輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用

陳智忠，鄭寶磊

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)以及生活水平的不斷提高，人們對(duì)住宅的要求也不斷提高，更加安全、舒適、健康、綠色和節(jié)能等的住宅越來(lái)越受大眾的喜愛(ài)。2010年，我國(guó)發(fā)布了中國(guó)第一部關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)規(guī)程《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ209－2010），同年10月1日開(kāi)始執(zhí)行，這標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展邁出了里程碑式的一步。輕鋼結(jié)構(gòu)住宅以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，將引領(lǐng)我國(guó)新型住宅的潮流。在我國(guó)，尤其是地震多發(fā)區(qū)，應(yīng)該大力推廣應(yīng)用輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅概述

1.1 定義及組成部分

根據(jù)《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》中的定義，輕型鋼框架結(jié)構(gòu)是由截面較小的熱軋H型鋼、高頻焊接H型鋼、普通焊接H型或異形截面的型鋼、冷軋或熱軋成型的方（或矩、圓）形鋼管組成的框架結(jié)構(gòu)體系或框架——支撐結(jié)構(gòu)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為6層以下，配套有滿(mǎn)足建筑功能的輕質(zhì)隔墻、輕質(zhì)樓板以及輕質(zhì)的屋面系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化和系列化的原則下，構(gòu)件、設(shè)備由工廠化配套生產(chǎn)，在建造現(xiàn)場(chǎng)組裝的集成化多層住宅建筑。這種建筑的維護(hù)材料應(yīng)該是如同彩色壓型鋼板、水泥砌塊、蒸壓加氣砌塊以及夾心保溫板等輕質(zhì)高強(qiáng)的材料。

輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅一般由支撐骨架結(jié)構(gòu)、維護(hù)骨架結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)墻板、裝飾外墻、輕質(zhì)樓板、屋面系統(tǒng)和門(mén)窗樓梯等7部分組成。與傳統(tǒng)的住宅結(jié)構(gòu)體系相比，主要區(qū)別在于支撐系統(tǒng)和維護(hù)骨架系統(tǒng)和維護(hù)墻體。

1.2 輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)住宅目前主要以磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)為主，它們自重大、建筑功能局限、截面粗笨、對(duì)環(huán)境壓力大、節(jié)能效果差、不利于抗震。而鋼結(jié)構(gòu)住宅與其他體系相比有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）自重輕，屋面系統(tǒng)和樓層板結(jié)構(gòu)均為輕型的，維護(hù)結(jié)構(gòu)也采用輕質(zhì)材料，而支撐骨架系統(tǒng)的強(qiáng)度很高，所以材料用量少，而且結(jié)構(gòu)重量輕還可以節(jié)省運(yùn)輸和吊裝等施工費(fèi)用，基礎(chǔ)也可以相應(yīng)減小，有效節(jié)約建造成本。

（2）由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在滿(mǎn)足正常使用的條件下，建筑功能布局更加靈活，開(kāi)間進(jìn)深可以做大，使建筑可使用面積增大約7%左右。

（3）鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能優(yōu)越，鋼結(jié)構(gòu)具有很好的延性，耗能能力強(qiáng)，能夠有效吸收地震能量，減輕結(jié)構(gòu)的損壞程度。

（4）鋼構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化，所有構(gòu)件均可以在工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工方便，周期可縮短一半，質(zhì)量易保證。

（5）綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境污染和破壞少，施工過(guò)程的粉塵和建筑垃圾很少，而且是干作業(yè)，節(jié)約水資源，受環(huán)境的限制少。

（6）鋼結(jié)構(gòu)住宅符合國(guó)家節(jié)能減排政策的新型住宅體系，該建筑改建和拆遷簡(jiǎn)便，構(gòu)件和材料可以再利用。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)住宅依據(jù)建筑的高度及層數(shù)可以分為兩大類(lèi)，并有不同的結(jié)構(gòu)體系與之相適應(yīng)。一類(lèi)是低層住宅和別墅，一類(lèi)是多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅。輕鋼住宅以低層和多層為主。

1.3.1 冷彎薄壁輕鋼或小型熱軋型鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系主要用于3層以下的低層和別墅住宅中，是由C型或U型或者方鋼管組成的龍骨架結(jié)構(gòu)體系，用鋼量是普通鋼結(jié)構(gòu)的1/3～1/2。樓面梁傳遞的豎向力是通過(guò)柱子與上下龍骨和支撐組成的受力墻壁來(lái)承擔(dān)，水平力則是由作為隔板的輕質(zhì)樓板傳至受力墻壁再傳至基礎(chǔ)的。

