北京首钢国际工程技术有限公司

摘要

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅工程，其总建筑面积是35164平方米，在该住宅建筑设计里，引入了国际先进的SI设计理念，其中S是支撑体，I是填充体，结构采用大空间框架 - 抗侧力结构体系，楼板采用叠合楼板，阳台、楼梯等水平构件都是预制构件，外墙采用200mm厚新型加气条板加上100mm厚复合保温板，采用整体卫浴、整体橱柜、同层排水技术，全流程采用BIM信息化技术，防腐方面引入了耐候钢技术。

0引言

位于北京市石景山区铸造村的首钢铸造村4号、7号钢结构住宅工程，在西五环以外西六环以内，距离市中心约21.8 km，距阜石路0.2 km，距五环主干路4.6 km 。

4号钢结构住宅，其总建筑面积是35164平方米，其中，地上建筑面积为30711平方米，地下建筑面积则为4453平方米。4号楼，地上有13层，地下有2层；7号楼，地上有15层，地下同样是2层。地上部分作为住宅，住宅的层高是2.9m；地下1层是自行车库；地下2层，战时是人防掩蔽所，平时是办公用房。

此项目属于绿色建筑三星，其工业化评价符合 AA 级标准，它被北京市建委列入住宅产业化试点工程 。

铸造村的钢结构住宅具备绿色的特性，有着高效的表现，存在节能的优势，呈现环保的特点 。于建筑设计方面，引入了SI的设计理念 ，其中S是支撑体 ，I是填充体 ，此理念解决了结构支撑体与填充体不同寿命的问题 ，在确保住宅建筑长久性以及全生命周期的情形下 ，达成了住宅设备设施与内装产品的检修和更新 。选取具备安全且可靠的大空间框架 - 抗侧力结构体系，楼板选用叠合楼板，阳台、楼梯等水平构件皆为预制构件，在减少施工缺陷之际，提升施工效率，外墙采用 200mm 厚新型加气条板加上 100 mm 厚复合保温板，达成墙板与结构主体的柔性连接，外立面平整，整体性良好，不容易出现漏雨状况，采用整体卫浴、整体橱柜、整体收纳、轻钢龙骨隔墙、同层排水技术来达成内装技术的干式施工工艺，提高施工质量以及住宅品质，全流程运用了 BIM 信息化技术，达成了国内首次在高层钢结构住宅中应用耐候钢，把钢材的耐腐蚀性能提高 40% 。

1、建筑SI设计理念

首钢铸造村的装配式高层钢结构住宅，采用了国际先进的 SI 技术体系，把 S 部分与 I 部分进行分离，以此减少设备、内装对结构主体造成的损害 ，进而延长房屋整体的使用寿命，还方便设备、内装的使用维护以及更换，解决了结构支撑体和填充体不同寿命的问题，在保证住宅建筑长久性和全生命周期的前提下，能够方便地实现住宅设备设施和内装产品的检修和更新。

按照 SI 理念，户型布局围绕模块化的设计方法展开，依靠由内而外、由上而下的思维方式达成建筑功能，把居室空间划分成若 干功能子空间，包括厨房、卫生间、起居室、卧室、阳台、出入通道，基于此从模块化的层面展开系统研究，对开发、设计、生产安装、后期维护各个环节予以整合，进而形成全产业链的解决方案，力求实现标准化、系列化、模数化。

做设计时，标准层建筑布局全都一样，户型调整是从模块化设计方法着手，也就是由里往外、由上往下达成建筑功能。房间尺寸大体就是300mm的模数，鉴于钢结构受力特点，主体结构布置得简单且规整，平面凹凸变化不怎么大。

