多層民用住宅輕鋼結構設計要點

文／張睿 杭州鐵木辛柯工程設計有限公司 浙江杭州 310000

引言：

在城鎮化建設進程不斷加快的過程中，多層民用住宅的建設數量越來越多。輕鋼結構的美觀性、經濟性比較強，在多層民用住宅中發揮著重要作用。但輕鋼結構與傳統鋼結構的設計要點不同，因此需要深入研究輕鋼結構的設計要點，充分發揮其在多層民用住宅中的作用。

1、輕鋼結構概述

1.1 輕鋼結構的概念

從實際情況來看，輕鋼結構的內涵較為豐富，包括利用輕型材料制成的鋼結構以及圓角型鋼、小角鋼等輕型鋼結構。其中利用輕型材料制成的鋼結構指的是利用厚度在10mm以內的鋼板構建的結構體系[1]。

1.2 輕鋼結構的特點

相比于重鋼結構，輕鋼結構具有一些特點。（1）輕鋼結構應用的材料具有高效、輕型、薄壁、強度高、所占面積小等特點。（2）輕鋼結構的配件與構件都應用了自動化生產技術。（3）輕鋼結構的采光條件與通風條件比較好。（4）輕鋼結構的適用范圍較為廣泛。（5）輕鋼結構的抗震能力與抗水平荷載能力相對較強，符合高抗震烈度地區的要求。（6）輕鋼結構的強度較高、變形能力較強，所以可有效抵抗大風。（7）部分輕鋼結構應用了冷彎薄壁鋼構件體系，在運行過程中出現銹蝕等問題的概率相對較小，所以輕鋼結構的耐久性較強。（8）部分輕鋼結構中應用了玻纖棉等保溫隔熱材料，可以增強建筑的保溫性。（9）部分輕鋼結構中應用了中空玻璃，可優化建筑的隔音效果，為住宅中的居民創設良好的條件。（10）輕鋼結構可以回收利用，所以具有較強的環保性。

2、在多層民用住宅中應用輕鋼結構的意義

2.1 有利于增強建筑外形的美觀性

輕鋼結構的構件截面尺寸相對較小，可以增加建筑內部的凈使用面積。例如，鋼材的強度較高，可以利用其設置柱網，繼而擴大建筑內部空間。同時，可以在樓板中靈活應用扁梁或組合梁，有利于增加建筑凈高。因此，在多層民用住宅中應用輕鋼結構可以為設計人員提供新的思路。

2.2 有利于減輕建筑自重

輕鋼結構中應用了高效輕型薄壁型材，構件的截面特性較好、承載力與受力性能也比較高。同時，輕鋼結構的整體剛度相對較大、抗震性能也比較好，可以在節約原材料的同時減輕鋼結構的重量并優化民用住宅的抗震性能。

2.3 有利于加快施工進度

在多層民用住宅中應用鋼結構可以通過干法施工方式加快施工進度、提高施工質量。同時，輕鋼結構的安裝較為簡單，可以降低施工難度。

2.4 有利于增加建筑的環保效益

在多層民用住宅中應用輕鋼結構可以在一定程度上減少資源與能源的消耗并減少建筑垃圾與粉塵，有利于增加建筑的環保效益[2]。

3、多層民用住宅輕鋼結構設計理念

3.1 概念設計理念

在進行多層民用住宅輕鋼結構設計時，應堅持樹立先進的概念設計理念，為后續設計奠定基礎。輕鋼結構的概念設計包括諸多內容，例如結構選型與結構布置等。（1）設計人員應根據實際要求選擇合適的結構形式并優化結構布置。例如，常用的結構形式有框架結構、框架剪力墻等，設計人員應根據民用住宅建筑的要求選擇結構形式。根據結構體系的具體特點以及荷載分布情況優化結構布置，確保結構的剛度、力學性能符合要求。（2）設計人員可以根據整體結構體系與分布體系之間的力學關系、試驗現象、破壞機理解決一些特殊問題，從而減少結構分析過程中的運算步驟[3]。

