高層鋼結構住宅體系的適用性分析

■ 殷惠君

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高層鋼結構住宅體系的適用性分析

■ 殷惠君

【摘 要】通過工程實例，對高層鋼結構住宅進行全面的技術性能、經濟性能以及環(huán)境性能分析，綜合評價高層鋼結構住宅的適用性。分析表明：盡管鋼結構住宅的結構造價高于鋼筋混凝土結構，但綜合考慮基礎造價、使用面積增加、工期縮短所帶來的收益，鋼結構住宅的綜合經濟效益明顯，且隨著樓層的增高其綜合經濟優(yōu)勢更加顯著。

【關鍵詞】鋼結構住宅；技術性能；經濟性能；綜合評價

殷惠君，上海市房地產科學研究院高級工程師。

0　引言

鋼結構住宅具有自重輕、強度高、抗震性能好、施工速度快、構件截面小、有效使用面積大、材料可回收利用等諸多優(yōu)點，這對于我國一些人多、土地資源少的大中城市，特別是像上海等地，無疑是一種具有發(fā)展前景的住宅形式。

在歐美及日本等發(fā)達國家，鋼結構住宅已經在住宅中占據絕對優(yōu)勢，如美國約有 70%的住宅采用鋼結構住宅。反觀我國，由于長期以來對鋼結構特性認識不足，缺乏相應的政策支持，一些技術難題沒有攻克，不能形成規(guī)模建造量而導致造價高等諸多原因，使得我國鋼結構住宅發(fā)展緩慢。

1　高層鋼結構技術體系及其技術性能分析

鋼結構體系主要包括主體鋼結構體系、圍護結構體系、樓板結構體系等幾大部分，其主要承重骨架由鋼結構或鋼管（圓管或矩形管）混凝土構件所組成。它具有鋼結構建筑的一系列特性，同時又具備一般住宅建筑的共性。

1.1主體結構體系

應用于高層住宅建筑的鋼結構體系主要有鋼框架-支撐體系、錯列桁架體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-核心筒體系等，不同的結構體系有不同的適用范圍。

1.1.1鋼框架-支撐體系

鋼框架-支撐體系是由純框架體系變化而來，即在純鋼框架縱、橫兩個方向的適當部位沿柱高增設垂直支撐，以加強結構的抗側移剛度。該體系豎向承載體系為鋼框架，水平承載體系為鋼框架和鋼支撐共同形成的抗側力體系。根據其支撐設置位置的不同，可分為鋼框架-中心支撐體系、鋼框架-偏心支撐體系。

1.1.1.1鋼框架-支撐體系的優(yōu)缺點

鋼框架-支撐體系具有以下優(yōu)點：①由鋼桁架組成的支撐，與剪力墻板相比在達到同樣的剛度下重量要小很多；②用于多層特別是小高層住宅，經濟性較好。

其缺點是：①結構層高較低，構件節(jié)間尺寸較小，導致支撐構件及節(jié)點數量均較多；②因為墻內要布置支撐，所以對建筑洞口布局有諸多限制；③傳力路線較長，抗側效果較差。

1.1.1.2適用性評價

該體系比純鋼框架體系側向剛度大，常用于多層及小高層住宅，應用較廣。此外，當房屋層數較高時，該體系要比純鋼框架體系經濟。

1.1.2錯列桁架體系

錯列桁架體系的基本組成是高度等于層高、跨度等于房屋寬度的桁架，它的兩端支承在房屋外圍縱列鋼柱上。在房屋橫向的每列柱軸線上，這些桁架隔一層設置一個，而在相鄰柱軸線則交錯布置。在相鄰桁架間，樓板一端支承在桁架上弦桿，另一端支承在相鄰桁架的下弦桿。垂直荷載則由樓板傳到桁架的上下弦，再傳到外圍的柱子。該體系利用柱子、平面桁架和樓面板組成空間抗側力體系，在每層樓面形成兩倍柱距的大開間。

1.1.2.1錯列桁架體系的優(yōu)點

（1）桁架交替在各樓層的平面上錯列，且中間無柱子，非常適合住宅單元靈活布置的需求。在建筑布置需要時，可在桁架上開洞，費用增加不多；在底層可安排沒有內柱的公共空間。