图1 SI理念在空间布局上的实现

2、大空间+抗侧力结构体系

对于钢结构住宅而言，其地下室运用的是现浇混凝土结构，而地上的主体结构采用的是钢框架 - 钢支撑结构体系。其中，钢柱选用的是矩形钢管混凝土柱，里面灌的是自密实混凝土，这种做法不但有利于实现防火、隔声的效果，而且还能够将柱距扩大，进而使得内部空间能够进行自由分割；钢柱基础采用的是埋入式柱脚；采用的是首钢自己生产的轧制H形窄梁，该梁截面宽度不超过200mm，如此便解决了钢结构住宅露梁的问题；梁柱连接采用的是栓焊连接方式，这能够有效地减少节点连接所使用的钢量。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

预制构件中有钢结构这一类型，其核心要点在于钢构件的连接这项内容，结构主体的连接所含括诸多方面，有柱脚的设计，有梁与柱的连接，有支撑的连接等高层 钢结构，并且存在梁与梁的连接情况，另外就钢柱而言还有现场拼装这种情况。

采用栓焊刚接的方式来实现梁与柱的连接，在钢柱的连接处设置横隔板，为了能够提高外窗户顶的净高，进而设置钢反梁，典型连接节点呈现如图3所示的样子。

a—梁、柱节点平面；b—1—1剖面。

图3 梁-柱连接节点

在进行支撑连接操作之际，钢支撑的强轴朝着外侧方向，其与主体结构实施刚接；当开展钢柱拼接工作之时，钢柱是以每3层就分成一段的方式运输到现场之处，然后在现场进行拼接，在拼装完成之后将耳板切除；在柱脚进行设计的阶段，采用外包柱脚的形式，结构的嵌固端位于地下1层的顶部位置，钢柱则延伸至地下1层的底部；梁与梁之间的连接采用铰接这个节点形式。

2.2 抗震变形指标

在首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的设计工作里，运用PKPM系列结构设计程序，对多遇地震作用展开分析，运用YJK结构设计程序，对罕遇地震作用进行分析，同时借助大型有限元软件MIDAS予以复核，综合考量各类因素，把首钢铸造村装配式高层钢结构住宅钢框架 - 钢支撑体系的层间位移角，控制在1/300以内，经由罕遇地震静力弹塑性分析，钢结构住宅层间位移角能够控制在1/70以内，且所有性能指标都满足现行相关规范要求。

3、预制PC构件

3.1 预制混凝土叠合楼板

首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的楼板，能借助预制混凝土叠合楼板技术达成快速安装。预制混凝土叠合楼板虽有运输、堆放、吊装困难等不利之处，然而其整体性良好，刚度颇大，可节约模板。并且板的上下表面平整，利于饰面层装修，适用于对整体刚度有较高要求的高层建筑以及大开间建筑。此预制混凝土叠合楼板由下部预制混凝土底板与上部现浇层构成。叠合楼板的预制部分，其厚度是60毫米，现浇部分的厚度，为70毫米，预制板的表面，做成凹凸差不小于4毫米的粗糙面，并且在预制板内设置桁架钢筋，目的是增加预制板的整体刚度，以及水平界面抗剪性能。

3.2 预制楼梯

首钢铸造村装配式高层其中钢结构住宅地下室部分，采用的是现浇混凝土楼梯，地上部分呢，每一层的层高都是一样的，采用的是预制混凝土楼梯。楼梯的梯段是全预制的，就如同图4所展示的那样。楼梯在跟钢梁相连接的地方，一端预留了2个直径为80mm的孔，钢梁那里焊接了槽钢，然后用细石混凝土把孔洞灌实，而另外一端是可以滑动的。

图4 楼梯实物

3.3 预制阳台板、空调板

可实现首钢铸造村装配式高层钢结构住宅阳台板外挑1 400 mm的长度，预制阳台板与主体结构采用三边支撑，空调板支撑于反梁上，这两块部件可指定工厂单独定制(图5) 。

图5 预制阳台板、空调板实际效果

4、创新的墙板体系

住宅采用的墙板体系，特别是其中的外墙板体系，已然成为钢结构住宅领域的技术瓶颈之处，首钢在行业范围之内首次提出来的内嵌式外墙体系，获得了业内方面的认可，当前已经成为行业之中占主流地位的做法。

