淺析黔東南州綠色新型城鎮(zhèn)化建筑低層住宅結構體系及目前應用和前景

蘆 巖, 付曉東, 龔 潔

(中國建筑科學研究院西南分院，四川成都 610041)

淺析黔東南州綠色新型城鎮(zhèn)化建筑低層住宅結構體系及目前應用和前景

蘆 巖, 付曉東, 龔 潔

(中國建筑科學研究院西南分院，四川成都 610041)

黔東南州房屋大多為木質房屋，相當陳舊腐朽，依山而建，連成一片，一旦發(fā)生火災，就會造成火燒連營的慘狀。這種火災每年都會發(fā)生數起，為當地居民和政府帶來了無法挽回的損失。所以，急需探索出一種新型結構體系來代替，研究認為，低層住宅超輕鋼結構體系(包含輕鋼輕混凝土結構房屋體系及低層冷彎薄壁型鋼結構房屋體系)能滿足要求，文章對這種新型體系進行了介紹，及在黔東南州推廣應用進行研究。

綠色； 防火； 新型城鎮(zhèn)化； 低層住宅超輕鋼結構

黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，下轄17個縣市(區(qū))，首府凱里。黔東南州包含大量少數民族，分布范圍廣，且主要從事種田為主的農業(yè)人口，目前該地區(qū)的建筑結構形式按使用范圍及應用程度由高到低依次為：木結構、磚混結構、框架結構、框架-抗震墻結構、抗震墻結構。其中框架及抗震墻結構集中分布在縣市城區(qū)及新建較高房屋，而3層以下低層住宅多為木結構或磚混結構，并且現有的木結構房屋已相當陳舊腐朽，所有房屋連成一片，布滿整個山寨，此種布置對抗震及防火極其不利，火災頻發(fā)，一旦著火，就會造成火燒連營的慘狀，給當地居民造成不可挽回的精神及經濟損失。

為推動黔東南州綠色新型城鎮(zhèn)化建設，從智能、綠色、低碳環(huán)保、抗震減災及房屋建造周期等因素考慮，必須探索出適合當地發(fā)展且符合當地獨有特色的低層住宅結構形式，并能夠在當地推廣應用。

1 幾種新型結構體系特點及其在黔東南州新型城鎮(zhèn)建設中的應用現狀

近年來，黔東南州在綠色新型城鎮(zhèn)化建設的推動中，對3層以下低層住宅的結構體系在原有木結構房屋的基礎上引

進了幾種新型結構體系。

1.1 裝配式木結構體系

裝配式木結構建筑，是預先在專業(yè)的工廠生產出部分或全部木質構配件，外墻體與樓板由預制板材構成，然后將其全部運到施工現場予以組裝的一種低碳環(huán)保、利于住宅產業(yè)化的新型木結構建筑。

1.1.1 裝配式木結構體系結構特點

裝配式木結構由木骨架墻面板、木樓蓋、木屋蓋共同受力形成盒子型結構體系，適用于三層及以下民用建筑[1]，具有良好的結構整體性。裝配式木結構的基礎采用鋼筋混凝土結構形式，上部木結構通過預埋在基礎內的連接構件將上下部分連為一體。正因如此，使得裝配式木結構具有以下特點。

1.1.1.1 建造周期短

由于裝配式木結構的建筑構配件由輕便的木質規(guī)格材組裝而成(圖1)，而且大多構配件都在工廠提前預制，這樣大大縮短施工過程，只有3～4個月(含裝修)，是傳統(tǒng)混凝土結構房屋的1/2或1/4，節(jié)省人工成本，提高了生產效率。這種裝配化施工除了有利于提高建造進度，減少了濕作業(yè)工序，同時每道工序如同設備安裝那樣方便有序，更確保了工程質量。

圖1 裝配式木結構房屋建造過程

1.1.1.2 抗震性能高

結構的抗震阻尼小時，建筑物的地震反應就強烈。阻尼的大小主要取決于建筑物的用料、連接的形式(在連接表面產生滑移或摩擦)、連接變形(黏滯阻尼)以及其他的一些非結構構件。能量耗散與阻尼有關，地震時大量地震能量作用在結構上，結構能夠吸收及耗散地震輸入能量的大小反映了結構的抗震性能。在木結構建筑中，其延性及能量耗散是通過五金件連接以及不同構件之間的摩擦來實現的。裝配式木結構本身材料有較強韌性，對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力，在所有結構中具較佳的抗震性。

