鋼結(jié)構(gòu)住宅的六個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題及解決方案

趙鈿 劉冬賀 潘磊

摘 要鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣難的主要原因在于以下六個(gè)方面的難題：鋼框架結(jié)構(gòu)體系與現(xiàn)有住宅戶(hù)型平面不匹配；露梁、露柱影響使用；存在大量的濕作業(yè)；防火、防腐、防水、隔聲及保溫等建筑性能問(wèn)題未能得到很好解決；毛坯交房、二次裝修造成大量問(wèn)題；成本偏高。針對(duì)上述難題，通過(guò)某公租房項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，提出一個(gè)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)解決方案。

關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu)住宅 問(wèn)題 解決方案

鋼結(jié)構(gòu)是一種非常成熟的、性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，在公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用在廠(chǎng)房、多層房屋外，也在超高層、大跨建筑上充分發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì)。而在住宅領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用卻十分艱難。我國(guó)最早的鋼結(jié)構(gòu)住宅是1994年上海北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu)住宅，此后在北京、鞍山、上海、濟(jì)南等多地陸續(xù)建成了一些鋼結(jié)構(gòu)住宅的試點(diǎn)工程。與公建相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅的數(shù)量相差甚遠(yuǎn)。鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣難的原因是多方面的，主要癥結(jié)不在于結(jié)構(gòu)體系自身，而在于外圍護(hù)、內(nèi)裝、設(shè)備三者與鋼結(jié)構(gòu)體系的連接關(guān)系與構(gòu)造。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以歸納為六個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題。

1鋼結(jié)構(gòu)住宅的六個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題

1.1鋼框架結(jié)構(gòu)體系與現(xiàn)有住宅戶(hù)型平面的沖突

住宅的戶(hù)型與采用的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。我國(guó)早期的住宅大多為多層磚混結(jié)構(gòu)，住宅平面適應(yīng)磚混結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求（圖1），平面較為規(guī)則。近二十年，隨著現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，住宅戶(hù)型的變化豐富多樣，許多住宅戶(hù)型通過(guò)輪廓的凸凹變化，以滿(mǎn)足自然通風(fēng)和采光的要求（圖2），剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)建筑平面布置適應(yīng)性好，能夠支持建筑對(duì)戶(hù)型平面變化的需求。

在鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用得最成熟的結(jié)構(gòu)類(lèi)型是框架支撐體系，即以梁柱為主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系，可以形成開(kāi)敞的大空間，便于戶(hù)內(nèi)靈活分隔，適應(yīng)不同的使用需要，也具備施工安裝速度快、占用施工場(chǎng)地小的優(yōu)勢(shì)。該體系要求結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)規(guī)則、連續(xù)。

近幾年建成的鋼結(jié)構(gòu)住宅，大多是以現(xiàn)有混凝土剪力墻的戶(hù)型為基礎(chǔ)進(jìn)行柱網(wǎng)布置，這種凸凹不平的戶(hù)型平面輪廓造成很難形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)，不能發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢(shì)，直接后果是戶(hù)內(nèi)大量露梁露柱，同時(shí)也增加了成本。

圖3是某高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的平面，這是將一個(gè)典型的現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的平面直接套用在鋼結(jié)構(gòu)上，由于外墻凹凸較多，難以形成連續(xù)柱網(wǎng)（圖4），柱子數(shù)量多，柱網(wǎng)與混凝土核心筒不對(duì)位，結(jié)構(gòu)體系與單元平面的匹配度較低。

1.2露梁、露柱影響使用的問(wèn)題

鋼梁、鋼柱的截面大于墻體厚度，凸出在室內(nèi)空間，雖然可以通過(guò)室內(nèi)裝修進(jìn)行隱藏，但對(duì)于大多數(shù)商品房來(lái)說(shuō)，露梁、露柱將使得家具擺放和房間布置受到限制，對(duì)許多用戶(hù)的使用心理也有影響。這種影響在保障性住房30～60m2的小戶(hù)型中更加明顯（圖5）。住戶(hù)普遍希望框架結(jié)構(gòu)的住宅也能像剪力墻結(jié)構(gòu)一樣，房間內(nèi)部平整光滑，整齊美觀，但在實(shí)際項(xiàng)目中鋼構(gòu)件的尺寸通常以結(jié)構(gòu)受力計(jì)算為依據(jù)，很少有兼顧套型的設(shè)計(jì)。

