意？为啥汶川援建，台湾人指定援建资金只能用于盖这种结构的房子？连一向严谨的欧洲人民也不排斥。到底我们的问题出在哪里了？
       俗话说：男怕入错行。正当我们开始质疑自己的选择时，突然来了个上海世博会，大量的办公室、小卖部、移动厕所等配套设施，需要在极短的时间内完成，且这些建筑都是一层、两层的小房子，最大的建筑面积才1500m2左右，单体数量有近300个。采用传统做法来不及，采用彩钢板房有损大上海的国际范。于是乎，我们的冷弯薄壁型钢结构粉墨登场，并且顺利完成了。

   

图示 11  2010年上海世博会配套用房

       上海世博会的参与给了我们一个启示，好钢还是得用在刀刃上，只要用对了地方，用好了集成技术，冷弯薄壁型钢结构体系还是大有前途滴。之后的数年里，我们开始把设计整合、集成施工作为提升自我竞争力的主要手段。
       2013年，冷弯薄壁型钢结构再次以高端临时办公室的身份进入上海迪士尼乐园项目，随着项目的不断深入，我们突然发现，原来美国人以前的设计图纸，就是采用冷弯薄壁型钢结构作为主要的墙体次结构，再覆以水泥板、石膏板等板材基面，然后施工主题砂浆，从而打造出各种各样的梦幻造型。

            

图示 12  2016年上海迪士尼乐园项目

       尤其是一些特殊的造型，冷弯薄壁型钢结构的使用几乎达到了极致。譬如这堵18m高的墙体，完全靠型钢自己站起来，周围没有其他任何结构在侧面支撑。正是在这堵墙做成的巨型屏幕上，展示出了沉落宝藏之战史诗般的震撼效果。

图示 13  2016年上海迪士尼乐园项目

       你能想象到下面这些精美的造型（图示14），全是冷弯薄壁型钢龙骨做出来的吗？

    

  

图示 14  2016年上海迪士尼乐园项目

       走在迪士尼乐园的大道上，你可以随处看到各种美妙的建筑、造型，我们可以自豪地告诉大家，在大部分美景背后，都是冷弯薄壁型钢。我们在感叹迪士尼创意团队天马行空般的想象力的时候，更应该钦佩迪士尼结构设计团队大胆卓越的判断力。有些节点做法，我们平时想都不敢想，但迪士尼做到了。就像下面这堵十几米高的大城墙，谁能想到完全是靠冷弯薄壁型钢龙骨悬挂在主结构外侧，并且墙下方还是建筑伸缩缝，完全无法着力。

 

图示 15  2016年上海迪士尼乐园项目

       相信众多参与迪士尼项目的团队，与我们一样，收获最大的还是新知识的积累，团队技术能力的提升。对冷弯薄壁型钢结构，我们原来只是爱好，觉得搭房子像搭积木一样，很好玩，但迪士尼让我们对这种结构几乎开始着迷了，它真的有点让我们觉得，冷弯薄壁型钢是一种万能的结构（有点夸张哈）。
       除了那些花哨的造型以外，冷弯薄壁型钢结构还在迪士尼实现了一件非常有意义的作品。单体建筑面积达到6100m2的三层纯冷弯薄壁型钢结构建筑，而且这是一栋通过正常审图程序的永久建筑，图纸设计、节点做法、计算书都完全参照JGJ227-2011。（图示16）

图示 16  2016年上海迪士尼乐园二期工人宿舍项目

   五 [冷弯薄壁型钢装配式建筑体系的未来之路]

    1、从上面的工程实践中，我们看到冷弯薄壁型钢结构体系还是主要用于低层建筑，但国外并不是这样，更多的做法还是与其他框架结构配合，往大做、往高做。下图就是英国伦敦的一些采用冷弯薄壁型钢外墙的建筑（图示17）。同样，中国的建筑市场中，别墅类的小房子并不是主流市场，必须要把眼光瞄向更大的多层、高层市场。

      

图示 17  2016年英国伦敦学校及公寓项目

    2、政府已经提出了装配式建筑的要求，虽然冷弯薄壁型钢结构体系自身就是一种装配的安装模式，但那还是属于零件的散装过程。我们也得学习PC的思路，把更多的工作放到工厂去，让墙体、屋架、楼板在工厂拼装好，把围护板材装好、保温材料装好、水电管线装好，提供工厂预制化、集成化程度。但同时又不能增加造价，确保现场施工节点合理有效。在这方面，我们已经开始了一部分探索的过程。见以下各图：

