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轻钢喷筑式复合墙体创新产业化研究

申报人：李星宇 申报日期：2025-03-08

基本情况

2025年批次
轻钢喷筑式复合墙体创新产业化研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
基于现有建筑中关于传统钢筋混凝土墙的痛点，例如空间大，自重大，抗震差，施工工艺复杂、工期长，墙体整体性差，环境污染大等，团队研发出轻钢喷筑式复合墙体，其具有增加空间，自重小，整体性良好，安装简便，抗震性能良好，绿色环保，可选性多等优势，未来将该墙体创新产业化发展并广泛用于钢结构住宅
参加过往届的大创与小挑比赛
 黑龙江省优秀青年基金项目：考虑损伤累积的钢筋混凝土框架结构主余震联合风险评估. 2020.07~2023.07.项目编号：YQ2020E023，10万
国家自然科学基金面上项目：考虑余震丛集特征的钢筋混凝土框架结构震后时变风险分析与动态决策. 2023.01~2026.12，项目编号：52278492，54万
国家自然科学基金面上项目：锈蚀钢筋混凝土框架结构时变地震易损性分析与全寿命风险评估. 2018.01~2021.12.项目编号：51778198，59万
国家自然科学基金青年项目:主余震序列作用下钢筋混凝土框架结构的多元联合易损性研究. 2015.01~2017.12.项目编号: 51408155，25万
中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项:主余震序列作用下钢筋混凝土框架结构地震风险评估. 2018年8月-2020年8月.项目编号：2018D08, 8万
广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室：锈蚀钢筋混凝土框架结构时变地震易损性分析. 2017年7月-2019年6月.项目编号：2016ZDK002, 5万
中国博士后科学基金面上项目:考虑强余震影响的钢筋混凝土框架结构地震易损性评定. 2014.06~2016.06.项目编号: 2014M551251，5万
黑龙江省博士后科学基金项目:基于易损性的钢筋混凝土框架在主余震序列作用下的抗震性能评估. 2015.01~2017.06.项目编号: LBH-Z14114, 5万 
专业知识讲解答疑，项目试验的指导，对研究报告论文的编写指导
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李星宇 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 项目统筹及撰写研究报告
聂漪涵 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 试验部件等经费预算及购置
刘志远 土木工程学院 土木工程 2023 理论分析，数据记录及汇总
唐忆筠 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 文献研究
付皖湘 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 实地调研

