鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)分析與研究

韋江萍

（福州外語(yǔ)外貿(mào)學(xué)院，福建 福州 350202）

為避免傳統(tǒng)住宅建筑結(jié)構(gòu)體系在原材料應(yīng)用，建筑施工，以及后續(xù)維護(hù)使用中產(chǎn)生的問(wèn)題，迎合市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量與高品質(zhì)住宅追求，就找尋新建材與新住宅體系來(lái)適應(yīng)發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展.

1 鋼結(jié)構(gòu)住宅的定義

鋼結(jié)構(gòu)住宅是指以鋼作為建筑承重梁柱的住宅建筑，是一種注重美觀與效益的新型環(huán)保的建筑結(jié)構(gòu)體系，這一建筑結(jié)構(gòu)體系，將H型、C型、Z型與U型截面鋼構(gòu)件進(jìn)行連接，并形成主體框架結(jié)構(gòu)，再配以構(gòu)建、門窗等模塊，形成完整的建筑體系.常見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系包括鋼框架、鋼框架核心筒、鋼框架-支撐、鋼框架-剪力墻、冷彎薄壁型、交錯(cuò)桁架與輕鋼結(jié)構(gòu).

2 鋼結(jié)構(gòu)住宅主要結(jié)構(gòu)形式

從實(shí)踐應(yīng)用看，常見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)形式有4種:(1)冷彎薄壁型鋼體系.用薄鋼板冷彎成C形與Z形構(gòu)件，單獨(dú)或組合使用，桿件間采用自攻螺釘連接，通常應(yīng)用于低矮住宅.(2)框架體系.橫向和縱向都設(shè)為鋼框架，門窗可靈活設(shè)置，開(kāi)間較大，住戶可以靈活設(shè)計(jì)，可以更好的滿足個(gè)性化需求.這種設(shè)計(jì)應(yīng)用于4-6層多層建筑.(3)框架支撐體系.這種體系梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)均可設(shè)計(jì)成鉸接或半剛接，施工構(gòu)造較簡(jiǎn)單，體形較小，軸交和偏交支撐效果很好，抗側(cè)剛度高，在風(fēng)載或地震作用大的區(qū)域深受青睞.(4)框架剪力墻體系.空腔結(jié)構(gòu)板狀基架經(jīng)過(guò)浸漬形成的新型板材與鋼框架連接后，形成新型剪力墻，還有傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻，以及新研發(fā)的交錯(cuò)桁架體系，剪力墻體系主要應(yīng)用于4-6層低多層住宅.

3 鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點(diǎn)

3.1 空間布置靈活

一般在梁高相同的情況下，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)間更大，自然而然建筑布置更加靈活，住宅空間搭配的自由度凸顯.自由度大與強(qiáng)度高的結(jié)合是鋼結(jié)構(gòu)住宅的最大優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn).這一優(yōu)勢(shì)為建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)留有更多的空間，也為居住戶改造內(nèi)部結(jié)構(gòu)與用途提供更多的可能，可靈活分隔室內(nèi)空間，形成了開(kāi)放式可變性的住宅.鋼結(jié)構(gòu)連接簡(jiǎn)單，錯(cuò)層與躍層結(jié)構(gòu)應(yīng)用更加方便.相對(duì)傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)墻體相對(duì)薄一些，管線可以暗埋其中，這樣其實(shí)是增加室內(nèi)使用面積，提升經(jīng)濟(jì)效益.

3.2 抗震性能強(qiáng)

與其他建筑結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的承載力大.鋼結(jié)構(gòu)有很好延性，這一特性使得一旦鋼結(jié)構(gòu)受到動(dòng)力沖擊等外在破壞是，可吸收較多的能量，減弱脆性破壞帶來(lái)的危害，這就是鋼結(jié)構(gòu)抗震性的體現(xiàn).由于鋼結(jié)構(gòu)整體較混凝土結(jié)構(gòu)輕，受地址影響小，加之其較好延性及較好耗能性，在地震易發(fā)地區(qū)，尤其在高烈度地震區(qū)，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)材料構(gòu)建住宅建筑，使用鋼結(jié)構(gòu)就更為有利，其抗震性能好，結(jié)構(gòu)安全度高.

3.3 綜合造價(jià)低

鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)比與建筑重量等方面卻遠(yuǎn)優(yōu)于單純的混凝土結(jié)構(gòu).鋼材料的抗壓、抗拉與抗剪強(qiáng)度比較高，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件斷面小且重量輕，輕鋼住宅重量相當(dāng)于磚混結(jié)構(gòu)重量的三分之二.高層鋼混建筑自重為1.8噸/平米左右，而高層建筑鋼結(jié)構(gòu)自重一般為1噸/平米以內(nèi)，自重輕就會(huì)大幅降低鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑基礎(chǔ)造價(jià).隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，鋼產(chǎn)量與質(zhì)量穩(wěn)步提升，鋼材價(jià)格的下降，鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)下降.再綜合考慮出房率、土地使用效率、建設(shè)施工工業(yè)化程度等因素，鋼結(jié)構(gòu)建筑的綜合造價(jià)不高.

