我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢文/中天建設(shè)集團(tuán)浙江鋼構(gòu)有限公司 張茂國 段坤朋 徐 晗 金建勇 闡釋我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的背景和優(yōu)勢,。介紹了杭蕭鋼構(gòu),、遠(yuǎn)大可建、中建鋼構(gòu)等企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)現(xiàn)狀,,包括結(jié)構(gòu)體系,、樓板系統(tǒng)、墻體系統(tǒng)等特色組成部分,,從政策法規(guī)到技術(shù)應(yīng)用等多方面,,對我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析論述。 0 引言我國是目前世界上最大的混凝土建筑大國,。然而,,過量的混凝土原材料需求造成我國農(nóng)田、礦山,、河流等自然環(huán)境方面的嚴(yán)重破壞[1],。近年來逐漸嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象已嚴(yán)重影響人民的生活健康,而混凝土現(xiàn)場施工也是引起霧霾的原因之一,。對此,,國務(wù)院于2013年1月出臺《綠色建筑行動方案》(國辦發(fā)[2013]1號文件),鼓勵發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化,。住宅產(chǎn)業(yè)化是集住宅生產(chǎn)過程中的設(shè)計(jì),、構(gòu)配件生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝,、銷售和售后服務(wù)為一體的完整產(chǎn)業(yè)系統(tǒng),。 我國已成為世界鋼產(chǎn)量大國[2],2015年建筑業(yè)用鋼量約占鋼材消費(fèi)的50%,。鋼結(jié)構(gòu)建筑是一種新型建筑工業(yè)化集成產(chǎn)品,,其核心是工業(yè)化,。它便于改變傳統(tǒng)的建筑生產(chǎn)方式,可以采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),、裝配式施工、一體化裝修、信息化工程管理和集成化服務(wù)的建筑生產(chǎn)方式,這些正是住宅產(chǎn)業(yè)化所需的,。 我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展,逐步形成了龍頭企業(yè)引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展模式,,研發(fā)并形成了獨(dú)具特色的鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng)。本文將詳細(xì)介紹我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)現(xiàn)狀,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行分析論述。 1 我國現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)現(xiàn)狀目前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化以企業(yè)帶動為主,,逐步形成了企業(yè)獨(dú)具特色的產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng),并有一定數(shù)量的工程案例,。但各企業(yè)成果尚在研究階段,,未形成國家級設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),也沒有廣泛的市場應(yīng)用,,還需進(jìn)一步研發(fā)推廣。 我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)主要依托龍頭企業(yè),。目前已形成自主研發(fā)成果的企業(yè)有杭蕭鋼構(gòu),、遠(yuǎn)大可建和中建鋼構(gòu)(見表1)。 1.1 杭蕭鋼構(gòu)研發(fā)及應(yīng)用成果 1.1.1 多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系 杭蕭多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系定位多高層建筑結(jié)構(gòu),,以矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為研發(fā)起點(diǎn)和切入點(diǎn),,逐步形成一套符合產(chǎn)業(yè)化特點(diǎn)的完整體系,于2007年11月獲國家發(fā)明專利,。 結(jié)構(gòu)體系主要包括鋼框架結(jié)構(gòu)體系,、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系和交錯桁架結(jié)構(gòu)體系[3],。其中剪力墻形式多樣,,包括內(nèi)填鋼板剪力墻、內(nèi)填預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻和現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻等,。 柱采用冷彎成型高頻焊接矩型鋼管混凝土結(jié)構(gòu),,承載力高,抗震和耐火性能好,。梁采用高頻焊接H型鋼,,兼具熱軋H型鋼規(guī)模化生產(chǎn)和焊接H形截面尺寸靈活的綜合優(yōu)勢,??蚣芰和ㄟ^直通橫隔板式節(jié)點(diǎn)與框架柱剛接(見圖1),,避免柱壁層狀撕裂現(xiàn)象的發(fā)生,節(jié)點(diǎn)抗震性能較好,,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工業(yè)化生產(chǎn),。次梁與主梁鉸接連接。支撐主要采用高頻焊接矩形鋼管或H型鋼,。 樓板系統(tǒng)一般采用鋼筋桁架樓承板(見圖2)或鋼筋桁架混凝土疊合板[4](見圖3),。樓板抗震性能優(yōu)異,施工現(xiàn)場綁扎工作量較少,,且無需現(xiàn)場支?;虼钅_手架,顯著縮短工期,。目前鋼筋桁架樓承板已由杭蕭鋼構(gòu)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級為住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。 