近20年来，我国建筑业的发展取得了巨大成就，在数量和质量上都有了飞速进步，但新时期建筑业的发展形势也产生了深刻变化，进入结构优化和品质提升的发展阶段。建筑业向工业化、数字化、绿色化转型升级，是推进建筑业高质量发展的现实所需，是建筑工业化的关键驱动和人民美好生活的重要保障。
装配式钢结构建筑是以工业化的钢结构骨架为基础，以工业化的围护、内装和设备管线部品部件为支撑，将工业化部品部件通过模数协调、模块组合、接口连接、节点构造和施工工法等集成装配而成的具有健康低碳、智慧生活、韧性防灾等的建筑。与传统的砖混和钢筋混凝土结构建筑相比，装配式钢结构建筑是一种最符合“工业化、数字化、绿色化”的建筑形式，发展装配式钢结构建筑有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新质生产力、推动化解过剩产能，化解建筑材料、用工供需不平衡等矛盾。通过技术和管理的双轮创新驱动，推进装配式钢结构建筑高质量发展，是发展建筑业新质生产力的重要着力点。
山东省冶金设计院股份有限公司（简称：山冶设计）是在国内较早涉足钢结构建筑领域的工程技术公司，紧跟国家发展步伐，近20年一直从事钢结构建筑的咨询、设计和施工图优化以及钢结构建筑新技术研发、成果转化推广应用工作；参与了《H型钢钢结构节能住宅建筑体系研究与应用》《钢结构体系内外墙板、楼屋面板制造应用技术》《乡镇生态节能住宅技术及工程示范》《装配式钢结构绿色节能建筑关键技术研究》等国家课题研究；参与了《钢结构设计规范》《钢结构绿色节能住宅建筑体系技术导则》 《装配式钢结构建筑工程总承包管理标准》《钢结构住宅设计标准》等多项国家钢结构设计和施工规范、规程的编制工作。并且一直致力于装配式钢结构建筑的研究和应用，并将装配式建造理念引入冶金项目中，具有较强的钢结构建筑设计实力和丰富的实战经验。
山冶设计始终坚持“敬业务实、精益求精、勇于创新”的精神，以专注的态度，成就专业服务，造就高品质作品，铸就钢结构品牌，致力于为客户奉献卓越的设计产品。曾荣获省科技进步一等奖一项，国家钢结构科技进步二等奖一项，省部级优秀工程设计一等奖六项、二等奖十余项。
一、把握形势，装配式钢结构建筑是未来建筑发展的大趋势
装配式钢结构建筑具有“轻、快、好、省”的优势。所谓“轻”是指钢结构材料强度高、承载力高、构件截面小、自重轻，运输不受服务区域限制，便于现场安装。所谓“快”是指钢构件在工厂通过智能制造，能够大批量生产，工业化程度高；采用工厂工业化智能制造、工地绿色装配建造，可免支脚手架和模板，现场湿作业少，能够有效地缩短工期，在抗震防灾、疫情防控中都表现出了极大的优势，同时也为发挥投资的经济效益、降低综合造价创造了条件。所谓“好”是指原材料力学性能好、可靠性高，结构抗震韧性好，易于拆卸，与新技术适应性好。所谓“省”是指与钢筋混凝土结构相比，可减少建筑垃圾，钢材可回收利用，残值高，全生命周期综合成本低。
《“十四五”建筑业发展规划》提出，到2035年全面实现建筑工业化。建筑工业化的内涵是要求部品部件工厂工业化流水线生产、现场绿色装配安装，将制造业部品部件的标准化、规格化、通用化和装配化概念引入建筑业，把建筑变成工业化产品。但由于人民对美好生活的向往和差异化的需求，建筑产品个性化特征比较明显，所以建筑不像汽车那样能够做到标准化和通用化，建筑工业化要比汽车工业化更难。工业化建造的特征是标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，其核心是部品部件的工业化生产，因此建筑要实现“像造汽车一样造房子”，必须大力发展装配式钢结构建筑，做到标准化、规格化和通用化，这是2035年全面实现建筑工业化的必然。
