現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑及其在我國的應(yīng)用

程宏偉

0 引言

在當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)型式中，輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)有非常廣泛的應(yīng)用，近些年來獲得了良好的發(fā)展，尤其是民用建筑和工業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用，已然成為住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢。在長時間的應(yīng)用與發(fā)展過程中，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑型式更加多樣，比如門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系目前已經(jīng)較為完善，也形成了一些專利產(chǎn)品，逐步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和工廠化?；诂F(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的多方面優(yōu)勢，應(yīng)重視輕鋼結(jié)構(gòu)的研究，掌握輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用技巧和要點，以求推動建筑行業(yè)的更好發(fā)展。為此，本文結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的相關(guān)研究成果，展開更進一步探究，現(xiàn)作如下的論述。

1 現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的興起與現(xiàn)狀

從傳統(tǒng)意義上來講，輕鋼結(jié)構(gòu)是以圓鋼、小角鋼為主的小型或小跨度屋架、剛架結(jié)構(gòu)，在倉儲建筑、小型廠房建筑、臨時性建筑中有廣泛的應(yīng)用。隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的興起與發(fā)展，尤其是在彩色壓型鋼板、變截面門式剛架的蓬勃發(fā)展下，傳統(tǒng)意義上的輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化?？偟膩碚f，現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)除固定特征外，最顯著的便是“輕”這一特征，集中體現(xiàn)在四個方面。一是借助輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)，可以較大減小地震作用、恒荷載作用，建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)也可以變得輕量化；二是當(dāng)前所使用的高強度鋼材結(jié)構(gòu)體系有多方面優(yōu)勢，可以很好地優(yōu)化承重構(gòu)件的截面，建筑結(jié)構(gòu)的用鋼量更輕；三是輕鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的勞動量小，使用小型機具吊裝施工即可，所以整體的施工速度快；四是輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的造型輕巧美觀，具備更強的建筑表現(xiàn)能力。如圖1 為輕鋼結(jié)構(gòu)建筑。

圖1 輕鋼結(jié)構(gòu)建筑

現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑體系在20 世紀(jì)40 年代獲得了良好的發(fā)展，逐漸形成了門式剛架結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)圍護體系，當(dāng)前階段在房屋建筑中均有較廣泛的應(yīng)用。目前來看，輕鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為發(fā)達國家應(yīng)用廣泛的建筑結(jié)構(gòu)型式，在我國的住宅產(chǎn)業(yè)化中有良好的應(yīng)用，也因此形成了一些專利產(chǎn)品，同步推動了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計、繪圖、工程量統(tǒng)計的發(fā)展。在20 世紀(jì)80 年代，輕鋼結(jié)構(gòu)在我國得到了大面積的應(yīng)用，比如寶山鋼鐵公司使用了彩色壓型鋼板，隨后形成了較完善的輕鋼結(jié)構(gòu)體系和成套技術(shù)。至20 世紀(jì)90 年代，依托鋼產(chǎn)量的提高，輕鋼結(jié)構(gòu)得到了進一步的應(yīng)用，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑開始步入發(fā)展的黃金階段。從當(dāng)前輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的承重體系應(yīng)用來看，主要有四種，一是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，二是焊接門式剛架結(jié)構(gòu)體系，三是金屬拱形波紋屋蓋體系，四是多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系。更重要的是，輕鋼結(jié)構(gòu)具有可重復(fù)利用的特點，所以符合環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，因此有更為廣闊的應(yīng)用前景。