首钢铸造村那儿的装配式高层钢结构住宅，能全然符合北京市地方标准DB 11/891—2012《居住建筑节能设计标准》里头的各项规定，表1是部分重要节能指标的对比 。

表1 外围护体系节能指标对比

4.1 外墙板

首钢铸造村的装配式高层钢结构住宅，其外墙体系里，有100毫米厚的部分，这部分是由45毫米厚的岩棉板与35毫米厚的OKS聚能（改性）挤塑板构成的AB型OKS复合保温板，还有200毫米厚的加气混凝土条板墙，或者是100毫米厚的钢筋混凝土预制板。

这个外墙体系具备这样的优点，它达成了墙板跟结构主体的抗震柔性连接，其外立面呈现出平整的状态，整体性能良好，不容易出现漏雨的情况。外墙和钢梁连接的节点可以查看图6 。

图6 外墙与钢梁连接节点

4.2 内墙板

首钢铸造村那儿的装配式高层钢结构住宅，有两套内墙体系，一套是加气混凝土条板体系，其厚度有200毫米厚的，还有100毫米厚的，另一套是钢带浮石板复合内隔墙体系。

要采用依据13J104《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》的加气混凝土条板体系相关连接节点，主要构造要求是这样的 ， 。

1)墙板进行平均平缝拼接之际，板缝的缝宽不应当大于5mm，于安装之时，应当以缝隙间能够挤出砂浆作为适宜的状态。

2) 墙板侧边，与钢筋混凝土墙、柱、梁、板等主体结构连接处，应预留 10 至 20 毫米缝隙，这些缝隙的宽度需满足结构设计要求。墙板顶部，在与钢筋混凝土墙、柱、梁、板等主体结构连接处，同样应预留 10 至 20 毫米缝隙，其缝宽也需满足结构设计要求。墙板与主体结构之间，适宜采用柔性连接方式，还用弹性材料填缝。有防火要求时，应采用防火材料填缝，比如岩棉、玻璃棉等。墙面抹灰层，应当设置分格缝。墙板板缝的地方，内外墙体跟不同材料（像混凝土、钢结构、金属配件）交界的地方。外墙抹灰层要是采用强度比较高的抹灰层，那么就得采取防裂措施，像采用把耐碱玻纤网格布压入聚合物水泥砂浆层这样的做法。

钢带浮石板复合内隔墙组成及特点如下：

钢材具备防火（耐火）能力且极限时长不少于3小时，它的隔声性能很强，其空气隔声数值到达52分贝，该墙体具有极大的刚度因此门框安装稳固，它能防止受潮所以能够应用于潮湿的房间。

5、装饰装修一体化

实现内装工业化的前提在于设计标准化，借助部品标准化的设计达成内装的产业化，借由标准化的厨卫系统、标准化的收纳系统等提升产业化效率，与此同时，运用整体卫浴、整体橱柜、整体收纳、轻钢龙骨隔墙、同层排水及单立管排水、管道检修口、局部架空地板、适老化设计及部品、负压式新风换气、烟气直排等优良部品达成内装技术的干式施工工艺，从而大幅提高施工质量和住宅品质。

5.1 架空地板及同层排水

较之传统湿作业铺装地板，架空地板全是干法作业，施工简便，重量轻、荷载小，进而降低了楼板的承载力要求，传统做法里，水、暖、电的管线都行于楼板中，水专业有的管线还得行于下层住户家中，一旦有问题，维修极为麻烦，架空地板后，管线放置在架空层中，维修简易便利。

同层排水方案与传统隔层排水处理方式相比，其最根本改变是因本层内管道合理布局，彻底摆脱相邻楼层束缚，避免排水横管侵占下层空间带来的系列麻烦与隐患，像产权不明晰、噪声干扰、渗漏隐患、空间局限等，还采用壁挂式卫生器具，地面无卫生死角，清洁打扫格外方便 。