1.3.2 無(wú)比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

無(wú)比鋼輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系是一種冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，其上部結(jié)構(gòu)由樓板、桁架梁和墻體構(gòu)成，而結(jié)構(gòu)體系中最基本的單元是小桁架，由冷彎薄壁方（矩）形鋼管和V型連接件通過(guò)自攻螺絲連接而成，它既可直接作為樓層中的桁架梁，也可充當(dāng)墻體中的受力骨架。墻體則是通過(guò)蒙皮、抗拉鋼帶和自攻螺絲把若干豎放的小桁架整體裝配而形成的，可以建造6層住宅。

1.3.3 輕鋼密肋柱+復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系是北新集團(tuán)開(kāi)發(fā)的輕鋼住宅體系，是由輕鋼密肋柱和復(fù)合圍護(hù)構(gòu)成，構(gòu)件經(jīng)過(guò)特殊防腐處理，節(jié)能采用先進(jìn)的維護(hù)保溫方式，有效避免鋼結(jié)構(gòu)中的冷橋和熱橋問(wèn)題。

1.3.4 輕鋼框架+填充輕鋼剪力墻結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系也是北新集團(tuán)開(kāi)發(fā)的，是在獨(dú)立基礎(chǔ)上采用輕鋼框架與填充輕鋼剪力墻相結(jié)合的體系，極大地提高了建筑抵抗地震破壞的能力，適用于6層以下的建筑。

除此之外，常用于住宅的結(jié)構(gòu)體系還有純鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—支撐體系、鋼框架—筒體體系以及錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展

2.1 輕鋼住宅的流派類(lèi)別

按照地緣文化和建筑風(fēng)格可以分為歐美風(fēng)格和日本風(fēng)格兩類(lèi)。

按照制造方式可分為模塊化預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅和部分預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)住宅。

按照鋼截面和骨架系統(tǒng)可以分為：

（1）H型鋼梁柱支撐加輕鋼維護(hù)骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡(jiǎn)稱(chēng)H+H骨架系統(tǒng)；主要在中國(guó)應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)相對(duì)復(fù)雜，必須采用焊接，總用鋼量約為65 kg/m2。

（2）C型鋼梁柱支撐加輕鋼維護(hù)骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡(jiǎn)稱(chēng)C+C骨架系統(tǒng)；主要在歐美國(guó)家應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔實(shí)用，用鋼量在45 kg/m2左右。

（3）方鋼為柱，U型鋼為梁的支撐骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡(jiǎn)稱(chēng)□+U骨架系統(tǒng)；主要在日本應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，用鋼量在75 kg/m2左右。

（4）方鋼為柱，H型鋼為梁的支撐骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，簡(jiǎn)稱(chēng)□+H骨架系統(tǒng)；主要在日本應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，用鋼量在55 kg/m2左右。

（5）冷軋輕鋼骨架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)住宅，主要在歐美國(guó)家應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔實(shí)用，用鋼量在35 kg/m2左右。

2.2 適用于我國(guó)的輕鋼住宅體系

考慮到我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建筑技術(shù)水平等因素，在我國(guó)發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)住宅必須采用有利于施工人員操作和設(shè)計(jì)、成本相對(duì)低廉的結(jié)構(gòu)體系。但是也應(yīng)該考慮住宅技術(shù)的發(fā)展，不能與現(xiàn)行的政策矛盾，既要發(fā)展適合于我國(guó)的體系，也要貫徹節(jié)能減排的政策。

目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅主要是采用H+H骨架系統(tǒng)，該體系與我國(guó)傳統(tǒng)住宅相比，只是替換了傳統(tǒng)梁柱，其他基本維持不變，但只是過(guò)渡性體系，因?yàn)槠洳环犀F(xiàn)代住宅的發(fā)展，不利于應(yīng)用輕質(zhì)墻體技術(shù)。通過(guò)上述流派的分析，適用于我國(guó)的輕鋼住宅體系可以借鑒歐美國(guó)家，其技術(shù)簡(jiǎn)潔、成本低廉，能夠滿(mǎn)足大眾需求。有些關(guān)鍵技術(shù)可以參考日式住宅，但其成本相對(duì)較高，不適合在我國(guó)推廣應(yīng)用。