工厂预制冷弯薄壁型钢墙体

箱体式模块化建筑

工厂预制整体厨卫

    3、冷弯薄壁型钢结构体系在中国虽然已经十几年了，但还是个新鲜的东西，我们真心希望它也能像在发达国家一样开花结果，不断壮大，尤其是现在我们已经有了自己的规范，越来越多的朋友开始涉足这个产业。我真心呼吁所有同仁，能够一起维护好这个产业，认真、踏实的去盖好我们的房子，严格按照规范要求去做。不要被很多国外的软件所蒙蔽，以为国外的软件就能吃遍全世界，那是错误的，国外设计软件有众多的做法在中国规范中都是没有、甚至是不允许的，其是否能够满足中国的抗震要求、防火要求都是需要斟酌的。

       一直以来，中国的建筑市场都是结构归结构，装饰归装饰，于是国家一提出搞装配式建筑，PC便映入了大家的眼帘，毕竟玩混凝土的还是继续玩混凝土，只是把工地现浇改成了工厂预制，很不错的思路。但冷弯薄壁型钢结构从一开始就决定了无法与装饰脱开，那我们只能提高自身的实力，想办法把我们的集成程度做的更高，现场连接更加合理，在造价、性能上超越PC，这样才能真正让冷弯薄壁型钢装配式建筑迎来春天。

    六 [冷弯薄壁型钢装配式建筑体系详细特点]
    6.1 强度高、自重轻
       由于冷弯薄壁型钢房屋体系所使用的原材料强度高，壁厚薄、用料省(一般低层住宅类房屋总体用钢量在30kg/m2以内，多层建筑用钢量在40kg/m2左右)，因此结构的自重很轻。结构重量轻一方面减少了运输和吊装费用，同时基础负载也相应减少，降低了基础造价。即使安装完所有围护结构，该体系的整体房屋自重也仅为传统砖混结构的1/4左右。
    6.2 节能环保
       6.2.1 冷弯薄壁型钢房屋体系的结构采用的是高品质钢材，全部可以回收利用，其他围护材料多数也都可以重复使用，有着极高的环保、节能意义。现场施工几乎全是干作业，施工场地干净，所采用的施工机械比较简单，且机械化程度高，便于提高施工工序管理的先进性。因此，占用施工场地、建筑垃圾、建筑施工噪音等污染情况都被减少到最低程度。见图2-4。
       6.2.2 各种新型保温、防水材料的使用，使得保温、隔音、防潮效果更加优越。
       隔热效果的数据比较:
       如：墙体内所使用的玻璃纤维棉导热系数为 0.034   
       从热阻相同的角度来看:10cm玻璃纤维棉=1.04m加气混凝土=1.67m砖砌体=3.35m混凝土
       在结构的内外侧采用耐火性能良好的板类材料，使得整体墙达到并超越国家规范对低层建筑耐火等级的要求（《建筑设计防火规范》GBJ 16—87）；       
    6.3 抗震抗风性能优越
       在冷弯薄壁型钢房屋体系中，墙体、楼面、屋架与内外墙板组成坚固的“板肋结构”，同时所有结构材料均使用高强度钢材，相互之间的连接都通过各种金属连接件用高强自攻自钻螺钉连接，抗水平荷载和垂直荷载的能力极强，因此抗震、抗风性能明显优于其他结构。根据上海同济大学实验资料，这种结构形式在模拟烈度9度罕遇地震的情况下，整个结构都没有出现大的变形。
        换言之，即使地震烈度较大，最多出现围护板材脱落，承重结构扭曲的情况，不会发生房屋顷刻垮塌的现象，确保内部人员有充分的逃生时间。在汶川地震灾后重建中，该体系体现了它特有的价值。 
        同时，根据计算，该体系还可以承受最大88米/秒即317公里/小时的风速。

 

图示 18 同济大学振动台试验

    6.4 制作、施工安装快捷
       6.4.1 随着冷弯薄壁型钢房屋体系的发展越来越成熟，CAM技术早已广泛用于这种新型结构体系中。设计、生产的无纸化操作已经实现。
       6.4.2 由于是从图纸到加工的全自动作业，所有构件上都打上了喷码和装配孔，因此墙体的拼装既简单快速又准确无误。真正实现了墙体、屋架结构的工业化生产。
       6.4.3 冷弯薄壁型钢房屋体系从结构到围护，所有材料均可以工厂预制，尤其是结构部分，还可以实现工厂内预拼装，这使得现场的场地要求更小，可同时开展的工作面更多，工作量更少，施工周期更短，所有构件均为铰接，省却现场焊接及高强螺栓的费用，房屋的建造成本更低；同时，由于安装使用工具的主要是手枪钻，学习起来简单，对安装人员的素质要求较低。

       以下是冷弯薄壁型钢结构体系从设计到现场安装的一个简单流程：