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
于晓辉 土木工程学院 否

立项依据

为响应我国大力推动装配式建筑行业发展的政策，研发出满足绿色建筑要求的新型轻钢喷筑式复合墙体。
中国的建筑业逐步结束资源型暴利时代，将进入一个常规的市场生态系统，与中国经济一起进入新常态。虽然传统的砌筑墙在目前应用比较广泛，但是其还是存在着空间小、自重大、吊挂性能差、抗震差、施工工艺复杂、工期长、墙体整体性差；传统砌筑墙墙体强度较小，故需立柱较多，且立柱不能灵活布置，占用建筑物面积较大；传统砌筑墙墙体单点承重能力较差，单点吊挂重物易导致墙体开裂以及墙体空鼓，从而导致墙体承载能力差；传统砌筑墙现场施工需经过支模、绑扎钢筋、堆放砌块、养护和拆模等多种工序，需大量使用模板且施工周期长，后期还需对墙体进行装修等问题。
装配式隔板整体性好，刚度大，可节省模板，而且板的表面平整，便于面层装修，适用于对整体刚度要求较高的墙体，在目前的装配式墙体市场上，制作出具有优良性能的轻钢喷筑式复合墙体已成为了研究热点。
目前市场迫切需要性价比较高的预制隔板，本项目提出的轻钢喷筑式复合墙体，既方便施工，又能提高经济效益，这也是本项目能够在装配式建筑市场占有一定份额的重要保证。
应用新型的C型立柱和U型横向龙骨、钢挂网、砂浆等材料均由工厂预制生产，运抵现场后组装各个构件，高强螺栓的使用使得轻钢喷筑式复合墙体的连接更加紧密，同时通过高强螺栓能实现安装定位，加快安装速度，再通过机械方式喷筑砂浆，砂浆与C型立柱、U型横向龙骨、钢挂网形成一体的仅由固体结构组成的隔声系统；由于构件可以先在工厂预制，对施工现场空间要求低；相比于现有的固体-空气-固体结构的墙体，本实用新型的结构简单，安装精度要求低，施工效率高，有效缩短工期，工期仅为传统砌筑墙体的1/5。 
西方发达国家开展工业化建造之路较为领先，在众多典型国家中，日本是最早实现将住宅墙体在工厂中批量生产的国家，美国对于其装配式住宅提出了舒适性、多样性和个性化等要求，法国开创了工业化建筑的先河，并且众多工业化程度较高的国家都已经研发其装配式建筑专用体系。
自 2015 年以来，我国装配式建筑飞速发展，在传统建造方式的基础上逐步开展对多层、小高层办公及住宅建筑的改进和创新，通过对装配式建筑预制构件产品化生产，将建造成本进一步压缩，与传统建造成本差别不大。截至 2018 年，全球装配式建筑调查中美国日本等国装配式建筑渗透率均超过70%，相较于其他国家，我国装配式建筑渗透率为38.5%仍有较大发展空间，如图所示。
图 2018年，中国装配式建筑渗透率与主要发达国家对比
目前，国外装配式桥梁的技术发展趋势是从闭锁体系向开放体系转变，原来的闭锁体系强调标准设计、快速施工，但结构性方面非常有限，也没有推广模数化；从湿体系向干体系转变，装配模块运到工地，但是接口必须要现浇混凝土，湿体系的典型国家是法国，瑞典推行的是干体系，干体系就是螺丝螺帽的结合，其缺点是抗震性能较差，没有湿体系好；从只强调结构的装配式，向结构装配式和内装系统化、集成化发展；信息化的应用越来越广泛和深入，结构设计是多模式的，一是填充式，二是结构式，三是模块式，目前模块式发展相对比较快。
本团队针对当今国内尚不成熟的装配式建筑体系的主要问题，研究出轻钢喷筑式复合墙体，其能有效地解决由冷弯薄壁型钢作为结构受力骨架的轻钢龙骨墙体具有自重轻、节约钢材、低成本、保温隔热、抗震性能好、装配化程度高、施工速度快、周期短、对施工现场空间要求低、符合环保绿色建筑要求等特点，在国际上发展迅速并广泛运用于钢结构住宅。而我国现有的墙体自重大、质量问题主要聚焦在装配式隔墙本体的设计、安装、与结构的有效连接和相邻板缝的处理不合理、隔音隔热性能较差，外墙体所造成热能损失较大、传统的抗侧力体系不经济合理，不能满足抗侧刚度和延性等抗震要求。 
本项目产品轻钢喷筑式复合墙体采用的是C型立柱垂直安装在相互平行的U型横向龙骨之间构成钢骨架、刚挂网包覆在钢骨架的侧面，然后喷筑砂浆并抹平作为墙体的原材料，其具备超高的耐久性和耐磨性，且刚度大，在材料性能上明显更优于传统砌筑墙体，且在模板成本、运输成本、维护成本等方面更具明显的优势。如图所示
以4000平方米墙体为例，成本对比表
传统砌筑墙 本项目复合墙 成本对比
材料成本 320000 200000 37.5%
运输成本 18000 9100 50.6%
施工成本 150000 90000 40%
工期成本（天） 28 7 75.0%
总成本 488000 299100 38.7%
由上表可以看出，本项目产品轻钢式喷筑式墙体在成本上要比传统砌筑墙体降低了37.5%以上，生产总成本上降低了38.7%，在提高产品性能的同时，降低了产品成本，提高产品性价比。 
技术路线：本实用新型的C型立柱和U型横向龙骨、钢挂网、砂浆等材料均由工厂预制生产，运抵现场后组装各个构件，高强螺栓的使用使得轻钢喷筑式复合墙体的连接更加紧密，同时通过高强螺栓能实现安装定位，加快安装速度，再通过机械方式喷筑砂浆，砂浆与C型立柱、U型横向龙骨、钢挂网形成一体的仅由固体结构组成的隔声系统；由于构件可以先在工厂预制，对施工现场空间要求低；相比于现有的固体-空气-固体结构的墙体，本实用新型的结构简单，安装精度要求低，施工效率高，有效缩短工期，工期仅为传统砌筑墙体的1/5。