（2）由于桁架高度有整層高，整個體系剛度較大，不需要再增加柱子剛度。該體系中的柱子主要承受軸力，可充分發(fā)揮高強鋼材的作用，用鋼量可較框架結構減少30%～40%，節(jié)約造價。

（3）樓板直接支承在相鄰桁架的上下弦上，不需設樓面梁格；結構上可采用小柱距和短跨樓板，使樓板跨度和厚度減小，減輕自重。

（4）桁架在工廠預先預制，現場安裝節(jié)點數少，焊接量?。昏旒芘c柱節(jié)點可采用鉸接，構造簡單，傳力明確，施工周期更短。

1.1.2.2適用性評價

錯列桁架體系具有住宅布置靈活、樓板跨度小、結構自重輕和造價低的特點，是一種經濟、實用、高效的新型結構體系，適用于多層和小高層住宅。鑒于上述優(yōu)點，該體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)結構體系用于住宅建筑的發(fā)展前景良好。

1.1.3鋼框架-混凝土剪力墻體系

鋼框架-混凝土剪力墻結構體系以框架為基礎，沿其柱網的兩個主軸方向布置一定數量的剪力墻，以增強住宅的側向剛度，防止側向位移過大，常見的是把樓電梯間填充墻做成剪力墻。這種結構體系既具有鋼框架結構平面布置靈活、增大使用面積的優(yōu)點，又有較大的剛度，在多高層建筑中具有很大優(yōu)勢。

1.1.3.1鋼框架-混凝土剪力墻結構體系的優(yōu)缺點

對于帶縫剪力墻結構，墻體在通常的風載和小震時處于彈性階段，可確保結構的正常使用；在大震時進入塑性階段，能吸收大量地震能量，結構能保持足夠承載力防止建筑物倒塌。鋼框架-混凝土剪力墻結構體系將鋼材的強度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強度高、防火性能好、抗側剛度大的特點有機地結合起來：①鋼筋混凝土剪力墻抗側移剛度較大，可以減小鋼柱的截面尺寸，降低用鋼量；②該體系總體來說受力性能良好，結構構件相對較經濟，且能與隔墻布置相結合。

其缺點是：①現場安裝比較困難，制作比較復雜；②仍存在現場澆搗混凝土的工作量，減慢了施土速度。

1.1.3.2適用性評價

鋼框架-混凝土剪力墻結構體系同鋼框架-支撐體系一樣，常用于小高層及高層住宅；且從其受力特點可以看出，帶縫剪力墻體抗震性能較好，較適用于地震區(qū)。

1.1.4鋼框架-核心筒體系

鋼框架-核心筒體系是以樓梯間、電梯間組成四周封閉的現澆鋼筋混凝土核心筒，與型鋼框架結合成組合結構。它與鋼框架-混凝土剪力墻體系的設計理念是一致的。該體系結構破壞主要集中在混凝土核心筒，特別是結構下部的混凝土筒體四角，可配置小鋼柱以增加延性，并方便安裝。

1.1.4.1鋼框架-核心筒體系的優(yōu)缺點

鋼框架-核心筒體系具有以下優(yōu)點：①結構受力明確。核心筒抗側移剛度極強，占結構抗側移總剛度的90%以上，主要承受水平荷載；鋼框架承擔豎向荷載，可以減小柱截面尺寸。②由于是現澆核心筒，防水性能較好，可有效避免施工不當滲水所造成的鋼構件銹蝕。③從建筑平面布置來看，柱子一般布置在陽臺或轉角部位，利于住戶的裝修處理。④多數構配件可工廠化生產，采用裝配式施工，施工時間可縮短30%～40%。

其缺點是：①核心筒為混凝土，重量大；②現場澆搗混凝土的工作量較大。

1.1.4.2適用性評價

由于鋼框架-核心筒體系綜合受力性能好，特別適合于地震區(qū)或地基土質較差的地區(qū)；但因其自重減少相對較少，更適用于高層、超高層住宅?？偟膩碚f，該體系比較經濟，較適于我國大眾消費水平，是相當值得推廣的一種高層住宅結構形式。

