多層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計的要點分析

吳海英，李雁英 （山西大學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030013）

0 前 言

變革傳統(tǒng)的建筑理念，使建筑具備“環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化”即“綠色建筑”的特征，是社會生產(chǎn)力發(fā)展和建筑科技進(jìn)步的必然趨勢，也是人類的共同理想。與傳統(tǒng)的住宅建筑結(jié)構(gòu)形式相比，鋼結(jié)構(gòu)是一種最符合“綠色建筑”特征的結(jié)構(gòu)形式。它最容易實現(xiàn)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化、施工的裝配化和機(jī)械化、產(chǎn)品供應(yīng)的社會化和市場消費的系列化。可以預(yù)期，隨著高效建筑鋼材的開發(fā)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)將會是鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑興起的世紀(jì)。

作為鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計者，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（鋼結(jié)構(gòu)住宅）的輔導(dǎo)者在設(shè)計實踐中體會到了其存在和發(fā)展的優(yōu)勢，同時也發(fā)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅在今后推廣和應(yīng)用中所亟待解決的問題。鋼結(jié)構(gòu)住宅的建筑設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計的重要組成部分，現(xiàn)以多層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計為例，介紹設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)住宅在建筑方面值得注意的幾個要點問題及其相應(yīng)對策。

1 平面設(shè)計

住宅的平面功能是住宅建筑設(shè)計的出發(fā)點與歸宿點。從社會學(xué)的角度看，住宅平面組織應(yīng)該是居民生活方式的反映。鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計約束因素除應(yīng)遵守國家建筑法規(guī)和技術(shù)規(guī)范外，還應(yīng)注意以下方面。

1.1 柱網(wǎng)布置應(yīng)滿足規(guī)則性要求

多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)大多采用框架結(jié)構(gòu)體系，不適宜軸線錯開較多，形心和質(zhì)心距離較大和易于產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)的住宅平面，柱網(wǎng)布置應(yīng)滿足規(guī)則性要求，宜以住宅單元或套型為單位實現(xiàn)模塊化，以模塊的平接、錯接、對稱接、凹凸接等多種拼接適應(yīng)總平面布置的變化。

1.2 柱距的確定與經(jīng)濟(jì)要求有關(guān)

過小的柱距將導(dǎo)致柱子數(shù)量增加，致使結(jié)構(gòu)用鋼量增加；而過大的柱距，將導(dǎo)致需采用較大的梁截面高度，除可能影響設(shè)備管道的通行外，尤其會增加建筑的層高，從而使建筑的造價及使用維護(hù)費用的增加。一般框架結(jié)構(gòu)較適合的柱網(wǎng)尺寸為6m～12m[1]。

1.3 住宅平面應(yīng)按模數(shù)規(guī)定布置

住宅功能的多樣性要求房間的開間、面寬均有較大的變化,反映到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,會帶來結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁、柱的用料、斷面尺寸、大小等的不同。與傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)建筑不同,鋼構(gòu)件不能在現(xiàn)場自由加工、任意增加其長短,同時鋼節(jié)點所用的連接件的用料、尺寸變化也比較多樣,這增加了工廠加工制作的難度,而且提高了制作成本,同時也給現(xiàn)場施工帶來困難,不利于施工速度的提高。因此,在鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計中既要考慮到房屋功能方面的要求,又要考慮到鋼結(jié)構(gòu)的施工、加工方面的要求,使鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計向模數(shù)化、體系化的方向發(fā)展。對房間跨度進(jìn)行模數(shù)規(guī)定,有利于鋼結(jié)構(gòu)計算,同時有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模數(shù)化以及連接節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)化,因而最終有利于鋼結(jié)構(gòu)住宅的生產(chǎn)與施工。