3.4 工業(yè)化程度高

除基礎(chǔ)構(gòu)件外的鋼結(jié)構(gòu)住宅大多數(shù)構(gòu)件都可在專業(yè)工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)以焊接或螺栓的方式整體安裝，受天氣與季節(jié)影響較小.這樣工藝與安裝方式對(duì)周圍環(huán)境影響較小，且機(jī)械化程度高，符合環(huán)保要求.鋼框架安裝、混凝土核心筒澆筑等可立體交叉作業(yè)，且在上部安裝框架柱梁時(shí)，下部亦可開(kāi)展內(nèi)部裝修，安裝施工速度快，項(xiàng)目建造周期與資金周轉(zhuǎn)短，鋼結(jié)構(gòu)施工成本降低.鋼結(jié)構(gòu)建筑的拆除施工容易，拆除成本降低；且可回收二次利用，符合環(huán)保要求.

4 鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的前景

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)住宅符合時(shí)代大勢(shì).近年來(lái)，我國(guó)鋼產(chǎn)量不斷攀升，特種鋼材的出現(xiàn)及鋼材質(zhì)量提高，鋼結(jié)構(gòu)專用特厚板，熱軋H型鋼，高頻焊輕型H型鋼，以及Z型鋼、C型鋼、輕型圍護(hù)用鍍鋅板及彩涂板的大發(fā)展，都進(jìn)一步加速我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程.通用化、標(biāo)準(zhǔn)化與系列化的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)向，社會(huì)化與專業(yè)化的鋼結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)，商品化的鋼結(jié)構(gòu)材料的供應(yīng)，成為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)住宅體系.住建部組織研發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)建筑住宅體系的結(jié)構(gòu)選型，新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔斷體系，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)施工技術(shù)，并編制了設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范規(guī)程.經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业目茖W(xué)研究、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)踐應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)住宅通用體系具有良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與廣闊市場(chǎng)發(fā)展前景.

5 鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題的分析

5.1 耐火性能不高

作為一種不會(huì)燃燒的建筑材料，肯定不需要擔(dān)心燃燒，但其耐火性能方面存在一些缺陷，鋼結(jié)構(gòu)抗拉、屈服點(diǎn)及彈性模量等機(jī)械性能會(huì)因?yàn)闇厣陆?，且在溫度?50度到650度，鋼結(jié)構(gòu)建筑就失去了其承載能力，會(huì)發(fā)生變形，因此，必須要做好鋼結(jié)構(gòu)住宅的防火處理，避免突破耐火極限.

5.2 防腐蝕能力差

空氣中的濕氣、酸堿物及能與鋼鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，與鋼材接觸后就容易出現(xiàn)氧化腐蝕.鋼材表面涂可防止氧氣或酸堿性物質(zhì)與其直接接觸而保護(hù)剛才受到腐蝕.如果鋼表面的涂層有極其細(xì)微的裂縫或氣孔都有可能成為腐蝕物質(zhì)的入口，自然就會(huì)發(fā)生腐蝕，且會(huì)迅速侵蝕，腐蝕面積增大，鋼表面涂層遭到破壞，進(jìn)一步加重鋼結(jié)構(gòu)腐蝕.

5.3 保溫、隔熱、隔聲與防滲水問(wèn)題

圍護(hù)系統(tǒng)和樓板決定了鋼結(jié)構(gòu)住宅的保溫、隔熱、隔聲與防滲水等.我國(guó)所采用的材料大多是未經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品改造的材料，而一些新產(chǎn)品新材料未經(jīng)市場(chǎng)檢驗(yàn)且價(jià)格高.優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的保溫、隔熱、隔聲、防火、防腐材料是建筑鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)需要的.

5.4 鋼結(jié)構(gòu)住宅配套問(wèn)題

基于結(jié)構(gòu)合理性與可行性考慮，鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于住宅類建筑幾乎沒(méi)難度，但配套建筑設(shè)備與材料、空間形式和構(gòu)造技術(shù)措施等，會(huì)挑戰(zhàn)建筑設(shè)計(jì)施工的人員.除應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)安全性外，應(yīng)滿足使用功能要求，解決好鋼結(jié)構(gòu)住宅墻柱連接對(duì)空間完整性的影響，設(shè)備布線等問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)住宅裝配式的施工建設(shè)方式，就會(huì)出現(xiàn)大量建筑物連接節(jié)點(diǎn)，影響到鋼結(jié)構(gòu)住宅聲、光、熱等建筑物理性能和建筑物耐久性能.

