国内装配式钢结构住宅结构体系分析

赵保奎

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 国内钢结构住宅发展及现状

众所周知，钢结构建筑在国内发展较为缓慢，远远落后于同期欧美发达国家，国内最早出现的钢结构住宅是20 世纪末建成的上海北蔡住宅，而欧美发达国家在20 世纪中叶已趋于成熟，典型工程有范斯沃斯钢结构别墅和巴黎波特-代斯-里拉斯公寓。 近些年来，随着装配式概念被重新引入和积极推广，新型材料的不断研发及计算软件的日趋完善，钢结构建筑体系得到了长足的发展，但因国内该体系的研究起步相对较晚、技术相对不成熟、认可度和普及率还较低，因此现阶段国内钢结构建筑体量相对较少，仅占国内建筑总体量的1/5 左右，至于钢结构类型的住宅则更是凤毛麟角，只占钢结构建筑总体量的1/10 左右，钢结构住宅理念的应用、推广及普及已迫在眉睫了[1-2]。

21 世纪初，我国开始提倡大力发展新型建筑产业，这为钢结构的发展和装配式建筑的发展提供了绝佳的市场机遇，这样一来无疑会加速钢结构住宅体系的发展，近几年来先后在一些大中型城市陆续开展了钢结构住宅的设计、研究和工程实践等工作，陆续建成各种结构类型的钢结构住宅试点工程，如上海的中福城、北京的晨光家园等。

钢结构作为建筑行业新的发展趋势，引领着建筑行业不断向“四新技术”发展，钢结构体系目前在公建中认可度已相对较高，所以我们有理由相信在住宅方面也会被完全接受和认可[3-4]。

2 钢结构住宅体系分类及优缺点分析

2.1 轻钢龙骨钢结构体系

轻钢龙骨钢结构体系在北美及欧洲各发达国家地区技术已成熟，体系已健全，在国外建筑中被普遍认可和应用，常用于2 ～3 层低层住宅和别墅，该结构体系由传统木结构体系衍生而来。 作为该体系主要受力构件的梁、柱一般采用轻钢龙骨组合而成，截面形式有C 型、H 型、矩形等，可根据受力要求单根或多根组合。 材质一般常用的有两类：一类是冷弯薄壁型钢，结构体系本身自重较轻，仅为普通钢结构的40%左右；另一类是热轧型钢，一般为矩形钢或H 型钢轧制成竖向钢柱，H 型钢轧制成钢梁。 截面尺寸可根据结构部位、荷载、构件尺寸不同而不同，一般在100 ～300 mm 之间。 轻钢龙骨钢结构体系的围护结构、分隔结构等重要构件，在工程实践中一般常采用镀锌钢板，为了满足受力要求镀锌钢板一般经过防腐和冷弯处理[5-6]。

该体系的优点：

(1)构件可实现工厂流水化排产加工，专业化、机械化程度高。

(2)承重构件梁和柱可以隐蔽到墙体内部，便于装修，整体美观。

(3)结构本身自重轻，仅为传统砖混结构的1/5。

(4)受益于材料自重轻这一优点，能够实现便捷安装，大幅度地缩短建设周期。

(5)地基、基础的设计、构造和处理简单。

该体系的缺点：

(1)节点部位铰接设计，整体抗侧刚度较小。

(2)施工成本较高，约为砖混结构的3 倍。

(3)型钢种类较少，结构体系较单一。

(4)国内类似工程施工数量少，工程经验尚欠缺。

2.2 β 钢框架体系

“β 钢框架体系”即贯通梁构造体系(见图1)。该体系主要受力节点按照单向抗侧力进行设计和验算，竖向钢柱可根据使用需求错轴线布置，也可上下非对齐贯通布置，构件布置灵活，但承载能力相对较小，因此仅适用于低层钢结构体系。 施工操作相对简单，可实现全装配、全干法的拼接操作[7-8]。 2017 年建成的积水姑苏裕沁庭项目低层联排别墅部分(雅居)为“β 钢框架体系”应用的典型案例，通过ETABS 分析软件进行结构验算，所有构件承载力均能满足设计要求。

图1 β 钢框架体系(单位:mm)

该体系的优点：

(1)打破了传统钢柱竖向贯通对齐的理念，可以根据业主的实际需求设计调整钢柱位置，房间布置更加灵活。

(2)构件可实现工厂加工，有效缩短建设周期。

(3)梁柱节点连接形式可设计为铰接，也可设计为刚接，利于承载力整体加强。

该体系的缺点：

(1)结构抗侧刚度较小。

(2)施工高度受限，验算高度一般不超过15 m或6 层。

(3)成本相比较传统砖混结构而言偏高。

2.3 钢框架结构体系

该体系主要依靠框架梁和柱的共同作用分别抵抗水平和竖向荷载，保证结构的整体耐久安全稳定。 框架梁常用截面形状有H 型、工字型和箱型等，框架柱常用截面形式有H 型、矩形等。 可根据受力要求采用纯钢结构和劲钢结构，目前该体系在建筑体系中技术最为成熟，受力最为可靠、认可度最高、应用最广泛[9-10]。