墻體系統(tǒng)采用漢德邦CCA板灌漿墻[5],輕鋼龍骨固定于框架梁柱,,兩側(cè)安裝CCA板,,預(yù)留灌漿孔灌注EPS混凝土(見圖4)。該墻體防水,、防火,、保溫隔熱、隔聲等性能優(yōu)異,,且抗震性能優(yōu)越,。 1.1.2 鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系 2014年1月,杭蕭鋼構(gòu)申請獲得鋼管束混凝土組合結(jié)構(gòu)體系發(fā)明專利[6],。該體系與多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系相比,,圍護(hù)系統(tǒng)基本相同,結(jié)構(gòu)體系大幅創(chuàng)新,。它由柱,、鋼管束組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件與H形鋼梁或箱形梁連接而成。鋼管束是由若干U形鋼與矩形鋼管在工廠進(jìn)行拼接組裝而成的多個(gè)豎向空腔的結(jié)構(gòu)單元,,空腔內(nèi)灌注自密實(shí)混凝土,,形成鋼管束混凝土組合剪力墻。鋼管束平面形式有T形,、一字形,、工字形、Z形等,。 表1 國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系特點(diǎn) 圖1 直通橫隔板式節(jié)點(diǎn) 圖2 鋼筋桁架樓承板 圖3 鋼筋桁架混凝土疊合板 圖4 CCA板灌漿墻 1.1.3 工程案例 武漢世紀(jì)家園住宅小區(qū)共11幢高層住宅,,地上11~24層采用杭蕭多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系,于2009年交付使用(見圖5)。該工程被列為“住建部科技示范工程”,。 杭州錢江世紀(jì)城人才專項(xiàng)用房項(xiàng)目11號樓,,地下2層,地上30層,,建筑高度95.1m,。采用鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系,該工程于2015年2月開工建造,,2015年5月順利封頂(見圖6),。 1.2 遠(yuǎn)大可建研發(fā)及應(yīng)用成果 1.2.1 裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)框架體系 遠(yuǎn)大可建鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)定位多高層建筑。結(jié)構(gòu)體系采用其自主研發(fā)的裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)框架體系,,并以該體系為核心,,配套研發(fā)使用的梁、柱,、樓板,、墻板等,最終形成一套完整的鋼結(jié)構(gòu)住宅系統(tǒng),,并于2012年申請獲得國家發(fā)明專利[7](見圖7),。 柱采用箱形截面鋼柱,鋼柱側(cè)邊設(shè)置斜向支撐,,形成一個(gè)整體鋼立柱[8],。支撐形式分為節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型斜撐和X形斜撐(見圖8)。該立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,,組裝方便,,可工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),。 該體系可應(yīng)用集成式組合樓板,由鋼筋混凝土壓型鋼板組合樓板集成水,、電,、暖、通風(fēng)系統(tǒng)的架空鋼框架夾層(見圖9),。該樓板系統(tǒng)集合了結(jié)構(gòu),、圍護(hù)、裝飾及水電系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)了鋼構(gòu)焊接,、混凝土澆筑、樓面裝飾以及所有水,、電,、暖、通風(fēng)系統(tǒng)的橫向管線敷設(shè)等工序的工廠化施工,顯著提高建筑裝配率,。鋼柱與組合樓板的連接采用插入式套裝,,整體鋼立柱兩端設(shè)有導(dǎo)向板,便于插入組合樓板設(shè)計(jì)位置,,然后用高強(qiáng)螺栓連接或者法蘭連接(見圖10),。 墻體系統(tǒng)主要采用模塊化墻體[9-10]。墻體以冷彎薄壁型鋼作為骨架,,以保溫防潮性好的發(fā)泡材料作為墻體,,墻體四周采用軟性材料密封,在內(nèi)部集成電線,、控制線,、開關(guān)、插座等,。墻體上可預(yù)裝內(nèi),、外裝飾面板。墻體安裝有銷釘,,便于與框架結(jié)構(gòu)連接固定,。 1.2.2 工程案例 “小天城”位于湖南省長沙市,建筑面積18萬m2,,于2015年建成,。該建筑高200多m,19天完成現(xiàn)場結(jié)構(gòu)施工(見圖11),。 “T30A塔式酒店”位于湖南省湘陰縣,,建筑面積1.7萬m2,于2011年完工,。該建筑共30層高,,15天完成結(jié)構(gòu)施工,無現(xiàn)場濕作業(yè)(見圖12),。 1.3 中建鋼構(gòu)研發(fā)及應(yīng)用成果 1.3.1 裝配式綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑 中建鋼構(gòu)于2015年提出一種集成裝配式綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑[11],,適用于低層及多高層建筑,采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系,、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系,。 梁、柱截面形式采用常規(guī)截面,,其中柱主要采用箱形截面鋼柱,,梁為H形鋼梁。如圖13所示,,梁柱節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接,,連接節(jié)點(diǎn)采用鋼柱預(yù)留牛腿端部,,無現(xiàn)場焊接工作。 樓板系統(tǒng)一般采用鋼筋桁架樓承板,。施工現(xiàn)場免支模,,底模采用覆塑板,可拆除回收循環(huán)利用,,避免后續(xù)吊頂施工,,且可以實(shí)現(xiàn)立體交叉作業(yè),可縮短主體結(jié)構(gòu)施工周期,,降低綜合成本(見圖14),。 圖5 武漢世紀(jì)家園住宅小區(qū) 圖6 杭州錢江世紀(jì)城人才專項(xiàng)用房11號樓 圖7 裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)框架體系 圖8 整體鋼立柱 圖9 集成式組合樓板 圖10 鋼柱與組合樓板連接節(jié)點(diǎn) 圖11 小天城 墻體系統(tǒng)采用蒸壓砂加氣混凝土板(AAC板)作為基墻,保溫裝飾ET板為面層[12-13],。