建筑模架产品创新设计指南

建筑模架产品创新设计指南

天津恒工模板有限公司 刘辉

【摘要】随着我国工时成本的迅速上升和国家对施工安全管理的力度加大，我国模架产

品安全性能差、效率低的问题已经严重制约了建筑业的健康发展。在原有低档产品的思路上

任何小的修修补补，均不足以从更本上解决这些问题，根本的出路在于创新。可近十几年来

模架行业的创新产品的推广和应用，并不顺利。除了市场成熟度的问题之外，科学把握模架

产品创新的内在规律，乃至把握好影响产品设计成败的一些细节，往往是整个项目成败的关

键。本文试图对模架产品设计创新的一些基本思路，做一个简略的梳理，抛砖引玉，供业界

讨论。

据全球建筑视角和牛津经济研究院2009年11月发布的《2020年全球建筑业》预测报

告称，到2018年，中国将超过美国成为世界最大的建筑市场。始于美国的金融海啸，使这

一进程提前了8年，中国于2010年便提前成为了世界第一大建筑市场。

与巨大的建筑规模形成强烈反差的，是我国建筑施工应用中的模架产品的低质低效。以

碗扣式脚手架为例，且不以国际标准衡量，仅以已经颁布的国家标准来检验，几乎100%为

不合格产品。以粗制滥造、偷工减料以及低价竞销形成的销售与租赁市场，是劣币逐良币，

造成恶性安全事故频发，以及钢材、运费和工时的极大浪费，其结果是，同类工程的总造价

不仅没有降低，甚至高于工资水平远远高于我国的发达经济体。

实践中大量存在的问题，恰恰说明现有的产品和施工运营需要改进，需要产品创新来加

以解决。工资成本的大幅上涨，建筑市场劳动力的短缺，人的价值的提高，对产品安全性能

的重视与需求，凡此种种因素，均呼唤高效、安全的模架产品的诞生。

模架产品，通常包括模板、支撑架和脚手架。目前国外发达国家广泛应用的模架产品，

安全性和效率均大大超前于我国实际应用中的同类产品。但由于我国与发达国家处于不同的

发展阶段，现场施工的管理水平、施工方法和建筑工人的素质，均与发达国家有着明显的差

距，简单地把国外的模架设备直接应用于我国，却鲜有成功的案例。

吸收国外产品先进的设计、生产和施工理念，结合中国的实践，创造性地设计出符合我

国实际应用的新一代模架产品来，是建筑业发展的迫切需求。顺应这种趋势，我国模架行业

的一些专家和企业，做了许多有益的探索和实践，陆续推出了不同的模板、支撑架和脚手架

的创新产品，其中不乏真知灼见，奇思妙想。然纵观这些创新产品的推广应用，依然大量存

在着这样那样的问题。

许多创新产品虽投入了大量的人力物力，表面上看，也不乏产品的先进性和必要性，却

并未真正被市场接受，并未获得大面积的推广应用，甚至项目流产。造成一些非常有实力的

模架企业，因此谈创新色变，不愿投入资金做研发工作，仅从商业运营层面投入，市场用什

么，就生产什么，眼前什么能赚钱就干什么。客观上，也把整个行业推向了一个资源浪费，

不可持续的运行轨道。有的产品虽获得某种范围的应用，但对彻底解决我国施工中模架产品

质量低劣和安全性能差等弊端，贡献不大。巨大的建筑规模与模架产品低层次徘徊的现状，

既为创新型模架产品带来了巨大的市场机遇，也对产品的创新与发展，带来了巨大的挑战。

许多业界专家，对于目前产品存在问题的严重性乃至造成问题的深层原因，均有共识，但对

于如何以创新的产品和操作模式来解决问题，却常存悲观情绪。

认真回答如下问题，有助于我们整理思路。

模架产品的设计、应用和市场的形成过程，是否有科学规律可循？我国建筑施工和模架

产品的应用与发展将会形成一种独特的式样，还是会逐步接近发达国家的水平，与发达国家的发展方向合流？笔者认为，基于我国特殊的发展轨迹和发展阶段，以及史无前例的发展速

度与规模，现阶段不宜直接照搬发达国家的产品，否则有可能出现水土不服。但随着我国经

