钢结构及预制围护结构具有自重轻、工期短、劳动力投入较少、抗震性能好、质量可靠、安全环保等一系列优点。钢结构建筑的得房率比传统钢筋混凝土建筑要高6%~10%且空间布置灵活。目前, 钢结构装配式建筑比例不足5%, 且钢结构装配式建筑以政府背景的教育建筑、保障房建筑及自行开发的房地产为主, 真正进入市场化的钢结构装配式建筑基本没有, 其主要原因是造价过高。钢结构装配式建筑市场化任重道远。

目前建筑市场以中高层为主, 尤其是住宅市场。而中高层住宅市场以短肢剪力墙为主。对于钢结构装配式建筑, 高度在70m以内、地震烈度在8度0.20g以下的住宅可采用钢框架结构+ALC条板体系;70m以上住宅因水平方向荷载或地震力较大需要采用钢框架+斜向支撑或钢板剪力墙等结构体系;70m以上住宅钢含量可显著增大至120kg/m²以上。某地产公司开发的短肢剪力墙现浇结构与类似项目的钢结构住宅项目造价对比分析如表1~4所示。

从表中可以看出, 70m高度以内、地震烈度7度0.15g地区商品房住宅, 钢结构装配式住宅结构比短肢剪力墙造价高出约150元/m²;而70m以上商品房住宅, 钢结构装配式住宅比短肢剪力墙造价高出约400元/m²。考虑到钢结构装配式住宅自重轻、地基及基础造价低的优点, 钢结构装配式住宅建筑每m²综合造价还会降低。但钢结构装配式住宅综合造价高于传统结构形式住宅, 其主要原因为钢材含量高且综合单价高、ALC隔墙条板价格较高。

钢结构装配式住宅钢材含量高且综合单价高, 钢材含量主要和结构刚度有关, 目前从设计上很难挖掘降低钢材含量的办法, 而钢框架中钢材综合单价基本是其母材的2倍, 降低钢材造价只能从降低钢框架中钢材单价入手。

钢结构装配式住宅主要采用矩形方管作为结构柱, 采用H型钢作为结构梁, 而矩形方管和H型钢规格通过平面布置和结构计算确定, 通过钢构件厂加工制作, 钢框架项目型钢综合单价高达6 360元/t。

查询到市场矩形方管和H型钢销售价格只有3 400元/t, 但因市场需求较小, 矩形方管和H型钢产量较小且规格较少。若将市场与需求结合, 钢框架结构钢材综合单价可降低至5 200元/t。直接采购成品矩形方管和H型钢, 增值税亦可降低20~30元/m², 这将增加钢结构装配式建筑市场竞争力。

万达集团从设计上采用了模块化管理模式, 由此形成产业链、合作商和造价库, 建造成本透明。钢结构装配式住宅可从设计上确定矩形方管和H型钢规格, 批量订购和使用, 制作仅限于柱头及连接板、栓钉、冲孔等工艺, 钢结构工作量大为减少, 相关造价也显著降低。

钢结构装配式住宅 (含保障房) 最大跨度一般在3~4m, 钢梁一般取跨度的1/15约200~300mm, 24~70m钢框架住宅矩形管钢柱尺寸一般在300~400mm, 70m以上钢结构住宅需根据平面布置、建筑高度和地震烈度等因素确定结构类型及相关构件尺寸。因此, 一般中高层住宅可完全确定主要钢构件尺寸, 一旦钢结构装配式住宅产业化, 相关钢构件就能实现市场化并形成产业链。

高层钢结构装配式住宅部分混凝土墙柱需要采用墙板代替, 二次结构 (砌体) 施工量增加。墙板体系基本不需要抹灰, 安装速度快, 能降低一定成本, 但外围护结构及隔墙板综合造价仍高出砌体墙130元/m² (相对于普通短肢剪力墙结构) , 其主要原因是剪力墙结构改变为框架结构后填充墙砌体工作量显著增加。

确保建筑功能同时最大限度减少钢结构装配式住宅墙板工作量, 最有效的办法就是减少填充墙砌体厚度。外墙采用150mm厚ALC条板来确保节能效果 (ALC条板节能计算用导热系数λ为0.11W/ (m·K) , 只有加气混凝土砌块墙体的73%, 150mm厚ALC条板相当于200mm厚加气混凝土砌块墙) , 户内墙体可采用80mm厚ALC条板并且确保高厚比≤40;分户墙需采用200mm厚ALC条板双面抹灰或75mm厚双层中空墙体确保分户墙的空气声计权隔声量≥45d B。通过上述措施, ALC条板工作量能降低85%左右, 相对于建筑造价能降低30元/m²。