6 應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的舉措

6.1 完善鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)要遵循標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、定型化與多樣化的原則，在總體設(shè)計(jì)方面要注意建筑、結(jié)構(gòu)、水電、暖氣綜合考慮，在鋼結(jié)構(gòu)住宅各部分設(shè)計(jì)中嚴(yán)格做到模數(shù)協(xié)調(diào).根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)住宅實(shí)際，綜合考慮梁、柱與樓板等因素，適應(yīng)個(gè)性化、多樣化和可操作性.在確定住宅層高的時(shí)候，要確保樓板有足夠的承載力、剛度和整體性，考慮鋼結(jié)構(gòu)的隔音與管線布置等，管線鋪設(shè)方面，要注意設(shè)置空間，盡量利用空閑空間.

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要強(qiáng)化抗震性能與連結(jié)性等要求，應(yīng)采用高強(qiáng)輕質(zhì)墻體，確保保溫、隔熱、隔音、防火、防水與防裂等各方面的綜合性能，同時(shí)對(duì)墻面涂料要求較高.

鋼結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常重要.鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括梁梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、柱柱節(jié)點(diǎn)、柱帽節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)等.具體設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能減少節(jié)點(diǎn)，要做到安全與可靠，施工工藝要簡(jiǎn)易且穩(wěn)定可靠.

廚房和衛(wèi)生間設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有很重要的地位.廚房和衛(wèi)生間用水角度，而鋼結(jié)構(gòu)防水與防腐性能差，在這兩個(gè)主要區(qū)域的設(shè)計(jì)顯得尤為重要.在設(shè)計(jì)時(shí)要采用結(jié)構(gòu)防水和材料防水相結(jié)合,注重應(yīng)用防水效果較好的結(jié)構(gòu)性防水方法.

6.2 優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)住宅墻體材料

為了突出鋼結(jié)構(gòu)住宅可改性好、布置靈活與自重輕的特點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)墻體材料的選擇方面，要符合鋼結(jié)構(gòu)住宅特點(diǎn)，不宜采用傳統(tǒng)的黏土磚或其它較重較大的材質(zhì).應(yīng)采用加氣混凝土、空心混凝土砌塊、壓型鋼板加輕保溫材料組成的復(fù)合墻體、CS板、OSB板、LCC板.這些材料在防水、防滲透能力及保溫方面表現(xiàn)好，也易于施工，還符合建筑墻體強(qiáng)度的要求.在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)墻體時(shí)，要明確連接件的詳細(xì)參數(shù)，這樣提高設(shè)計(jì)精確性，有利于簡(jiǎn)化建筑施工.

6.3 強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)防火、防水與防腐

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)這一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料，做好防水、防火及防腐措施是必須的，盡量遠(yuǎn)離或隔離熱源、腐蝕源或水源，以保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，避免其承載能力受到一定損害.

一般的住宅用鋼材在全負(fù)荷狀態(tài)下，在溫度300℃以上時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定危險(xiǎn)，在500℃狀態(tài)下肯定會(huì)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性.一旦發(fā)生火災(zāi)通常溫度會(huì)超過(guò)800℃，這對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅是極其危險(xiǎn)的.在鋼材是加上防火涂料或者包裹混凝土等，是比較常用的防火措施，但這會(huì)失去鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì).采取被動(dòng)和主動(dòng)防火相結(jié)合的措施.安裝防火和防火警報(bào)，設(shè)置防火隔離區(qū)，固體、液體、氣體與泡沫滅火消防噴淋系統(tǒng)等主動(dòng)防火措施.被動(dòng)防火通常是借用相關(guān)技術(shù)手段使得鋼材與可能的火情有效隔離，通常的技術(shù)手段包括：（1）外包法，使用外包保護(hù)層保護(hù)鋼材，增加其耐火性，通常用混凝土等實(shí)體外包或防火石膏板等板材外包.（2）膨脹材料保護(hù)層，鋼材在受熱時(shí)，借用膨脹材料使材料產(chǎn)生膨脹，形成一層耐火保護(hù)層.（3）空心注水法，將鋼材設(shè)計(jì)成空心注水，但這一方法的造價(jià)較高，技術(shù)性能要求也高，不宜廣泛推廣應(yīng)用.（4）屏蔽法，將鋼結(jié)構(gòu)屏蔽在耐火材料建造成的墻體內(nèi)，不過(guò)這種方法會(huì)減少住宅的實(shí)際使用面積.

鋼材防水、防腐蝕重點(diǎn)在于在確保鋼材不受外部極端不良環(huán)境因素的影響，避免發(fā)生變形.鋼材在酸性或化學(xué)氣霧環(huán)境下易受腐蝕，從而影響建筑質(zhì)量安全.做好被動(dòng)防護(hù)與主動(dòng)防護(hù)，做好鋼材的外部保護(hù)與隔離，并探索更合理的結(jié)構(gòu)體系.

〔1〕范鵬飛.鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系與發(fā)展應(yīng)用[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

〔2〕詹瑜.鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀及效益分析[D].華南理工大學(xué)，2012.

〔3〕孔德超.鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性分析[D].山東大學(xué)，2010.