輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展應(yīng)用

陳智忠，鄭寶磊

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長以及生活水平的不斷提高，人們對(duì)住宅的要求也不斷提高，更加安全、舒適、健康、綠色和節(jié)能等的住宅越來越受大眾的喜愛。2010年，我國發(fā)布了中國第一部關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)規(guī)程《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ209－2010），同年10月1日開始執(zhí)行，這標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展邁出了里程碑式的一步。輕鋼結(jié)構(gòu)住宅以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，將引領(lǐng)我國新型住宅的潮流。在我國，尤其是地震多發(fā)區(qū)，應(yīng)該大力推廣應(yīng)用輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅概述

1.1 定義及組成部分

根據(jù)《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》中的定義，輕型鋼框架結(jié)構(gòu)是由截面較小的熱軋H型鋼、高頻焊接H型鋼、普通焊接H型或異形截面的型鋼、冷軋或熱軋成型的方（或矩、圓）形鋼管組成的框架結(jié)構(gòu)體系或框架——支撐結(jié)構(gòu)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為6層以下，配套有滿足建筑功能的輕質(zhì)隔墻、輕質(zhì)樓板以及輕質(zhì)的屋面系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化和系列化的原則下，構(gòu)件、設(shè)備由工廠化配套生產(chǎn)，在建造現(xiàn)場組裝的集成化多層住宅建筑。這種建筑的維護(hù)材料應(yīng)該是如同彩色壓型鋼板、水泥砌塊、蒸壓加氣砌塊以及夾心保溫板等輕質(zhì)高強(qiáng)的材料。

輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅一般由支撐骨架結(jié)構(gòu)、維護(hù)骨架結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)墻板、裝飾外墻、輕質(zhì)樓板、屋面系統(tǒng)和門窗樓梯等7部分組成。與傳統(tǒng)的住宅結(jié)構(gòu)體系相比，主要區(qū)別在于支撐系統(tǒng)和維護(hù)骨架系統(tǒng)和維護(hù)墻體。

1.2 輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

我國住宅目前主要以磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)為主，它們自重大、建筑功能局限、截面粗笨、對(duì)環(huán)境壓力大、節(jié)能效果差、不利于抗震。而鋼結(jié)構(gòu)住宅與其他體系相比有著獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）自重輕，屋面系統(tǒng)和樓層板結(jié)構(gòu)均為輕型的，維護(hù)結(jié)構(gòu)也采用輕質(zhì)材料，而支撐骨架系統(tǒng)的強(qiáng)度很高，所以材料用量少，而且結(jié)構(gòu)重量輕還可以節(jié)省運(yùn)輸和吊裝等施工費(fèi)用，基礎(chǔ)也可以相應(yīng)減小，有效節(jié)約建造成本。

（2）由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在滿足正常使用的條件下，建筑功能布局更加靈活，開間進(jìn)深可以做大，使建筑可使用面積增大約7%左右。

（3）鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能優(yōu)越，鋼結(jié)構(gòu)具有很好的延性，耗能能力強(qiáng)，能夠有效吸收地震能量，減輕結(jié)構(gòu)的損壞程度。

（4）鋼構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化，所有構(gòu)件均可以在工廠加工制作，現(xiàn)場拼裝，施工方便，周期可縮短一半，質(zhì)量易保證。

（5）綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境污染和破壞少，施工過程的粉塵和建筑垃圾很少，而且是干作業(yè)，節(jié)約水資源，受環(huán)境的限制少。

（6）鋼結(jié)構(gòu)住宅符合國家節(jié)能減排政策的新型住宅體系，該建筑改建和拆遷簡便，構(gòu)件和材料可以再利用。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)住宅依據(jù)建筑的高度及層數(shù)可以分為兩大類，并有不同的結(jié)構(gòu)體系與之相適應(yīng)。一類是低層住宅和別墅，一類是多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅。輕鋼住宅以低層和多層為主。