对于装配式住宅墙板体系, 特别注意的是分户墙体的厚度及材料容重。虽然各厂家均提供墙板隔声检测报告, 但该检测报告是在实验室前提下, 且仅对样品负责。现在住宅越来越重视隔声性能, GB50118—2010《民用建筑隔声设计规范》将分户墙体隔声由40d B提高至45d B。对于分户墙板, 依据文献[3]中常用的墙板隔声量图表将分户墙做成75mm厚双层中空墙体, 中空层厚度50mm以上, 实施过程中辅以抹灰确保分户墙隔声在45d B以上 (见表5) , 表示平均隔声量, I_a为修正后的平均隔声量。也可以依据质量定律, 采用容重B07级, 厚度200mm的ALC条板并双面抹灰实现分户墙隔声性能45d B的要求 (见表6) 。

钢结构装配式建筑主体结构工期能提前1/3左右, 相关管理费用降低, 施工单位能够提前收到工程款, 地产商通过提前预售达到提前回收投资的目的。以21层短肢剪力墙住宅项目为例, 传统混凝土结构的管理成本为造价的6%, 钢结构装配式建筑因工期提前1/3使项目管理成本降低2%, 钢结构装配式建筑因提前2个月回收工程款而使资金利息减少、减少的利息相当于造价的0.5% (按一年期贷款利率6%计算) , 由此钢结构装配式建筑工期优势为造价的2.5%约17元/m²。对于地产商, 按照6 000元/m²的销售价格, 按照提前2个月预售30%的住宅考虑, 工期优势达到45元/m²。

钢结构及预制围护结构自重轻, 同等荷载条件钢结构住宅质量是传统住宅的1/2左右, 可节约基础造价。以天津市赛达工业园白领公寓为例, 由于钢结构装配式建筑自重较轻, 管桩数量由215根减少至135根, 相关造价降低55元/m²;同样, 天津市某地21层商品房住宅, 桩基数量可以由传统结构的57根减少至43根, 相关造价降低约30元/m²。由于各地的地质条件不同, 钢结构装配式建筑节约基础的造价也不同, 一般在30元/m²左右。

国家出台宏观政策发展装配式住宅的同时, 北京、天津、云南、湖北、河南、云南、浙江等省市提出对于外墙预制部分面积不计入成交地块的容积率核算 (有一定的条件限制) , 且不超过规划总建筑面积的3%, 河北省对于钢结构商品房由项目所在地政府按照100元/m²予以补贴, 部分省市明确政府投资或以政府投资为主的机关办公建筑、保障性住房、公益性建筑采用装配式建筑, 此外购买装配式住宅贷款政策的优惠、装配式建筑税率的优惠将为钢结构装配式建筑提供巨大的优势。

钢结构住宅是21世纪的绿色建筑, 是我国减少碳排放、促进循环可持续发展的有效途径。低碳建筑方面, 建造钢结构住宅CO₂排放量约为480kg/m², 较传统混凝土碳排放量740.6kg/m²降低35%以上。节材方面, 钢结构住宅高层建筑自重约为900~1 000kg/m², 传统混凝土约为1 500~1 800kg/m², 其自重减轻约40%;可大幅减少水泥、砂石等资源消耗, 从而大幅减少矿物开挖、冶炼及运输过程中的碳排放;钢结构住宅施工过程中无需木模板和脚手架, 若其市场份额增长5%, 则可减少木材砍伐相当于9 000hm²森林;建筑自重减轻, 还节省约30%的地下桩基。节水方面, 钢结构住宅为现场装配化施工为主, 建造过程中可大幅减少用水及污水排放, 若其市场份额增长5%, 将减少污水排放相当于10个西湖总水量。节能方面, 轻钢墙体具有良好的自保温功能, 为传统砖墙保温性能的3倍, 大幅降低运行能耗。节地方面, 钢结构“高大轻强”的特点, 易于实现高层建筑, 可提高单位面积土地的使用效率;户内得房率增加5%~8%, 地下车库停车位可增加10%~20%, 在寸土寸金和停车难问题凸显的今天, 其社会经济价值尤为突出。环保方面, 装配化施工, 降低施工现场噪声扰民、废水排放及粉尘污染;减少砂石开采和建筑垃圾排放, 保护环境, 开创新时代建筑文明。主材回收与再生利用方面, 建筑拆除时, 钢结构住宅主体结构材料回收率在90%以上, 较传统混凝土垃圾排放量减少约60%, 并且钢材回收与再生利用可为国家作战略资源储备, 减少建筑垃圾填埋对土地资源占用和垃圾中有害物质对地表及地下水源污染等 (建筑垃圾约占全社会垃圾总量的40%) 。此外, 钢结构装配式住宅能提高建筑抗震防灾能力, 营造安全家园。

钢结构装配式住宅相较于现浇混凝土结构住宅成本较高, 可通过钢构件模块化管理实现市场化采购、减少围护结构和内隔墙工作量、工期优势、自重优势、装配式建筑政策扶持等措施降低成本, 实现中高层钢结构装配式住宅市场化, 钢结构装配式住宅必将在未来市场的比例越来越大。