國內裝配式鋼結構住宅結構體系分析

趙保奎

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 國內鋼結構住宅發展及現狀

眾所周知，鋼結構建筑在國內發展較為緩慢，遠遠落后于同期歐美發達國家，國內最早出現的鋼結構住宅是20 世紀末建成的上海北蔡住宅，而歐美發達國家在20 世紀中葉已趨于成熟，典型工程有范斯沃斯鋼結構別墅和巴黎波特-代斯-里拉斯公寓。 近些年來，隨著裝配式概念被重新引入和積極推廣，新型材料的不斷研發及計算軟件的日趨完善，鋼結構建筑體系得到了長足的發展，但因國內該體系的研究起步相對較晚、技術相對不成熟、認可度和普及率還較低，因此現階段國內鋼結構建筑體量相對較少，僅占國內建筑總體量的1/5 左右，至于鋼結構類型的住宅則更是鳳毛麟角，只占鋼結構建筑總體量的1/10 左右，鋼結構住宅理念的應用、推廣及普及已迫在眉睫了[1-2]。

21 世紀初，我國開始提倡大力發展新型建筑產業，這為鋼結構的發展和裝配式建筑的發展提供了絕佳的市場機遇，這樣一來無疑會加速鋼結構住宅體系的發展，近幾年來先后在一些大中型城市陸續開展了鋼結構住宅的設計、研究和工程實踐等工作，陸續建成各種結構類型的鋼結構住宅試點工程，如上海的中福城、北京的晨光家園等。

鋼結構作為建筑行業新的發展趨勢，引領著建筑行業不斷向“四新技術”發展，鋼結構體系目前在公建中認可度已相對較高，所以我們有理由相信在住宅方面也會被完全接受和認可[3-4]。

2 鋼結構住宅體系分類及優缺點分析

2.1 輕鋼龍骨鋼結構體系

輕鋼龍骨鋼結構體系在北美及歐洲各發達國家地區技術已成熟，體系已健全，在國外建筑中被普遍認可和應用，常用于2 ～3 層低層住宅和別墅，該結構體系由傳統木結構體系衍生而來。 作為該體系主要受力構件的梁、柱一般采用輕鋼龍骨組合而成，截面形式有C 型、H 型、矩形等，可根據受力要求單根或多根組合。 材質一般常用的有兩類：一類是冷彎薄壁型鋼，結構體系本身自重較輕，僅為普通鋼結構的40%左右；另一類是熱軋型鋼，一般為矩形鋼或H 型鋼軋制成豎向鋼柱，H 型鋼軋制成鋼梁。 截面尺寸可根據結構部位、荷載、構件尺寸不同而不同，一般在100 ～300 mm 之間。 輕鋼龍骨鋼結構體系的圍護結構、分隔結構等重要構件，在工程實踐中一般常采用鍍鋅鋼板，為了滿足受力要求鍍鋅鋼板一般經過防腐和冷彎處理[5-6]。

該體系的優點：

(1)構件可實現工廠流水化排產加工，專業化、機械化程度高。

(2)承重構件梁和柱可以隱蔽到墻體內部，便于裝修，整體美觀。

(3)結構本身自重輕，僅為傳統磚混結構的1/5。

(4)受益于材料自重輕這一優點，能夠實現便捷安裝，大幅度地縮短建設周期。

(5)地基、基礎的設計、構造和處理簡單。

該體系的缺點：

(1)節點部位鉸接設計，整體抗側剛度較小。

(2)施工成本較高，約為磚混結構的3 倍。

(3)型鋼種類較少，結構體系較單一。

(4)國內類似工程施工數量少，工程經驗尚欠缺。

2.2 β 鋼框架體系

“β 鋼框架體系”即貫通梁構造體系(見圖1)。該體系主要受力節點按照單向抗側力進行設計和驗算，豎向鋼柱可根據使用需求錯軸線布置，也可上下非對齊貫通布置，構件布置靈活，但承載能力相對較小，因此僅適用于低層鋼結構體系。 施工操作相對簡單，可實現全裝配、全干法的拼接操作[7-8]。 2017 年建成的積水姑蘇裕沁庭項目低層聯排別墅部分(雅居)為“β 鋼框架體系”應用的典型案例，通過ETABS 分析軟件進行結構驗算，所有構件承載力均能滿足設計要求。

圖1 β 鋼框架體系(單位:mm)

該體系的優點：

(1)打破了傳統鋼柱豎向貫通對齊的理念，可以根據業主的實際需求設計調整鋼柱位置，房間布置更加靈活。

(2)構件可實現工廠加工，有效縮短建設周期。

(3)梁柱節點連接形式可設計為鉸接，也可設計為剛接，利于承載力整體加強。

該體系的缺點：

(1)結構抗側剛度較小。

(2)施工高度受限，驗算高度一般不超過15 m或6 層。

(3)成本相比較傳統磚混結構而言偏高。

2.3 鋼框架結構體系

該體系主要依靠框架梁和柱的共同作用分別抵抗水平和豎向荷載，保證結構的整體耐久安全穩定。 框架梁常用截面形狀有H 型、工字型和箱型等，框架柱常用截面形式有H 型、矩形等。 可根據受力要求采用純鋼結構和勁鋼結構，目前該體系在建筑體系中技術最為成熟，受力最為可靠、認可度最高、應用最廣泛[9-10]。

