轻钢结构住宅在我国的发展应用

2011-08-15陈智忠郑宝磊

科学之友 2011年9期

陈智忠，郑宝磊

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

随着我国经济的不断增长以及生活水平的不断提高，人们对住宅的要求也不断提高，更加安全、舒适、健康、绿色和节能等的住宅越来越受大众的喜爱。2010年，我国发布了中国第一部关于钢结构住宅的设计规程《轻型钢结构住宅技术规程》（JGJ209－2010），同年10月1日开始执行，这标志着钢结构住宅在我国的发展迈出了里程碑式的一步。轻钢结构住宅以其独特的优点，将引领我国新型住宅的潮流。在我国，尤其是地震多发区，应该大力推广应用轻钢结构住宅。

1 轻钢结构住宅概述

1.1 定义及组成部分

根据《轻型钢结构住宅技术规程》中的定义，轻型钢框架结构是由截面较小的热轧H型钢、高频焊接H型钢、普通焊接H型或异形截面的型钢、冷轧或热轧成型的方（或矩、圆）形钢管组成的框架结构体系或框架——支撑结构体系。轻钢结构住宅一般为6层以下，配套有满足建筑功能的轻质隔墙、轻质楼板以及轻质的屋面系统，在标准化、模数化和系列化的原则下，构件、设备由工厂化配套生产，在建造现场组装的集成化多层住宅建筑。这种建筑的维护材料应该是如同彩色压型钢板、水泥砌块、蒸压加气砌块以及夹心保温板等轻质高强的材料。

轻型钢结构住宅一般由支撑骨架结构、维护骨架结构、轻质墙板、装饰外墙、轻质楼板、屋面系统和门窗楼梯等7部分组成。与传统的住宅结构体系相比，主要区别在于支撑系统和维护骨架系统和维护墙体。

1.2 轻钢结构的优势

我国住宅目前主要以砖混结构和混凝土结构为主，它们自重大、建筑功能局限、截面粗笨、对环境压力大、节能效果差、不利于抗震。而钢结构住宅与其他体系相比有着独特的优势：

（1）自重轻，屋面系统和楼层板结构均为轻型的，维护结构也采用轻质材料，而支撑骨架系统的强度很高，所以材料用量少，而且结构重量轻还可以节省运输和吊装等施工费用，基础也可以相应减小，有效节约建造成本。

（2）由于其轻质高强的特点，在满足正常使用的条件下，建筑功能布局更加灵活，开间进深可以做大，使建筑可使用面积增大约7%左右。

（3）钢结构住宅的抗震性能优越，钢结构具有很好的延性，耗能能力强，能够有效吸收地震能量，减轻结构的损坏程度。

（4）钢构件可以实现标准化、产业化，所有构件均可以在工厂加工制作，现场拼装，施工方便，周期可缩短一半，质量易保证。

（5）绿色环保，对环境污染和破坏少，施工过程的粉尘和建筑垃圾很少，而且是干作业，节约水资源，受环境的限制少。

（6）钢结构住宅符合国家节能减排政策的新型住宅体系，该建筑改建和拆迁简便，构件和材料可以再利用。

1.3 钢结构住宅的结构体系

钢结构住宅依据建筑的高度及层数可以分为两大类，并有不同的结构体系与之相适应。一类是低层住宅和别墅，一类是多高层钢结构住宅。轻钢住宅以低层和多层为主。

1.3.1 冷弯薄壁轻钢或小型热轧型钢龙骨结构体系

这种结构体系主要用于3层以下的低层和别墅住宅中，是由C型或U型或者方钢管组成的龙骨架结构体系，用钢量是普通钢结构的1/3～1/2。楼面梁传递的竖向力是通过柱子与上下龙骨和支撑组成的受力墙壁来承担，水平力则是由作为隔板的轻质楼板传至受力墙壁再传至基础的。

1.3.2 无比钢轻钢龙骨结构体系

无比钢轻钢龙骨结构体系是一种冷弯薄壁型钢结构体系，其上部结构由楼板、桁架梁和墙体构成，而结构体系中最基本的单元是小桁架，由冷弯薄壁方（矩）形钢管和V型连接件通过自攻螺丝连接而成，它既可直接作为楼层中的桁架梁，也可充当墙体中的受力骨架。墙体则是通过蒙皮、抗拉钢带和自攻螺丝把若干竖放的小桁架整体装配而形成的，可以建造6层住宅。