济的迅猛发展，市场规律这只看不见的手，终将把我国模架行业，推向与发达国家相同的发

展方向。发展的轨迹可能有所不同，但是大的发展方向却必然是趋于一致，那就是：一、安

全；二、高效！

理清了这个大方向，模架产品的创新思路，也变得清晰了。

首先，应该全面分析发达国家同类产品的精髓，充分学习、吸收、消化。在创新设计方

案出炉之前，应对发达国家已经走过的路和达到高度，有充分的研究和认识。其次，应密切

结合我国施工中的实际应用，要适合我国的现状。最后，还要具有前瞻性，保证产品至少在

未来十年内具有先进性。模架产品多为用于租赁，反复使用的设备，设计时考虑到这一点，

显得尤为重要。

举个汽车行业的例子。面对核心技术掌握在欧美国家手里的现实，日本公司在充分学习

的基础上，走出了自己适合市场需求的创新之路，这个例子似乎很适合我国模架行业的发展

借鉴。以我国现有的工业基础和施工水平，孕育领先世界先进模架产品的时候似乎还没到来，

但巨大的市场需求和发展前景，将极有可能孕育出类似日本汽车似的中国式模架产品来。那

么，我们创新的思路也应该聚焦在，适合我国工业水平和施工水准的前提下，面向未来十年

乃至二十年的发展上，逐步把我国的模架行业，引领到可与发达国家比肩的水准上。

总结起来，型模架产品的创新至少应遵循如下原则：

第一、 创新产品需要完整的可行性论证

业界一直有一个迷思，那就是，好的产品一定是贵的，为了降低成本，就要偷工减料，

以次充好。正是这样的迷思，把模架行业引向了恶性发展的轨道。

钢管扣件式和碗扣式脚手架几乎100%不符合国标，导致恶性安全事故频发，而用钢量

则比国际水平高出三倍以上，不仅造成资源的巨大浪费，而工程的造价水平，反而比发达国

家还高。

质次价廉的胶合板模板的应用，不仅耗费了大量的木材资源。由于低质胶合板的使用次

数均在五次左右，实际的摊销成本并不真正经济核算。再加上为适应使用质次的胶合板而采

取的散支散拼的施工方式，效率极为低下，随着劳动力成本的急剧上升，这种产品的应用必

然不可持续。

好的模架产品，首先要有良好的安全性，其次，应该有极高的施工效率，从而能降低施

工的总成本，而不是使工程造价更贵。安全与效率，是模架产品设计的主要关注点，在做创

新产品研究的可行性论证时，应该充分考虑到这两点。

以我公司研发的方易鼎M60模板支撑系统为例，便是充份研究了碗扣式脚手架形成安

全性差和用钢量大量浪费的的特点，推出的换代产品。产品既保证了安全性，彻底解决了碗

扣式脚手架存在的安全隐患，又提高了施工效率，减少了三倍的用钢量，其结果是用户不比

使用碗扣架多增加成本，用上了安全性能优越的创新产品。产品一经推出，便获得了诸多施

工租赁企业的认可和应用。

解决木模板大量浪费木材资源问题的钥匙，是研发一些列可拼装式的组合模板。从模板

的反复使用中要效益，从方便易行的组合中，减少用工量，提高工作效率等方面要效益。适

合我国的钢框塑料面板模板和铝模板产品的研发，是发展方向。

第二、 创新产品需要完整的理论演算

看似简单的模架产品的设计与开发，其实包括了金属材料、金属焊接、结构力学、工民

建，乃至木材与化工等等多方面的理论研究，是涉及多个领域，跨行业的综合学科。一款好

的模架产品的诞生，在设计的初期，一定经历了严格认真的理论演算过程。以理论计算得出的方向性结论，来指导产品的设计、制作和应用。

现代计算机技术的应用，为充份的理论研究提供了便捷的方法和工具。有限元法的普及，

也使原本复杂的力学结构研究，变得简单直观。原本复杂的演算过程，在计算机加有限元法

的结合下，变得简单易行。许多软件，都内置了结构模拟计算的模块。

以我司研发的快可配模板系统为例，产品的设计初期，对模板的边料型材的断面性能，

模板的结构，模板的面板，模板的配件承载等等各个细节，均做了详细的演算。从中得出了