从产品全生命周期看，装配式钢结构建筑是一种节能环保、可循环利用的建筑形式。据中国工程院《钢结构住宅产业化咨询研究》报告数据，每平方米钢结构建筑比钢筋混凝土建筑在生产施工过程中可减少能耗12%、减少CO2排放15%、减少固体废弃物51%。在碳中和目标驱动下，建筑业低碳化将成为必然趋势，装配式钢结构建筑施工高效率、控制高精度、安装高灵活性、材料可回收利用，同时围护、管线、设备、内装等装配率可达90%以上，都利于降碳。
发展装配式钢结构建筑是建筑业向工业化、数字化、绿色化转型的要求，是建筑业实现国家“双碳”目标的重要途径，同时也是钢铁行业优化建筑用钢消费结构、适应绿色低碳发展要求的重要举措。
二、转变观念，推动装配式钢结构建筑厚积成势
要推进装配式钢结构建筑高质量发展，必须转变观念，以未来工业化生产的高品质绿色建筑为目标，正视并针对性解决发展中存在的各种问题，为高质量发展扫清障碍，为装配式钢结构建筑的发展蓄势。
（一）转变传统设计观念
传统的设计流程是从方案、施工图、根据施工图对部品部件进行拆分，再进行部品部件加工制作和安装。由于方案设计不考虑部品部件的工业化生产，这样将会导致部品部件规格多，无法做到标准化和规格化，更谈不上通用化，以至于工厂生产效率低，无法做到工业化生产。因此设计应该转变观念，先进行功能模块化单元设计，根据少数模块化单元进行多组合形成多样性设计方案，体现出建筑的灵活多样性，再进行标准部品部件设计，力争做到部品部件的规格化和通用化，再进行施工图设计，这样设计出来的部品部件规格少，通用化程度高，可进行批量工业化生产，从而提高生产效率、降低成本。进一步发展可形成标准体系，对于通用的部品部件可实现无订单生产，从而进一步提高生产效率。
山冶设计所设计的永峰智慧建筑和机械制造园区项目采用了以功能模块化设计为先导，再结合标准化的部品部件，进行建筑方案和施工图设计，突破了传统先施工图纸再拆分的设计理念，做到了部品部件的标准化、规格化和通用化，为部品部件工业化生产奠定了基础。因此在设计上必须摒弃“先建筑、再结构、无建造”的传统设计理念，应以“终”为“始”，转变设计观念，在建筑设计及功能布局应充分考虑与主体钢结构以及配套围护、内墙、管线系统集成设计和建造，重视部品部件的标准化、规格化、通用化设计，以满足工业化生产的要求。
（二）主体采用钢结构的建筑并不一定是装配式钢结构建筑
不少人认为只要主体采用钢结构的建筑就是装配式钢结构建筑，不少地区的装配式建筑标准中也是这样进行评价的。但装配式钢结构建筑是将工业化部品部件通过模数协调、模块组合、接口连接、节点构造和施工工法等集成装配而成的建筑。这里的核心是钢结构的部品部件是否符合工业化特征。工业化最基本特征就是部品部件的标准化、规格化和通用化，只有把钢结构做到构件规格、连接节点种类少，且连接节点不影响墙体等非结构部品部件安装，能为非结构部品部件提供统一安装平台，减少非结构部品部件种类和规格，最终实现主体结构、围护系统、内墙系统、设备管线系统的统一协调，做到部品部件标准化、规格化和通用化，为建筑全产业链实现工业化生产提供必要条件，才是真正意义上的装配式钢结构建筑。