5.2 集成厨房、卫生间

传统的整体橱柜，仅仅是把洗的功能、切的功能、烧的功能以及存储的功能，集合在整体橱柜系统里去完成，它仅仅是厨房当中的一个整体部件，并没有从根本上把厨房的装修问题给解决。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的整体厨房，却是通过整合“墙面、台面、地面、集成吊顶、整体橱柜”这五大系统，从而让问题获得完美解决。对于卫生间而言，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的整体卫生间，是通过运用整体压膜底盘，使得卫生间拥有防水防漏功能。 ！

那首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的集成厨房，它涵盖着墙体、墙顶、墙地、门窗、灯光等一系列环境相关因素，同时呢，还把更多的诸如电器、厨具炊具等厨房用品也收纳融合其中进高层 钢结构，它整合使得空间变得更大，是一种全方位的厨房解决办法方案。

这种先进工艺取代传统泥水匠为浴室贴瓷片的方式，集成卫生间主要特点是其整体模压底盘，它在有限空间里实现洗漱、沐浴、梳妆、如厕等多种功能，采用一体化防水底盘、壁板、顶盖构成整体框架，还把卫浴洁具、浴室家具、浴屏、浴缸、龙头、花洒、电器配件等融入一个整体环境，在有限空间完美布局，整体浴室提升了住宅品质，整体厨卫把原有的卫生间和厨房现场手工作业改成工厂精准预制，到现场精细装配 。

5.3 精装修

房间内钢梁、钢柱存在阳角，这是无法回避的问题，住建部于2015今年10月下发了《关于在本市保障性住房中实施全装修成品交房有关意见的通知》，文号是京建法〔2015〕17号，该通知要求本市公共租赁住房、经济适用住房、限价商品住房、棚户区改造安置房以及自住型商品住房全面推行全装修成品交房。首钢铸造村装配式高层钢结构住宅按照产业化要求一次精装到位，借助建筑、结构专业的紧密协作相互配合，达成了精装修后把梁柱隐藏起来的效果。

6、BIM信息化技术

6.1 BIM设计

装配式钢结构住宅，是对以往传统设计里大量现场施工过程的重大改进，它是采用工装模块化组件，再辅以少量现场施工作业方法来进行建筑生产的施工技术。这项技术调整了大量传统施工流程顺序和工法，还对设计、材料、设备、设施、采购、供应以及安装和施工技术提出了更高要求。传统现场作业里，从设计角度实现的众多建筑元素，要重新改成以施工定货图当标准的单体化设计，而且在设计刚开始时，就得充分考虑安装以及施工可能碰到的各种问题。从材料、设施配套还有供应的角度来讲，对整个供应环节提出了严格贯彻工厂化产品级的采购与检验要求。从施工角度看，传统施工过程中的临时场地布置等，会面临诸多高精度产品的出入库管理，存放安全性、破损防护与修复等要求。

根据这些特性 ，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅的BIM设计 ，抛弃了传统BIM设计 ，那种以设计成果模型化 ，以及设计过程质量检验为核心的技术思路 ，着重突出包括设计 ，产品 ，采购 ，装配 ，施工 ，业主等全流程化的组织 ，以及协同思路 ，着重强调设计图纸 ，与工厂化产品间的逻辑组织 ，着重强调以装配思想为核心的约束控制 ，着重强调产品的标准化 ，以及采购及备品备件的控制技术 ，着重强调模块化产品对建筑整体的影响效果 。设定了更为广泛的协同角色安排，准许不同级别的各异用户，依据不同的角色界定以及对应权限去开展相关应用。运用当下国内主流的协同管理平台技术来达成上述协同技术理念。

于模型化与信息化层面，首钢铸造村装配式高层钢结构住宅着重运用标准的参数化方式开展模块化产品设计，以及产品的参数化检验，借由关联技术及时知悉不同规格产品，以及产品尺寸误差对整个建筑体系的综合影响，借助对产品的高精度模型化，以及连接、节点等的处理技术，让产品的设计尺寸、安装要求更优地反馈给制造单位，与此同时制造单位的产品控制结果也能够更直接地作用于设计模拟上 。