1.1.1.3 空間設計靈活多樣

對于裝配式木結構，不僅房屋設計可以隨心所欲，若在施工過程中發(fā)現錯誤或者設計有變動時，可即時改造，這些都是混凝土住宅所難以企及的。

1.1.1.4 綠色環(huán)保

裝配式木結構住宅大量采用安全無毒害、防水、防潮、防白蟻處理過的現代木質規(guī)格材，自重輕，荷載分布合理，以及外墻設有隔熱、保溫材料，具有吸聲功能、降低外界噪聲干擾的同時，還能提高墻體和門窗的密封功能，節(jié)能效果明顯，在各種結構體原材料的采掘、生產、運輸，建筑過程中，木結構對水、空氣、土壤、人的污染和破壞最小。

1.1.2 裝配式木結構體系的應用現狀

綜上所述，裝配式木結構體系不失為一種理想的低層住宅結構體系，正因如此，黔東南州地區(qū)對該結構形式進行了幾處試點，研究發(fā)現，效果并不理想，原因有以下幾個方面。

首先，黔東南州地區(qū)氣候差異明顯，雨量充沛，濕度較大，裝配式木結構體系房屋在當地氣候季節(jié)變化后，較易開裂，從試點的幾處來看，經歷了2個春秋季節(jié)的變化，房屋外墻多處開裂，這與當地的亞熱帶季風氣候有關。此外木材受拉和受剪皆是脆性破壞，其強度受木節(jié)、斜紋及裂縫等天然缺陷的影響很大，而裝配式木結構體系房屋的連接形式又多以釘連接，釘與木結構連接處經過春夏這種冷熱交替的季節(jié)變化之后，木質材料自身的應力得不到釋放，因此造成連接處外墻大面積裂縫，影響了房屋結構體系的安全和使用要求。

其次，木結構的防火防腐防蟲問題難以解決，特別是防火問題一直以來困擾著當地居民，每年發(fā)生火災少則幾起，多則幾十起，令人觸目驚心。雖然裝配式木結構體系房屋本身所使用的木材都經過防火防腐防蟲處理，但要達到規(guī)范規(guī)定的合格要求，經處理后的木材價格大幅提升，和當地的自建房價格出入較大，居民難以接受。再者，這些少數民族羌寨大多連成一片，火勢蔓延，就會火燒連營，后果不堪設想。

因此，在該地區(qū)使用裝配式木結構房屋仍需在降低成本，改進聯接形式及木材的防腐、防火等方面做進一步的研究。

1.2 輕鋼輕混凝土結構體系

輕鋼輕混凝土結構源于傳統(tǒng)的木結構房屋，是以壁厚1.0～2.5 mm的輕鋼和輕混凝土(泡沫混凝土和聚苯顆粒混凝土)為主要材料為主的結構體系。中國建筑技術集團有限公司正在編制《輕鋼輕混凝土結構技術規(guī)程》，總體來講，該種結構體系在我國尚處于起步及發(fā)展階段。

1.2.1 輕鋼輕混凝土結構體系結構特點

《輕鋼輕混凝土結構技術規(guī)程(征求意見稿)》中這樣規(guī)定：輕鋼輕混凝土結構是以薄壁輕鋼和輕混凝土為主要材料，以快速搭建的輕鋼構架為基礎，集成墻體模板裝飾一體化技術、免拆模板混凝土樓蓋技術，充分發(fā)揮輕鋼結構工業(yè)化程度高和現澆混凝土結構整體性好的優(yōu)點，將工廠制品裝配施工與輕質混凝土現澆整體相結合的一種新型結構體系。

本規(guī)程所指的“輕鋼”指鍍鋅或鍍鋁鋅薄壁矩形鋼管和B形鋼管，“輕混凝土”指泡沫混凝土和聚苯顆粒混凝土。

輕鋼輕混凝土結構具有以下特點：

(1)輕鋼與鋼筋相比，具有較高的剛度，自穩(wěn)性能好，可連續(xù)安裝多層，并能夠獨立承擔施工荷載。

(2)輕混凝土現場澆筑，提高結構整體性，同時形成實心墻體，具有良好的保溫隔熱、隔音和防火性能，提高房屋品質。

(3)輕鋼輕混凝土剪力墻的受力性能和破壞模式與鋼筋混凝土墻體類似，比輕鋼結構和鋼筋混凝土結構節(jié)省鋼材。

(4)輕混凝土材料具有良好的熱工性能，墻體保溫隔熱性優(yōu)于普通混凝土和砌體墻體，在某些氣候區(qū)可以實現墻體結構自保溫。

1.2.2 輕鋼輕混凝土結構體系

輕鋼輕混凝土結構體系為一種新興起的結構體系，在黔東南州新型城鎮(zhèn)建設中進行了幾處試點，通過幾處試點來看，效果顯著，居民普遍認可度較高。這種結構體系自重輕，整個建筑物的自重非常輕，因此地基及基礎的處理就簡單，一般的基礎是采用鋼筋混凝土條形基礎(只需構造配筋即可)，光在這一項就可以節(jié)省不少造價。