山冶设计所设计的郑州紫荆网络信息安全科技园公寓楼项目，地下室和地上主体结构均采用方钢管混凝土框架-偏心支撑结构体系，用SPD叠合板和钢筋桁架楼承板，内墙采用ALC加气混凝土墙板。在主体钢结构设计时就尽量减少框架梁柱的规格，统一连接节点。梁柱截面仅调整钢板厚度、不调整梁柱外轮廓尺寸，连接节点不采用端部局部加宽和贴板的加强措施，将梁柱规格控制在3-4种以内，并统一采用一种连接节点。这样不仅将主体钢结构进行了最小规格化，同时也为内、外墙板和SPD叠合板楼板的标准化、规格化及其安装提供了统一的平台。该项目首次采用UHPC超高性能混凝土外墙挂板，整体装配率达80%以上。
（三）改变重结构、轻建筑、无内装的装配建筑设计方法
装配式钢结构建筑的设计应摒弃“重结构、轻建筑、无内装”的设计理念，建筑户型设计及功能布局应与主体钢结构抗侧力构件协同设置，统一柱网尺寸，以结构布置为基础，在满足建筑功能的前提下优化钢结构构件布置，满足工业化内装所提倡的大空间布置要求。以工业化围护和内装部品为支撑，通过内装设计隐藏室内的梁、柱、支撑，保证安全、耐久、防火、保温和隔声等性能要求。实现主体钢结构、围护、设备管线和内装四大系统协同设计。
山冶设计设计的河南省新乡东方广场（三期）高层装配式钢结构住宅项目，主体结构创新性地采用了钢框架-钢板组合剪力墙结构体系，施工浇筑混凝土时可免支模，符合装配式钢结构建筑的建造理念。该项设计时通过调整梁宽做到了框架梁不外露，在卫生间等部位通过折板等措施取消了钢次梁，避免了钢次梁外露对建筑使用功能的影响。为尽好地发挥钢结构的高承载力优势，采用方形钢管混凝土柱，为减少钢柱对建筑功能的影响，采用钢柱外凸、与精装配合隐藏在衣柜、窗帘等内部，做到了主体钢结构与内装协同。该项目还集成了免拆底模钢筋桁架楼承板、带饰面轻质外墙板、一体化装饰内墙板、装配式架空地板、装配式厨卫系统、智能配电系统等先进装配式建筑技术，装配率达80%以上。同时采用SPD叠合板，通过现浇混凝土叠合层的叠合作用，克服了预应力空心板抗震性能差的缺点；并且预应力空心板无需设置临时支撑，也更符合工业化建造。
（四）大力发展模块化钢结构建筑
随着城市的部分建筑使用年限超过设计工作年限，城市危旧楼房问题愈发突出，这不仅影响了城市整体形象，更对居民生活安全构成了严重威胁，为建设更美好的城市，城市更新势在必行。近几年，老旧小区改造实行“原拆原建”备受重视，将老旧小区的建筑物整体拆除，然后根据现代化的标准重建，这种方式既解决了老旧小区建筑老化、设施陈旧的问题，又能够提升小区的品质和居住环境。模块化钢结构建筑具有高度集成、工业化制造、快速建造、可拆移周转、可延伸扩展等特性，更加体现了工业化绿色建造优势。采用钢结构模块化建筑可以很好地解决城市更新中“原拆原建”的难题，钢结构模块可在工厂工业化制造，现场装配安装，建造周期短，对周围居民生活和环境影响小。并且通过数字孪生、智能建造技术等应用使施工过程更高效、精准，提高了建筑的质量和安全性，可大大减少建筑垃圾和材料浪费。
山冶设计一直在进行钢结构模块化建筑的设计和研发，针对多层公寓开发了框架结构、框架支撑结构等形式的模块化叠合箱体，为像“搭积木”一样建房子，研发了叠合箱体全螺栓装配的连接节点，真正实现建筑的工业化制造、快速装配建造。
（五）推动装配式钢结构建筑在工业园区中应用