1.3存在大量的濕作業(yè)

鋼結(jié)構(gòu)是工業(yè)化程度很高的結(jié)構(gòu)形式，通常在工廠(chǎng)制造、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，可有效縮短工期，提高施工效率，結(jié)構(gòu)施工精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)澆混凝土體系。但現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)住宅，仍然采用大量濕作業(yè)（圖6），如內(nèi)外墻體的砌筑，不但施工速度慢，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，而且施工精度低，鋼結(jié)構(gòu)精度高、質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)完全被粗糙的濕作業(yè)掩蓋了。此外，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)易造成銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的安全性。

1.4防火、防腐、防水、隔聲及保溫等建筑性能問(wèn)題

在防火性能方面，鋼結(jié)構(gòu)存在“先天不足”，鋼構(gòu)件在溫度150℃以下時(shí)，鋼材性質(zhì)變化很?。粶囟冗_(dá)到300～400℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度和彈性模量均顯著下降；溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度趨于零，故鋼結(jié)構(gòu)必須采用耐火材料加以包覆，以提高梁柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火等級(jí)。

由于鋼材易銹蝕，耐腐蝕性差，一般都要做防腐處理，如除銹、鍍鋅或表面涂以防腐涂料，且要定期維護(hù)。對(duì)公共建筑來(lái)說(shuō)，定期維護(hù)難度不大，但對(duì)于住宅來(lái)說(shuō)，定期維護(hù)很難真正落實(shí)。

除了鋼結(jié)構(gòu)本身，鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻需要解決防水、保溫的要求?，F(xiàn)在用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻如砌體墻、條板墻等，均存在著不同方面的性能問(wèn)題，還沒(méi)有一種墻體方案能夠較好地解決防水、防火和保溫等性能的綜合需要。

鋼結(jié)構(gòu)住宅在隔聲方面性能欠佳，除鋼材是聲音的良導(dǎo)體原因外，主要原因還是鋼結(jié)構(gòu)住宅的分戶(hù)內(nèi)隔墻選材和構(gòu)造不當(dāng)?，F(xiàn)在的分戶(hù)隔墻大多采取輕質(zhì)墻體，未做加強(qiáng)處理，造成用戶(hù)體驗(yàn)不及混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.5毛坯交房、二次裝修的問(wèn)題

現(xiàn)在市場(chǎng)上的住宅主要還是毛坯房，只做簡(jiǎn)單的初裝修、預(yù)留水、暖、電、氣等基本條件，住戶(hù)入住之前必須進(jìn)行重新裝修，由于設(shè)計(jì)不精細(xì)，許多用戶(hù)都要對(duì)水電管線(xiàn)進(jìn)行改造。這種二次裝修會(huì)造成很多問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)的建造方法將機(jī)電管線(xiàn)埋設(shè)在結(jié)構(gòu)墻體或樓板中，二次裝修時(shí)改管線(xiàn)經(jīng)常破壞墻體，給結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)重大隱患（圖7）；其次，二次裝修難免會(huì)破壞已經(jīng)做好的防火、隔聲構(gòu)造，會(huì)降低住宅的安全性與舒適性，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，造成環(huán)境污染。鋼結(jié)構(gòu)住宅也采用毛坯房交房方式，會(huì)帶來(lái)比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)更多的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)住宅的環(huán)保性又大打折扣。

1.6成本偏高的問(wèn)題

盡管從2013年起，鋼鐵行業(yè)由于產(chǎn)能利用率連年下降導(dǎo)致鋼材價(jià)格一路下跌，但與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的成本仍然偏高。除主體結(jié)構(gòu)外，建筑外圍護(hù)墻體、防火、防腐等一系列衍生成本的疊加，使鋼結(jié)構(gòu)住宅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)澆混凝土住宅。這是導(dǎo)致房地產(chǎn)項(xiàng)目中基本見(jiàn)不到鋼結(jié)構(gòu)住宅的根本原因。