3.2 一體化設計理念

在進行輕鋼結構設計時，需要堅持一體化設計理念，即堅持建筑結構設計一體化、維護系統與主體結構設計一體化、配件系統與整體建筑系統設計一體化等理念。（1）在傳統的鋼結構建筑中，大多數設計人員都會先進行建筑設計再進行結構設計。而輕鋼結構的材料較為特殊，所以設計人員需要同時進行建筑設計與結構設計，從而凸顯出輕鋼結構建筑的特色。（2）設計人員需同時進行維護系統與主體結構的設計，增強二者的契合性。（3）設計人員應在設計建筑系統的同時進行配件系統設計。

3.3 截面優化設計理念

在輕鋼結構設計中應通過有效手段降低用鋼量，所以需要堅持截面優化設計理念。首先，設計人員需要靈活應用最優化理論。最優化理論指的是將問題歸結為一個單目標規劃問題并將設計條件當作約束條件，之后利用數學規劃的理論尋求最優解[4]。其次，設計人員需要靈活應用窮舉法。設計人員需要對合理的構件截面形式進行對比分析，并根據用鋼量最少這一條件獲取截面尺寸。

3.4 建筑表現理念

輕鋼結構建筑的特征主要表現在規模、線條、色彩以及變化這四個方面，設計人員應利用建筑表現理念優化輕鋼結構設計，凸顯輕鋼結構建筑的特色。例如，設計人員可以應用大跨度輕鋼結構，增強建筑的氣勢；利用金屬壓型鋼板的線條表現輕鋼結構的風格，增強建筑的金屬質感；通過不同的色彩與風格增強建筑的變化性。

4、輕鋼結構的設計要點

4.1 結構體系的選擇要點

結構體系的選擇是輕鋼結構設計的關鍵，設計人員應根據多層民用住宅的高度、所處區域的地質條件等各方面情況選擇合適的結構體系。常用的結構體系有純框架結構體系、框支結構體系以及框架剪力墻結構體系等。

4.1.1 純框架結構體系

相比于其他結構體系，純框架結構的平面布置具有較強的靈活性，可以增強結構剛度的均勻性、擴大建筑內部空間。但純框架結構的側向剛度相對較小，可能會出現較大的側向位移，繼而造成非結構構件破壞，所以應用純框架結構體系的建筑一般在15層以內。

4.1.2 框支結構體系

在風荷載以及地震荷載的影響下，純框架結構體系會出現嚴重的側向位移情況，可能會降低民用住宅運行的安全性。為此，設計人員可以選擇框支結構體系。框支結構體系指的是在框架結構中設置一定的支撐（如圖1），可以在一定程度上減小民用住宅的層間位移[5]。在設計過程中，設計人員應沿著樓面中心布置支撐體系并將縱向支撐與橫向支撐結合起來，從而形成支撐芯筒，增強結構體系的抗側力剛度。

圖1 框支結構體系

4.1.3 框架剪力墻結構體系

框架剪力墻結構體系是由框架結構與剪力墻結構結合起來的（如圖2），不僅具有框架結構的靈活性、方便性，也可以通過剪力墻結構增強結構體系的剛度。設計人員可以根據多層民用住宅建筑的實際需求判斷是否應用框架剪力墻結構。

圖2 框架剪力墻

4.2 主要構件設計要點

4.2.1 柱

在輕鋼結構住宅當中框架柱在縱、橫兩個方向都承受了較大的彎矩，所以需要做好柱的設計工作。（1）H型鋼、I字熱軋鋼的強弱軸慣性矩之比為3-10，在多層民用住宅中應用這2種形式會造成材料與資源的浪費。（2）鋼管柱、方鋼混凝土柱的雙軸等強，在梁截面較高且雙向彎矩基本接近的框架柱中發揮著重要作用。例如，在框架柱中應用方鋼管混凝土柱不僅可以增強截面受力的合理性，也可以增強框架的側向剛度與防火性能。設計人員可優先選擇這2種類型的柱子。

