冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑擴建應(yīng)用中的技術(shù)解析

■ 周伊利 Zhou Yili

0 引言

輕鋼結(jié)構(gòu)雖然在我國發(fā)展時間不長，但近些年來用量激增 ，應(yīng)用范圍日益廣泛。一般來說，輕鋼與重鋼之分不在結(jié)構(gòu)本身的輕重，而在所承受的圍護材料的輕重。冷彎薄壁型鋼是輕鋼結(jié)構(gòu)中的一種材料種類，由薄鋼帶冷彎加工制成各種截面形狀的鋼材，其構(gòu)件的壁厚不宜大于6mm，也不宜小于1.5mm，主要承重構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm。

筆者曾參與上海某高校工作室的擴建設(shè)計及其施工，該工作室就是應(yīng)用了冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)。

1 項目概述

該擴建項目位于上海某高校的美術(shù)學(xué)院的四層。擴建的思路是整合原有的教室空間，在緊鄰的平臺上加建一部分，形成較大的空間以滿足需求。擴建部分一層，建筑面積約410m2，分布在四樓的三個平臺上，通過走廊與原有空間連接在一起（圖1～3）。

擴建部分應(yīng)使荷載增量最小，避免對原有建筑產(chǎn)生不利影響；另一方面，由于空間有限，需要使圍護結(jié)構(gòu)所占的面積最小化，而擴建部分位于大樓西面，存在西曬問題，需要有一定的隔熱措施，但墻體厚度又受到限制。學(xué)校施工工期較緊，而且必須符合強度、保溫隔熱和耐久性要求。基于以上幾點，重量輕、有較薄的復(fù)合墻體、建造速度較快的冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)成為可選最佳的結(jié)構(gòu)形式（圖4～6）。

2 基礎(chǔ)構(gòu)造準備

擴建工作的第一步是做地壟墻，作為擴建部分立墻的基礎(chǔ)。具體做法是在原有的平臺上按照設(shè)計墻體位置放線開槽（圖7），約150mm寬，穿透原有的各屋面構(gòu)造層（如找平層、防水層等）直至原有結(jié)構(gòu)層，再往結(jié)構(gòu)層鉆孔，植入直徑為8mm鋼筋，內(nèi)部用膨脹螺栓固定，在地壟槽形成鋼筋，用直徑為6mm的鋼筋綁扎豎向鋼筋，槽兩側(cè)兩邊立模板，往槽內(nèi)澆筑細石混凝土。地面原為屋面平臺，存在坡度，采用擠塑泡沫板材料進行找平，既能減少屋面荷載，也有助于加強地面保溫性能。找平層之上布置雙向鋼筋網(wǎng)，以加強地面基層的強度（圖8），再由水泥車泵送商品混凝土一次性澆筑地面，高度比地壟墻低約10mm（圖9）。之后的輕鋼主體結(jié)構(gòu)都需與地壟墻牢固搭接。

圖4 擴建平面圖

圖5 擴建剖面圖

圖7 開槽

3 主體結(jié)構(gòu)拼裝

主體結(jié)構(gòu)由上海博思格公司根據(jù)設(shè)計圖紙將建筑主體結(jié)構(gòu)分解成一個個薄壁輕鋼構(gòu)件，在工廠加工之后，成批運至施工現(xiàn)場（圖10），每個構(gòu)件具有編號，工人可以根據(jù)分解圖紙揀取構(gòu)件拼裝。構(gòu)件之間一般采用自攻螺絲連接，快捷方便（圖11），形成一榀榀墻體龍骨（圖12），每榀墻體龍骨都有100mm寬的斜向鋼薄板固定，以防止龍骨變形（圖13）。這些墻體龍骨被立在地壟墻上，在墻體底部鋪設(shè)自黏性SBS作為水平防潮層，底部用膨脹螺栓固定，并有角鋼與垂直構(gòu)件連接（圖14、15）。在承載鋼梁的外墻處均有檁托增加強度。這些輕鋼墻體龍骨以及與原有墻體的搭接具有一定的固定、卡位措施。主體結(jié)構(gòu)從構(gòu)件揀取到擴建部分墻體骨架搭建完成僅一周時間，建造速度可見一斑。