1.3 低層冷彎薄壁型鋼結構住宅體系

低層冷彎薄壁型鋼結構住宅體系是由木結構演變而來的一種輕型鋼結構體系[2]，如圖2所示，這種結構一般適用于二層或局部三層以下的獨立或聯排住宅。

圖2 低層冷彎薄壁型鋼結構體系構造1—鋼帶斜拉條；2—二層墻體立柱；3—頂導梁；4—墻結構面板；5—底導梁；6—過梁；7—洞口柱；8—鋼帶水平拉條；9—剛性撐桿；10—角柱

1.3.1 低層冷彎薄壁型鋼結構體系的結構特點

低層冷彎薄壁型鋼結構體系的結構特點和輕鋼輕混凝土結構體系具有很多相似之處，總的來講，具有以下特點：

(1)結構自重輕，基礎負載小，在地質條件較差的地區(qū)可以大大減少基礎造價；

(2)施工周期短，大大縮短投資資金的占用周期，提高資金的投資效益；

(3)工業(yè)化程度高，作業(yè)和現場干凈，廢料少，其材料可再生利用，符合綠色環(huán)保建筑的要求；

(4)可以更好地滿足建筑大開間，靈活分隔的要求。墻體薄，有效使用面積大，管線穿越方便并封在墻體內部，避免穿墻打洞對結構的破壞；

(5)墻體采用高效節(jié)能體系，在保溫、隔熱性能方面比傳統(tǒng)砌體要優(yōu)越得多，屬于新型節(jié)能建筑；

(6)輕鋼墻體由于其龍骨完全封閉在隔水層與石膏板之間，不銹蝕，不腐蝕，不生霉菌，防潮性能好[3]。

1.3.2 冷彎薄壁型鋼結構體系的應用現狀

通過同濟大學在黔東南州進行的試點研究看來，這種結構體系有很多好處，再加上低層冷彎薄壁型鋼結構體系成本控制較低，在這些少數民族聚集的山寨，人均收入都普遍偏低的情況下，再加上政府的扶持和補貼，居民能夠接受，可以大范圍的推廣應用。

針對黔東南州這種特有的少數名族聚集地，所有一個山寨的房屋都是連成一片的情況下，防火效果更為理想，它比木質材料高很多，在當地調查發(fā)現，老百姓都極力支持。

在這種少數民族風情保護要求極高的情況下，尤其是不對環(huán)境造成破壞，對這些非物質文化遺產的保護也非常有利。

它能融入黔東南州當地的建筑文化，對外觀進行簡單改造處理，能和當地建筑融為一體，協(xié)調一致，對原有風貌幾乎無改變，符合國家及當地政府的總體戰(zhàn)略部署。

2 低層住宅輕鋼結構體系的關鍵技術

我國是一個地震多發(fā)國家，考慮到冷彎薄壁型鋼板材高強度、低延性的特點，在黔東南州進一步推廣應用時整體結構的抗震性能是個關鍵性問題[4]。目前國內外對冷彎薄壁型鋼龍式結構體系抗震性能方面的研究還相對較少，主要采取試驗研究和理論分析相結合的方式。《低層冷彎薄壁型鋼建筑結構技術規(guī)程》基于國內完成的足尺模型結構振動臺試驗研究，提出了水平荷載效應的分析方法。水平地震作用效應的計算采用底部剪力法，參考“盒子”式結構的分析，在建筑結構的2 個主方向分別計算水平荷載的作用。一個主方向的水平荷載應由該方向抗剪墻體承擔，可根據其抗剪剛度大小按比例分配，并應考慮門窗洞口對墻體抗剪剛度的削弱作用。地震作用下抗剪組合墻體的水平側向剛度由試驗荷載-轉角滯回曲線的骨架曲線確定，多遇地震作用下抗剪組合墻體的水平側向彈性變形限值取為1/300 層高。結構抗震性能與結構布置的規(guī)則性有很大關系，住宅鋼結構常見的布置不規(guī)則，主要是平面不規(guī)則，如平面L 形等。結構布置不規(guī)則，地震時易損壞，因此，應盡量使結構布置符合規(guī)則性的要求。