1.3.3 轻钢密肋柱+复合围护结构体系

这种结构体系是北新集团开发的轻钢住宅体系，是由轻钢密肋柱和复合围护构成，构件经过特殊防腐处理，节能采用先进的维护保温方式，有效避免钢结构中的冷桥和热桥问题。

1.3.4 轻钢框架+填充轻钢剪力墙结构体系

这种结构体系也是北新集团开发的，是在独立基础上采用轻钢框架与填充轻钢剪力墙相结合的体系，极大地提高了建筑抵抗地震破坏的能力，适用于6层以下的建筑。

除此之外，常用于住宅的结构体系还有纯钢框架结构体系、钢框架—支撑体系、钢框架—筒体体系以及错列桁架结构体系。

2 轻钢结构住宅在我国的发展

2.1 轻钢住宅的流派类别

按照地缘文化和建筑风格可以分为欧美风格和日本风格两类。

按照制造方式可分为模块化预制钢结构住宅和部分预制钢结构住宅。

按照钢截面和骨架系统可以分为：

（1）H型钢梁柱支撑加轻钢维护骨架系统钢结构住宅，简称H+H骨架系统；主要在中国应用，节点相对复杂，必须采用焊接，总用钢量约为65 kg/m2。

（2）C型钢梁柱支撑加轻钢维护骨架系统钢结构住宅，简称C+C骨架系统；主要在欧美国家应用，节点简洁实用，用钢量在45 kg/m2左右。

（3）方钢为柱，U型钢为梁的支撑骨架系统钢结构住宅，简称□+U骨架系统；主要在日本应用，节点复杂，用钢量在75 kg/m2左右。

（4）方钢为柱，H型钢为梁的支撑骨架系统钢结构住宅，简称□+H骨架系统；主要在日本应用，节点复杂，用钢量在55 kg/m2左右。

（5）冷轧轻钢骨架系统钢结构住宅，主要在欧美国家应用，节点简洁实用，用钢量在35 kg/m2左右。

2.2 适用于我国的轻钢住宅体系

考虑到我国经济实力和建筑技术水平等因素，在我国发展轻钢结构住宅必须采用有利于施工人员操作和设计、成本相对低廉的结构体系。但是也应该考虑住宅技术的发展，不能与现行的政策矛盾，既要发展适合于我国的体系，也要贯彻节能减排的政策。

目前我国钢结构住宅主要是采用H+H骨架系统，该体系与我国传统住宅相比，只是替换了传统梁柱，其他基本维持不变，但只是过渡性体系，因为其不符合现代住宅的发展，不利于应用轻质墙体技术。通过上述流派的分析，适用于我国的轻钢住宅体系可以借鉴欧美国家，其技术简洁、成本低廉，能够满足大众需求。有些关键技术可以参考日式住宅，但其成本相对较高，不适合在我国推广应用。

2.3 轻钢住宅在我国的推广应用

我国是一个地震多发的国家，就汶川和玉树两地地震中倒塌了数以万计的住宅建筑，这些建筑均以抗震性能相对差的砖混结构为主。我国也是一个能耗非常大的国家，建筑能耗占社会总能耗的30%左右，国家在节能减排的政策下要求建筑物节能达到60%以上，这些因素都促进了我国钢结构住宅的发展。在我国北京、天津、上海、山东等地已经陆续建成了一些钢结构住宅试点工程。

钢结构住宅不能够大面积推广的主要影响因素是造价问题。钢结构住宅的造价高于混凝土结构或砖混结构。由于我国人民消费观念的差异，使得尽管具有诸多优点的钢结构住宅推广走入瓶颈。但是随着我国产钢量的不断增长、钢材价格的下降，加之国家大力发展钢结构住宅，新的适合中国的各种结构体系不断涌现，建筑技术不断成熟，其成本将会有所降低，钢结构住宅的应用前景可观，是中国住宅的必由之路。

3 轻钢住宅设计时应该考虑的问题

3.1 蒙皮效应

对于覆盖在钢结构表面的外墙材料和楼层板或屋面板对结构性能是有很大影响的，它们除了起到维护结构的作用外，还可以抵抗水平荷载，在自身平面内起到蒙皮作用。在设计中若能合理利用蒙皮效应，可以降低工程造价。

《轻型钢结构住宅技术规程》中也指出，结合轻质楼板和利用墙体抗侧力等有利因素，能使钢框架结构体系不仅用钢量省，而且解决了可以建造多层结构的技术问题，尤其是能与我国现行规范体系保持一致，满足抗震要求。蒙皮板的抗剪强度和刚度目前是通过试验或者解析求解的。当板是按照剪力蒙皮设计的，应该明确板在建筑物中的支撑作用，在没有其他有效支撑时是不可以拆除的。蒙皮性能与连接件类型、间距、强度等有很大关系。所以建筑物使用的连接件等性能必须合理选择，以保证蒙皮效应的可靠性。在考虑蒙皮效应的建筑施工中，必须是在所有构件安装就位后才能发挥作用，因此应该设置临时支撑，即使是在更换板时也必须设置支撑。在使用过程中，也应该仔细维护，确保连接件牢固可靠，保证合适的蒙皮效应和结构安全。

3.2 轻钢住宅的维护

经常进行建筑物的维护，可以保证建筑物获得更长的使用时间。对于轻钢结构住宅，主要应对外墙、屋面系统、基础以及厨卫等部位进行日常维护。外墙可能会因为雨雪等渗透而遭到破坏，所以应该经常检查排水沟、下水管道、墙根等部位，防止排水沟堵塞等问题出现，除此还应检查轻钢骨架构件，采取措施防止虫蛀腐蚀等。厨卫部位防水要经常检查，防止因泛水破坏而使钢构件锈蚀等问题。