1.2配套圍護結構及樓板體系

發(fā)展鋼結構住宅，就要解決先進適用的配套構件和部品問題，主要是“三板”，即外墻板、內墻板和樓板。由于我國發(fā)展鋼結構住宅的重點放在多層、高層住宅，與國外大量采用的低層住宅和別墅相比，建筑體型要大得多，對“三板”的性能要求與國外不盡相同，因而對“三板”的生產、運輸、堆放、吊裝應作綜合研究，而不能機械照搬國外的做法。符合我國國情的“三板”研究發(fā)展及工廠化生產要有一個過程，產品性能的提高和價格的降低與標準化、批量化生產有關，也有一個過程[1]。

1.2.1鋼結構住宅的圍護墻體材料特點

（1）從傳統(tǒng)的既圍護又承重體系變?yōu)榧儑o體系。鋼框架建筑的荷載由梁柱傳遞，墻體不起承重作用。這是鋼結構住宅墻體與傳統(tǒng)的磚混或內澆外砌剪力墻住宅的根本區(qū)別。這一特點使鋼結構住宅墻體成為純圍護結構，不再受結構空間的限制，可以根據居住空間的要求靈活分隔。

（2）墻體材料應具有質輕高強等物理化學特性和良好的保溫隔熱性。鋼結構的特征之一是輕質高強，鋼結構建筑的墻體材料也應具備這一特質，否則重型墻體增加結構的荷載，喪失了鋼結構的優(yōu)勢。此外，重型墻體對于負擔其重量的結構體系要求也較高，必須有結構梁的支撐，無法達到靈活布置的要求。良好的保溫隔熱、防火防滲漏和隔聲性能是滿足居住環(huán)境健康舒適的必要條件。

（3）墻體類型適宜于工廠化生產，現場裝配化建造。工業(yè)化生產是住宅產業(yè)化的重要標志。鋼結構住宅可實現高度工業(yè)化生產制作和安裝，通常一棟幾千平方米的多層住宅，鋼結構吊裝只需1～2個月。墻體材料是住宅建筑的重要組成部分，數量多、作用大，只有采用工業(yè)化生產制作和現場裝配式施工，才能真正發(fā)揮鋼結構住宅的工業(yè)化優(yōu)勢。

（4）連接部位的構造節(jié)點處理變得尤為重要。工業(yè)化定型生產的墻體材料，在施工安裝過程中的節(jié)點構造比傳統(tǒng)砌筑式墻體復雜得多。居住建筑對于墻體材料物理性能方面的較高要求使得節(jié)點構造的妥善處理成為解決問題的關鍵。

1.2.2外墻板

作為鋼結構住宅的圍護結構，外墻應輕質、有自承重和抗沖擊能力，并應具備保溫、隔熱、隔聲、防火、防滲漏等多種功能。外墻材料主要采用混凝土小型砌塊、蒸壓輕質加氣混凝土條板、鋼絲網架聚苯夾心板、纖維水泥外墻掛板、聚氨酯復合外墻板、金屬面壓花復合板等。作為預制外墻板，還要考慮運輸、堆放和吊裝的方便，以及與主體結構的可靠連接。預制外墻板既有按住宅開間做一塊整體吊裝的，也有分小塊吊裝組合的，各有利弊。下面介紹國內幾種主要墻板的做法[1]。

1.2.2.1整間預制外墻板

天津彩麗苑1#樓和萊鋼櫻花園1#樓采用預制復合保溫外墻板，其構造是：以70～80mm聚苯板作保溫層，嵌入鋼絲網架，兩側澆注C25細石混凝土，板厚140～150mm。天津彩麗苑2#樓等工程采用節(jié)能型預制復合外墻板，其構造是：飾面磚面層+50mm陶?；炷?輕鋼龍骨+巖棉或聚苯板+增強纖維石膏板。這兩類預制外墻板的板縫都采取了防滲漏、防熱橋措施。

1.2.2.2蒸壓輕質加氣混凝土條板(ALC板)