2一種解決鋼結(jié)構(gòu)住宅六個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題的方案

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅中存在的六個(gè)普遍性問(wèn)題，以前的思路只從結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)方面來(lái)尋找解決方案。如果要系統(tǒng)地解決以上問(wèn)題，需要建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、經(jīng)濟(jì)全專(zhuān)業(yè)一起協(xié)同，提出一套有效的綜合解決方案。在北京市某公租房項(xiàng)目中，針對(duì)上述六個(gè)問(wèn)題做了一些探索（圖8）。

2.1戶(hù)型設(shè)計(jì)適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)的特性

在該公租房項(xiàng)目中，有兩棟高度80m的公租房住宅，原結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式混凝土（PC）結(jié)構(gòu)，在改為鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：若仍采用原戶(hù)型平面，使得整體用鋼量增加，并且出現(xiàn)較多戶(hù)內(nèi)凸梁凸柱的情況（圖9，10）。優(yōu)化后的單元平面改變了戶(hù)型組合方式，適應(yīng)了鋼結(jié)構(gòu)體系力學(xué)特性（圖11，12），主要設(shè)計(jì)原則如下：

（1）平面規(guī)則、減少凹凸：盡量避免出現(xiàn)剪力墻體系住宅設(shè)計(jì)中隨意開(kāi)深槽、核心筒偏置的單元平面。高層住宅因?yàn)樽陨韯偠刃?、自重大，?duì)于側(cè)向力作用（地震力和風(fēng)壓）更為敏感，規(guī)則的結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力分布相對(duì)均勻合理，不容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，無(wú)論是結(jié)構(gòu)性能還是經(jīng)濟(jì)性都更好。

（2）柱跨連續(xù)：柱子盡量沿X和Y軸方向連續(xù)布置，使水平力的傳遞直接、高效，避免由于梁柱斜交而導(dǎo)致的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處理；便于形成規(guī)則化的柱網(wǎng)，減少裝配式住宅相關(guān)構(gòu)件的種類(lèi)，節(jié)約成本。

2.2通過(guò)“柱外偏、梁內(nèi)藏”的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)戶(hù)內(nèi)不露梁不露柱

該公租房住宅的主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，鋼柱大小400mm×400mm～500mm×500mm，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少支撐數(shù)量，降低支撐對(duì)建筑空間分隔、外墻構(gòu)造和立面開(kāi)洞的影響。

鋼柱外偏至室外或戶(hù)外公共區(qū)域，實(shí)現(xiàn)戶(hù)內(nèi)不露柱；并采用下窄翼緣鋼梁（單軸對(duì)稱(chēng)工字鋼梁），鋼梁可完全藏于分戶(hù)墻內(nèi)，做到戶(hù)內(nèi)不露梁（圖13～15）。

采用鋼筋桁架樓承板或預(yù)制混凝土疊合樓板，最大限度地降低現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量，其中鋼筋桁架樓承板直接利用壓型鋼板做模板，省去現(xiàn)場(chǎng)支模的工序，對(duì)降低成本大有助益。

2.3外墻的防水、防火和保溫性能設(shè)計(jì)

外墻是實(shí)現(xiàn)建筑性能最重要的部位，本項(xiàng)目的住宅外墻為三層復(fù)合構(gòu)造方案，采用“外板+保溫+內(nèi)板”的形式，實(shí)現(xiàn)防火、保溫、防水、氣密性和裝飾的要求。

（1）外板——采用輕質(zhì)掛板，每開(kāi)間為一塊大板，減少板縫數(shù)量，降低防水滲漏的幾率。板縫采用構(gòu)造防水做法，水平縫為企口縫，內(nèi)高外低形成高差，防止雨水滲漏；水平縫與豎直縫都用泡沫棒和密封膠封堵密實(shí)，避免雨水因負(fù)壓作用“倒吸”。外板采用工廠(chǎng)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式，設(shè)計(jì)使用年限與主體結(jié)構(gòu)相同。外板自帶門(mén)窗及立面裝飾，無(wú)需二次立面處理。

