淺談輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展與前景

譚明

引言

隨著住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準發(fā)布的《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》的正式實施，我國輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化步入了發(fā)展的快車道。輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是一種建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電設(shè)備與室內(nèi)外裝修一體化的專用建筑體系，具有工廠化生產(chǎn)、裝配化施工的特點。輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅，作為舶來品，承襲了歐美、日本、澳大利亞建筑體系風(fēng)格，其結(jié)構(gòu)體系大致可分為三類：適用于1～3層的熱軋型鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系、冷彎C型鋼龍骨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。其構(gòu)配件、水暖電設(shè)備預(yù)埋到墻體等輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利于室內(nèi)外裝修，建筑平立面布置靈活、美觀。

1　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展的國家政策環(huán)境與市場環(huán)境

1.1　國家政策的引導(dǎo)與扶持

在全球倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保，低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟、綠色建筑的大環(huán)境下，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)受到了國家政策的引導(dǎo)與扶持。為了保護耕地，節(jié)約土地資源，國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于進一步推進墻體材料革新和推廣節(jié)能建筑的通知》中明確規(guī)定：中國境內(nèi)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(jié)構(gòu)住宅體系的主要材料。原國家經(jīng)貿(mào)委在《國家經(jīng)貿(mào)委提出建筑業(yè)技術(shù)發(fā)展方向》中明確提出：建立現(xiàn)代化住宅產(chǎn)業(yè)工業(yè)體系，融新技術(shù)、新材料到住宅建設(shè)中，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的方向和重點之一是輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系開發(fā)。

1.2　市場空間巨大

從市場規(guī)律來看，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)大有可為，市場提升空間很大。中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會常務(wù)副秘書長劉萬忠在鋼結(jié)構(gòu)市場與鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)規(guī)劃中介紹：聯(lián)合國預(yù)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(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展是個難得的機遇，可以充分發(fā)揮其工場化生產(chǎn)，裝配化施工的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，完成這個看似不可能的任務(wù)。2016年，國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》提出要大力推輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)。我國房屋建筑中鋼結(jié)構(gòu)的建筑面積約占2%，而發(fā)達國家鋼結(jié)構(gòu)建筑占到40～60%，提升的空間很大。

2　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展的技術(shù)環(huán)境

2.1　建筑材料科學(xué)的發(fā)展

隨著建筑材料科學(xué)的發(fā)展，美觀經(jīng)濟、性能優(yōu)異的新型建材不斷涌現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)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(fù)功能。輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻板材料的革新尤為突出，主要分三類：①傳統(tǒng)建材結(jié)合新技術(shù)進行改良，如采用農(nóng)民廢棄的麥稈或稻桿經(jīng)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(tǒng)的建材進行組合，優(yōu)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(huán)保耐久的新型建材，如PVC外掛墻板。近年來，我國粗鋼產(chǎn)量大幅提升的同時，鋼材的冶煉軋制技術(shù)也提高了，新型鋼材的力學(xué)性能更加優(yōu)越，輕質(zhì)高強的冷軋、冷彎、熱軋型鋼促進了樓板、墻體承重體系的發(fā)展，廣泛應(yīng)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(shù)引進與自主研發(fā)的深化

目前，發(fā)達國家的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化進一步升級，工業(yè)化程度很高，工地已不是建設(shè)工程的主戰(zhàn)場。以瑞典為例，它是當(dāng)今世界上最大的輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅制造國，其輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件達95%，歐洲各國都到瑞典去定制住宅，通過集裝箱發(fā)運。近些年，隨著合作的深化與成套技術(shù)的引進，我國主流鋼結(jié)構(gòu)公司完成了一批高質(zhì)量的輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程，受到社會各界廣泛關(guān)注。與此同時，在國家政策與研發(fā)基金的支持下，國內(nèi)自主研發(fā)的MB（ModernBuilding）輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑體系獲得了技術(shù)專利，新建的青浦農(nóng)民住宅、張江高科技園區(qū)等項目贏得了口碑。

2.3　鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的發(fā)展與BIM技術(shù)的應(yīng)用

國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的發(fā)展為多層、高層輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計提供了技術(shù)保障。國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出多個鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范推出了功能完備的設(shè)計軟件，如STRAP、STAAD、Xsteel、SCIA、STRUCAD、SAP2000和ANSYS等軟件。同時，相關(guān)設(shè)計、施工規(guī)范的相繼出臺，為輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅項目的報建與竣工驗收提供了技術(shù)標準與依據(jù)。

另一方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用，為我國輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化健康快速發(fā)展提供了新思路。BIM技術(shù)可為裝配式輕鋼住宅全生命周期各階段提供技術(shù)支持和管理保障[1]。將BIM技術(shù)應(yīng)用于輕鋼住宅產(chǎn)業(yè)化可為其發(fā)展提供新方法，促進鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展實現(xiàn)新的突破[2]。

3　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系自身優(yōu)勢

隨著工程實踐的深入，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系較其它結(jié)構(gòu)住宅體系的優(yōu)異性能逐步體現(xiàn)出來：

（1）結(jié)構(gòu)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(fā)地區(qū)，如甘肅、西安等地。