许多指导性的数据和曲线，对产品的设计起到了指导性的作用。

图1 快可配钢框塑模板在极限设计承压值下的结构变形

图2 快可配钢框塑模板结构关键部位受力曲线

第三、 创新产品需要全面的极限荷载试验

模架产品的研究重点，是产品的承载能力或承压能力。因此，此类产品需要明确标注安

全使用荷载能力和安全系数。而这些数据的取得，除了理论演算的指导外，更重要的是通过

荷载试验，获取产品安全使用的各种数据。明确标注承载能力或承压能力，并标注了安全系

数的产品，才能为施工方案的制定提供有效的支持和保障。

仍以我公司研发的方易鼎M60模板支撑系统为例，通过与清华大学土木学院合作，对

产品的立杆的单支极限承载力和搭设成标准应用架体结构的极限承载力，均做了极为完整的

实验验证。目前市场上质量好的碗扣式脚手架的立杆承载力，多在4吨左右，而方易鼎M60

的立杆承载力，则高达20吨。这也正是方易鼎M60模板系统节约用钢量的秘诀所在。

造成目前我国碗扣式脚手架安全性能差，用钢量高的根本原因，就是无法准确确认实际

使用中的脚手架杆件的承载能力。没有一个碗扣架生产厂家和租赁商，能够准确地提供其产

品的极限承载值，或安全使用值。

市场上见到的一些创新产品，也未作此类实验，无法给用户提供准确数据。

图3 方易鼎M60模板支撑系统架在清华大学做体荷载试验 第四、 创新产品需要标注安全使用荷载和安全系数

在我国已经颁布的模架产品的标准和技术规范中，大多详细地规定了产品所用材料的材

质、壁厚、直径等制造参数，却未见有要求产品标注安全使用荷载或承压能力，以及安全系

数的规定。这恰恰是抓了末节，丢了重点。举一个例子，比如一个电阻器，如果不标注其电

阻值，却规定其所有的材质，大小等，用户将如何在设计电路时使用它呢？

事实上，随着科技的进步，各种新型材料的诞生，可供产品使用的材料和工艺将会不断

出新。硬性地规定产品的材料，反而约束了行业的进步，新技术的研发，新产品的应用。

仍以支撑架为例，我国普遍使用碗扣式脚手架作为支撑架使用，目前的标准和技术规范，

均规定了产品应该采用Q235的材质钢管，对壁厚直径均做了详细的规定。那么，如果有产

品采用Q345的高强度钢管，就可减少壁厚，以达到节约用钢量的目的。Q345是我国近年

来才逐渐应用的高强度钢材，标准硬性规定使用Q235材质和壁厚，原意应该是防止有产品

使用更次一级的材料，可事实上并没有阻止低劣产品的泛滥，客观上却阻碍了新材料的应用。

如果标注了产品的安全使用荷载和安全系数，只要用户按着标注值使用，只要产品的制

造工艺能保证产品的每个杆件均符合标注值，便不会有安全隐患。至于产品的使用效率和其

他的设计优劣，应该由市场来选择。

仍以方易鼎M60模板支撑系统为例，采用了Q345高强度钢管，如果以1.5米步距搭

设，立杆标注安全使用承载值是10吨，安全系数为二比一。这样，就给用户提供了支架搭

设方案是所必需的关键参数和保障。

第五、 创新产品需要合格的制造工艺

模板、脚手架和支撑架，均是由依据模数化设计，不同的模块或杆件组成。实际应用中，

成千上万个模块或杆件均在结构中，承受不同的压力。这就要求每个模块或杆件的承压或承

载力，均达到标注的承载值，否则失稳和坍塌，均先从最弱的部位开始。因此，产品质量的

一致性，至关重要，也就要求产品的制造工艺必须一致可靠。例如模架产品的焊接，必须以

专业的焊接工艺和严格的质量管理系统，保证产品的一致性。

我国模架产品的标准和技术规范中，在计算产品的承载或承压力时，均采用了直接以材

料的屈服强度作为计算依据的做法，与实际应用中的产品性能严重脱节。事实上，在影响产

品承载力的众多因素中，材料的屈服强度只是其中一环。优良的制造工艺，亦是保证产品达