该体系的优点：

(1)梁柱截面小、跨度大，平面布局灵活，可实现较大开间设计需求。

(2)结构自重相对混凝土结构较轻、延展性好、抗震性能优越。

(3)杆件形状规则，制造和安装简单。

该体系的缺点：

(1)因缺少侧向支撑构件，抵抗侧向力能力较小，侧向力作用下的水平位移较大。

(2)梁柱节点形式采用刚接或半刚接，地震作用下会产生较大集中应力，导致结构出现破坏。

(3)湿作业施工体量大，影响建设工期。

2.4 钢框架＋支撑体系

钢框架＋支撑结构体系，是在钢框架结构的基础上设置部分斜向支撑构件，起到支撑钢框架的一种结构形式，其中钢柱承受上部传递下来的竖向荷载，钢梁承担上部传递下来的水平荷载，支撑构件抵抗侧向力，形成双重抗侧综合体，可适用于高层钢结构住宅(见图2)。

支撑构件可选用角钢、槽钢和圆钢等，支撑方式有人字形、十字形、V 字形等，其主要作用是增加结构的抗侧能力。 支撑部位一般可选择在外墙、分户墙、楼梯间等便于后期通过装修隐蔽的部位，可根据需要一跨或多跨布置。

2018 年建成的河北沧州天成岭秀·岭樾府钢结构住宅，层高27 层，设计采用钢框架＋支撑体系，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 几种截面，框架梁截面尺寸采用HN400 mm× 150 mm、HN400 mm × 200 mm、HN300 mm ×150 mm几种截面，钢支撑采用B300 mm×200 mm×20 mm 和B150 mm×250 mm×14 mm 两种截面，平均用钢量为65 kg/m3。

该体系的优点：

图2 钢框架＋支撑体系

(1)支撑构件的设置有效地提高了钢梁和钢柱整体性，稳定性，承载力大幅度提升。

(2)增设的支撑体系加大了结构侧向刚度，有利于减小梁、柱的截面积，利于节约钢材用量和建设成本。

(3)构件可实现工厂化排产及加工，施工周期较短。

该体系的缺点：

(1)节点部位为钢梁、钢柱和钢支撑三种构件的连接形式，连接构造较复杂。

(2)力的传递较复杂，传递线路较长。

(3)支撑体系的存在会对门洞口的位置设置产生限制，一定程度上影响了建筑布局的灵活性。

(4)支撑部位无法采用成品墙板进行功能性隔断，只能采用砌筑方式，因此势必会增加湿作业工作量，影响进度。

2.5 框架＋支撑＋剪力墙结构体系

钢框架＋支撑＋剪力墙体系是在钢框架＋支撑体系的基础上深化而成的，在原结构基础上再次增加剪力墙结构，以进一步加大抗侧能力，适用于高层、超高层住宅(见图3)。

图3 框架＋支撑＋ 剪力墙结构体系

2017 年建成的河北唐山某钢结构住宅示范工程，应用的就是框架＋支撑＋剪力墙结构体系，建筑层数22 层，建筑高度67 m，建筑外轮廓尺寸33 m×16 m，建筑总面积10 000 m2，平均用钢量80 kg/m3，按照8 度抗震设防烈度进行设计。

该体系优点：

(1)剪力墙和支撑结构共同形成双重抗侧力体系，可以相互分担水平地震作用力，因此可根据客户需求适当减少支撑构件或剪力墙。

(2)单一材料，时间成本低，经济性较好。

(3)装配化程度高，便于施工。

该体系缺点：

(1)新增剪力墙体系，会产生大量湿作业施工。

(2)端部及角部边缘约束构件受力较薄弱。

(3)平面布局相对单一。

2.6 钢管束组合剪力墙结构体系

钢管束组合剪力墙结构适用于高层、超高层住宅，该结构体系主要特点有利于改善端部及角部构件的受力，它是在矩形钢管混凝土结构基础上发展出的一种新的结构体系。 它集成了矩形钢管混凝土结构的特点，同时，它具有剪力墙结构刚度大，容易满足住宅建筑多变的平面布置等优势，实现了构件标准化设计、工业化制作、机械化安装，易于工程质量控制，节能环保，目前已逐步应用于包头万郡·大都城、山东蓬莱新港社区等多项住宅建筑群(见图4、图5)。

图4 钢管束组合剪力墙结构体系

图5 钢管束示意

2016 年建成的万郡·大都城项目，作为全国最大的抗震、低碳、节能、环保的绿色住宅样板工程，成功地应用了该结构体系，总建筑面积约100 万m2，层数33 层。

3 结束语

我国的装配式钢结构目前仍处于创新理念阶段，发展状况仍需进一步提升，技术仍需进一步完善，但这种结构形式本身有其突出优势，如绿色、节能、环保、便于施工、经济适用、安全稳定、抗震能力强，这与国家提倡节能减排理念、绿色文明施工理念相一致，势必会作为国家重点扶持及发展领域，因此发展前景广阔，必将成为我国建筑业新模式[11-12]。