該體系的優點：

(1)梁柱截面小、跨度大，平面布局靈活，可實現較大開間設計需求。

(2)結構自重相對混凝土結構較輕、延展性好、抗震性能優越。

(3)桿件形狀規則，制造和安裝簡單。

該體系的缺點：

(1)因缺少側向支撐構件，抵抗側向力能力較小，側向力作用下的水平位移較大。

(2)梁柱節點形式采用剛接或半剛接，地震作用下會產生較大集中應力，導致結構出現破壞。

(3)濕作業施工體量大，影響建設工期。

2.4 鋼框架＋支撐體系

鋼框架＋支撐結構體系，是在鋼框架結構的基礎上設置部分斜向支撐構件，起到支撐鋼框架的一種結構形式，其中鋼柱承受上部傳遞下來的豎向荷載，鋼梁承擔上部傳遞下來的水平荷載，支撐構件抵抗側向力，形成雙重抗側綜合體，可適用于高層鋼結構住宅(見圖2)。

支撐構件可選用角鋼、槽鋼和圓鋼等，支撐方式有人字形、十字形、V 字形等，其主要作用是增加結構的抗側能力。 支撐部位一般可選擇在外墻、分戶墻、樓梯間等便于后期通過裝修隱蔽的部位，可根據需要一跨或多跨布置。

2018 年建成的河北滄州天成嶺秀·嶺樾府鋼結構住宅，層高27 層，設計采用鋼框架＋支撐體系，框架柱截面尺寸采用B300 mm ×550 mm ×30 mm、B300 mm×450 mm ×20 mm、B400 mm ×700 mm ×35 mm 幾種截面，框架梁截面尺寸采用HN400 mm× 150 mm、HN400 mm × 200 mm、HN300 mm ×150 mm幾種截面，鋼支撐采用B300 mm×200 mm×20 mm 和B150 mm×250 mm×14 mm 兩種截面，平均用鋼量為65 kg/m3。

該體系的優點：

圖2 鋼框架＋支撐體系

(1)支撐構件的設置有效地提高了鋼梁和鋼柱整體性，穩定性，承載力大幅度提升。

(2)增設的支撐體系加大了結構側向剛度，有利于減小梁、柱的截面積，利于節約鋼材用量和建設成本。

(3)構件可實現工廠化排產及加工，施工周期較短。

該體系的缺點：

(1)節點部位為鋼梁、鋼柱和鋼支撐三種構件的連接形式，連接構造較復雜。

(2)力的傳遞較復雜，傳遞線路較長。

(3)支撐體系的存在會對門洞口的位置設置產生限制，一定程度上影響了建筑布局的靈活性。

(4)支撐部位無法采用成品墻板進行功能性隔斷，只能采用砌筑方式，因此勢必會增加濕作業工作量，影響進度。

2.5 框架＋支撐＋剪力墻結構體系

鋼框架＋支撐＋剪力墻體系是在鋼框架＋支撐體系的基礎上深化而成的，在原結構基礎上再次增加剪力墻結構，以進一步加大抗側能力，適用于高層、超高層住宅(見圖3)。

圖3 框架＋支撐＋ 剪力墻結構體系

2017 年建成的河北唐山某鋼結構住宅示范工程，應用的就是框架＋支撐＋剪力墻結構體系，建筑層數22 層，建筑高度67 m，建筑外輪廓尺寸33 m×16 m，建筑總面積10 000 m2，平均用鋼量80 kg/m3，按照8 度抗震設防烈度進行設計。

該體系優點：

(1)剪力墻和支撐結構共同形成雙重抗側力體系，可以相互分擔水平地震作用力，因此可根據客戶需求適當減少支撐構件或剪力墻。

(2)單一材料，時間成本低，經濟性較好。

(3)裝配化程度高，便于施工。

該體系缺點：

(1)新增剪力墻體系，會產生大量濕作業施工。

(2)端部及角部邊緣約束構件受力較薄弱。

(3)平面布局相對單一。

2.6 鋼管束組合剪力墻結構體系

鋼管束組合剪力墻結構適用于高層、超高層住宅，該結構體系主要特點有利于改善端部及角部構件的受力，它是在矩形鋼管混凝土結構基礎上發展出的一種新的結構體系。 它集成了矩形鋼管混凝土結構的特點，同時，它具有剪力墻結構剛度大，容易滿足住宅建筑多變的平面布置等優勢，實現了構件標準化設計、工業化制作、機械化安裝，易于工程質量控制，節能環保，目前已逐步應用于包頭萬郡·大都城、山東蓬萊新港社區等多項住宅建筑群(見圖4、圖5)。

圖4 鋼管束組合剪力墻結構體系

圖5 鋼管束示意

2016 年建成的萬郡·大都城項目，作為全國最大的抗震、低碳、節能、環保的綠色住宅樣板工程，成功地應用了該結構體系，總建筑面積約100 萬m2，層數33 層。

3 結束語

我國的裝配式鋼結構目前仍處于創新理念階段，發展狀況仍需進一步提升，技術仍需進一步完善，但這種結構形式本身有其突出優勢，如綠色、節能、環保、便于施工、經濟適用、安全穩定、抗震能力強，這與國家提倡節能減排理念、綠色文明施工理念相一致，勢必會作為國家重點扶持及發展領域，因此發展前景廣闊，必將成為我國建筑業新模式[11-12]。