钢架结构组合式预制住宅技术的发展史与日本轻量型钢应用

第一部分 钢架结构组合式预制住宅技术的发展

钢架结构组合式预制住宅的进化

在日本，自昭和 30 年代（1955 年）开始，轻量型钢得以实现国产化。这种轻量型钢作为新型建筑用钢材，受到了人们的关注。

1955 年，“日本轻量钢架建筑协会”成立，其母体是社团法人钢材俱乐部。该协会着手推进将轻量型钢用于小规模建筑物的研究开发。轻量型钢主要以檩条及横筋等 2 次部件为中心进行使用。通过该协会的推进，轻量型钢的用途向梁、柱以及桁架等主要结构部分得以扩大。该研究开发的设计和施工技术成为钢材料结构组合式预制住宅的结构设计原点。

轻量型钢的钢材料构架结构与日本既有工艺的木造构架工艺相似，这使得许多企业开始着手进行钢材料结构组合式预制住宅的开发。目前，钢材料结构组合式预制住宅在组合式预制住宅动工户数中约占 8 成。

钢材料结构组合式预制住宅的钢架部件在工厂制造，工厂建立了高水准质量管理体制，所以能始终保证稳定提供高质量的部件。内外装潢相关部件也在该工厂制造。在工厂的生产线上，会对轻量型钢进行滚轧成形，会进行切断操作，会进行开孔作业，还会进行焊接等工作。同时，还会完成高耐久性的防锈涂装。

在现场，不需要进行焊接方面的作业，也不需要进行切断以及开孔的作业。而是对按照每户进行发货的高精度工厂制造的部件进行组装，从而完成高质量的住宅。

钢材料结构组合式预制住宅的构建工艺包含板框式、构架式、构架及墙板并用式、采用重量钢架的框架式以及单元式。掌握多种构建工艺的公司会根据建筑物的用途和当地特性来开展商品开发，以此推进事业发展（照片 1）。

这些工艺是组合式预制住宅各公司所独有的。比如，即便属于相同的构架式，从系统角度来看，也可说是不同的内容。接下来介绍主要的钢材料结构组合式预制住宅的工艺。

照片1日本的典型组合式预制住宅

构架式

·板框式

积水住宅株式会社的构建工艺为板框结构方式。1960 年开发成功该构建工艺，此工艺以 C 形轻量型钢作为结构主体。在普遍使用木造住宅的时期，主要材料是“钢材、铝材以及塑料”的构建工艺属于创新性的住宅建造工艺。

照片 2 销售当初的板框构建工艺

1961 年对该工艺进行了改进。开发出了新型产品，其性能和设计得到了进一步充实（照片 2）。这种新型产品在该行业率先进行了各种具有划时代意义的尝试。它采用一米组件（1,000mm），天花板高度为 2,400mm，比建筑基准法规定的最低标准高出 300mm，从而保证了上方有宽敞的空间。外墙是由发泡聚苯乙烯及铝材构成的夹层板，这样能提高隔热性能。屋顶是简单的山墙，不过梁侧的房檐长出约 1m，通过这种措施可以遮挡梅雨季节的雨水以及夏日强烈日光的照射。对于窗户，为提升施工精度，采用了完成实用化不久的铝制窗。在内部装潢方面，也把以往使用较多的塑料改成了木材等，结合了日本人的感性进行设计（图 1）。

图1 板框构建工艺的概述

1962 年，该公司开发出上下重叠新型产品的 2 层住宅；1964 年，开发出考虑设计性的部分 2 层结构住宅。运用新开发的独特钢构架构建工艺（照片 3），能够依据 2 层的位置、房间配置自由度等客户的要求，并且符合法令规定进行有效设计（照片 4）。

照片3 钢构架的构建工艺

照片4 板框工艺部件的生产线

本构建工艺把具备抗震性的钢制支架设置成 X 形状。这种 X 形状的钢制支架被分别设在 1 层和 2 层的承重墙上。这样做的目的是兼顾设计自由度和结构强度。

2003 年，积水住宅株式会社开发出了免震住宅，这种住宅作为抗震对策的最高水准而受到关注。接着，该公司开始推进性价比非常优异的震动控制技术的开发工作。在 2007 年，采用了独特的地震动能量吸收系统。该系统把部分作为抗震结构的承重墙换成了安装了特殊减震器的构架系统（如照片 5、6 所示）。这个构架系统是可以吸收摇动的。通过这项新技术，板框式构建工艺变成了一个具有抗震、震动控制以及免震全部功能的系统。