從現(xiàn)代住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展這一角度來說，輕鋼結(jié)構(gòu)主要有四個方面的優(yōu)勢，即輕質(zhì)高強、抗震性能優(yōu)越、綠色可持續(xù)、結(jié)構(gòu)體系多元化。在輕質(zhì)高強這一方面，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的強度高，同時質(zhì)量輕，通?？梢杂行p輕建筑物自重1/3。因為輕鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強的優(yōu)勢，所以對于相同重量的建筑物來說，輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面小，使用凈高大，能夠有效節(jié)約建筑高度，可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。在抗震性能優(yōu)越這一方面，通常輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是柔性結(jié)構(gòu)，自重較輕，建筑物所承受的地震力較小，地震災(zāi)害的影響作用也隨之減弱，可以帶來可觀的綜合效益。在綠色可持續(xù)這一方面，當(dāng)前輕鋼結(jié)構(gòu)住宅使用鋼構(gòu)件，墻體材料多使用保溫隔熱輕質(zhì)板材，既可以滿足節(jié)能要求，同時可以回收利用，完全符合建筑行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。在結(jié)構(gòu)體系多元化這一方面，當(dāng)前可使用的輕鋼結(jié)構(gòu)體系較多，主要有鋼框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，有各自的應(yīng)用優(yōu)勢，值得推廣應(yīng)用。

2 現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用

2.1 門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系

早在1999 年時，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)便有較廣泛的應(yīng)用，隨后的時間里獲得了良好的發(fā)展，是當(dāng)前發(fā)展最快的一種新型輕鋼結(jié)構(gòu)。就門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系的特征來說，主承重結(jié)構(gòu)是門式剛架，圍護結(jié)構(gòu)是壓型鋼板。在設(shè)計時，既允許腹板局部失穩(wěn)，利用好腹板的屈曲后強度，也可以改變腹板的高度，剛架的梁柱可以做成變截面形式，能夠很好地適應(yīng)于結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力的分布規(guī)律。當(dāng)前階段我國的門式剛架結(jié)構(gòu)無論是在設(shè)計與制作還是安裝方面，均積累了較多的成功經(jīng)驗，已經(jīng)可以較廣泛的應(yīng)用至體育場館、工業(yè)廠房、娛樂場所、儲運設(shè)施這些方面。

當(dāng)前典型的門式剛架結(jié)構(gòu)體系由多種構(gòu)件所組成，主要有墻面板、基礎(chǔ)、墻梁、抗風(fēng)柱、屋面板、主剛架、屋面支撐、檁條、柱間支撐。設(shè)計結(jié)構(gòu)型式時可以有多種方案，既可以是高低跨、多脊、單脊、單跨，也可以是單坡、緩坡、平坡、多跨，甚至跨內(nèi)可以設(shè)計單個或多個搖擺柱。剛架結(jié)構(gòu)主要是采用焊接工字形實腹截面，板厚通常控制在16mm 以下，因為腹板的高度與厚度均比較大，可以允許局部失穩(wěn)，不過可以使用變截面構(gòu)件改變腹板的高度，以此實現(xiàn)截面變化。在拼接剛架的梁柱節(jié)點和斜梁時，可以使用高強度螺栓端板，可以選擇平齊式，也可以選擇外伸式，相比之下，平齊式端板的連接剛度較小，所以應(yīng)優(yōu)先考慮使用外伸式端板連接方式，端板厚度應(yīng)控制為20mm 以上。如果施工地的風(fēng)荷載較大，則要分析檁條及墻梁在特定作用下的穩(wěn)定性，主要是分析評價在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定性。屋面和柱間支撐可以使用由張緊的圓鋼組成的柔性支承，若是廠房有吊車設(shè)施，則下柱支撐應(yīng)該設(shè)計成剛性支承。除此之外，屋面板和墻板可以使用夾芯板、復(fù)合板，夾芯板與復(fù)合板既可以選擇單層，也可以選擇雙層，若是要使用單層板，應(yīng)該加保溫層?？偟膩碚f，門式剛架是一種平面受力體系，適合應(yīng)用在平面尺寸狹長、柱距在7～9m 且跨度在18～36m 的建筑中，所以廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代化工業(yè)廠房建筑中。

2.2 多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系的勞動強度更低，且施工速度更快，當(dāng)前2～8 層的公共建筑和居住建筑主要使用輕型鋼框架結(jié)構(gòu)。在框架柱和梁的使用中，當(dāng)前主要是使用H 型鋼或圓鋼管，有熱軋或焊接兩種形式，通常整個結(jié)構(gòu)會使用到40～50kg/m的用鋼量，所產(chǎn)生的經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。總的來看，多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系在公共建筑中應(yīng)用廣泛，有學(xué)校、娛樂場所、醫(yī)院、辦公場所、工業(yè)廠房，也在商業(yè)建筑中有廣泛的應(yīng)用。

