輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑

鄒歡 / ZOU Huan

1 引言

一提起輕型鋼結(jié)構(gòu)，人們馬上想到活動板房，由于輕型鋼結(jié)構(gòu)往往是作為臨時構(gòu)筑物出現(xiàn)在工地、救災(zāi)抗災(zāi)現(xiàn)場等，很少有人認(rèn)為它是建筑，也很少有建筑師會對其感興趣。而法國建筑師埃里克 · 杜博斯克先生卻在這個不為人關(guān)注的領(lǐng)域潛心研究實(shí)踐了幾十年，取得了很大的成功。從本期介紹的實(shí)例來看，輕型鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種具備諸多優(yōu)點(diǎn)，非常有表現(xiàn)力的建筑結(jié)構(gòu)體系。

輕型鋼結(jié)構(gòu)通常有兩種：一種是用冷軋薄鋼板的薄壁型鋼組成的骨架結(jié)構(gòu)；一種是用斷面較小的型鋼（如角鋼、鋼筋、扁鋼等）制作桁架，再組成骨架結(jié)構(gòu)；還有混合使用這兩種方法組成的骨架結(jié)構(gòu)。薄壁型鋼首先應(yīng)用在汽車、飛機(jī)和船舶的骨架結(jié)構(gòu)上，在建筑上的大量使用是在二戰(zhàn)以后，西歐國家大規(guī)模的城市建設(shè)發(fā)展提出了建筑工業(yè)化的要求，而輕型鋼結(jié)構(gòu)正好適合快速、便捷、大批量生產(chǎn)的建設(shè)要求。同時期鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展也促使輕型鋼結(jié)構(gòu)在建筑工業(yè)化體系中占據(jù)了重要的位置。

輕型鋼結(jié)構(gòu)較多地應(yīng)用于學(xué)校、住宅、辦公、旅館、醫(yī)院以及工廠和倉庫等建筑中。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點(diǎn)在杜博斯克先生的文章中會有詳述，可以總結(jié)為：結(jié)構(gòu)更安全，空間更舒適，環(huán)保性能更好，經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。

2.1 結(jié)構(gòu)更安全

輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗風(fēng)性能都優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

我們知道，建筑物質(zhì)量越重，其承受的地震力影響越大。而輕型鋼結(jié)構(gòu)采用高效輕型薄壁型材，承載力高，構(gòu)件尺寸小，一般可減輕建筑結(jié)構(gòu)自重的30%。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)采用輕質(zhì)的墻體和樓面材料，建筑重量是鋼筋混凝土建筑的1/2，磚混結(jié)構(gòu)建筑的1/5。建筑整體自重減輕，所受的地震力影響減小。

輕型鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度大。輕型鋼結(jié)構(gòu)在封閉完結(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后，形成非常堅(jiān)固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”，這種結(jié)構(gòu)體系有著更強(qiáng)的抗震及抵抗水平荷載的能力，適用于抗震烈度為8度以上的地區(qū)。同時，鋼材的強(qiáng)度高、延性好，特別是鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，抗震性能非常好。因此，輕型鋼結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)抗震措施的費(fèi)用少，適用于地震多發(fā)區(qū)。

建筑自重輕的另一個好處是基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)小，可以大幅度減少基礎(chǔ)造價，所以輕型鋼結(jié)構(gòu)尤其適用于地質(zhì)條件較差的地區(qū)。

從抗風(fēng)性能來看，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑強(qiáng)度高、整體剛性好、變形能力強(qiáng)，可抵抗每秒70m的颶風(fēng)。同時，輕型鋼結(jié)構(gòu)的耐久性好，其結(jié)構(gòu)體系全部由冷彎薄壁鋼構(gòu)件組成，鋼骨采用防腐高強(qiáng)冷軋鍍鋅板制造，可以有效避免鋼板在施工和使用過程中的銹蝕影響，延長了構(gòu)件使用壽命。輕型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壽命可達(dá)100年。

2.2 建筑舒適度提高

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑在保溫和隔聲等方面的表現(xiàn)優(yōu)秀。

輕型鋼結(jié)構(gòu)采用的保溫隔熱材料以玻纖棉為主，具有良好的保溫隔熱效果。外墻外保溫板可以有效地避免墻體的“冷橋”現(xiàn)象，達(dá)到更好的保溫效果。據(jù)測算，100mm厚的R15保溫棉熱阻值相當(dāng)于1m厚的磚墻。

隔聲效果是評估建筑，尤其是住宅的一個重要指標(biāo)，由輕鋼龍骨、保溫材料、石膏板組成的墻體，其隔音效果可達(dá)到60dB。

輕型鋼結(jié)構(gòu)墻體的龍骨完全封閉在防水層與石膏板之間，不銹蝕，不腐蝕，不生霉菌，防潮性能好。管線可暗埋在墻體及樓板結(jié)構(gòu)中，建筑室內(nèi)空間干凈、靈活。

2.3 建筑環(huán)保節(jié)能

輕型鋼結(jié)構(gòu)采用干作業(yè)施工，既節(jié)約了寶貴的水資源，亦可有效地減少廢棄物對環(huán)境造成的污染。建筑鋼結(jié)構(gòu)材料可100%回收，其他材料也大部分可回收和再利用，具有很高的可重復(fù)使用性和可循環(huán)性，環(huán)保節(jié)約。

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑采用高效節(jié)能墻體，保溫、隔熱、隔聲效果好，可達(dá)到50%的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

干作業(yè)施工減少了工地垃圾，同時大大改善了施工條件。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益好

從包含設(shè)計、施工和使用的建筑全生命周期來看，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟(jì)效益明顯。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼量低于鋼筋混凝土建筑，造價低；施工快捷，全干作業(yè)不受環(huán)境和季節(jié)影響，節(jié)省時間，節(jié)約投資；同時，輕型鋼結(jié)構(gòu)具有產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢，也可以大大降低建造成本。

