近20年來，我國建筑業的發展取得了巨大成就，在數量和質量上都有了飛速進步，但新時期建筑業的發展形勢也產生了深刻變化，建筑業已從總量短缺轉為結構性供給不足，進入結構優化和品質提升的發展階段。人民群眾對建筑要求從“有沒有”轉向“好不好”，期盼擁有更舒適、健康、安全的居住和工作環境、更便捷高效的市政公共服務設施和更優美宜人的城鄉環境，建筑業的發展站到了新的歷史起點上，亟須通過科技創新賦能建筑業的發展。
山東省冶金設計院股份有限公司（以下簡稱山冶設計）是國內較早涉足鋼結構建筑領域的工程技術公司，近20年來一直從事鋼結構建筑的咨詢、設計和施工圖優化，以及鋼結構建筑新技術研發、成果轉化推廣應用工作；參與了“H型鋼鋼結構節能住宅建筑體系研究與應用”“鋼結構體系內外墻板、樓屋面板制造應用技術”等國家課題研究；參與了“鋼結構設計規范”“鋼結構綠色節能住宅建筑體系技術導則”等多項國家鋼結構設計和施工規范、規程的編制工作，并且致力于裝配式鋼結構建筑的研究和應用，將裝配式建造理念引入冶金項目中，具有較強的鋼結構建筑設計實力和豐富的實戰經驗。山冶設計始終堅持“敬業務實、精益求精、勇于創新”的精神，以專注的態度成就專業服務、造就高品質作品、鑄就鋼結構品牌，致力于為客戶提供卓越的設計產品。
未來高品質建筑是以新一代材料、機械、電子信息等領域前沿技術為驅動，契合模塊化設計、智能生產、綠色建造、裝配式裝修、超低能耗運行等未來場景的建筑。
裝配式鋼結構建筑是以工業化的鋼結構骨架為基礎，以工業化的圍護、內裝和設備管線部品部件為支撐，將工業化部品部件通過模數協調、模塊組合、接口連接、節點構造和施工工法等集成裝配而成的，具有健康低碳、智慧生活、韌性防災等特點的建筑。與傳統的磚混和鋼筋混凝土結構建筑相比，裝配式鋼結構建筑是一種最符合工業化、數字化、綠色化的建筑形式。發展裝配式鋼結構建筑有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新質生產力、化解過剩產能，并緩解建筑材料、用工供需不平衡等矛盾。
把握形勢
裝配式鋼結構建筑是未來建筑發展的大趨勢
裝配式鋼結構建筑具有“輕、快、好、省”的四大優勢。所謂“輕”是指鋼結構材料強度高、承載力強、構件截面小、自重輕，運輸不受服務區域限制，便于現場安裝；“快”是指鋼構件在工廠通過智能制造，能夠大批量生產，工業化程度高；采用工廠工業化智能制造、工地綠色裝配建造，可免支腳手架和模板，能夠有效地縮短工期，在抗震防災、疫情防控中都表現出了極大的優勢，同時，也為發揮投資的經濟效益、降低綜合造價創造了條件；“好”是指原材料力學性能好、可靠性高，結構抗震韌性好，易于拆卸，與新技術適應性好；“省”是指與鋼筋混凝土結構相比，可減少建筑垃圾，鋼材可回收利用，殘值高，全生命周期綜合成本低。
《“十四五”建筑業發展規劃》提出，到2035年全面實現建筑工業化。建筑工業化的內涵是要求部品部件工廠工業化流水線生產、現場綠色裝配安裝，將制造業部品部件的標準化、規格化、通用化和裝配化概念引入建筑行業，把建筑變成工業化產品。
但建筑業要實現“像造汽車一樣造房子”并不容易。從建筑本身看，由于人民對美好生活的向往和差異化的需求，建筑產品個性化特征比較明顯，所以建筑不像汽車那樣能夠做到標準化和通用化，建筑工業化要比汽車工業化更難。工業化建造的特征是標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應用，其核心是部品部件的工業化生產，因此，建筑業要實現“像造汽車一樣造房子”，必須大力發展裝配式鋼結構建筑，做到標準化、規格化和通用化，這是2035年全面實現建筑工業化的必然。