首刚铸造村那儿的装配式高层钢结构住宅，其BIM设计水平，基本上是等同于DB 11/T 1069—2014这个《民用建筑信息模型设计标准》里BIM4.0的水平。

6.2 BIM施工集成

经由搭建PKPM - BIM施工协同管理平台（图7所示），展开碰撞检查，达成各专业相互之间的协同工作状态，于初步设计阶段把深化设计问题予以消解，为后续施工能够顺利开展奠定了基础 。

图7 BIM集成模型

此项目属于钢结构产业化住宅的试点项目，毫无经验可循，预制装配化率颇高，致使各专业间衔接存在困难，于施工进程里，碰撞、衔接问题时常涌现。在此项目内，借助把Revit模型导入Navisworks开展碰撞检查测试，施工先前就化解了现场可能出现的冲突与碰撞，规避了人力、物力以及时间方面的损失，而于4D模拟施工阶段，能够将整个工程现场于虚拟模型中予以描述并加以分析，减少了返工现象。BIM以三维可视化作为其最为直观的特性，借助BIM的三维技术，在工程前期能够开展碰撞检查，以此对工程设计予以优化，进而降低建筑施工阶段所存在的错误损失以及返工的可能性。施工人员能够凭借碰撞优化后的三维管线方案，来实施施工交底以及施工模拟，从而提升施工质量，与此同时，也增强了与业主沟通的能力。BIM技术的运用还能够提前察觉设计里钢梁、钢柱与楼板發生碰撞，电气管线穿过钢梁，钢梁、墙板、板的连接等方面的问题。

6.3 BIM运维管理

BIM应用于建筑工程运营管理当中，其模拟性强，具备数据优化功能，兼具可视性与可出图性，能保障建筑各项信息完整度，有效提升信息传递效率，为管理者决策提供科学依据，减少不必要的人力成本投入以及资源消耗，让建筑工程运营阶段管理工作更具智能化与人性化，最终收获良好经济效益与社会效益。

7、耐候钢技术应用

此项目达成了国内头一回于高层钢结构住宅里运用耐候钢，把钢材的耐腐蚀能力提高了40%。并且，全部主要钢结构以及其配件都一定得经过喷珠（砂）抛丸处理，绝不能以手工除锈（除去镀锌铁件之外），除锈等级得达到Sa2.5级及更高。但凡暴露钢构件分段制作的连接处，焊缝需求打磨整齐平顺，涂抹面层涂料之后不许有明显焊接痕迹。

钢结构除锈之后刷漆的要求是，底漆要采用环氧富锌漆一道，其漆膜的厚度为60μ m，中间漆要采用环氧底漆一道，漆膜的厚度是70μm，钢柱的防火涂料要采用25mm厚型防火涂料，以此满足钢柱2.5h耐火极限的要求，钢梁的防火涂料要采用15mm厚型防火涂料，满足钢梁1.5h耐火极限的要求，还要增添火克板以对梁、柱加以保护。

8、结束语

铸造村装配式高层钢结构住宅具备绿色的特性，具备高效的特性，具备节能的特性，具备环保的特性那。而该项目呢，是基于模块化，整合开发环节后的成果，整合设计环节后的成果，整合生产安装环节后的成果，整合后期维护环节后的成果，进而形成全产业链解决方案，并且尽可能做到标准化，尽可能做到系列化，是一套成熟完整的技术体系呀。

来自，高占阳，袁霓绯，李洪光是相关报告人，张雅丽也是，他们进行了首钢铸造村装配式高层钢结构住宅技术体系研究，该研究成果体现在钢结构领域，时间为2019年，期刊序号是34卷第6期，具体内容在49页至53页。

DOI: 10.13206/j.gjg.201906009