1.3.1 冷彎薄壁輕鋼或小型熱軋型鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系主要用于3層以下的低層和別墅住宅中，是由C型或U型或者方鋼管組成的龍骨架結(jié)構(gòu)體系，用鋼量是普通鋼結(jié)構(gòu)的1/3～1/2。樓面梁傳遞的豎向力是通過柱子與上下龍骨和支撐組成的受力墻壁來承擔(dān)，水平力則是由作為隔板的輕質(zhì)樓板傳至受力墻壁再傳至基礎(chǔ)的。

1.3.2 無比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

無比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系是一種冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，其上部結(jié)構(gòu)由樓板、桁架梁和墻體構(gòu)成，而結(jié)構(gòu)體系中最基本的單元是小桁架，由冷彎薄壁方（矩）形鋼管和V型連接件通過自攻螺絲連接而成，它既可直接作為樓層中的桁架梁，也可充當(dāng)墻體中的受力骨架。墻體則是通過蒙皮、抗拉鋼帶和自攻螺絲把若干豎放的小桁架整體裝配而形成的，可以建造6層住宅。

1.3.3 輕鋼密肋柱+復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系是北新集團(tuán)開發(fā)的輕鋼住宅體系，是由輕鋼密肋柱和復(fù)合圍護(hù)構(gòu)成，構(gòu)件經(jīng)過特殊防腐處理，節(jié)能采用先進(jìn)的維護(hù)保溫方式，有效避免鋼結(jié)構(gòu)中的冷橋和熱橋問題。

1.3.4 輕鋼框架+填充輕鋼剪力墻結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系也是北新集團(tuán)開發(fā)的，是在獨(dú)立基礎(chǔ)上采用輕鋼框架與填充輕鋼剪力墻相結(jié)合的體系，極大地提高了建筑抵抗地震破壞的能力，適用于6層以下的建筑。

除此之外，常用于住宅的結(jié)構(gòu)體系還有純鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—支撐體系、鋼框架—筒體體系以及錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展

2.1 輕鋼住宅的流派類別

按照地緣文化和建筑風(fēng)格可以分為歐美風(fēng)格和日本風(fēng)格兩類。

按照制造方式可分為模塊化預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅和部分預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅。

按照鋼截面和骨架系統(tǒng)可以分為：

（1）H型鋼梁柱支撐加輕鋼維護(hù)骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡稱H+H骨架系統(tǒng)；主要在中國應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)相對(duì)復(fù)雜，必須采用焊接，總用鋼量約為65 kg/m2。

（2）C型鋼梁柱支撐加輕鋼維護(hù)骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡稱C+C骨架系統(tǒng)；主要在歐美國家應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)簡潔實(shí)用，用鋼量在45 kg/m2左右。

（3）方鋼為柱，U型鋼為梁的支撐骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡稱□+U骨架系統(tǒng)；主要在日本應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，用鋼量在75 kg/m2左右。

（4）方鋼為柱，H型鋼為梁的支撐骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡稱□+H骨架系統(tǒng)；主要在日本應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，用鋼量在55 kg/m2左右。

（5）冷軋輕鋼骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，主要在歐美國家應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)簡潔實(shí)用，用鋼量在35 kg/m2左右。

2.2 適用于我國的輕鋼住宅體系

考慮到我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建筑技術(shù)水平等因素，在我國發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)住宅必須采用有利于施工人員操作和設(shè)計(jì)、成本相對(duì)低廉的結(jié)構(gòu)體系。但是也應(yīng)該考慮住宅技術(shù)的發(fā)展，不能與現(xiàn)行的政策矛盾，既要發(fā)展適合于我國的體系，也要貫徹節(jié)能減排的政策。

目前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅主要是采用H+H骨架系統(tǒng)，該體系與我國傳統(tǒng)住宅相比，只是替換了傳統(tǒng)梁柱，其他基本維持不變，但只是過渡性體系，因?yàn)槠洳环犀F(xiàn)代住宅的發(fā)展，不利于應(yīng)用輕質(zhì)墻體技術(shù)。通過上述流派的分析，適用于我國的輕鋼住宅體系可以借鑒歐美國家，其技術(shù)簡潔、成本低廉，能夠滿足大眾需求。有些關(guān)鍵技術(shù)可以參考日式住宅，但其成本相對(duì)較高，不適合在我國推廣應(yīng)用。