低層住宅輕鋼結構體系的節(jié)點連接也相對復雜，目前傳統(tǒng)的連接型式是螺栓連接、焊接連接、螺釘連接和冷鉚釘連接。現在新興起了插座式連接及螺桿對拉式連接方式(圖3)，這些連接方式在抗震情況下的研究還不足，在黔東南州的試點來看，節(jié)點構造相對復雜、節(jié)點抗震連接也是制約這種結構體系不能大規(guī)模推廣應用的關鍵因素。所以，這方面還需要做大量深入的研究。

(a)插座式連接 (b)螺桿對拉式連接圖3 插座式連接及螺桿對拉式連接

3 低層住宅超輕鋼結構體系的可行性分析及建議

黔東南州州政府積極響應國家號召，積極努力的探索自己的新型城鎮(zhèn)化道路，特別是對于這樣一個少數民族眾多的州，如何協(xié)調發(fā)展，提高少數民族的生活水平，改善少數民族的居住環(huán)境刻不容緩。在這里，首先要改變的就是這些少數民族山寨的居住環(huán)境，如現在的火災頻率是人心惶惶，成了老百姓心中最大的痛苦。只有改變了居住環(huán)境，才能讓老百姓睡的踏實，住的放心。因此，必須改變現有的居住條件，從源頭做起。

根據在黔東南州實地調研，低層住宅超輕鋼結構體系具有很強的可行性和適應性。特別是在這些少數名族聚集比較集中的地區(qū)，這種房屋結構體系剛好填補了傳統(tǒng)木結構房屋相對落后的空白，也很適合當地的發(fā)展，對整體的非物質文化保護也起到合理的促進作用。

從另一方面來講，在實地問卷調查中，當地民眾普遍持支持的態(tài)度，他們最關心的幾個問題都能得到很好的合理的解決，如修建成本問題、使用的便利性和原有建筑外表的一致性等。

通過我們和黔東南州當地政府的共同研究探索，再有當地的民眾的普遍認可，再有政府的政策大力扶持，我們有理由相信，這種綠色新型城鎮(zhèn)化建筑低層住宅結構體系在這里能得到很好的發(fā)展。這也是目前為止探索出的最好的、唯一可持續(xù)發(fā)展的結構體系。

我們希望能和黔東南州政府繼續(xù)保持合作研究，先選擇 有代表性的試驗點進行試驗，找出這其中還存在的問題，繼續(xù)優(yōu)化，為大規(guī)模的投入使用做鋪墊；對現實中存在的關鍵技術進行專項研究，對詳細節(jié)點進行攻克；等試點結束以后，進行大范圍的投入使用建設。

4 結束語

超輕鋼結構體系(包含輕鋼輕混凝土結構房屋及低層冷彎薄壁型鋼結構房屋)在黔東南州均具有獨特的優(yōu)點和良好的綜合效益。如材料性能好、結構質量有保證、輕質高強、抗震性能好，有利于環(huán)保，其回收率可達100%；不可燃、不助燃、防火性能好、不開裂、不生霉菌、不蠕變、少維護；工業(yè)化程度高、施工快、有利于實現產業(yè)化。其推廣應用可節(jié)約土地資源，保護自然環(huán)境，符合國家發(fā)展循環(huán)經濟、建設節(jié)約型社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為了促進這種新型結構體系在黔東南州的推廣應用，現在提出以下幾點建議：

(1)在各個村莊、山寨建立樣本房，加強政策宣傳，重視市場推廣，讓當地居民親自感受到這種新型結構體系的住宅比傳統(tǒng)住宅的優(yōu)勢之所在，從根本上改變人們對超輕鋼結構住宅的傳統(tǒng)印象，使超輕鋼結構住宅的優(yōu)點深入人心。

(2)引進國外應用成熟，并經過研究能適應黔東南州特色的超輕鋼結構體系和生產流水線，生產出質量輕、截面特性好的構件，在黔東南州大規(guī)模推廣。

(3)我們各科研單位、企業(yè)和高校要積極開展冷彎薄壁型鋼住宅各部分構件的理論和試驗研究，對國外的超輕鋼結構體系技術進行吸收、改進和發(fā)展，提高我們的這方面專業(yè)技術，為以后作為設計此種類型房屋的依據。

[1] GB 50005-2003(2005版)木結構設計規(guī)范[S].

[2] JGJ 227-2011低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術規(guī)程(備案號J 1162-2011)[S].

[3] 徐磊.加拿大輕鋼結構住宅體系[R].加拿大信貸及房屋集團研究報告，2003.

[4] 龐迎波.新型冷彎薄壁型鋼住宅結構的應用[J].新型建筑材料，2009，36(10).

付曉東(1984～),男，本科，一級注冊結構工程師，主要從事結構設計工作。

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[定稿日期]2015-03-03