4.2.2 樓面屋蓋結構

在設計過程中只有增強樓面和屋蓋的強度、剛度與穩定性才能夠增強民用住宅的穩定性。常用的樓蓋形式為壓型鋼板-混凝土組合樓蓋，其平面剛度相對較大、施工速度相對較快。但如果在鋼梁上鋪設壓型鋼板再澆筑混凝土會消耗大量的鋼材，所以設計人員可以利用預應力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板；也可以選擇疊合板、預應力圓孔板等樓面屋蓋形式。

4.2.3 支撐和剪力墻

多層框架鋼結構體系的側向剛度相對較弱，所以設計人員需要在墻體內設置垂直支撐，從而減小水平地震作用。常用的支撐形式有W型、X型、V型、M型、K型、偏心支撐等，其中偏心支撐的延性相對較好，所以設計人員可優先選擇偏心支撐[6]。其次，設計人員可以在輕鋼結構中設置剪力墻。常用的剪力墻形式有鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻以及鋼筋混凝土帶縫剪力墻等，但鋼筋混凝土剪力墻的剛度較大，在地震過程中會出現應力過于集中等問題。設計人員可優先選擇帶縫剪力墻與鋼板剪力墻。

4.3 節點設計

連接節點是鋼結構設計的關鍵內容之一，設計人員需要做好基礎與柱腳節點設計工作、梁柱連接節點設計工作并優化節點的細節設計。

4.3.1 基礎與柱腳節點

在結構形式、支座條件以及荷載取值等因素的影響下，輕鋼結構在柱腳處存在較大的水平力以及較小的豎向力且固接柱腳存在較大的彎矩。同時，柱底水平力會導致基礎出現滑移、傾覆等情況。為此，設計人員需要科學選擇基礎形式。輕鋼結構的柱網尺寸比較大，上部結構傳至柱腳的內力相對較小，所以如果地質條件比較差就需要采用條形基礎[7]。如果存在溶洞等不良地質條件就需要應用樁基礎，從而增強基礎的穩定性。設計人員需要科學設計柱腳節點并利用剛接或鉸接等方式連接柱腳。

4.3.2 梁柱連接節點

梁柱連接節點是輕鋼結構中的關鍵構成部分，常用的連接方式有剛性連接、鉸接連接以及半剛性連接等。設計人員需要根據民用住宅建筑的實際情況選擇合適的連接方式，從而降低輕鋼結構的施工難度、加快輕鋼結構的施工速度。同時，設計人員需要對節點以及構件進行標準化設計，增強設計的合理性。

4.3.3 節點設計細節

在設計過程中，設計人員需要注意一些細節。（1）設計人員需要科學選擇節點形式，使節點設計向規范化方向發展。（2）設計人員需要做好等強設計與實際受力設計工作并靈活應用各種信息技術手段。（3）設計人員需要做好連接設計。設計人員需要對焊縫的形式、尺寸等各個方面進行明確規定并確保焊縫的重心接近于被連接構件的重心；在次要結構部位中應用普通螺栓、在主要結構中應用高強螺栓、在板材與薄壁型鋼之間應用自攻螺絲；根據梁腹板的厚度以及凈截面抗剪情況選擇連接板并根據栓孔處腹板的凈截面抗剪情況選擇梁腹板。

4.4 關鍵參數設計

在設計過程中設計人員應做好關鍵參數的設計工作，確保各項參數都符合要求。

4.4.1 輕鋼屋面活荷載

設計人員需要根據相關規范的要求設計輕鋼屋面活荷載。（1）從相關規范來看，可變荷載主要包括樓面活荷載、屋面活荷載、風荷載、吊車荷載、積灰荷載、溫度作用等。同時，在支撐輕鋼屋面的構件或結構中，若僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60m2時，應將屋面均布活荷載的標準值設置為0.3kN/m2。但如果構件或結構中有2個及以上可變荷載就需要將屋面活荷載設置在0.5kN/m2。（2）若在民用住宅建筑中應用壓型鋼板輕型屋面就需要根據屋面水平投影面積計算活荷載。在計算不同時，考慮屋面均布活荷載與風荷載，且需要采取兩者中較大的值。