從產品全生命周期看，裝配式鋼結構建筑是一種節能環保、可循環利用的建筑形式。據中國工程院《鋼結構住宅產業化咨詢研究》報告數據，每平方米鋼結構建筑比鋼筋混凝土建筑在生產施工過程中可減少能耗12%、減少二氧化碳排放15%、減少固體廢棄物51%。在碳中和目標的驅動下，建筑業低碳化將成為必然趨勢，裝配式鋼結構建筑施工高效率、控制高精度、安裝高靈活性、材料可回收利用，同時，圍護、管線、設備、內裝等裝配率可達90%以上，都將利于減碳。因此，裝配式鋼結構建筑是建筑業實現國家“雙碳”目標的必由之路。
裝配式鋼結構建筑具有其他建筑無法比擬的“輕、快、好、省”的優勢，是未來建筑發展的必然趨勢。發展裝配式鋼結構建筑是建筑業向工業化、數字化、綠色化轉型的要求，是建筑業實現國家“雙碳”目標的重要途徑，同時也是鋼鐵行業優化建筑用鋼消費結構、適應綠色低碳發展要求的重要舉措。
轉變觀念
推動裝配式鋼結構建筑厚積成勢
要推進裝配式鋼結構建筑高質量發展，必須轉變觀念，以未來工業化生產的高品質綠色建筑為目標。
傳統的設計流程是從方案、施工圖設計開始，然后根據施工圖對部品部件進行拆分，再進行部品部件加工制作和安裝。由于方案設計不考慮部品部件的工業化生產，這樣會導致部品部件規格多，無法做到標準化和規格化，更談不上通用化，以至于工廠生產效率低，無法做到工業化生產。因此，設計應該轉變觀念，應先進行功能模塊化單元設計，形成多樣性的設計方案，體現出建筑的靈活多樣性，再進行標準的部品部件設計，力爭做到部品部件的規格化和通用化，最后設計施工圖。這樣設計出來的部品部件規格少、通用化程度高，可進行大批量的工業化生產，從而提高生產效率、降低成本。在此基礎上進一步發展可以形成標準體系，對于通用的部品部件可實現無訂單生產，從而進一步提高生產效率。
山冶設計所設計的永峰智慧建筑和機械制造園區項目突破了傳統先施工圖紙再拆分的設計理念，做到了部品部件的標準化、規格化和通用化，為部品部件工業化生產奠定了基礎。因此，在設計上必須摒棄“先建筑、再結構、無建造”的傳統設計理念，應以“終”為“始”，轉變設計觀念，在建筑設計及功能布局時應充分考慮主體鋼結構及配套圍護、內墻、管線系統的集成設計和建造，以滿足工業化生產的要求。
圖為永峰智慧建筑和機械制造園區效果圖
主體采用鋼結構的建筑并不一定是裝配式鋼結構建筑。裝配式鋼結構建筑是將工業化部品部件通過模數協調、模塊組合、接口連接、節點構造和施工工法等集成裝配而成的建筑。這里的核心是鋼結構的部品部件是否符合“工業化”的特征。只有把鋼結構做到構件規格、連接節點種類少，且連接節點不影響墻體等非結構部品部件安裝，能為非結構部品部件提供統一的安裝平臺，減少非結構部品部件種類和規格，最終實現主體結構、圍護系統、內墻系統、設備管線系統的統一協調，為建筑全產業鏈實現工業化生產提供必要條件，這樣的鋼結構才是真正意義上的裝配式鋼結構建筑。
山冶設計所設計的鄭州紫荊網絡信息安全科技園公寓樓項目的地下室和地上主體結構均采用方鋼管混凝土框架—偏心支撐結構體系，在主體鋼結構設計時就盡量減少框架梁柱的規格，統一連接節點。梁柱截面僅調整鋼板厚度、不調整梁柱外輪廓尺寸，連接節點不采用端部局部加寬和貼板的加強措施，將梁柱規格控制在3種～4種，并統一采用一種連接節點。該項目首次采用UHPC（超高性能混凝土）外墻掛板，整體裝配率達80%以上。