照片5 设有减震器的构架系统

照片6 地震动能量吸收系统

·墙板并用式

大和房屋工业株式会社的钢架结构组合式预制住宅采用墙板并用式构建工艺。在工厂里，会对钢构架安装外部装潢材料、隔热材料以及内部装潢基材，制造出完成的墙板。之后在施工现场进行组装，这样就能减少现场施工并且缩短工期。这项基本原则的理念从最初一直延续到现在（图 2～4）。

图2 墙板并用式构建工艺的概述

图3 墙板并用式的墙板组装图

为了连接由外部装潢材料及内部装潢基材封闭的墙板，需在墙板间使用槽形连接部件（柱）。同时，为了与钢筋混凝土基础连接以及与上侧的主梁连接，要事先在墙板侧预埋螺母等，并采取相应措施及使用连接材料。连接部件的宽度和板框的厚度是一样的。以墙板厚度的中心当作基准线。这样一来，即便面对有外角和内角的平面，也能够运用无需组件调整配件的墙板来达成目的。

以上是墙板并用式系统的概要。组件尺寸为 940mm，传统的京间式（关西地区）草垫长边尺寸是 6 尺 3 寸，约 945mm，而墙板组件尺寸是其一半。这是基于尽可能有效利用当时外墙材料一般性制造尺寸一倍的 1820mm（加上连接部件处的间隙 60mm 后为 1880mm，其一半为 940mm）这一考虑而确定的。

图4 墙板并用式的墙板平面图

图5 墙板并用式的墙板平面图（改进型）

然而后来，为提高楼板、天花板等内部装潢建材的尺寸效率，相较于外墙建材尺寸的有效利用，按照目前住宅建材的平均尺寸，将其统一为江户式（关东地区）组件的 3 尺（约 910mm）。把曾位于结构中心的基准线设置在外围结构的内侧，这样能减少用于楼板、隔墙以及天花板等的配件，从而形成如图 5 所示的平面和平面细节。

墙板并用式构建工艺最初是用于 2 层建筑且房间数量较多的配置。现在它被用于设置更大空间以及大尺寸开口部分的设计。并且部分采用结构部件进行加固，比如横梁、高强度承重墙等。

上述系统在向 3 层建筑推进时存在困难，难以满足各种需求。然而，在应对城市部分等狭小用地方面，墙板式住宅具有优势。

框架式

·系统框架结构

旭化成 HOMES 株式会社的构建工艺运用了系统框架结构。这种构建工艺把 H 形钢梁通过端板方式与方形钢管柱以面接触直接相连，并且借助特殊的高强度螺栓达成了刚性连接。因为其具备便于批量制造的部件结构以及简单的架构，所以这种构建工艺实现了常规工艺难以做到的框架结构的组合式预制化。

1985 年，获得了对柱梁连接部位及底座等的 38 条认定，这些认定将其作为原始工艺。通过这些认定，实现了框架结构的组合式预制工艺。在底座方面，采用了一种固定底座式露出型固定底座工艺，即通过特殊垫圈注入砂浆。同时，柱与柱的连接采用干式螺栓连接（目前为柱连接器），这种连接方式无需现场焊接，形成了钢构架结构（图 6）。

图6 系统框架结构

这种结构与构架结构相比，设计自由度较高。1986 年推出了 3 层的住宅，照片 7 展示了该住宅。3 层住宅的市场迅速得以扩大。并且，与构架结构相比，它还能方便地实现耐火结构。作为中层多户住宅建筑的主体系统，它也向中层多户住宅市场进行了扩大。

照片7 系统框架3层住宅

另外，将本构建工艺的部件尺寸进行扩大。开发出一种系统框架结构，此结构采用柱 250 方钢管。作为 3 至 5 层的住宅商品，除了专用公寓之外，还能够用于公寓并用以及商店并用等复合用途的公共住宅。

目前，主体系统采用 150 方钢管立柱的系统框架结构。该主体系统把多样化住宅当作商品群，向 3、4 层建筑市场推进。它提供中层城市型住宅，以满足广阔市场的需求。（照片 8、9、10）

