淺談輕型鋼結構住宅體系的發展與前景

譚明

引言

隨著住房和城鄉建設部批準發布的《輕型鋼結構住宅技術規程》的正式實施，我國輕型鋼結構住宅產業化步入了發展的快車道。輕型鋼結構住宅體系是一種建筑、結構、水暖電設備與室內外裝修一體化的專用建筑體系，具有工廠化生產、裝配化施工的特點。輕型鋼結構住宅，作為舶來品，承襲了歐美、日本、澳大利亞建筑體系風格，其結構體系大致可分為三類：適用于1～3層的熱軋型鋼龍骨結構體系、冷彎C型鋼龍骨結構體系；適用于6層及以下的的純鋼框架體系；適用于6層以上的鋼混組合結構體系。其構配件、水暖電設備預埋到墻體等輕質圍護結構內部，利于室內外裝修，建筑平立面布置靈活、美觀。

1　輕鋼結構住宅體系發展的國家政策環境與市場環境

1.1　國家政策的引導與扶持

在全球倡導節能環保，低碳經濟、循環經濟、綠色建筑的大環境下，輕型鋼結構住宅產業受到了國家政策的引導與扶持。為了保護耕地，節約土地資源，國務院辦公廳在《關于進一步推進墻體材料革新和推廣節能建筑的通知》中明確規定：中國境內的所有城市都要禁止使用實心粘土磚。而實心粘土磚是磚混結構住宅體系的主要材料。原國家經貿委在《國家經貿委提出建筑業技術發展方向》中明確提出：建立現代化住宅產業工業體系，融新技術、新材料到住宅建設中，當前技術發展的方向和重點之一是輕鋼結構住宅體系開發。

1.2　市場空間巨大

從市場規律來看，輕型鋼結構住宅產業大有可為，市場提升空間很大。中國鋼結構協會常務副秘書長劉萬忠在鋼結構市場與鋼結構行業規劃中介紹：聯合國預計到2050年全球城市化程度將達到70%，在未來的19年中，每小時要蓋4000余套住房才能滿足這個要求。這對輕型鋼結構住宅體系的發展是個難得的機遇，可以充分發揮其工場化生產，裝配化施工的產業化優勢，完成這個看似不可能的任務。2016年，國務院印發的《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》提出要大力推輕型鋼結構住宅產業。我國房屋建筑中鋼結構的建筑面積約占2%，而發達國家鋼結構建筑占到40～60%，提升的空間很大。

2　輕鋼結構住宅體系發展的技術環境

2.1　建筑材料科學的發展

隨著建筑材料科學的發展，美觀經濟、性能優異的新型建材不斷涌現，建筑結構與材料的防蟲、防火、防水、防腐，保溫隔熱性能得到顯著改善，如TBL無胎基、自粘橡膠瀝青防水卷材不僅延伸率好，而且具有開裂自修復功能。輕型鋼結構住宅的墻板材料的革新尤為突出，主要分三類：①傳統建材結合新技術進行改良，如采用農民廢棄的麥稈或稻桿經過機械清除整理沖壓高溫擠壓而成的紙面草板；②對幾種傳統的建材進行組合，優勢互補，如用草、木纖維做加強筋的防火纖維石膏板和高密度水泥纖維板；③高分子聚合物組成的環保耐久的新型建材，如PVC外掛墻板。近年來，我國粗鋼產量大幅提升的同時，鋼材的冶煉軋制技術也提高了，新型鋼材的力學性能更加優越，輕質高強的冷軋、冷彎、熱軋型鋼促進了樓板、墻體承重體系的發展，廣泛應用的薄壁鋼骨體系的外墻和樓板就采用高強冷軋或冷彎的鋼板制作。

