淺談鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展及前景

任 洹，楊晨鑫

(1.筑福(北京)城市更新建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102300；2.東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司南方公司，廣東 廣州 510000)

0 前 言

鋼結(jié)構(gòu)作為21世紀(jì)的綠色建筑，其構(gòu)件適宜工廠(chǎng)化生產(chǎn)，可大大提高建筑工業(yè)化、商品化水平。鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用歷史已經(jīng)有近百年，但我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于商用建筑、工業(yè)建筑以及部分超高層和大跨度建筑，目前國(guó)內(nèi)民用住宅仍然以混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為主，反觀(guān)日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)住宅已占據(jù)一定規(guī)模，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用距發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，且我國(guó)建筑的用鋼量也與發(fā)達(dá)國(guó)家有著不小的差距。隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的增長(zhǎng)、住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鼓勵(lì)政策、社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及鋼結(jié)構(gòu)自身相對(duì)于普通混凝土建筑的優(yōu)點(diǎn),鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑在我國(guó)具有良好的發(fā)展空間。

1 國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史

我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史根據(jù)不同的歷史背景可以簡(jiǎn)要概述為四個(gè)階段：第一階段為20世紀(jì)50年代初期，這是我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的起始階段，在前蘇聯(lián)的156個(gè)援建項(xiàng)目下我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)始了起步發(fā)展，期間通過(guò)了我國(guó)第一本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于鋼材匱乏，當(dāng)時(shí)主張節(jié)約鋼材；第二階段為20世紀(jì)60年代中到改革開(kāi)放初期，此時(shí)我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目嚴(yán)重減少，鋼結(jié)構(gòu)人才緊缺，因鋼材短缺故限制建筑用鋼；第三階段為改革開(kāi)放初期到20世紀(jì)90年代中后期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)鋼材產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列，鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用趨于多樣化，我國(guó)對(duì)建筑用鋼的策略也從限制使用轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠硎褂?；第四階段是20世紀(jì)90年代中后期至今，國(guó)家一直在鼓勵(lì)綠色建筑、鼓勵(lì)建筑工業(yè)化發(fā)展，再加上我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度越來(lái)越高，而混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)、工地?fù)P塵多，對(duì)環(huán)境并不友好，多方面因素促進(jìn)了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]。

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)住建部便在全國(guó)各地開(kāi)始推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅的使用。建設(shè)部在2001年發(fā)布《鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則》[2]，通過(guò)該技術(shù)導(dǎo)則指出了鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的總體原則以及相關(guān)規(guī)定，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的基本內(nèi)容，如住宅平面布局、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圍護(hù)及分隔系統(tǒng)、裝修、鋼構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)材料的選用等分別進(jìn)行了闡述，對(duì)于我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)程來(lái)說(shuō)，這是我國(guó)發(fā)布的首部鋼結(jié)構(gòu)住宅體系指導(dǎo)文件。2002年，經(jīng)建設(shè)部批準(zhǔn)，我國(guó)第一個(gè)國(guó)家住宅產(chǎn)業(yè)化基地在天津市成立。次年，天津市便發(fā)布了《鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)規(guī)程》用于指導(dǎo)本市鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。2004年，建設(shè)部通過(guò)發(fā)布《關(guān)于推廣應(yīng)用新技術(shù)和限制、禁止使用落后技術(shù)的公告》[3]，明確了新興技術(shù)和落后技術(shù)的范圍，并把作為新興技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)住宅列為住宅產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的最重要的推廣技術(shù)。2019年住建部發(fā)布《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)建筑市場(chǎng)監(jiān)管司2019年工作要點(diǎn)》,提出了要求各地省市積極建設(shè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)。選擇部分地區(qū)開(kāi)展試點(diǎn)，明確試點(diǎn)工作內(nèi)容、任務(wù)和保障措施，穩(wěn)步鋼結(jié)構(gòu)住宅在當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展進(jìn)程。推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，規(guī)定在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)地區(qū)范圍內(nèi)新建保障性住房、裝配式住宅建設(shè)和農(nóng)村危房改造、扶貧項(xiàng)目中的住宅房中采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式建造方式的最低比例，并立項(xiàng)追蹤試點(diǎn)項(xiàng)目的進(jìn)展，記錄項(xiàng)目的推進(jìn)情況。山東、湖南、四川、浙江四省也提出“要著力培育鋼結(jié)構(gòu)建筑新興產(chǎn)業(yè)集群，加快推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展；明確提出試點(diǎn)建設(shè)范圍、建設(shè)目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體策略及具體政策支持”[4]，尤此可見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)將迎來(lái)大的發(fā)展機(jī)遇。