（2）保溫層——與結(jié)構(gòu)同平面，并將結(jié)構(gòu)包覆起來(lái)，在斜撐部位使用VIP真空絕熱板隔絕冷橋。

（3）內(nèi)板——采用裝飾條板或輕鋼龍骨防火裝飾板，兼具內(nèi)裝基層墻板和鋼構(gòu)件的防火作用。內(nèi)板為小板，與外墻大板錯(cuò)縫拼接，進(jìn)一步減少通縫。

2.4分戶(hù)隔墻的隔聲、防火和藏梁設(shè)計(jì)

戶(hù)間隔墻位于鋼梁位置，鋼梁的上翼緣寬300mm，下翼緣寬度僅為150mm（圖16），墻體采用實(shí)心輕質(zhì)條板隔墻，板縫為企口，避免通縫，有利于戶(hù)間隔聲。兩側(cè)各復(fù)合50mm厚龍骨型快裝輕質(zhì)墻，龍骨空腔內(nèi)安裝開(kāi)關(guān)線(xiàn)盒及走線(xiàn)，空腔內(nèi)也可以填充巖棉或其他保溫材料，進(jìn)一步增強(qiáng)防火和隔聲性能。分戶(hù)墻厚度大約220mm，基本與普通混凝土剪力墻厚度相當(dāng)（圖17）。

2.5裝配式內(nèi)裝

本項(xiàng)目?jī)?nèi)裝修采用裝配式內(nèi)裝。采用管線(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)分離的設(shè)計(jì)，戶(hù)內(nèi)空間除頂棚外，所有建筑面層均與結(jié)構(gòu)脫離，地面采用架空地面，墻面與結(jié)構(gòu)之間的龍骨空間，成為管線(xiàn)的通道。具體做法如下：

（1）豎向管井出戶(hù)。集中布置在住戶(hù)外公共走道內(nèi)，橫向的管線(xiàn)與豎向管井中的豎管結(jié)合，自成系統(tǒng)，戶(hù)內(nèi)看不到各種管線(xiàn)穿過(guò)樓板的現(xiàn)象，并且廚房和衛(wèi)生間無(wú)需上下層對(duì)應(yīng)設(shè)置。獨(dú)立管井的最大好處在于為后續(xù)維修和更新提供便利，節(jié)省了居住空間，也為住戶(hù)靈活劃分空間以及提升住宅功能提供了方便。

（2）戶(hù)內(nèi)設(shè)置架空地面。以地腳螺栓架空找平，高度控制在50mm以?xún)?nèi)，在地腳螺栓上鋪設(shè)以輕質(zhì)地暖模塊作為集支撐、找平、結(jié)合等功能為一體的復(fù)合功能模塊，然后在模塊上附加地面面材，整體形成一體的架空地面系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)高度為130mm（圖18）。這種做法既規(guī)避了傳統(tǒng)以濕作業(yè)找平結(jié)合的工藝中的諸多問(wèn)題，又滿(mǎn)足了部品工廠(chǎng)化生產(chǎn)的需求，構(gòu)建了裝配式裝修的地面體系。

（3）衛(wèi)生間地面采用整體防水底盤(pán)。高度同為130mm，與戶(hù)內(nèi)地面平齊，結(jié)合整體給排水系統(tǒng)、快裝地面系統(tǒng)、快裝輕質(zhì)隔墻系統(tǒng)、快裝龍骨吊頂系統(tǒng)，組成整體衛(wèi)生間系統(tǒng)（圖19）。