2.3 輕鋼住宅在我國(guó)的推廣應(yīng)用

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，就汶川和玉樹(shù)兩地地震中倒塌了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的住宅建筑，這些建筑均以抗震性能相對(duì)差的磚混結(jié)構(gòu)為主。我國(guó)也是一個(gè)能耗非常大的國(guó)家，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右，國(guó)家在節(jié)能減排的政策下要求建筑物節(jié)能達(dá)到60%以上，這些因素都促進(jìn)了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。在我國(guó)北京、天津、上海、山東等地已經(jīng)陸續(xù)建成了一些鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程。

鋼結(jié)構(gòu)住宅不能夠大面積推廣的主要影響因素是造價(jià)問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)高于混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)。由于我國(guó)人民消費(fèi)觀念的差異，使得盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣走入瓶頸。但是隨著我國(guó)產(chǎn)鋼量的不斷增長(zhǎng)、鋼材價(jià)格的下降，加之國(guó)家大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅，新的適合中國(guó)的各種結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，建筑技術(shù)不斷成熟，其成本將會(huì)有所降低，鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用前景可觀，是中國(guó)住宅的必由之路。

3 輕鋼住宅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題

3.1 蒙皮效應(yīng)

對(duì)于覆蓋在鋼結(jié)構(gòu)表面的外墻材料和樓層板或屋面板對(duì)結(jié)構(gòu)性能是有很大影響的，它們除了起到維護(hù)結(jié)構(gòu)的作用外，還可以抵抗水平荷載，在自身平面內(nèi)起到蒙皮作用。在設(shè)計(jì)中若能合理利用蒙皮效應(yīng)，可以降低工程造價(jià)。

《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》中也指出，結(jié)合輕質(zhì)樓板和利用墻體抗側(cè)力等有利因素，能使鋼框架結(jié)構(gòu)體系不僅用鋼量省，而且解決了可以建造多層結(jié)構(gòu)的技術(shù)問(wèn)題，尤其是能與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范體系保持一致，滿(mǎn)足抗震要求。蒙皮板的抗剪強(qiáng)度和剛度目前是通過(guò)試驗(yàn)或者解析求解的。當(dāng)板是按照剪力蒙皮設(shè)計(jì)的，應(yīng)該明確板在建筑物中的支撐作用，在沒(méi)有其他有效支撐時(shí)是不可以拆除的。蒙皮性能與連接件類(lèi)型、間距、強(qiáng)度等有很大關(guān)系。所以建筑物使用的連接件等性能必須合理選擇，以保證蒙皮效應(yīng)的可靠性。在考慮蒙皮效應(yīng)的建筑施工中，必須是在所有構(gòu)件安裝就位后才能發(fā)揮作用，因此應(yīng)該設(shè)置臨時(shí)支撐，即使是在更換板時(shí)也必須設(shè)置支撐。在使用過(guò)程中，也應(yīng)該仔細(xì)維護(hù)，確保連接件牢固可靠，保證合適的蒙皮效應(yīng)和結(jié)構(gòu)安全。

3.2 輕鋼住宅的維護(hù)

經(jīng)常進(jìn)行建筑物的維護(hù)，可以保證建筑物獲得更長(zhǎng)的使用時(shí)間。對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，主要應(yīng)對(duì)外墻、屋面系統(tǒng)、基礎(chǔ)以及廚衛(wèi)等部位進(jìn)行日常維護(hù)。外墻可能會(huì)因?yàn)橛暄┑葷B透而遭到破壞，所以應(yīng)該經(jīng)常檢查排水溝、下水管道、墻根等部位，防止排水溝堵塞等問(wèn)題出現(xiàn)，除此還應(yīng)檢查輕鋼骨架構(gòu)件，采取措施防止蟲(chóng)蛀腐蝕等。廚衛(wèi)部位防水要經(jīng)常檢查，防止因泛水破壞而使鋼構(gòu)件銹蝕等問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)住宅在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，數(shù)量也在不斷刷新。在我國(guó)，從政策和技術(shù)上也都已經(jīng)有了很大的發(fā)展，所以在不久的將來(lái)，輕鋼住宅將是我國(guó)住宅行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。