4.4.2 鋼構件凈毛面積比

從相關要求來看，設計人員需要將鋼構件凈毛面積比設置為0.85。在計算過程中設計人員需要按照凈截面計算結構構件的受拉強度、按照有效凈截面計算結構構件的受壓強度、按照有效截面計算結構構件的穩定性、按照毛截面計算結構構件的變形系數與穩定系數。同時，在計算結構構件的變形系數時可以不考慮鉚釘孔或螺栓引起的截面削弱情況。

4.5 材料選擇

在設計過程中，設計人員也需要科學選擇鋼材料與焊接材料，增強設計的完整性。

4.5.1 鋼材

輕鋼結構是由鋼材制成的，所以設計人員需要科學選擇鋼材。（1）設計人員需要根據焊接情況選擇鋼材。一般情況下，設計人員可以將A級鋼當作非焊接的鋼結構；將B級鋼當作受靜載作用影響下的焊接鋼結構；將C、D、E級鋼結構當作受動載作用影響下的焊接鋼結構。（2）若節點構造較為復雜、工作環境較為惡劣且受力狀況較為復雜就需要選擇重型焊接鋼結構。（3）設計人員需要根據鋼結構的類型選擇鋼材等級。例如，可以在普通鋼結構中選用Q235與Q345鋼材；在重型與超重型鋼結構中級工選擇Q345、Q390鋼材；在超輕型鋼結構以及用于屋面與墻面的壓型板結構中選擇Q235與Q345鋼材。

4.5.2 焊接材料

焊接材料在輕鋼結構中占據著重要地位，所以設計人員應確保焊接材料與母材材質相同并確保焊接材料的強度符合要求。

4.5.3 螺栓

螺栓是連接輕鋼結構的關鍵材料，所以設計人員需要根據受力要求、構造要求以及施工要求進行螺栓設計。（1）設計人員應確保受拉構件中螺栓的線距與栓距符合要求，否則會削弱鋼板截面。同時，應確保受壓構件中的螺栓間距符合要求，否則會導致連接板件之間出現凸曲情況。（2）設計人員應根據構造要求設計螺栓。如果螺栓的栓距與線距存在較大的差異就會降低構件接觸面的緊密性，因此需要確保螺栓間距符合要求。（3）設計人員應在螺栓之間留適當的間距。

5、優化多層民用住宅輕鋼結構設計的策略

5.1 提升設計人員的專業素養

設計人員是開展輕鋼結構設計的主體，其專業能力會對輕鋼結構設計的科學性與合理性產生直接影響，所以設計單位應對設計人員進行系統培訓，從而提高設計人員的專業素養。（1）設計單位應對設計人員進行設計理念培訓，幫助設計人員樹立先進的設計理念。增進設計人員對輕鋼結構的了解，讓設計人員掌握輕鋼結構的設計要求與設計方法。（2）設計單位需要對設計人員進行法律培訓，讓設計人員了解國家法律法規對輕鋼結構的規定，增強輕鋼結構設計的合理性。

5.2 加大設計管理力度

輕鋼結構設計需要管理工作的支持，所以設計單位需要從完善管理制度、應用先進技術等方面入手加大設計管理力度。（1）設計單位需要綜合分析多層民用住宅對輕鋼結構的要求，將輕鋼結構設計細則納入到管理制度當中并安排專業的管理人員開展設計管理工作。（2）設計單位需要靈活應用BIM技術等先進技術手段，增強輕鋼結構設計的合理性。例如，在設計過程中設計人員可以利用BIM技術構建多層民用住宅模型與輕鋼結構模型，利用模型對設計方案與設計圖紙進行全面審核，及時發現設計中的問題。同時，設計人員也需要靈活應用自動化設計軟件，降低設計圖紙的修改難度，增強設計圖紙的科學性與合理性。

結語：

我國鋼結構研究逐漸進入了新的階段，所以需要提高對鋼結構的重視程度，加大對輕鋼結構的研究力度。設計人員需要充分了解輕鋼結構的特點與優勢，利用概念設計、一體化設計以及截面優化設計等理念指導輕鋼結構設計工作，并根據相關要求選擇結構體系，進行構件設計、節點設計、參數設計以及材料選擇，提高輕鋼結構設計質量。