蒸壓輕質加氣混凝土條板(ALC板)由南京從日本引進生產線及安裝技術，是一種高性能的加氣混凝土板，具有重量輕、保溫、隔熱、防水、防火等功能，可組拼成外墻，墻面有裝飾效果，可直接噴刷涂料，已用于上海中福城、北京金寰公寓、濟南百花園1#樓等（圖1）。

1.2.2.3加氣混凝土條板和加氣混凝土砌塊

此類輕質產品在北京、上海、濟南等地均有生產，用作鋼結構住宅外墻，經濟實惠，保溫、隔熱效果好。盡管現場抹灰濕作業(yè)量較大，但在鋼結構住宅起步階段仍是切實可行的做法。

圖1　上海中福城3期

1.2.3內墻板

關于墻板，各地從實際出發(fā)，采用了多種材料和做法，如：輕鋼龍骨石膏板，增強纖維混凝土圓孔板(GRC板)，增強石膏空心條板、加氣混凝土條板和砌塊等。天津從德國引進了3E空心墻板生產線；武漢以紙質三棱柱筒集合體為基材，經固化處理和表面抹灰后做成的昊角板，可用作非承重墻體[1]。

1.2.4樓板結構體系

樓板必須有足夠的承載力和剛度，并與鋼框架實現可靠連接，確保結構體系的整體剛度和穩(wěn)定性，還要滿足防顫動、隔聲、隔熱等住宅功能的要求。在鋼結構住宅建筑體系中，樓板主要有現澆混凝土樓板、壓型鋼板混凝土組合樓板、預應力疊合樓板、雙向輕鋼密肋組合樓板等，不同類型的樓板形式各有優(yōu)缺點[1]。

1.2.4.1現澆混凝土樓板

現澆混凝土樓板以鋼框架為支撐，在鋼梁上按一定間距焊接栓釘，然后支模板、綁鋼筋，現澆混凝土。如北京金寰公寓3#樓和萊鋼櫻花園#1樓等，均采用現澆混凝土樓板。這種樓板造價低、整體性好，但混凝土硬化需要時間，影響鋼結構施工速度。

1.2.4.2預應力疊合樓板

天津彩麗苑#1樓采用預制的預應力底板，板長5.1m、厚80mm，板端與鋼梁焊接，板縫設錨固筋，上澆C25混凝土60mm。這種混凝土樓板把預制與現澆結合起來，無需支模板，施工速度較快。

1.2.4.3壓型鋼板混凝土組合樓板

這種樓板在國外應用普遍，最適用于鋼結構，施工速度快，但造價較高。以壓型鋼板作底模或代替部分鋼筋，在其上澆混凝土，與鋼梁上的栓釘固接，形成整體連續(xù)板。上海中福城采用這種樓板，壓型鋼板下面作吊頂，其空間用作管道層，并提高樓板的隔聲效果。

1.2.4.4雙向輕鋼密肋組合樓板

天津彩麗苑2#樓采用雙向輕鋼密肋組合樓板，在預制模殼內放置雙向輕鋼桁架，吊裝就位后布設面鋼筋網，然后現澆混凝土，總高250mm。該組合樓板剛度大，板下做吊頂，其空間同樣可用作管道層，同時提高樓板的隔聲效果。

鋼結構結構體系應盡量采用裝配化的生產施工方式，避免大量現場濕作業(yè)，以更有效地體現出鋼結構住宅的特征。國內已建的鋼結構住宅樓板體系大多為預應力疊合板，是介于裝配式和現澆式中間的一種類型，反映了目前我國鋼結構住宅正處在從傳統(tǒng)建造方式向工業(yè)化生產方式過渡的時期。

2　鋼結構住宅體系綜合經濟性能分析

對于鋼結構住宅的經濟性分析，除考慮造價以外，還應從建筑有效使用面積、結構抗震及地基處理、建筑布置靈活性、施工工期及施工對周圍環(huán)境影響等綜合因素作全面、系統(tǒng)的分析，并以其綜合經濟效益為依據[2]。

