多层轻钢结构民用建筑的设计与经济分析

贾轩轩

摘 要：多层轻钢住宅是一种新型建筑体系，也是目前国内住宅研究和开发的方向。但是它的设计方法，结构体系，结构特点，常用经济指标不为设计者所熟悉，因此多层轻钢住宅示范楼的设计与施工是推广这种新型体系的最好方式。本文从多层轻钢民用建筑中的结构选择入手，并根据工程实际，探讨多层轻钢结构民用建筑的设计与经济内容。

关键词：多层；轻钢；民用建筑；结构

1 前言

多层民用建筑设计多采用钢筋砼结构和砖混结构，很少采用钢结构，钢结构在民用房屋的应用主要还集中在高层建筑上，近年钢结构在民用建筑上的应用越来越多，随着钢结构在实际工程的应用经验和设计理论研究的深入，及钢结构厂家不断推出新的钢结构产品，钢结构在多层民用建筑上的应用日渐增长，相对钢筋砼具有较高的经济价值。轧制H型钢的大量生产，楼承板的多样化，防腐涂料及防火涂料的成熟也为多层民用房屋钢结构的应用创造了广阔的空间。

2 多层轻钢民用建筑中的结构选择

2.1 纯框架结构体系

纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。

2.2 框支结构体系

纯框架在风、地震荷载作用下，侧移不符合要求时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒[1]。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。

2.3 框架剪力墙结构体系

在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系，这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40至60层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积周围设置，就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度，成为主要的抗侧力构件，承担大部分水平荷载，钢框架主要承受竖向荷载。

3 多层轻钢结构民用建筑的设计案例分析

3.1 工程概况

某工程，地下一层，地上八层，局部楼梯间出屋面一层，抗震设防烈度8度，建筑类别为丙类，耐火等级一级，建筑场地类别为Ⅲ类，拟建物西侧为己建五层楼，与拟建物间距1.0米，独立柱基，基础埋深1.50米，基础向外延伸1.50米。建筑物长38.4m，宽16.2m，结构总高36.8m，柱距7.8× 6.3m，层高为2.70m、4.8m、4.2m、6× 3.5m、7.0m。基本风压： 0.45kN/m2，基本雪压： 0.4kN/m2，楼面恒载： 4.00kN/m2，楼面活荷：2.00kN/m2。

3.2 结构方案布置

钢结构方案基础采用筏板基础，考虑邻近建筑物基础的影响，基础轴线偏离已有建筑基础3000米，地上部分层层外挑3000米，地下室柱为劲性混凝土柱，地上部分为钢箱形柱，梁为焊接H型钢，楼盖为压型钢板组合楼盖，电梯井亦采用焊接H型钢柱和梁，框架带支撑结构布置五道支撑[2]。钢混框架剪力墙结构方案采用筏板基础，未能解决基础与已有建筑基础相邻问题，占用原建筑物基础0.50m，混凝土框架柱，布置四道剪力墙，楼盖为现浇混凝土楼盖，电梯井为混凝土剪力墙筒。

3.3 结构分析方法

三种结构体系均采用建研院PKPM系列软件STS与PMCAD建模，接力SATWE计算，校核程序采用ETABSS-Nonlinear。

3.4 计算结果

结构方案在满足规范配筋率、构造、及稳定、高宽厚比等的要求的前提下，应力比取为0.85～0.9，结构楼层位移、层间位移角，均满足规范要求，结构计算周期合理，且两方案楼层位移等结果接近或相同。钢框架结构与钢框支结构除钢柱截面不同，板厚因高宽厚比要求较厚外，其他技术指标基本相同，由于支撑的存在，在建筑布局使用上，钢框架优于带支撑结构，柱截面较大的要求是钢框架结构的缺点，相对于钢筋砼结构，钢结构梁柱截面较小，例如柱截面，钢支撑构件截面是钢筋砼构件截面的50%，重量仅为钢筋砼重量的20%，降低层高250mm，减少基础截面和造价，并且支撑较剪力墙轻巧灵活，采用灵活的支撑形式可解决开门窗洞口的问题，剪力墙的开洞给施工增加难度[3]。

4 设计方案的经济性比较

4.1 基础工程

基础工程占结构工程总量的20～40%，占结构造价的比重比较大，各结构体系工程量对比是非常有意义的。钢框架结构与钢框支结构，基础工程量区别仅在地下室劲性混凝土柱截面，钢结构基础混土用量是钢筋砼结构基础混凝土用量的73.57%，钢结构方案基础工程量小，造价低，基础受力合理，技术处理简单，在复杂地质条件下更具优势。

4.2 楼盖及楼层梁柱工程

结构工程量主要集中在楼盖和梁柱上，钢筋砼体系之间的对比可以通过此部分工程量的多少，直接得出结论。两方案的最大区别在与楼盖与楼层梁柱的工程量，但钢结构与钢筋砼结构在此数量上不具可比性，楼板混凝土用量两方案虽然相同，但仍有较大区别，本钢结构方案为组合楼盖，未考虑组合作用对楼板和钢梁的贡献，所以在结构安全度上，还是远优于钢筋砼现浇楼盖的，钢结构由于构件截面小，可降低层高，增大有效使用面积，此部分的经济效益是长期的，尤其是住宅钢结构的商业效益更加突出，钢筋砼结构在此方面显然不具优势。

4.3 其他工程

此部分工程在钢筋砼结构体系中所占比例要高于钢结构体系。钢结构的其他工程量占主结构工程量的17.01%， 钢混结构的其他工程量占主结构的工程量 27.87%，可见钢筋砼结构工程量比较大，为实现大跨度外挑和建筑立面的要求，一般采用钢结构，对于钢结构方案来说，技术简单，而钢筋砼方案，技术上难于实现大跨悬挑，施工难度也较大。

4.4 工程结构造价

影响工程造价因素是多方面的，尤其是钢结构体系受市场波动的影响大，不象钢筋砼结构体系价格比较稳定，所以取费是按照市场价格。钢框架方案与钢框支方案在结构造价上差距不大，区别主要在建筑使用和布局上，钢框架的柱截面大于钢框支结构，钢框支结构在建筑布置上不如钢框架结构灵活，钢筋砼结构造价低于钢结构约13%，平米造价低80元/m2左右，本工程总价低40万元左右，为结构部分总造价的10%左右，如果计入装修、设备等费用，占比例则更小。

5 結语

钢结构体系多层民用建筑在技术上比传统钢筋砼结构体系更为先进，经济上，结构造价相差无几。从综合效益和可持续发展方面考虑，钢结构体系也更为合理，经济指标优于钢筋砼结构体系。钢结构体系，制造工场化，施工干作业，工期短，工业化程度高，无污染，无建筑垃圾，符合建筑市场发展趋势。

参考文献：

[1] 叶继红.多层轻钢房屋建筑结构——轻钢龙骨式复合剪力墙结构体系研究进展[J].哈尔滨工业大学学报，2016（6）：1～9.

[2] 崔鹏.多层轻钢结构住宅的结构体系与设计[J].民营科技，2014（7）：172.

[3] 陈银.多高层轻钢结构住宅的设计与研究应用[D].河北工程大学，2013.