屋面采用來實鍍鋅G450 C型檁條承重，檁條的一端擱在外墻的檁托上，用角鋼定位；另一端需與原墻面連接，具體做法是先在墻面定位，用沖擊鉆鉆孔，打入化學(xué)錨栓，化學(xué)錨栓的另一端為螺栓用來固定角鋼，再將角鋼與檁條一端用8顆均勻分布的螺絲固定（圖16、17）。檁條也采用對角斜拉的50mm寬鋼質(zhì)拉結(jié)帶，以加強其抵抗水平變形的性能（圖18）。在鋼梁（檁）之上布置來實鍍鋅G550 TOPSPAN TS6175 掛瓦條（截面為幾字型），用以承托屋面板。至此，擴建部分的結(jié)構(gòu)部分搭建完成。

4 圍護系統(tǒng)構(gòu)造

4.1 屋面系統(tǒng)

屋面做法是在間距約1 200mm的掛瓦條之間鋪設(shè)75mm厚的歐文斯保溫棉（圖19），保溫棉之上的屋面板采用來實Kliplok 鍍鋁鋅板，吊頂采用來實Panelrib鍍鋁鋅板。與原墻面的連接處有泛水板，泛水板的一端扣在屋面板上，內(nèi)有橡膠條防水，另一端則嵌在墻面所開的槽內(nèi)，縫隙用耐候膠填實，達到防水的目的（圖20）。檐口還有一套成品的天溝與落水管（圖21～23）。

4.2 墻體系統(tǒng)

墻體分內(nèi)墻和外墻。外墻面采用來實Customorb 波紋鍍鋁鋅板，減少對外部環(huán)境的眩光。在墻體內(nèi)部填充100mm厚的保溫棉，在保溫棉和波紋鍍鋁鋅板之間設(shè)置防水呼吸紙。內(nèi)墻表面均用12mm厚的紙面石膏板，內(nèi)部填充75mm厚的保溫棉（圖24～29）。

4.3 門窗

擴建部分的外窗西立面的外門均采用雙層中空玻璃，有較好的保溫隔熱性能，還采用卷簾作為內(nèi)遮陽，減少強烈日光對室內(nèi)人員活動的干擾，雖然在炎熱夏季降低室內(nèi)空調(diào)制冷能耗有限，但遮陽效果較好，方便室內(nèi)控制。

5 技術(shù)評價

通過此項工程實踐，筆者深刻地認識到冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)磚混或框架結(jié)構(gòu)存在眾多優(yōu)點，如構(gòu)件重量輕、施工速度快、濕作業(yè)較少、施工難度較小、設(shè)計落實精準等，但在實施過程以及使用階段，也發(fā)現(xiàn)存在一些不足，有待于進一步改進。

5.1 優(yōu)點

分解構(gòu)件重量一般較輕，易于運輸和搬運。在輕鋼結(jié)構(gòu)搭建之前，此項工程的主要材料提供商將構(gòu)件成批運至施工現(xiàn)場的底樓，四五個工人通過繩索將所有構(gòu)件吊到四樓的施工平臺，此項工程中最重構(gòu)件為檁條，最長檁條兩個工人就能扛起，在兩名工人的輔助下，完成搭建。至于那些小的構(gòu)件，很容易被搬運至預(yù)定位置，完成安裝。

構(gòu)件工業(yè)化制造，大大加快了施工速度。從此項工程的進程來看，從當年9月1日鋼結(jié)構(gòu)進場到9月23日圍護結(jié)構(gòu)全部完成搭建，除去節(jié)假日休息一天，工期為三周時間。而且絕大多數(shù)工人都是第一次接觸冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)，在開始一周左右的時間內(nèi)，安裝技術(shù)不熟練，進度不快，但之后在幾位工人師傅帶領(lǐng)下，拼裝速度大大加快。可以想象，這些工人要是已經(jīng)經(jīng)過一段時間相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)，相信建造的速度會更快，質(zhì)量會更高。

施工難度小，施工技術(shù)要求不高。冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)主要采用構(gòu)件拼裝的方式，每榀墻體可在就近安裝位置拼裝完成，立墻固定即可。構(gòu)件之間的連接對工人的要求是按照設(shè)計圖紙將構(gòu)件安放到位，熟練操作電動螺絲鉆（圖30），除此沒有特別的技術(shù)要求。因此，施工門檻較低，易于一般工人操作。

濕作業(yè)較少，對環(huán)境影響很小。縱觀整個工程，由于采用輕鋼結(jié)構(gòu)，擴建部分除了地壟墻和地面找平之外都不需要濕作業(yè)。在施工過程中，對環(huán)境影響最大的可能就是鉆孔植入膨脹螺栓的過程中產(chǎn)生的噪聲，但這過程僅占施工的極小部分。另外，構(gòu)件都屬于冷彎薄壁型鋼材，構(gòu)件之間的連接一般采用自攻螺絲，小型電動螺絲鉆完全勝任，噪聲很小，每次動作短暫快捷。冷彎薄壁型構(gòu)件不需要電焊等技術(shù)手段，對施工用電的要求并不高，不產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣等污染，沒有余料，不產(chǎn)生建筑垃圾（圖31）。