2.1小高層鋼結構住宅的經濟性能分析

選擇2幢15層的分別采用鋼結構和鋼筋混凝土結構的住宅為研究對象，主體結構地上15層為住宅，地下1層為設備用房，建筑面積9 986m2。

鋼結構住宅的含鋼量一般為85kg/m2，同類鋼筋混凝土結構建筑平均含鋼量一般為79kg/m2，鋼結構住宅用鋼量約增加9.7%，增加造價5%。表1為綜合考慮了基礎造價、圍護結構造價及其它維護費用后兩種結構體系的主要經濟指標分析，由此可以看出，鋼結構住宅的平均造價比鋼筋混凝土結構約高8.8%，鋼結構住宅圍護結構的造價是導致差異的主要原因。

表2為兩種結構體系中，結構構件占有效面積的分析比較。由于鋼材強度高，鋼構件承載面積小，因此鋼結構體系結構占有效面積的比例相比鋼筋混凝土結構降低了3.29%，即住宅有效面積增加了3.29%。

2.2高層鋼結構住宅的經濟性能分析

選擇一幢23層鋼結構住宅和一幢20層鋼筋混凝土結構住宅為研究對象。鋼結構住宅總建筑面積為23 700m2，鋼筋混凝土住宅總建筑面積17900m2。兩種結構體系的結構總造價、結構占用面積、施工工期、因工期提前帶來的利息節(jié)約對比見表3。其中，結構造價包括地基基礎處理費用、地下室和上部結構的造價。

由表3可以看出，如果綜合考慮結構造價、工期提前及有效面積增加帶來的利息收益、基礎處理及租金帶來的收益，23層鋼結構住宅的單位面積成本可降至698元/m2，遠低于20層的鋼筋混凝土結構住宅單位面積成本。

此外，抗震性能也是住宅體系的一項重要技術指標。中高層住宅采用鋼結構體系，可使結構自重減輕約1/3，地震作用減少30%～40%。若發(fā)生相同烈度的地震，由于鋼結構住宅抗震性能良好，鋼構件可有效吸收地震能量，贏得逃生時間。另外，即使鋼結構住宅倒塌，因其基本為可回收材料，可二次利用，不污染環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益。

表1　主要經濟技術指標分析

表2　結構占有效面積比較

表3　結構總造價比較

3　結語

高層鋼結構住宅的市場優(yōu)勢體現在具有較高的性能價格比，從綜合效益和全壽命成本上，開發(fā)商和購房者都可從高層鋼結構住宅獲得較大收益，且此收益是持續(xù)的。可以預計，雖然消費者逐步接受鋼結構住宅需要一個漸進的過程，但只要重視市場推廣，隨著勞動力成本逐步提高和市場發(fā)育成熟，高層鋼結構住宅最終會成為住宅產業(yè)重要類型之一。

高層鋼結構住宅推廣應該從經濟發(fā)達地區(qū)開始。上海作為我國經濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設的排頭兵，各類鋼結構建筑特別是高層建筑和公用建筑，在數量、規(guī)模、高度以及設計施工水平方面，皆名列前茅。正因為有這樣的基礎，有如此雄厚的技術實力和物質條件，在鋼結構住宅研究和發(fā)展方面，上海也應走在全國前列[3]。

參考文獻：

[1]舒暢.鋼結構住宅技術經濟分析及其產業(yè)化研究[J].武漢理工大學,2005.

[2]李國強,張潔.上海地區(qū)高層建筑采用鋼結構與混凝土結構的綜合經濟比較分析[J].建筑結構學報,2000(4):75-79.

[3]鄭道宏.上海高層建筑與首個鋼結構住宅群[J].四川建筑科學研究,2002(9):1-3.

Analysis of Applicability of High Rise Steel Structure Residential System

Yin Huijun

【Abstract】All-around analysis of technical performance, economic performance and environment performance is carried out to high rise steel structure residence through practical engineering cases for comprehensively evaluating the applicability of high rise steel structure residence. Analysis shows that though the cost of steel structure residence is higher than that of reinforced concrete structure, its comprehensive economic benefi t is remarkable considering the return brought by basic cost, increase of usable area and shortening of construction period and such comprehensive advantage is more signifi cant with rising of fl oors.

【Keywords】steel structure residence, technical performance, economic performance, comprehensive evaluation

收稿日期：（2015-06-16）