由于住宅本身使用功能不同，再加上个性化需求的多样化以及气候差异等原因，统一的建筑户型难以满足个性化需求，致使装配式钢结构住宅难以做到标准化、规格化、通用化。并且受传统钢筋混凝土结构的影响，对装配式钢结构住宅要求不露梁不露柱，为此牺牲了钢结构承载力高的最大优势，并在住宅中难以体现出钢结构可实现较大跨度、空间灵活分隔的优势。而工业园区的多层工业建筑使用功能单一，主要是竖向交通和生产区域，容易做到模块化，便于实现钢结构的模块化和通用化。并且多层工业建筑要求层高较高、跨度大，采用钢结构可以避免传统钢筋混凝土结构的高支模施工周期长、难度大、费用高等问题，并且钢结构更适合大跨度结构。因此，工业园区的多层工业建筑具有采用装配式钢结构的先天条件。可在此基础上再融合和有效利用再生能源，全面推行超低能耗、近零能耗和零能耗产业园区。
山冶设计所设计济南时代未来科技城项目，是用于检验检测设备生产的多层工业建筑，在整体规划设计时对竖向交通区域和生产区域进行了功能模块化设计，通过少规格、多组合形成了整体统一又不失多样性的风格，做到了柱网统一、平面功能布局可任意规格化拓展，以满足客户的多样性需求。主体钢结构采用钢管混凝土柱、热轧H型钢梁，并根据框架梁的受力不同调整柱牛腿截面板厚，将梁截面统一到一个高度，将柱统一到一个外轮廓尺寸，为配套的非结构部品部件提供了统一安装平台。为了避免钢结构和基础施工干涉，创造性地采用了插入式杯口柱脚，更便于现场施工。
（六）将装配式绿色建造理念拓展到工业建（构）筑物
国家大力发展装配式钢结构建筑的初衷为化解建筑材料、用工供需不平衡的矛盾。山冶设计通过对冶金行业中标准化程度较高的混凝土构筑物进行了调研和分析，将民用建筑装配式建造的理念应用于工业建筑，提出了一种适用于工业化、标准化的模块化装配式钢结构网格冷却塔（专利号：2018205710142）。该装配式钢结构冷却塔自重轻、安装简单、精度高、施工速度快、综合造价低，便于实现标准化设计、工业化生产和装配化施工，也解决了现浇混凝土施工难度大、受季节限制的问题。同时拓展了装配式建筑的应用范围，填补了装配式钢结构在工业构筑物方面的空白。
山冶设计针对钢筋混凝土筒仓和钢结构筒仓在施工、使用上存在的问题，提出了一种模块化装配式钢板混凝土组合筒仓（专利号：202221283037.6），利用两侧钢板作为现场混凝土浇筑的模板，将模板和结构构件合二为一，充分发挥了钢结构和混凝土的优势，有效规避了钢结构和混凝土的缺点，并且模块可实现标准化和通用化，符合建筑工业化生产、绿色装配式建造的理念。
（七）转变传统设计与施工分离的承发包模式，采用EPC工程总承包模式
传统的设计与施工分离的承发包模式是设计、采购、施工由不同承包商承担，按顺序进行，设计时难以考虑构件加工和现场施工因素，难以做到协同。EPC工程总承包模式中设计、采购、施工由EPC总承包承担，有序交叉进行，能够充分发挥设计及其优化的主导作用，设计时可充分考虑构件加工和现场施工因素，做到全产业链协同。因此EPC工程总承包管理模式是推进装配式建筑一体化、全过程、系统性管理的重要途径，能够整合产业链上下游的分工，解决工程建设切块分割、碎片化管理问题，将工程建设的全过程联结为一体化的完整产业链，以实现资源的优化配置。
山冶设计依托山钢集团，联合山钢地产、莱钢绿建、莱钢鲁碧等山钢企业，通过资金、产品研发、地产开发、设计、钢结构加工和安装、装配式装修全产业链集成，通过标准化、规格化和通用化设计，规模化定尺生产，提高生产效率，降低生产和建造成本，从而体现出产业链集聚的效应。
三、技术创新，为装配式钢结构建筑高质量发展赋能