2 鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有自重輕，強(qiáng)度高，塑性變形能力強(qiáng)，抗震性能好，跨度大，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，地震時(shí)產(chǎn)生的地震力小，施工方式對(duì)環(huán)境友好，施工速度快，施工質(zhì)量更容易控制，可重復(fù)使用，易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑自重在1.5～2.0 t/m2，鋼結(jié)構(gòu)建筑自重低于1 t/m2，甚至更低，這不僅減少了基礎(chǔ)負(fù)荷，而且降低了施工過(guò)程中運(yùn)輸和吊裝的費(fèi)用[5]。因鋼材延性好、塑性變形能力強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)在地震中表現(xiàn)良好，從地震災(zāi)害調(diào)查結(jié)果看，鋼結(jié)構(gòu)建筑倒塌數(shù)量是最少的，大大降低了地震災(zāi)害帶來(lái)的損傷。鋼結(jié)構(gòu)體系可將構(gòu)件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到工廠(chǎng)內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為工廠(chǎng)預(yù)制，利于提高建筑產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的拼裝以焊接和螺栓連接為主，不僅能為工人提供良好的作業(yè)條件、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短工期，而且能減少施工現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，降低噪聲，減少粉塵和建筑垃圾等。裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系則更能體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)建筑相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)使主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、管線(xiàn)與設(shè)備系統(tǒng)和內(nèi)部裝修系統(tǒng)做到緊密結(jié)合，均可在現(xiàn)場(chǎng)裝配施工，并且裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)推薦采用螺栓連接，全螺栓連接可避免現(xiàn)場(chǎng)焊接，從而減少焊縫處因油漆處理不當(dāng)而發(fā)生腐蝕的情況。

鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還存在不小的技術(shù)難題，其耐火性和耐腐蝕性較差。耐火性差使其在火災(zāi)中很容易出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，強(qiáng)度大幅度降低，從而造成構(gòu)件的破壞甚至建筑物的倒塌，例如“911事件”中，世貿(mào)大廈在遭受撞擊后并未第一時(shí)間倒塌，在飛機(jī)燃料的熊熊大火兩個(gè)小時(shí)的灼燒之下，鋼結(jié)構(gòu)逐漸喪失了強(qiáng)度最終發(fā)生了倒塌?，F(xiàn)如今市面上已有防火涂料，涂刷防火涂料可將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提升至2.5 h，但造價(jià)偏高。鋼結(jié)構(gòu)住宅要想得到發(fā)展就必須解決其防火問(wèn)題，仍需研發(fā)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與所處環(huán)境、溫度、濕度等因素直接相關(guān)，耐腐蝕性能差使其后期需要定期維護(hù)，一般廠(chǎng)房需要每5～10年維護(hù)一次，如火力發(fā)電廠(chǎng)房每5年維護(hù)一次，單次維護(hù)費(fèi)用高達(dá)200萬(wàn)元，使用壽命內(nèi)總維護(hù)費(fèi)用為2 000萬(wàn)元。

3 國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展歷史

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)在很早就已經(jīng)開(kāi)始普及，發(fā)展成熟，規(guī)?？捎^(guān)，工業(yè)化程度高。美國(guó)是最早開(kāi)始進(jìn)行鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的國(guó)家，世界上第一個(gè)鋼框架高層建筑于1885年在芝加哥建成，該建筑共10層，高55 m，美國(guó)的世貿(mào)大廈、西爾斯大廈也均為鋼框架結(jié)構(gòu)。1921年，美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)成立，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展步入萌芽期。從20世紀(jì)60年代起，原本建筑的各個(gè)專(zhuān)項(xiàng)體系向通用體系轉(zhuǎn)變，推動(dòng)美國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，與此同時(shí)，由于簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的提出，鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)奠定基礎(chǔ)。由于建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)系統(tǒng)化、制作精準(zhǔn)化、銷(xiāo)售商品化程度很高，住宅產(chǎn)業(yè)化程度也隨之提高、住宅建筑市場(chǎng)發(fā)育逐漸變得完善。隨著技術(shù)水平不斷提高，結(jié)構(gòu)形式趨于完善，1990年大型裝配式建筑公司發(fā)展壯大，部分金融服務(wù)公司也涉足裝配式住宅領(lǐng)域，加快了鋼結(jié)構(gòu)住宅對(duì)鋼筋混凝土住宅的替代速度。美國(guó)低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅主要由輕鋼龍骨構(gòu)件組成，輕鋼骨架結(jié)構(gòu)體系的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為冷彎薄壁型鋼(如冷彎薄壁C型鋼和斜卷邊冷彎薄壁Z型鋼)或其組合件，底層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅很少超過(guò)4層[6]。美國(guó)多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研發(fā)較為成熟，并且在獨(dú)棟別墅、疊拼式別墅等公寓上有較多的應(yīng)用，許多技術(shù)可作為我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展的參考，并且研究其發(fā)展歷程及模式對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展也有很大的指導(dǎo)意義。