裝配式鋼結構建筑的設計應摒棄“重結構、輕建筑、無內裝”的設計理念，建筑戶型設計及功能布局應與主體鋼結構抗側力構件協同設置，統一柱網尺寸，以結構布置為基礎，在滿足建筑功能的前提下優化鋼結構構件布置，滿足工業化內裝所提倡的大空間布置要求。以工業化圍護和內裝部品為支撐，通過內裝設計隱藏室內的梁、柱、支撐，滿足安全、耐久、防火、保溫和隔聲等性能要求。實現主體鋼結構、圍護、設備管線和內裝四大系統協同設計。
山冶設計所設計的河南省新鄉東方廣場（三期）高層裝配式鋼結構住宅項目，主體結構創新性地采用了鋼框架—鋼板組合剪力墻結構體系，施工澆筑混凝土時可免支模，符合裝配式鋼結構建筑的建造理念。該項設計通過調整梁寬，做到了框架梁不外露，在衛生間等部位通過折板等措施取消了鋼次梁，避免了鋼次梁外露對建筑使用功能的影響。該項目還集成了免拆底模鋼筋桁架樓承板、帶飾面輕質外墻板、一體化裝飾內墻板、裝配式架空地板、裝配式廚衛系統、智能配電系統等先進裝配式建筑技術，裝配率達80%以上。
圖為河南新鄉東方廣場實景圖
山冶設計大力發展模塊化鋼結構建筑。隨著城市一部分的建筑使用年限超過設計工作年限，城市危舊樓房問題愈發突出，逐漸暴露出結構老化、設施陳舊、安全隱患嚴重等問題。這不僅影響了城市的整體形象，還對居民的生活安全構成了嚴重威脅。近幾年來，老舊小區改造實行“原拆原建”備受重視，將老舊小區的建筑物整體拆除，然后根據現代化的標準重新建設。模塊化鋼結構建筑具有高度集成、工業化制造、快速建造、可拆移周轉、可延伸擴展等特性，更加體現了工業化綠色建造的優勢。采用鋼結構模塊化建筑可以很好地解決城市更新中“原拆原建”的難題，鋼結構模塊可在工廠進行工業化制造，現場裝配安裝，建造周期短，對周圍居民生活影響小，并且通過數字孿生、智能建造技術的應用使施工過程更高效、精準，提高了建筑的質量和安全性，可大大減少建筑垃圾排放和材料浪費。
山冶設計一直在進行鋼結構模塊化建筑的設計和研發，針對多層公寓開發了框架結構、框架支撐結構等形式的模塊化疊合箱體，為像“搭積木”一樣建房子，研發了疊合箱體全螺栓裝配的連接節點，真正實現建筑的工業化制造、快速裝配建造。
山冶設計推動裝配式鋼結構建筑在工業園區中的應用。工業園區的多層工業建筑使用功能單一，主要是豎向交通和生產區域，便于實現鋼結構的模塊化和通用化，并且多層工業建筑要求層高較高、跨度大，采用鋼結構可以避免傳統鋼筋混凝土結構的高支模施工周期長、難度大、費用高等問題，并且鋼結構更適合大跨度結構。由此可見，工業園區的多層工業建筑具有采用裝配式鋼結構的先天條件。可在此基礎上再融合和有效利用再生能源，全面推行超低能耗、近零能耗和零能耗產業園區。
山冶設計所設計的濟南時代未來科技城項目，是用于檢驗檢測設備生產的多層工業建筑，在整體規劃設計時對豎向交通區域和生產區域進行了功能模塊化設計，通過少規格、多組合形成了整體統一又不失多樣性的風格，做到了柱網統一、平面功能布局可任意規格化拓展，以滿足客戶的多樣性需求。主體鋼結構采用鋼管混凝土柱、熱軋H型鋼梁，并根據框架梁的受力不同調整柱牛腿截面板厚，將梁截面統一到一個高度，將柱統一到一個外輪廓尺寸，為配套的非結構部品部件提供了統一安裝平臺。為了避免鋼結構和基礎施工干涉，創造性地采用了插入式杯口柱腳，更便于現場施工。
圖為濟南時代未來城效果圖
山冶設計將裝配式綠色建造理念拓展到工業建（構）筑物中。山冶設計將民用建筑裝配式建造的理念應用于工業建筑，提出了一種適用于工業化、標準化的模塊化裝配式鋼結構網格冷卻塔。該裝配式鋼結構冷卻塔自重輕、安裝簡單、精度高、施工速度快、綜合造價低，便于實現標準化設計、工業化生產和裝配化施工，解決了現澆混凝土施工難度大、受季節限制的問題，拓展了裝配式建筑的應用范圍，填補了裝配式鋼結構在工業構筑物方面的空白。