山冶设计近20年一直致力于钢结构建筑、特别是装配式钢结构建筑的研究和应用，并将装配式建造理念引入冶金项目中，先后参与了《H型钢钢结构节能住宅建筑体系研究与应用》《钢结构体系内外墙板、楼屋面板制造应用技术》《乡镇生态节能住宅技术及工程示范》《装配式钢结构绿色节能建筑关键技术研究》等国家课题研究；参与了《钢结构设计规范》《钢结构绿色节能住宅建筑体系技术导则》《装配式钢结构建筑工程总承包管理标准》《钢结构住宅设计标准》等多项国家钢结构设计和施工规范、规程的编制工作；先后设计了常州鸿联公寓、青岛华阳慧谷、济南凯旋新城、芜湖双翼花园、青岛开发区国际贸易中心、青岛招银大厦、济南鲁邦国际广场、莱钢集团行政管理中心等住宅和办公楼、济南时代未来城等钢结构建筑；荣获省科技进步一等奖一项，国家钢结构科技进步二等奖一项，省部级优秀工程设计一等奖六项，二等奖十余项。
为解决钢板组合剪力墙的装配式施工、预制楼梯与钢结构安装偏差以及柱脚埋置深度过大等问题，山冶设计集中技术力量研究现有技术存在的问题，并结合项目实际情况，提出的一种腔体贯通式钢板组合剪力墙（专利号：201920633167.X），避免了现场竖向拼接焊缝，同时便于浇筑混凝土，降低了施工难度，较好地解决了钢板组合剪力墙的加工和安装问题；提出的混凝土预制楼梯与钢梁装配连接节点（专利号：201920517839.0）实现了三个方向自由调节，有效解决了现场施工偏差带来的安装问题；提出的一种倒置埋入式钢柱柱脚（专利号：201921927251.9）构造简单，受力明确，节点刚度大，兼具传统外露钢柱柱脚构造简单和埋入式钢柱柱脚刚度大的优点，能够有效减少基坑开挖深度和降水需要，缩短基础施工工期和降低基础施工成本；为推动工业化生产的预制空心板在工程中的应用，提出了一种新型装配式挡墙（专利号：202021146700.9），该技术突破了传统挡墙的竖向悬臂受力模式，将传统的SP预应力空心板水平构件创造性地应用于竖向构件中，可工业化生产，装配式安装，施工速度快，且便管道埋设、免维护。
为推动装配式钢结构建筑发展， 山冶设计2019年针对高层建筑提出了“隐梁装配式钢结构建筑集成体系研发”项目，该集成体系以建筑功能为核心，以结构布置为基础，以工业化的围护、内装和设备管线部件为支撑，综合考虑建筑布局、外立面、结构体系、围护结构、设备管线、构件防护、内装等各方面的集成，实现了主体钢结构系统、外围护系统、设备管线系统、内装系统协同，将钢梁隐藏于楼板或墙体内，避免钢结构外露对使用功能的影响，并有效解决了钢结构防腐、防火问题，同时发挥出装配式钢结构建筑在大空间灵活分隔方面的优势。
同时，山冶设计针对低层建筑提出了“装配式农村被动式房屋体系研发”项目，并提出了可标准化设计、工业化生产、全装配化施工的一种榫卯与螺栓混合装配式钢结构梁柱节点（专利号：2018208503464），构造合理、传力明确，实现了梁柱刚性连接，且安装工艺简单、安全可靠；现场无焊接，施工速度快，可显著降低人工费和运输成本，更适用于装配式建造。
未来，随着建筑业工业化、数字化、绿色化转型的持续深入，模块化设计、智能生产、绿色建造、装配式装修、运行超低能耗，将是装配式钢结构建筑的发展趋势。山冶设计以“终”为“始”，激发形成以技术创新为特征、以满足部品部件工业化生产为核心、以工业化高品质绿色产品为目标的发展新动能，为发展建筑业新质生产力蓄势赋能，全面推进建筑工业化进程，助力实现国家“双碳”目标。（山冶设计钢结构咨询研究院院长 王士奇）