該墻體容重較輕,,安裝方便,與框架連接節(jié)點(diǎn)工藝成熟,。 1.3.2 鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑 鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑是中建鋼構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的另一個(gè)系列,,同樣應(yīng)用于低層和多高層建筑,采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系,。 該系統(tǒng)向部品化,、模塊化發(fā)展,將結(jié)構(gòu)劃分為一維柱模塊和二維梁模塊(見圖15),。梁,、柱截面形式采用常規(guī)截面,其中鋼柱一般采用箱形截面,,鋼梁一般采用H形鋼梁或箱形截面,。二維梁模塊與一維柱模塊的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)有短柱,并采用高強(qiáng)螺栓連接(見圖16),。 樓板系統(tǒng)采用集成裝配式樓板,。內(nèi)層為桁架組拼模塊、龍骨及發(fā)泡混凝土,,外層為水泥纖維板,、增強(qiáng)板及裝飾地板。同時(shí)電纜管,、水管等集成在樓板內(nèi)部。該樓板具有可工業(yè)化生產(chǎn),、異地循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn),。 墻板系統(tǒng)采用集成裝配式墻板。墻體骨架由方鋼管,、C型鋼,、支撐條等組成,由發(fā)泡混凝土形成墻板,外側(cè)加裝鐵絲網(wǎng),、水泥纖維板,、玻鎂板(內(nèi)墻)或涂料(外墻)。墻板框架內(nèi)可以加設(shè)電纜管及水管,,集成化程度高,,可工業(yè)化生產(chǎn)。 圖12 T30A塔式酒店 圖13 梁柱連接節(jié)點(diǎn)
圖15 模塊劃分 圖16 梁柱節(jié)點(diǎn) 圖17 中建鋼構(gòu)大廈 圖18 鋼結(jié)構(gòu)別墅 1.3.3 工程案例 中建鋼構(gòu)大廈位于深圳市,,高166.7m,,建筑面積5.5萬m2。該建筑采用中建鋼構(gòu)裝配式綠色建筑體系,,于2015年封頂,,被評為“住建部科技示范工程”,并獲美國LEED-CS金級認(rèn)證(見圖17),。 武漢某開發(fā)區(qū)一棟2層的鋼結(jié)構(gòu)別墅,,由10個(gè)二維長方形模塊組成,于2015年7月完工,,成為國內(nèi)首個(gè)模塊化綠色鋼結(jié)構(gòu)住宅(見圖18),。 2 我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢2.1 國家政策方面 2013—2016年,中央先后出臺《綠色建筑行動方案》《關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》[14-17]等4項(xiàng)相關(guān)文件及多項(xiàng)配套文件推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑,,增加鋼結(jié)構(gòu)在公共建筑領(lǐng)域的應(yīng)用,,并要求在地震等自然災(zāi)害高發(fā)地區(qū)推廣輕鋼結(jié)構(gòu)集成房屋等抗震型建筑。2016年6月1日實(shí)施的《中國地震動參數(shù)區(qū)規(guī)劃圖》GB18306—2015正式取消了不設(shè)防地區(qū),,鋼結(jié)構(gòu)住宅良好的抗震性能將有更廣大的市場,。這些政策文件將促進(jìn)我國住宅鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的健康發(fā)展。 2.2 盡快完善鋼結(jié)構(gòu)住宅的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范 目前,,國內(nèi)很多鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)在做住宅產(chǎn)業(yè)化相關(guān)方面的研發(fā),但在產(chǎn)品質(zhì)量,、通用性,、協(xié)調(diào)性等方面還需要政府相關(guān)部門的規(guī)范和引導(dǎo)。 1)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)的可靠性,,如新型結(jié)構(gòu)體系,、新型節(jié)點(diǎn)連接等,需要完善的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范證實(shí)其可靠性并需要相關(guān)審定認(rèn)證制度,。 2)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)構(gòu)件及集成化樓板、墻板系統(tǒng)大多于工廠工業(yè)化生產(chǎn),,需要完善的質(zhì)量檢測技術(shù)及檢測標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)構(gòu)件和集成化系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢測,。 2.3 借鑒國外鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)經(jīng)驗(yàn) 日本,、歐美等國家鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較早,具有獨(dú)特的優(yōu)勢特色,。例如日本的住宅超市,,消費(fèi)者自主選擇各類住宅產(chǎn)品,設(shè)計(jì)師進(jìn)行調(diào)整修改后,,生產(chǎn),、施工只需一周到幾周時(shí)間完成。我國部分企業(yè)已經(jīng)開始逐步借鑒日本及歐美等國家的優(yōu)秀鋼結(jié)構(gòu)住宅體系,,如無比鋼結(jié)構(gòu)體系,、輕鋼木結(jié)構(gòu)體系等。利用國外優(yōu)勢經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合我國實(shí)踐開展新的研發(fā),,是鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的途徑之一,。 