1.4 平面布置的靈活性

由于鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、可以實現(xiàn)大開間、高凈空的特點，因而在住宅設(shè)計時可以將傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)住宅的很多承重墻改為輕質(zhì)隔墻。由于隔墻的輕質(zhì)化和可拆改化，居住空間的大小可以靈活布置，能夠最大限度地滿足住戶對住宅的功能和設(shè)備的高品位的需求。除了樓梯間、廚房、衛(wèi)浴等部分的功能確定之外，住宅中的其他部分均可由輕質(zhì)隔墻來完成分區(qū)，在有限的不變體限定下，可以創(chuàng)造出無限的自由戶型，滿足了人們對住宅多樣化功能的需要。一般來說，磚混結(jié)構(gòu)住宅的靈活性設(shè)計只能達(dá)到一級，一般粱柱體系的鋼筋混凝土空間結(jié)構(gòu)體系的住宅的平面靈活性可以達(dá)到二級，而鋼結(jié)構(gòu)住宅的靈活性則可以達(dá)到五級[2]。從上述靈活性的分析中，我們不但了解到鋼結(jié)構(gòu)住宅比磚混結(jié)構(gòu)住宅和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅在平面設(shè)計上，有著無法比擬的靈活性的優(yōu)點，同樣在日后的使用、改造和拆除方面都有著明顯的優(yōu)越性。

1.5 廚房、衛(wèi)生間的設(shè)計

研究開放住宅(或研究住宅的靈活性)，一個關(guān)鍵的問題就是廚房衛(wèi)生間的設(shè)計。第一，廚房、衛(wèi)生間的位置應(yīng)靠近混凝土核心筒或混凝土剪力墻，避開鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，以利于鋼構(gòu)件的防火、防腐處理。第二，為了達(dá)到同層檢修的目的，讓廚房、衛(wèi)生間地面整體下沉，再用輕質(zhì)材料回填。如果是整體廚房、衛(wèi)生間盒子間，已包括了廚房、衛(wèi)生間的6個面，原有的地面也應(yīng)該下沉。廚房、衛(wèi)生間地面整體下沉的做法，并不僅是鋼結(jié)構(gòu)住宅的特殊要求，其他結(jié)構(gòu)形式的住宅的廚房、衛(wèi)生間設(shè)計也應(yīng)該朝這個方向發(fā)展，它可以解決上下樓層之間滲水的矛盾。第三、廚房、衛(wèi)生間應(yīng)采取整體化設(shè)計,廚衛(wèi)設(shè)備應(yīng)符合模數(shù)協(xié)調(diào)原則;實行工廠預(yù)制成品、現(xiàn)場組裝并為一次裝修到位創(chuàng)造條件。

2 立面設(shè)計

2.1 體型設(shè)計

目前我國大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)住宅由于結(jié)構(gòu)跨度的需要，多采用一些簡單體型，往往使整個體型比較呆板。但這一特點恰恰符合節(jié)能建筑設(shè)計技術(shù)，平整的墻面可以增加南向敞開度，加大日照面積；窗戶的設(shè)置有利于組織良好的室內(nèi)通風(fēng)，并保證夜晚室外涼爽的氣流進(jìn)入洞口后能“覆蓋”室內(nèi)平面，在人體高度范圍內(nèi)通過。因此，應(yīng)將鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體型塑造的重點放在屋頂、門窗、雨篷、檐口等的形式上，用以追求變化。這是區(qū)別于其他建筑結(jié)構(gòu)的。

2.2 立面設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)住宅在建筑立面沒計中，可以利用外圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身材料質(zhì)感的不同并配合個性墻體色彩，將鋼結(jié)構(gòu)住宅處理得更豐富；也可以根據(jù)建筑造型的需要，在建筑入口、陽臺、雨篷及樓梯間頂部架設(shè)結(jié)構(gòu)鋼架，再配以符合建筑個性的裝飾材料，精心設(shè)計可以獲得較為理想的造型效果。

2.3 協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻板與住宅平面開間關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻除需滿足各項技術(shù)要求外,還應(yīng)采用與住宅平面相協(xié)調(diào)的模數(shù)體系,以有利于建筑外立面的洞口設(shè)置(包括門洞及窗洞)。設(shè)計過程中需要考慮采光窗與外墻墻板的模數(shù)關(guān)系,采光、通風(fēng)及立面造型方面能夠達(dá)到建筑設(shè)計要求,同時使外墻板之間、外墻板與鋼構(gòu)件之間的連接安全合理、構(gòu)造方便,并為構(gòu)件制作、運輸、吊裝創(chuàng)造條件。