拟解决的问题：中国的建筑业逐步结束资源型暴利时代，将进入一个常规的市场生态系统，与中国经济一起进入新常态。虽然传统的砌筑墙在目前应用比较广泛，但是其还是存在着空间小、自重大、吊挂性能差、抗震差、施工工艺复杂、工期长、墙体整体性差；传统砌筑墙墙体强度较小，故需立柱较多，且立柱不能灵活布置，占用建筑物面积较大；传统砌筑墙墙体单点承重能力较差，单点吊挂重物易导致墙体开裂以及墙体空鼓，从而导致墙体承载能力差；传统砌筑墙现场施工需经过支模、绑扎钢筋、堆放砌块、养护和拆模等多种工序，需大量使用模板且施工周期长，后期还需对墙体进行装修等问题。
装配式隔板整体性好，刚度大，可节省模板，而且板的表面平整，便于面层装修，适用于对整体刚度要求较高的墙体，在目前的装配式墙体市场上，制作出具有优良性能的轻钢喷筑式复合墙体已成为了研究热点。
目前市场迫切需要性价比较高的预制隔板，本项目提出的轻钢喷筑式复合墙体，既方便施工，又能提高经济效益，这也是本项目能够在装配式建筑市场占有一定份额的重要保证。
预期成果：在未来2年内，本公司技术团队将不断完善轻钢喷筑式复合墙体产品，提高轻钢喷筑式复合墙体的性能和质量，进一步提高轻钢喷筑式复合墙体的拼接性能。针对装配式建筑预制构件价格高的难题，进一步研究低造价、高性能的材料，降低产品成本，优化产品价格。
未来3-5年，本项目团队继续保持基于轻钢喷筑式复合墙体的研发。同时利用虚拟仿真技术以及3D建模技术，结合数据库中轻钢喷筑式复合墙体的属性信息制作构件模型，进一步研发一种轻质、性能好的预制构件、研发一种更适用于装配式建筑的基于轻钢喷筑式复合墙体。进一步将基于轻钢喷筑式复合墙体推广应用，使得本项目产品不断更新迭代，适应装配式建筑市场，并不断拓展全国市场。
从长远来看，团队将不断研发和生产基于轻钢喷筑式复合墙体，开展性能更好的产品的研发，进一步建立行业内比较良好的装配式建筑体系，紧跟国际先进水平，拓展国际市场业务。 
2021.11实习发现问题，提出问题并与老师进行讨论，提出轻钢墙体的设想并开始组建团队。
2022.12充分利用学校试验设备，做了百余次试验
2022.10经过多次试验得出轻钢墙体初步形态，并通过讨论分析，不断优化，最终完成项目落地
2022.04提交相关材料申请轻钢喷筑式复合墙体的专利
2023.9项目逐渐发展涵盖土木、商学等多学科交叉人才 
工程实例
本团队的新型轻钢喷筑式复合墙体已经应用于柳州市兴宾区人民医院（如图），并取得良好效益，得到合作用户的高度认可。
柳州市兴宾区人民医院是广西绿筑装配式建筑有限公司的一项工程，工程中所采用的本项目提出的超高性能桥梁新型轻钢喷筑式复合墙体约为120 m3，新增产值约100万元人民币，节约成本约20万元。
图 兴宾区人民医院
合作伙伴
项目团队已与广西交科集团、广西荔浦市绿筑装配式建筑有限公司签署工程合作协议。 
已具备的条件：目前，市场上存在一些轻质隔板的企业，但由于他们是简单的轻质隔板没有专利支持，并且我们有新型专利技术支撑，构成的威胁不算太大。
尚缺少的条件及解决方法:（1）不断开发新技术、新型装配式连接装置，以及具备该技术的相关企业的冲击;
（2）随着环保和创新意识的增强，将有类似企业继续进入该行业;
（3）普通混凝土建筑企业或原有装配式建筑公司不断优化其产业结构，深化行业发展，开发新型连接装置。
这三方面的第一类和第二类竞争对手会给我们带来短期的挑战，但真正对我们构成长期挑战的却是第三类企业。因为这类企业长期在建筑领域，拥有广泛的业务合作伙伴和网络资源，一旦开发出同类产品，掌握相关核心技术， 它将对相关企业造成强烈的挤压效应。
解决方法
寻求与这些企业达成长期的战略合作伙伴关系，甚至把它们变成我们的股权投资者，我们就能更好地提升我们开拓市场的能力。虽然该领域仍处于蓝海市场，但随着市场竞争的加剧，未来竞争对手将逐渐增加，不排除一些大型建筑公司如腾达建筑、上海建筑工程等综合实力雄厚的上市公司加入这一竞争领域。因此，我们必须依靠现有技术的优势快速推进整个项目，让我们的产品快速进入市场，以克服后进竞争对手带来的压力。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 支持项目 10000.00 10000.00
1. 业务费 5000.00 图纸设计，数据处理等资料的借阅与打 2500.00 2500.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 图纸设计，数据处理等资料的借阅与打印 500.00 500.00
（2）能源动力费 1000.00 做实验耗费的水电费 500.00 500.00
（3）会议、差旅费 1000.00 进行现场调研的交通及住宿费 500.00 500.00
（4）文献检索费 1000.00 查阅和检索相关文献 500.00 500.00
（5）论文出版费 1000.00 论文出版，印刷，装订费 500.00 500.00
2. 仪器设备购置费 5000.00 购买相关实验所需的仪器 2500.00 2500.00
3. 实验装置试制费 5000.00 实验设备管理与维修 2500.00 2500.00
4. 材料费 5000.00 采购实验所需的材料 2500.00 2500.00
结束

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