多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計時，主要依托《輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，典型有效的多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系由柱間支撐、墻梁、框架梁柱、壓型鋼板樓蓋、墻面板、屋面支撐、樓層次梁、檁條、基礎(chǔ)所組成，通常承重結(jié)構(gòu)的柱距在6～12m，既可以按照空間框架設(shè)計，也可以按照平面框架設(shè)計。為了確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，并減小側(cè)向位移，應(yīng)該結(jié)合實際情況布置柱間支撐。在樓層設(shè)計與施工時，可以使用預(yù)制板加現(xiàn)澆板疊合樓蓋，也可以使用主次梁體系和壓型鋼板組合樓蓋，要求主梁和柱間接觸良好，主次梁之間應(yīng)優(yōu)先采用鉸接方式。在連接樓板與鋼梁間時，可以使用抗剪栓釘，這樣可以大大提高梁體的承載能力與剛度，若是樓層梁要按照組合梁設(shè)計，則必須根據(jù)受力要求科學(xué)布置栓釘，若是不考慮組合作用，則布置栓釘?shù)瓤辜艏r可以重點考慮構(gòu)造要求。如果多層房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的屋面不上人，則可以使用壓型鋼板和檁條，內(nèi)墻應(yīng)該實現(xiàn)輕質(zhì)隔斷，外墻則應(yīng)該使用其他輕質(zhì)墻體結(jié)構(gòu)，也可以使用壓型鋼板?？偟膩碚f，多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系未來的應(yīng)用會更加廣泛，尤其是會廣泛應(yīng)用在多層廠房及超市，所以有著很大的潛在市場。如圖2 為多層房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑。

圖2 多層房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑

2.3 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)前所使用的冷彎薄壁型鋼由普通鋼板或鍍鋅鋼板冷彎處理而成，普通干干的厚度通常在0.5～3.5mm，形狀有Z 形、C 性、方管，可以形成各種樣式的折皺和卷邊，通過拼成T 形或I 形，可以有效提高截面的承載能力與剛度。當(dāng)前較廣泛使用的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，主要是將冷彎薄壁型鋼作為承重骨架的結(jié)構(gòu)，既可以應(yīng)用在多層住宅中，也可以應(yīng)用在單層住宅中。

在當(dāng)前所使用的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系中，框架梁、柱通常使用I 形截面或T 形截面，多是由四C 槽鋼或雙C 槽鋼組成。承重骨架多使用平面框架，為了保證整體穩(wěn)定性，需要科學(xué)布置柱間支撐，樓層可以使用主次梁體系和組合樓蓋，若是屋面不上人，則可以使用檁條和壓型鋼板。考慮到冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件通常是較小的，所以構(gòu)件之間均需要使用螺栓連接，施工現(xiàn)場多只需要使用小型起重設(shè)備即可，所以整體的施工較為快捷便利，非常適合應(yīng)用在低層住宅建筑中。目前來看，一些鍍鋅冷彎薄壁型鋼建筑通常安裝時間可以控制在一個星期，具備較好的保溫、溫濕度、隔聲性能，逐漸實現(xiàn)批量化商業(yè)生產(chǎn)?？偟膩碚f，雖然當(dāng)前階段冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系在我國獲得了較好的發(fā)展，但無論是設(shè)計還是施工均存在些許不足，還需要進一步的研究，后續(xù)要在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究中大下功夫，掌握更多的技術(shù)要點，提高建筑物理性能。