3 剖面設(shè)計

由于鋼材的材料特性,使得同樣跨度時的鋼梁、柱斷面尺寸都比混凝土梁、柱小,這樣有利于建筑室內(nèi)空間的設(shè)計。但鋼結(jié)構(gòu)梁、柱與樓板的連接方式與混凝土梁、板的連接有所不同,住宅按照2.8m的層高,除去鋼梁截面高度0.5m(以跨度最大鋼梁截面高度計),在減去樓板厚度,室內(nèi)凈高小于2.2m，按照原有的住宅層高標(biāo)準(zhǔn)不能很好地滿足居住要求，因此建議住宅方案的層高定為3.0m。

4 節(jié)能設(shè)計

雖然鋼結(jié)構(gòu)住宅相較于傳統(tǒng)建筑材料住宅而言有著非常多的優(yōu)勢，但是鋼材的熱導(dǎo)率卻是混凝土的30多倍[3]。所以鋼結(jié)構(gòu)住宅在保溫節(jié)能上需要進(jìn)行更為細(xì)致的設(shè)計與建設(shè)。當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能構(gòu)造基本都是從以下幾個方面出發(fā)：

4.1 住宅建筑的朝向

住宅建筑的朝向選擇很重要，以南北向或接近南北向為好，冬季應(yīng)有適量的陽光射入室內(nèi)，并盡量避免冷風(fēng)直接吹襲；夏季則盡量減少太陽直射室內(nèi)及外墻面。主要房間宜設(shè)在冬季背風(fēng)和朝陽的部位，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量。

4.2 提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能

建筑空間內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣，取決于室外自然環(huán)境和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。據(jù)統(tǒng)計，建筑物通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的熱量大約占整個熱量損失的70%左右。因此，建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)通過控制窗墻比和改善外墻、屋面、樓地面、門窗、樓梯間等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，來實現(xiàn)節(jié)能65%的目標(biāo)[4]。

4.3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡量減少熱橋的出現(xiàn)

熱橋是鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)該著重注意的地方。所謂熱橋就是在建筑中因為多種構(gòu)造因素，使得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的局部位置導(dǎo)熱率增大，與建筑總體導(dǎo)熱率不匹配，從而出現(xiàn)熱量大量流失的部位。通常情況下，熱橋在建筑的結(jié)構(gòu)當(dāng)中很難完全回避，譬如T型拐角處、建筑樓板層處。但是鋼結(jié)構(gòu)住宅又具有非常靈活多變的設(shè)計，所以這對于熱橋的控制提供了很大的幫助。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)住宅內(nèi)部設(shè)置熱阻斷部分

在住宅的關(guān)鍵部位進(jìn)行鋼材的開孔處理，這樣既不會對建筑的力學(xué)性能造成影響，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)很好的建筑節(jié)能效果。

5 結(jié) 語

設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)尊重住宅使用的根本要求，鋼結(jié)構(gòu)僅僅是建筑中承重體系和服務(wù)部分，它不是建筑使用中的主要成分。鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計首先要遵循住宅建筑設(shè)計中的一般原則，然后才是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，單純突出鋼結(jié)構(gòu)而不考慮生活的舒適性、不能滿足人文要求的鋼結(jié)構(gòu)住宅項目是沒有市場的。鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計中需要解決的問題還有很多如建筑方案、建筑設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的問題、建筑構(gòu)造、建筑節(jié)能、裝修等方面的問題,這都需要從事鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計方面的設(shè)計人員在今后的實踐中研究解決。

[1]李國強(qiáng).多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]陳俊宇.鋼結(jié)構(gòu)住宅平面設(shè)計與分析[J].中國科技博覽，2010（35）.

[3]賀晨云.淺析鋼結(jié)構(gòu)住宅的節(jié)能設(shè)計[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（14）.

[4]王連坤，孫彤.高層鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)能技術(shù)分析與探討[J].建筑技術(shù)，2010（8）.