（2）結(jié)構(gòu)自重輕，節(jié)省地基處理與基礎(chǔ)建造費用，尤其適用于地質(zhì)條件較差的軟土地區(qū)，如上海、浙江嘉興等地。與傳統(tǒng)住宅體系相比，不需要支模，受氣候影響小，輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)配件均工廠化、標準化生產(chǎn)，尺寸精確、質(zhì)量穩(wěn)定可靠；現(xiàn)場干作業(yè)、裝配化施工，施工周期短，環(huán)境舒適，無噪音，無建筑垃圾，完全符合節(jié)能環(huán)保要求。

（4）結(jié)構(gòu)構(gòu)配件、水暖電設(shè)備預(yù)埋到墻體、樓面等圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利于室內(nèi)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(jù)需要設(shè)計出外形美觀，色彩鮮艷，立面豐富，具有現(xiàn)代化氣息的建筑。

（5）可充分發(fā)揮鋼材的延性好、塑性變形能力強等優(yōu)點，加之與外圍護結(jié)構(gòu)性板材結(jié)合，產(chǎn)生應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，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(jié)構(gòu)住宅體系存在的問題

4.1　技術(shù)問題

隨著科技的發(fā)展，工程實踐的深入，目前輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系主要有以下幾個技術(shù)難題：

（1）屋面圍護系統(tǒng)和墻面圍護系統(tǒng)的蒙皮效應(yīng)是節(jié)省鋼材、降低工程造價的重要途徑，然而這種效應(yīng)在輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計中還不成熟[3]。

（2）輕鋼結(jié)構(gòu)房屋體系對風(fēng)荷載比較敏感，在強風(fēng)條件下常常發(fā)生輕鋼房屋的風(fēng)致?lián)p壞事故并導(dǎo)致巨額經(jīng)濟損失。輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的風(fēng)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(nèi)外墻、門窗、屋面等圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)與新型節(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)設(shè)計規(guī)范需要進一步完善，如《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》適用于輕型鋼框架結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)防以及抗震設(shè)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(fā)，規(guī)程的適用范圍應(yīng)拓寬，這就需要相關(guān)技術(shù)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(tài)住宅技術(shù)評估體系》，但是缺乏相應(yīng)的綠色建材標準，國外發(fā)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(nèi)空氣質(zhì)量指南”制定了建材總有機揮發(fā)物（TVOC）的含量標準為100～150g。

要解決以上種種新技術(shù)難題以及鋼結(jié)構(gòu)防火、防銹等傳統(tǒng)技術(shù)問題，政府、相關(guān)企業(yè)和科研單位主要從如下三個方面取得突破。一方面企業(yè)需要進一步加強國際間輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)交流合作。事實上，近些年，隨著合作的深化與成套技術(shù)的引進，我國輕鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅體系配套設(shè)施的完整性。一方面需要加強科研單位與相關(guān)企業(yè)的合作與自主研發(fā)實踐，當(dāng)然，加強技術(shù)人員的培訓(xùn)也至關(guān)重要。

4.2　傳統(tǒng)觀念問題

（1）在人們的傳統(tǒng)觀念中，磚混結(jié)構(gòu)住宅、鋼筋混凝土住宅堅固安全，而輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系存在結(jié)構(gòu)的安全性問題。對于這個問題就需要輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅生產(chǎn)企業(yè)樹立責(zé)任意識、創(chuàng)新意識、自我批判意識，把輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅工程質(zhì)量擺在戰(zhàn)略高度：傳統(tǒng)施工工藝發(fā)生的質(zhì)量問題是一個施工單位的名譽問題，而“輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系”發(fā)生質(zhì)量問題是否定了整個“輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系”。與此同時，加強輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的宣傳工作也同等重要，目前國內(nèi)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(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)，輻射范圍不夠?qū)挕？傊罅吭圏c工程的建設(shè)，并通過購買者面對面的接觸體會，這對推廣輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系有著積極意義。

（2）過去相當(dāng)長的時間里，國家政策倡導(dǎo)節(jié)約用鋼，在人們的觀念中，鋼材昂貴，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的成本過高。事實上我國輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅圍護材料和產(chǎn)業(yè)化配套技術(shù)的成本過高，造成了鋼材仍舊昂貴引起輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅昂貴的假象。因此，這個觀念問題的源頭是技術(shù)問題，解決這個問題的關(guān)鍵是加強新型經(jīng)濟適用的圍護材料的開發(fā)與加快輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化步伐。

5　展望

在全球倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保，低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟、綠色建筑的大環(huán)境下，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的優(yōu)勢還有很大的發(fā)揮空間。與此同時，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系一直受到國家各項政策的引導(dǎo)扶持，包括新近出臺的《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》等技術(shù)支持以及中國境內(nèi)的所有城市都要禁止使用實心粘土磚等政策引導(dǎo)。而國內(nèi)外對輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系市場空間的數(shù)據(jù)調(diào)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(xué)的發(fā)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(jié)構(gòu)房屋的蒙皮效應(yīng)技術(shù)及風(fēng)致破壞機理研究的深入以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的進一步完善，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的深化以及人們傳統(tǒng)觀念的轉(zhuǎn)變，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟適用、堅固美觀的輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系勢必會成為我國住宅產(chǎn)業(yè)的中流砥柱。可以預(yù)見，我國輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在未來的近半個世紀內(nèi)將得到空前的發(fā)展，對我國周邊國家住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有一定指導(dǎo)意義。

[1]吳少博.基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用研究[J].北京交通大學(xué)，2017.

[2]趙捷.BIM技術(shù)在住宅產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用.河北工程大學(xué)，2017.

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