山冶設計針對鋼筋混凝土筒倉和鋼結構筒倉在施工、使用上存在的問題，提出了一種模塊化裝配式鋼板混凝土組合筒倉，利用兩側鋼板作為現場混凝土澆筑的模板，將模板和結構構件合二為一，充分發揮了鋼結構和混凝土的優勢，有效規避了鋼結構和混凝土的缺點，并且模塊可實現標準化和通用化，符合建筑工業化生產、綠色裝配式建造的理念。
轉變傳統設計與施工分離的承發包模式，采用EPC工程總承包模式。EPC工程總承包管理模式是推進裝配式建筑一體化、全過程、系統性管理的重要途徑，能夠整合產業鏈上下游的分工，解決工程建設切塊分割、碎片化管理問題，將工程建設的全過程聯結為一體化的完整產業鏈，以實現資源的優化配置。
山冶設計依托山鋼集團，聯合山鋼地產、萊鋼綠建、萊鋼魯碧等山鋼企業，通過資金、產品研發、地產開發、設計、鋼結構加工和安裝、裝配式裝修全產業鏈集成，通過標準化、規格化和通用化設計，以及規模化定尺生產，提高生產效率，降低生產和建造成本，從而體現出產業鏈集聚效應。
技術創新
為裝配式鋼結構建筑高質量發展賦能
建筑業工業化本身就是一場從設計、加工、安裝到運維等全過程的技術革新，面對新問題，必須具有創新思維，才能從根本性解決問題，不斷進行技術創新，為建筑業高質量發展賦能。
山冶設計先后參與了多項國家鋼結構設計和施工規范、規程的編制工作；先后設計了常州鴻聯公寓、青島華陽慧谷、濟南凱旋新城、蕪湖雙翼花園等住宅和辦公樓、濟南時代未來城等鋼結構建筑；曾榮獲山東省科技進步獎一等獎1項，國家鋼結構科技進步獎二等獎1項，省部級優秀工程設計一等獎6項、二等獎10余項。
為解決鋼板組合剪力墻的裝配式施工、預制樓梯與鋼結構安裝偏差以及柱腳埋置深度過大等問題，山冶設計提出的一種腔體貫通式鋼板組合剪力墻，避免了現場豎向拼接焊縫，同時便于澆筑混凝土，降低了施工難度，較好地解決了鋼板組合剪力墻的加工和安裝問題；提出的混凝土預制樓梯與鋼梁裝配連接節點，實現了3個方向自由調節，有效解決了現場施工偏差帶來的安裝問題；提出的一種倒置埋入式鋼柱柱腳構造簡單、受力明確、節點剛度大，能夠有效減少基坑開挖深度和降水需要，縮短基礎施工工期和降低基礎施工成本。
為推動裝配式鋼結構建筑的發展，山冶設計于2019年針對高層建筑提出了“隱梁裝配式鋼結構建筑集成體系研發”項目。該集成體系以建筑功能為核心，以結構布置為基礎，以工業化的圍護、內裝和設備管線部件為支撐，實現了主體鋼結構系統、外圍護系統、設備管線系統、內裝系統協同，將鋼梁隱藏于樓板或墻體內，避免鋼結構外露對使用功能的影響，并有效滿足了鋼結構防腐、防火的要求，同時還發揮出了裝配式鋼結構建筑在大空間靈活分隔方面的優勢。
同時，山冶設計針對低層建筑提出了“裝配式農村被動式房屋體系研發”項目，并提出了可標準化設計、工業化生產、全裝配化施工的一種榫卯與螺栓混合裝配式鋼結構梁柱節點，實現了梁柱剛性連接，且安裝工藝簡單、安全可靠；現場無焊接，施工速度快，可顯著降低人工費和運輸成本，更適用于裝配式建造。
未來，隨著建筑業工業化、數字化、綠色化轉型的持續深入，模塊化設計、智能生產、綠色建造、裝配式裝修、運行超低能耗，將是裝配式鋼結構建筑的發展趨勢。山冶設計以“終”為“始”，激發以技術創新為特征、以滿足部品部件工業化生產為核心、以生產工業化高品質綠色產品為目標的發展新動能，為發展建筑業新質生產力蓄勢賦能，全面推進建筑工業化進程，助力實現“雙碳”目標。（王士奇）