2.3 輕鋼住宅在我國的推廣應(yīng)用

我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，就汶川和玉樹兩地地震中倒塌了數(shù)以萬計(jì)的住宅建筑，這些建筑均以抗震性能相對(duì)差的磚混結(jié)構(gòu)為主。我國也是一個(gè)能耗非常大的國家，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右，國家在節(jié)能減排的政策下要求建筑物節(jié)能達(dá)到60%以上，這些因素都促進(jìn)了我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。在我國北京、天津、上海、山東等地已經(jīng)陸續(xù)建成了一些鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程。

鋼結(jié)構(gòu)住宅不能夠大面積推廣的主要影響因素是造價(jià)問題。鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)高于混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)。由于我國人民消費(fèi)觀念的差異，使得盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣走入瓶頸。但是隨著我國產(chǎn)鋼量的不斷增長、鋼材價(jià)格的下降，加之國家大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅，新的適合中國的各種結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，建筑技術(shù)不斷成熟，其成本將會(huì)有所降低，鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用前景可觀，是中國住宅的必由之路。

3 輕鋼住宅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的問題

3.1 蒙皮效應(yīng)

對(duì)于覆蓋在鋼結(jié)構(gòu)表面的外墻材料和樓層板或屋面板對(duì)結(jié)構(gòu)性能是有很大影響的，它們除了起到維護(hù)結(jié)構(gòu)的作用外，還可以抵抗水平荷載，在自身平面內(nèi)起到蒙皮作用。在設(shè)計(jì)中若能合理利用蒙皮效應(yīng)，可以降低工程造價(jià)。

《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》中也指出，結(jié)合輕質(zhì)樓板和利用墻體抗側(cè)力等有利因素，能使鋼框架結(jié)構(gòu)體系不僅用鋼量省，而且解決了可以建造多層結(jié)構(gòu)的技術(shù)問題，尤其是能與我國現(xiàn)行規(guī)范體系保持一致，滿足抗震要求。蒙皮板的抗剪強(qiáng)度和剛度目前是通過試驗(yàn)或者解析求解的。當(dāng)板是按照剪力蒙皮設(shè)計(jì)的，應(yīng)該明確板在建筑物中的支撐作用，在沒有其他有效支撐時(shí)是不可以拆除的。蒙皮性能與連接件類型、間距、強(qiáng)度等有很大關(guān)系。所以建筑物使用的連接件等性能必須合理選擇，以保證蒙皮效應(yīng)的可靠性。在考慮蒙皮效應(yīng)的建筑施工中，必須是在所有構(gòu)件安裝就位后才能發(fā)揮作用，因此應(yīng)該設(shè)置臨時(shí)支撐，即使是在更換板時(shí)也必須設(shè)置支撐。在使用過程中，也應(yīng)該仔細(xì)維護(hù)，確保連接件牢固可靠，保證合適的蒙皮效應(yīng)和結(jié)構(gòu)安全。

3.2 輕鋼住宅的維護(hù)

經(jīng)常進(jìn)行建筑物的維護(hù)，可以保證建筑物獲得更長的使用時(shí)間。對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，主要應(yīng)對(duì)外墻、屋面系統(tǒng)、基礎(chǔ)以及廚衛(wèi)等部位進(jìn)行日常維護(hù)。外墻可能會(huì)因?yàn)橛暄┑葷B透而遭到破壞，所以應(yīng)該經(jīng)常檢查排水溝、下水管道、墻根等部位，防止排水溝堵塞等問題出現(xiàn)，除此還應(yīng)檢查輕鋼骨架構(gòu)件，采取措施防止蟲蛀腐蝕等。廚衛(wèi)部位防水要經(jīng)常檢查，防止因泛水破壞而使鋼構(gòu)件銹蝕等問題。

4 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)住宅在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，數(shù)量也在不斷刷新。在我國，從政策和技術(shù)上也都已經(jīng)有了很大的發(fā)展，所以在不久的將來，輕鋼住宅將是我國住宅行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。