日本作為多地震國(guó)家，鋼結(jié)構(gòu)由于其出色的抗震性能，在日本得到了大力發(fā)展，1909年的丸善大廈就是鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑面積約為500 m2，共3層，并且日本是世界上率先在工廠(chǎng)里生產(chǎn)住宅的國(guó)家，日本廣泛采用各國(guó)先進(jìn)的工業(yè)化施工技術(shù)。根據(jù)日本工業(yè)化住宅建筑協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)可知，2017年，日本建成的鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)棟住宅約4.1萬(wàn)棟，而非獨(dú)棟住宅已占日本住宅總量的15%以上，約為12.7萬(wàn)棟。

4 鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)住宅建筑一直以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)為主，甚至到現(xiàn)在大部分民用建筑仍然采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)，因地域差異，南北方地區(qū)農(nóng)村自建房多以木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)為主，均在結(jié)構(gòu)材料、施工工藝等方面要求較低，施工場(chǎng)地以現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土、手工作業(yè)為主。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅沒(méi)有得到廣泛推廣的原因主要在于工程造價(jià)方面，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及煉鋼方式的不斷優(yōu)化，鋼結(jié)構(gòu)建筑的造價(jià)在不斷降低，從1999年國(guó)家部委指定促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展的一系列政策之后，以及我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，都為鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。雖然目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工人才少，市場(chǎng)轉(zhuǎn)型仍然需要時(shí)間，但我國(guó)已經(jīng)具備了大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)條件，我國(guó)已經(jīng)制定了相當(dāng)成熟的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，一些鋼結(jié)構(gòu)研究成果也已經(jīng)在全國(guó)各試點(diǎn)工程中取得了不錯(cuò)的效果，進(jìn)一步為我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，鍛煉和培養(yǎng)了大批鋼結(jié)構(gòu)施工、設(shè)計(jì)人才。

已于2008年竣工的我國(guó)最大的鋼結(jié)構(gòu)住宅示范產(chǎn)業(yè)基地(杭蕭鋼構(gòu)承接)：武漢世紀(jì)家園，是我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)由試點(diǎn)向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。武漢世紀(jì)家園總占地面積約為73 000 m2，總建筑面積229 700 m2。該工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，最大跨度8.5 m，柱截面以350 mm×350 mm為主，全部采用杭蕭鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)體系，充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化等優(yōu)勢(shì)。

廈門(mén)市帝景苑項(xiàng)目是目前我國(guó)在建規(guī)模最大的鋼結(jié)構(gòu)住宅超高層建筑群，總建筑面積約55萬(wàn)m2。由5棟地上62層的超高層高檔住宅和2棟地上3層、地下3層的商業(yè)樓及公建配套設(shè)施所組成。主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架一鋼支撐(屈曲約束支撐)組成的雙重抗側(cè)力體系，樓(屋)面采用可拆卸式和焊接式預(yù)制裝配式鋼筋桁架樓承板，該項(xiàng)目也充分彰顯了鋼結(jié)構(gòu)住宅的舒適度高、抗震性能好、保溫節(jié)能等多重優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)不僅僅是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是混凝土、磚砌體生產(chǎn)大國(guó)，磚砌體和混凝土建筑確實(shí)有著經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)環(huán)境的影響也是不容忽視的，我國(guó)每年生產(chǎn)砌塊磚達(dá)7 000億左右，水泥生產(chǎn)5億t，生產(chǎn)磚砌體對(duì)農(nóng)田、土地的破壞巨大，而生產(chǎn)水泥每年則要向大氣排放大量的二氧化碳，產(chǎn)生的建筑垃圾更是無(wú)法統(tǒng)計(jì)，且很難進(jìn)行回收再利用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，我們已經(jīng)意識(shí)到了在發(fā)展要與環(huán)境保護(hù)相平衡，綠水青山就是金山銀山，在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，混凝土建筑和磚砌體建筑已經(jīng)是不合時(shí)宜的舊產(chǎn)物，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的春天就要來(lái)臨了。隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展、居民消費(fèi)水平的提高，國(guó)家層面、社會(huì)層面、個(gè)人層面都越來(lái)越注重綠色建筑以及建筑中采用的新技術(shù)、新工藝等。鋼結(jié)構(gòu)體系是建筑工程中最具發(fā)展前景的綠色結(jié)構(gòu)體系，符合國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，根據(jù)國(guó)家政策，我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科技創(chuàng)新、技術(shù)建設(shè)等方面進(jìn)步顯著，但關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)于歐美國(guó)家來(lái)說(shuō)仍有不足之處，結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新與應(yīng)用等與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很多落后之處。從目前我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展情況，鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在我國(guó)已具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件，必將擁有著更為廣闊的發(fā)展空間，未來(lái)很有可能取代混凝土建筑成為建筑市場(chǎng)中的主力軍。

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