（4）戶(hù)內(nèi)隔墻和采暖地面采用快裝模塊。快裝隔墻主要用于戶(hù)內(nèi)隔墻（圖20，21），是以輕鋼龍骨隔墻體系為基礎(chǔ)，飾面板為硅酸鈣板，飾面材料可以是UV涂層也可以是傳統(tǒng)的墻面壁紙等裝飾材料，在工廠(chǎng)加工成型。針對(duì)有防水要求的衛(wèi)生間墻面，在龍骨內(nèi)側(cè)加裝PE防水層，面層板使用防水涂裝板，保證空間的防水要求?？煅b輕質(zhì)隔墻滿(mǎn)足了空間分隔的靈活性，也替代了傳統(tǒng)的墻面濕作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了隔墻系統(tǒng)的裝配式安裝（圖22）。

2.6成本控制

鋼結(jié)構(gòu)住宅的直接成本構(gòu)成可以分為鋼結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝修和機(jī)電設(shè)備四個(gè)部分。與混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)裝修和機(jī)電設(shè)備的差別不大，主要的差別在于結(jié)構(gòu)本身、外圍護(hù)墻體和分戶(hù)隔墻三方面。據(jù)測(cè)算，鋼結(jié)構(gòu)成本與裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅成本略高或相當(dāng)；但分戶(hù)墻和外圍護(hù)墻是鋼結(jié)構(gòu)體系必須增加的部分。因此，增量成本主要在分戶(hù)墻和外圍護(hù)墻上，約占總成本的10%～15%。

同時(shí)，也應(yīng)看到鋼結(jié)構(gòu)住宅具有施工速度快的優(yōu)勢(shì)，每層建筑的工期比混凝土結(jié)構(gòu)大約可以節(jié)約1/3，這在資金成本、人力成本在項(xiàng)目成本中的比重越來(lái)越高的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的綜合成本優(yōu)勢(shì)會(huì)日益顯現(xiàn)。

另外，在鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目中實(shí)行工程總承包的建設(shè)模式對(duì)控制成本十分必要，由設(shè)計(jì)單位牽頭的工程總承包企業(yè)，對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工全面負(fù)責(zé)，能夠?qū)⒐に囋O(shè)計(jì)與設(shè)備材料的采購(gòu)、安裝緊密地結(jié)合起來(lái)，有利于縮短工程工期，降低項(xiàng)目投資，提升項(xiàng)目的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綜合效益的提升。同時(shí)，簡(jiǎn)化了合同關(guān)系，利于業(yè)主對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。

3結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)住宅所面臨的六大問(wèn)題無(wú)一是鋼結(jié)構(gòu)本身的問(wèn)題，也不是鋼結(jié)構(gòu)本身所能解決的，只有采用系統(tǒng)的方法，以建筑專(zhuān)業(yè)為龍頭，與結(jié)構(gòu)、機(jī)電、室內(nèi)、經(jīng)濟(jì)各專(zhuān)業(yè)共同協(xié)同工作，才有可能解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅中出現(xiàn)的問(wèn)題，并充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣是大勢(shì)所趨，其應(yīng)用有賴(lài)于設(shè)計(jì)技術(shù)的完善、社會(huì)化供應(yīng)體系的建立和成熟，以及施工安裝技術(shù)和工程管理模式的創(chuàng)新。如果在未來(lái)的十年內(nèi)裝配式建筑占到新建建筑的比例能夠達(dá)到30%，鋼結(jié)構(gòu)住宅將會(huì)在其中占到相當(dāng)部分的份額。

趙鈿

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司居住建筑事業(yè)部（暨裝配式混凝土建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心）主任；高級(jí)建筑師，清華大學(xué)建筑學(xué)碩士。主持設(shè)計(jì)了龍湖滟瀾新宸、電建瀧悅長(zhǎng)安、北京萬(wàn)科藍(lán)山、頂秀美泉小鎮(zhèn)、遠(yuǎn)洋一方、郭公莊一期公租房等住宅工程30多項(xiàng)，以及新疆和田京和大廈、成都郵政生產(chǎn)指揮調(diào)度中心等公共建筑項(xiàng)目。負(fù)責(zé)國(guó)家十二五課題《保障性住宅工業(yè)化設(shè)計(jì)方法與全壽命周期設(shè)計(jì)技術(shù)研究》子課題等。