2.4 鋼結(jié)構(gòu)住宅部品的工業(yè)化生產(chǎn) 目前我國鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)的住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)還處于發(fā)展階段,各企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng)依舊存在一定程度的現(xiàn)場濕作業(yè),,如混凝土的澆筑,,樓板、墻板與框架連接節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場后補(bǔ)處理等,。但工業(yè)化,、規(guī)模化生產(chǎn)的觀念已逐漸深入企業(yè)內(nèi)部,,利用鋼結(jié)構(gòu)工廠優(yōu)勢及條件,,實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅構(gòu)件的工業(yè)化、規(guī)?;a(chǎn),,同時(shí)減少施工現(xiàn)場濕作業(yè),縮短工期,,減少工程造價(jià),,將是我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化未來發(fā)展的重點(diǎn)、難點(diǎn),。 2.5 鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)一體化 住宅產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)整體系統(tǒng),,涉及設(shè)計(jì)、制作,、運(yùn)輸,、施工、裝飾裝修,、管理等全方位工作,。鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化需要在研發(fā)階段融合各方面的工作,例如裝飾裝修材料與樓板,、墻板系統(tǒng)的集成化,,結(jié)構(gòu)部品的設(shè)計(jì)需要考慮運(yùn)輸造價(jià)、施工現(xiàn)場無濕作業(yè)以及如何減少對二次裝飾裝修的影響等問題,。因此,,鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不能只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員,還需要建筑設(shè)計(jì),、工廠加工工藝,、現(xiàn)場施工安裝、裝飾裝修材料等各方面技術(shù)人員參與,。各專業(yè)技術(shù)系統(tǒng)化的整合將推動我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展,。 2.6 綠色建筑的發(fā)展 我國已逐漸從提高住宅數(shù)量向提高住宅質(zhì)量和功能方向轉(zhuǎn)變,因此對建筑材料的質(zhì)量要求也越來越高,。綠色建筑越來越受到社會的重視,,民眾對節(jié)能建筑的需求勢必推動鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)能化、環(huán)?;陌l(fā)展,。目前,鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化中的各種部件已逐漸展示出其節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢,,例如梁柱構(gòu)件的可拆卸循環(huán)使用,,樓板、墻板系統(tǒng)材料由單一材料向復(fù)合材料發(fā)展,,幕墻系統(tǒng)的節(jié)能化發(fā)展,,減少現(xiàn)場濕作業(yè)對環(huán)境的影響等。鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)對綠色建筑的關(guān)注度逐步提升,。 2.7 計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用 隨著各鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)對新型結(jié)構(gòu)體系,、部品的研發(fā),現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件顯示出一定的缺陷性,,而大型的有限元分析軟件如ANSYS,、SAP等,操作繁瑣,,效率不高,,需加快現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展更新。 鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化涉及建筑全壽命周期,,如何利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及軟件將建筑全壽命周期有機(jī)聯(lián)系起來,,提高住宅建造過程中設(shè)計(jì)、生產(chǎn),、運(yùn)輸,、安裝等的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,將是重要的發(fā)展趨勢,。 3 結(jié)語歷經(jīng)10多年的發(fā)展,,鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的理念已逐步深入我國各鋼結(jié)構(gòu)企業(yè),,部分龍頭企業(yè)已形成其獨(dú)具特色的鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng),并已完成一些樣板工程,,且建筑類型覆蓋面廣泛,。未來,龍頭企業(yè)必定會利用自身優(yōu)勢,,逐步完善缺陷,,同時(shí)不斷創(chuàng)新;其他企業(yè)也會奮起直追,,逐步開展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化相關(guān)內(nèi)容的研發(fā),,共同發(fā)掘鋼結(jié)構(gòu)住宅市場。 鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)需看清目前研發(fā)中存在的問題,,明確研發(fā)方向,,控制成本、改善性能,、提高效率,,更好地促進(jìn)我國鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展,使其成為國民經(jīng)濟(jì)的重要增長點(diǎn),。 參考文獻(xiàn): [1] 吳云.多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),,2006. 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