工業(yè)化生產(chǎn)構(gòu)件，對設(shè)計落實精準。構(gòu)件采用計算機定位、工業(yè)化下料，尺寸精確到毫米，能將設(shè)計的建筑尺寸準確地放映到實際構(gòu)件尺寸上，彼此之間的彈性變化并不大，減少了在施工過程中由于工人操作而帶來的誤差。輕鋼結(jié)構(gòu)墻體厚度誤差在±2mm以內(nèi)，室內(nèi)高度與設(shè)計相差±4mm以內(nèi)，室內(nèi)平面尺寸與設(shè)計圖相差±5mm，其中還包括了室內(nèi)石膏板抹灰加涂料的誤差。可見，不怎么熟練的工人都能做到如此的準確度，原因就在于冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)自身存在的優(yōu)勢。

圖31 施工現(xiàn)場

為其它工種施工預(yù)留空間，減少二次作業(yè)。在墻體C形立柱腹板上均留有直徑約35mm的孔，以500mm等距分布在立柱上，可用于預(yù)埋管線之用，避免現(xiàn)場開孔，也能滿足不同高度的需求，如地插、開關(guān)、空調(diào)插座等。檁條之上幾字型的掛瓦條與檁條之間的空隙可用于天花板穿管走線（圖32），不需要在檁條上現(xiàn)場鉆孔。

5.2 不足

圍護結(jié)構(gòu)隔聲性能較差。雖然在屋頂內(nèi)部鋪設(shè)了保溫棉，但雨點擊打金屬屋面板的聲音對室內(nèi)影響較大，暴雨時段，雨點擊打強度大頻率高會影響室內(nèi)人員的正常交流與溝通。內(nèi)墻隔聲效果也不理想，使用者反映經(jīng)常能聽到小會議室里有人開會時傳來的聲音，具體隔聲性能還有待測試。因此，圍護結(jié)構(gòu)的隔聲性能需要進一步加強。

造價較高，影響推廣。該項目輕鋼結(jié)構(gòu)部分的當時單價是1 153元/m2，包含運輸、零配件、現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)等，是傳統(tǒng)磚混建造的數(shù)倍，直接影響了推廣應(yīng)用范圍，畢竟建造成本也是選擇結(jié)構(gòu)、材料時重要的考慮因素。

日常維護有困難。該項目自建成至今還沒有進行過維修，考慮到屋面板和外墻面板都是由螺絲與龍骨固定，固定屋面板螺絲用于防水的橡皮墊片（圖33），經(jīng)過若干年，一旦螺絲生銹、橡皮墊硬化需要更換之時，對于新螺絲鉆舊孔的牢固度以及屋面、墻面防水都是一個較大的難題。

6 結(jié)語與思考

通過考察此次冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用，本文展現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)在建造各階段的技術(shù)要點，并結(jié)合施工和使用的實際情況分析冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和不足，嘗試真實、全面展現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的特點。

在擴建工程中，特別注意了與原有結(jié)構(gòu)的銜接。在這個項目，有三處銜接的地方：一是屋面泛水高度低于原有落水管的出水口（圖34）；二是主體結(jié)構(gòu)通過現(xiàn)澆地壟墻“抓地”（圖14）；三是緊挨原屋面女兒墻的墻體之間的泛水構(gòu)造（圖21）。

冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)可適用于低層建筑、局部擴建工程和需要快速搭建的建筑等方面。這種結(jié)構(gòu)還可以嘗試應(yīng)用到新農(nóng)村住宅的建造，工業(yè)化“制造”輕鋼結(jié)構(gòu)，縮短了現(xiàn)場施工工期，減少勞動強度和時間，增加了建造的準確性，提高了建筑的完成度，可以大大提高農(nóng)村住宅的質(zhì)量，但較高的建造成本是一大障礙。冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用時，還要考慮到建筑安全性能，如抗臺風性能和防雷擊措施等。

圖34 排水口與屋面位置

總之，冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)種類。與傳統(tǒng)磚石、鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)相比，冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)點，目前還存在諸多不足，相信這些不足是可以通過技術(shù)手段的更新來彌補的。在筆者看來，冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)還有較大的應(yīng)用空間。