3 現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展策略

除冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)前門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系、多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系均有廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計與施工方面均積累了較多的成功經(jīng)驗，有廣闊的發(fā)展前景。但輕鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展過程中也存在一些不足之處，總體技術(shù)問題還有待解決。比如在門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用中，還需要重點研究三個方面的內(nèi)容，一是構(gòu)件承載性能所受到的影響，是否可以受到焊接形式的影響，二是端板連接節(jié)點的承載性能，三是門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用在大空間建筑和大跨度建筑中的要點。再比如應(yīng)用多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系時，需要科學(xué)選擇有效的承重結(jié)構(gòu)體系，還需要掌握支撐、剪力墻的性能。除此之外，在多層輕鋼結(jié)構(gòu)中，還應(yīng)該推廣應(yīng)用熱軋H 型鋼，相應(yīng)的需要做好建筑結(jié)構(gòu)的保溫、防火、設(shè)備安裝這些方面的工作。

為推動現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的科學(xué)發(fā)展，后續(xù)應(yīng)該重點做好三個方面的工作。一是做好產(chǎn)業(yè)布局，確保鋼材市場供應(yīng)充足，且價格要控制在科學(xué)范圍內(nèi)，在輕鋼結(jié)構(gòu)用鋼量的控制上，應(yīng)努力控制在20～50kg/m。當(dāng)前輕鋼產(chǎn)業(yè)布局局限于東南沿海地區(qū)，西南、西北、華北和東北的產(chǎn)業(yè)布局明顯不足，無法形成市場競爭和規(guī)模較大的企業(yè)，所以后續(xù)要營造更好的市場環(huán)境，在科學(xué)布局的基礎(chǔ)上促進輕鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展。二是理論研究還應(yīng)該狠下功夫，尤其是要重視設(shè)計理論的研究，不應(yīng)再受到傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的約束，而是應(yīng)該不斷創(chuàng)新，創(chuàng)新性地應(yīng)用輕鋼結(jié)構(gòu)研究成果，提高現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的水平與科學(xué)性。若是在公共建設(shè)中使用輕鋼結(jié)構(gòu)，則可以考慮優(yōu)先使用鋼管結(jié)構(gòu)、外露弧形構(gòu)件、蜂窩梁，保溫型玻璃圍護結(jié)構(gòu)具有節(jié)能和環(huán)保的特性，值得推廣應(yīng)用。三是在綠色環(huán)保理念下，要更進一步應(yīng)用新型材料，重視建筑構(gòu)造的處理。以輕鋼結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件為例，多使用較薄的鋼板，具有良好的防火與防腐性能，后續(xù)應(yīng)該重視鋼結(jié)構(gòu)防腐的研究。之所以重視鋼結(jié)構(gòu)防腐研究，是因為當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)需要使用防銹漆進行防腐，但在一定時間后需要二次刷漆，一些非外露的部位往往很難完成刷漆任務(wù)。除此之外，應(yīng)該清楚意識到，為有效確保輕鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的質(zhì)量，要科學(xué)地減少輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時制作環(huán)節(jié)和安裝環(huán)節(jié)的工作也應(yīng)該適當(dāng)減少。在輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計部門要積極與相關(guān)部門溝通交流，做好信息交流、技術(shù)協(xié)調(diào)和工藝配合，以此確保輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。目前來看，輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計權(quán)利已經(jīng)逐步下放至具有輕鋼結(jié)構(gòu)專項設(shè)計資質(zhì)的設(shè)計單位，往往這一設(shè)計單位可以成為總承包公司，實現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的統(tǒng)籌管理，各種資源和條件均可以得到合理的調(diào)配，這對于保證和提高輕鋼結(jié)構(gòu)建筑施工質(zhì)量有十分大的裨益，可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益、社會效益。

4 結(jié)語

當(dāng)前所使用的門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系、多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系均有較好的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其是門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計取得了較好的成果，這對于門式剛架鋼結(jié)構(gòu)體系的推廣應(yīng)用大有裨益，值得推廣應(yīng)用。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用優(yōu)勢是毋庸置疑的，針對當(dāng)前現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用過程中所存在的問題，后續(xù)要進一步探討和研究，以求掌握更多輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用要點，確定注意事項，推進輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的蓬勃發(fā)展。