從建筑師的角度來看，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑易于實(shí)現(xiàn)建筑空間靈活流動的要求。鋼材強(qiáng)度高，可以采用大柱網(wǎng)，建筑空間不受結(jié)構(gòu)限制。輕型鋼結(jié)構(gòu)空間跨度可達(dá)12m。同時，墻柱等構(gòu)件截面尺寸小，可增加凈使用面積5%～8%。應(yīng)當(dāng)考慮樓板的組合作用，使用組合梁或扁梁時，還可以增加凈高，實(shí)現(xiàn)高大空間的理想。

3 輕型鋼結(jié)構(gòu)在中國的發(fā)展分析

輕型鋼結(jié)構(gòu)有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但是近年來在中國的發(fā)展卻并不如人意，與中國建筑市場如火如荼的景象不相稱。在歐美國家，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑已占到全部建筑總量的65%左右，在日本占到了50%左右，但在中國采用輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的建筑比例還不到5%。究其原因，有以下幾點(diǎn)。

3.1 傳統(tǒng)觀念的影響

建筑的最初意義是為人們遮風(fēng)避雨，因此對于結(jié)實(shí)穩(wěn)固的追求成為建筑的內(nèi)涵，對磚石的厚愛已經(jīng)深深沉淀在人們的建筑審美潛意識中。直到今天，“堅(jiān)固、實(shí)用、美觀”仍然是解釋評價建筑的基本準(zhǔn)則之一。因此，當(dāng)建筑，尤其是住宅的形象轉(zhuǎn)為輕盈，甚至輕飄的時候，人們的觀念很難隨之轉(zhuǎn)變。這也可以解釋為什么在我們的周圍，鋼結(jié)構(gòu)的建筑最終還是要披上磚石的外衣，“雄偉壯麗”依然是形容建筑的常用詞。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑設(shè)計分離

長期以來，建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電的專業(yè)分離已經(jīng)成為中國建筑設(shè)計的固定模式，幾乎所有的設(shè)計都遵循先建筑后結(jié)構(gòu)的設(shè)計程序。而輕型鋼結(jié)構(gòu)需要建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化，甚至結(jié)構(gòu)先行，同時各專業(yè)緊密結(jié)合。從本期介紹的案例可以看到，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接成為建筑立面的形式表現(xiàn)，施工工藝也直接在建筑形式中體現(xiàn)出來。這就要求建筑師能夠把握從設(shè)計到施工的各個環(huán)節(jié)，專業(yè)之間緊密配合。而傳統(tǒng)建筑設(shè)計中所謂“外飾面”的遮蓋式處理手段在輕型鋼結(jié)構(gòu)中沒有用武之地。

另外，輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需要建筑師對材料非常熟悉，包括材料的性能、特點(diǎn)、規(guī)格以及施工工藝，而這方面是中國建筑師和建筑教育的弱項(xiàng)。

3.3 缺乏專業(yè)施工隊(duì)伍

輕型鋼結(jié)構(gòu)對施工技術(shù)要求很高，需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)工人。目前國內(nèi)建筑施工企業(yè)能夠勝任大型鋼筋混凝土建筑的施工，而能夠完成輕型鋼結(jié)構(gòu)施工的卻很少。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑對中國建筑施工來講是一個挑戰(zhàn)，同時也是產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級的機(jī)會。21世紀(jì)將是輕型鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的時期，可以預(yù)見，未來從事輕型鋼結(jié)構(gòu)制造、施工的企業(yè)前景將非常寬闊。

3.4 建筑材料不夠豐富完善

中國鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)量已居于世界前列，但鋼材在建筑業(yè)的使用比例卻遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的水平。究其原因，中國建筑鋼材品種不夠多樣，規(guī)格單一。僅從彩鋼板的顏色就可以看出，歐美國家彩鋼板顏色多種多樣，可以根據(jù)客戶需要進(jìn)行定制，而中國市場上的彩鋼板只有紅、藍(lán)、白等幾種簡單鮮艷的顏色，嚴(yán)重影響彩鋼板在建筑上的使用。其他的配套產(chǎn)品也規(guī)格單一，以至于很多產(chǎn)品不得不進(jìn)口，大大增加了建筑造價。

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑非常符合綠色建筑的理念，無論是材料、結(jié)構(gòu)，還是施工以及建筑使用，都環(huán)保節(jié)能。發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑尤其是輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅，對中國的建筑產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

輕型鋼結(jié)構(gòu)要發(fā)展，首先，要改變?nèi)藗儗ㄖJ(rèn)識的傳統(tǒng)觀念“重不等于堅(jiān)固”，結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展歷史就是向空間“更高、更輕、更大”挑戰(zhàn)的歷史；其次，材料技術(shù)的發(fā)展為建筑提供了更多的選擇，諸如鈦合金、炭纖維等材料進(jìn)入建筑領(lǐng)域不會太遙遠(yuǎn)，輕型鋼結(jié)構(gòu)為我們打開了建筑從重到輕的大門，與工業(yè)科技的結(jié)合在未來會更為廣闊；最后，發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)還需要建筑從設(shè)計到施工全過程的更新升級，改變建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)的脫節(jié)，促進(jìn)建筑施工企業(yè)的技術(shù)升級，一旦市場有了真正的需求，制造商也會積極回應(yīng)，提供更多更豐富的產(chǎn)品。

如果說“凝固的音樂”是對傳統(tǒng)建筑的抒情，那么輕型鋼結(jié)構(gòu)可以被形容為“凝固的輕音樂”。希望在這樣一個百花齊放的時代，輕音樂也能夠流行開來。