2.2　住宅技術引進與自主研發的深化

目前，發達國家的輕鋼結構住宅產業化進一步升級，工業化程度很高，工地已不是建設工程的主戰場。以瑞典為例，它是當今世界上最大的輕型鋼結構住宅制造國，其輕型鋼結構住宅預制構件達95%，歐洲各國都到瑞典去定制住宅，通過集裝箱發運。近些年，隨著合作的深化與成套技術的引進，我國主流鋼結構公司完成了一批高質量的輕型鋼結構住宅試點工程，受到社會各界廣泛關注。與此同時，在國家政策與研發基金的支持下，國內自主研發的MB（ModernBuilding）輕型房屋鋼結構建筑體系獲得了技術專利，新建的青浦農民住宅、張江高科技園區等項目贏得了口碑。

2.3　鋼結構設計軟件的發展與BIM技術的應用

國內外鋼結構設計軟件的發展為多層、高層輕型鋼結構住宅的設計提供了技術保障。國內已經開發出多個鋼結構的CAD專用軟件，如STS、3D3S、SFCAD、MESTEEL等軟件，國外著名的軟件公司都針對中國設計規范推出了功能完備的設計軟件，如STRAP、STAAD、Xsteel、SCIA、STRUCAD、SAP2000和ANSYS等軟件。同時，相關設計、施工規范的相繼出臺，為輕型鋼結構住宅項目的報建與竣工驗收提供了技術標準與依據。

另一方面，BIM技術的應用，為我國輕型鋼結構住宅產業化健康快速發展提供了新思路。BIM技術可為裝配式輕鋼住宅全生命周期各階段提供技術支持和管理保障[1]。將BIM技術應用于輕鋼住宅產業化可為其發展提供新方法，促進鋼結構住宅產業化發展實現新的突破[2]。

3　輕鋼結構住宅體系自身優勢

隨著工程實踐的深入，輕型鋼結構住宅體系較其它結構住宅體系的優異性能逐步體現出來：

（1）結構延性好，耗能能力強，自震周期長，對地震作用不敏感，尤其適用于地震多發地區，如甘肅、西安等地。

（2）結構自重輕，節省地基處理與基礎建造費用，尤其適用于地質條件較差的軟土地區，如上海、浙江嘉興等地。與傳統住宅體系相比，不需要支模，受氣候影響小，輕型鋼結構住宅至少可縮短1/3的工期，從而大大加快了資金周期，提高投資效益。

（3）結構構配件均工廠化、標準化生產，尺寸精確、質量穩定可靠；現場干作業、裝配化施工，施工周期短，環境舒適，無噪音，無建筑垃圾，完全符合節能環保要求。

（4）結構構配件、水暖電設備預埋到墻體、樓面等圍護結構內部，利于室內外裝修，建筑平立面布置靈活、美觀。屋、墻面彩板顏色多種多樣，可根據需要設計出外形美觀，色彩鮮艷，立面豐富，具有現代化氣息的建筑。

（5）可充分發揮鋼材的延性好、塑性變形能力強等優點，加之與外圍護結構性板材結合，產生應力蒙皮效應，從而具有更強抗震能力和抵抗水平荷載的能力。

4　輕型鋼結構住宅體系存在的問題

4.1　技術問題

隨著科技的發展，工程實踐的深入，目前輕型鋼結構住宅體系主要有以下幾個技術難題：

（1）屋面圍護系統和墻面圍護系統的蒙皮效應是節省鋼材、降低工程造價的重要途徑，然而這種效應在輕型鋼結構住宅的設計中還不成熟[3]。

（2）輕鋼結構房屋體系對風荷載比較敏感，在強風條件下常常發生輕鋼房屋的風致損壞事故并導致巨額經濟損失。輕鋼結構住宅體系的風致破壞機理還需深入研究。

（3）隨著生活水平的提高，居民對住宅性能提出了更高的要求，內外墻、門窗、屋面等圍護結構的節能技術與新型節能材料的研究需要更多突破。在建材和部品方面，目前建造輕型鋼結構住宅試驗工程所需材料許多要從國外運來，甚至有些由外商在中國大陸委托加工的部件，往往也只能到國外去采購。

（4）相關設計規范需要進一步完善，如《輕型鋼結構住宅技術規程》適用于輕型鋼框架結構體系非抗震設防以及抗震設防烈度為Ⅵ～Ⅷ度的6層及6層以下建筑。而我國人口眾多、地震頻發，規程的適用范圍應拓寬，這就需要相關技術的突破。