照片10 系统框架复合楼4层住宅

单元式

·箱形框架单元式

积水化学工业株式会社的构建工艺为箱形框架单元式。单元工艺是把住宅分成数个单元，在工厂里制造至基本完成的状态，接着运到现场进行组装。在住宅需求大量增加的时代背景下，通过采用工厂制造性较高的单元工艺，实现了性能更高、质量更优的住宅。

1971 年首次上市销售的是单元式住宅。这种住宅采用箱形框架结构的单元，从而提高了工厂制造的比例。并且，单元相互之间组装方便，能够满足复杂的独立式住宅的配置和规格要求（照片 11～13）。

照片11～13 单元住宅、安装、工厂生产线

初期的单元式住宅以 800mm（现今是 900mm）作为基准尺寸，它是一种简单系统，将宽 2400mm、长 5600mm（外形尺寸为 5000mm）、高 2700mm 的单元在平面和立面上进行整齐式配置。1 层和 2 层等不同的载荷条件，是通过改变柱和梁的材料断面以及壁厚来满足的。这种结构的主要特征在于设计了一部分，这部分位于山墙侧且是凸出的，被称作山墙外壁。它的作用是能够顺利地完成单元之间的相互连接，同时还可以当作收纳空间等进行利用。（如图 7、8 所示）

图7 单元住宅结构图

图8 单元住宅初期组件

通过满足配置、价格以及设计的要求，单元的种类和组合方法会随着时代的发展而不断进化。其中有以下两项典型工艺：一是亚单元，它采用的是标准单元宽度尺寸大约一半的单元，这样能大幅度提高楼板面积的对应以及用地的对应等配置自由度；二是屋顶工艺，该工艺用于形成三角屋顶。高梁工艺方面：2 层的底梁部分在现场进行加固，取消了由 1 层的 4 个单元构成的中央立柱部分，这样就能够实现作为住宅较为困难的最大 33 个草垫、无立柱且无墙壁的大型空间（如照片 14 所示）。

照片14 高梁工艺

·单元式

三泽房屋株式会社的构建工艺为单元式住宅系统。1976 年开始征集新住宅供给系统开发项目，自此单元式住宅系统的开发便开始了。

这种住宅系统运用了钢材料的结构单元，通过一种材料达成了结构承载力、防火、隔热以及隔音等多种功能。将多功能材料（ALC 墙板）当作外墙，从而实现了承重墙，并且使钢架框架单元住宅得以实用化（照片 15，图 9）。

照片15 承重墙并用钢架框架单元住宅

图9 外墙多功能材料生产工序

1989 年，这种单元构建工艺得到了进一步的发展。采用了各单元为完整箱体结构的“胶囊单元（箱体单元）”。在胶囊单元中，立柱使用 125mm 方钢管，横梁使用高度为 175mm 的轻量槽钢等。将立柱和横梁分别焊接成 1 层 1 跨的框架构架。之后，通过螺栓或地脚螺栓进行平面及立面连接，从而构成了建筑物（图 10）。

图10 单元住宅的组装

框架由承受垂直载荷以及地震和风压水平力两方面构成，这种单元便于对建筑物进行承载力要素的协调良好配置设计。并且，由于不依赖承重墙，所以提高了设置大开口直至天花板的自由度。

开发这种胶囊单元构建工艺的目的在于达成“高度工业化”以及“高速施工”。利用胶囊单元，不但外墙以及外部结构的作业可以事先在工厂完成，而且隔墙以及内部门窗和装修等作业也能如此，从而大幅提升了工厂生产化的比例。这样一来，既能保证稳定的质量，又能减轻现场施工的负担，进而实现缩短工期（照片 16）。

另外，在现场施工方面也是如此。通过开发新型连接方法等，对每根立柱使用 1 根高强度螺栓，完成上下单元之间的连接以及相邻单元的连接。这样就实现了用 1 天时间组装单元，并且完成防水处理的工期（照片 17）。

照片16 复层壁结构示意图

照片17 单元的安装

钢架组合式预制住宅的未来

目前，各钢结构组合式预制住宅厂商致力于进一步提高节能性能，以实现低碳化社会。他们还在推广普及创能和蓄能，并推进该技术的开发。

此外，面向现有建筑物有效利用型社会，正在积极推进对以往提供的大量钢材料组合式预制住宅进行有效利用及再生的技术开发，同时也在积极推进增建及改建制度运用的讨论等。