（5）缺乏綠色建材評判標準與檢驗方法，我國雖出版了《中國生態住宅技術評估體系》，但是缺乏相應的綠色建材標準，國外發達國家都有各自的綠色建材標準和綠色建筑評估體系，例如加拿大有“住宅室內空氣質量指南”制定了建材總有機揮發物（TVOC）的含量標準為100～150g。

要解決以上種種新技術難題以及鋼結構防火、防銹等傳統技術問題，政府、相關企業和科研單位主要從如下三個方面取得突破。一方面企業需要進一步加強國際間輕型鋼結構住宅技術交流合作。事實上，近些年，隨著合作的深化與成套技術的引進，我國輕鋼結構住宅試點工程引起廣泛的社會反響。一方面需要加大國家科研基金的投入，確保輕型鋼結構住宅體系配套設施的完整性。一方面需要加強科研單位與相關企業的合作與自主研發實踐，當然，加強技術人員的培訓也至關重要。

4.2　傳統觀念問題

（1）在人們的傳統觀念中，磚混結構住宅、鋼筋混凝土住宅堅固安全，而輕型鋼結構住宅體系存在結構的安全性問題。對于這個問題就需要輕型鋼結構住宅生產企業樹立責任意識、創新意識、自我批判意識，把輕型鋼結構住宅工程質量擺在戰略高度：傳統施工工藝發生的質量問題是一個施工單位的名譽問題，而“輕型房屋鋼結構體系”發生質量問題是否定了整個“輕型房屋鋼結構體系”。與此同時，加強輕型鋼結構住宅工程的宣傳工作也同等重要，目前國內的許多試點工程取得了很好的社會認可度，但這也只是限于試點工程當地及周邊地區，輻射范圍不夠寬。總之，大量試點工程的建設，并通過購買者面對面的接觸體會，這對推廣輕型鋼結構住宅體系有著積極意義。

（2）過去相當長的時間里，國家政策倡導節約用鋼，在人們的觀念中，鋼材昂貴，輕型鋼結構住宅的成本過高。事實上我國輕型鋼結構住宅圍護材料和產業化配套技術的成本過高，造成了鋼材仍舊昂貴引起輕型鋼結構住宅昂貴的假象。因此，這個觀念問題的源頭是技術問題，解決這個問題的關鍵是加強新型經濟適用的圍護材料的開發與加快輕型鋼結構住宅產業化、工業化步伐。

5　展望

在全球倡導節能環保，低碳經濟、循環經濟、綠色建筑的大環境下，輕型鋼結構住宅體系的優勢還有很大的發揮空間。與此同時，輕型鋼結構住宅體系一直受到國家各項政策的引導扶持，包括新近出臺的《輕型鋼結構住宅技術規程》等技術支持以及中國境內的所有城市都要禁止使用實心粘土磚等政策引導。而國內外對輕型鋼結構住宅體系市場空間的數據調查充分顯示其具有極大地提升空間，大有可為。有理由相信，隨著材料科學的發展，尤其是以墻體材料及屋面材料為重點的圍護材料的革新，輕型鋼結構房屋的蒙皮效應技術及風致破壞機理研究的深入以及相關技術規范的進一步完善，輕型鋼結構住宅產業工業化的深化以及人們傳統觀念的轉變，節能環保、經濟適用、堅固美觀的輕型鋼結構住宅體系勢必會成為我國住宅產業的中流砥柱。可以預見，我國輕型鋼結構住宅體系在未來的近半個世紀內將得到空前的發展，對我國周邊國家住宅產業的發展也具有一定指導意義。

[1]吳少博.基于BIM技術的鋼結構住宅應用研究[J].北京交通大學，2017.

[2]趙捷.BIM技術在住宅產業化中的應用.河北工程大學，2017.

[3]王桂英，張啟照.蒙皮效應分析[J].21世紀建筑材料，2010，03.