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鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用分析
沈黎元 劉建兵
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鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用分析
Application analysif of steel structure residence
沈黎元 劉建兵 Shen Liyuan Liu Jianbing
摘 要：本文論述了鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)，介紹鋼結(jié)構(gòu)在住宅中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了我國(guó)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)解決的基本問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：住宅，輕鋼結(jié)構(gòu)，造價(jià)
Abstract:First, the features of steel structure house are discussed in this paper; then the application of the steel structure in dwelling construction at home and abroad is present; finally the problems requiring further research are summarized.
Key words: housing, lightweight steel structure, cost of building
中圖分類號(hào)：TU391
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1008-0422(2005)04-0061-02
研究開(kāi)發(fā)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能住宅，采用節(jié)能、工廠化生產(chǎn)的墻體材料代替粘土磚，采用新型高效的采暖供熱系統(tǒng)，使住宅建筑向舒適化、功能化、智能化、工業(yè)化發(fā)展，是順應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，也是住宅建筑行業(yè)二十一世紀(jì)的主導(dǎo)方向。
1 鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)由于在高層建筑和大跨度高聳結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性，使其在非居住建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和住宅商品化、產(chǎn)業(yè)化的要求，促進(jìn)了住宅新技術(shù)和新材料的研究、應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)是建筑中最適合創(chuàng)新的住宅結(jié)構(gòu)體系。
鋼結(jié)構(gòu)住宅與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，在建筑形式、結(jié)構(gòu)體系，制作施工，綜合經(jīng)濟(jì)以及環(huán)保方面具有優(yōu)勢(shì)。
1.1建筑形式
傳統(tǒng)住宅由于所用材料的性質(zhì)，限制了空間布置的自由。如果開(kāi)間過(guò)大，就會(huì)造成樓板厚度大，梁柱截面過(guò)大，不但影響室內(nèi)美觀，而且加大結(jié)構(gòu)重量，增加土建投資。鋼結(jié)構(gòu)住宅可以利用鋼材強(qiáng)度高的特點(diǎn)，采用大空間柱網(wǎng)布置，使建筑平面分割靈活。同時(shí)，利用鋼結(jié)構(gòu)連接簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在垂直平面內(nèi)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更好地應(yīng)用錯(cuò)層、躍層結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)住宅的構(gòu)件截面尺寸小，可以增加使用面積，提高得房率。鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻體薄，墻體占用面積小，與磚混結(jié)構(gòu)相比，可減少墻體占地面積60％左右，有效地增加使用面積。
1.2結(jié)構(gòu)體系
高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中的結(jié)構(gòu)體系一般為鋼框架與混凝土筒體（墻體）混合結(jié)構(gòu)體系，鋼框架支撐體系等；多層鋼結(jié)構(gòu)住宅多采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系；對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)別墅，應(yīng)用較多的為輕鋼龍骨體系。這些鋼結(jié)構(gòu)體系承載強(qiáng)度高，抗震性能優(yōu)越。
在抗震設(shè)防區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有許多不足之處，而鋼結(jié)構(gòu)重量輕，六層輕鋼住宅的重量?jī)H相當(dāng)于四層磚混結(jié)構(gòu)的重量，因此，本身所受的地震作用��；而且，鋼材具有高延性，有較好的耗能能力，因此，抗震性能好，結(jié)構(gòu)安全度高。
1.3制作施工
現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借助于計(jì)算機(jī)和專業(yè)化結(jié)構(gòu)分析軟件，使得設(shè)計(jì)周期大大縮短，設(shè)計(jì)中的修改和調(diào)整非常方便。同時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)具有工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的特點(diǎn)，可以將前期設(shè)計(jì)和現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)手段相結(jié)合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和數(shù)控機(jī)床結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員在工作室中完成設(shè)計(jì)后，即由工廠的生產(chǎn)線完成產(chǎn)品制作，具有極高的效率和精確度，可以大大減少項(xiàng)目建設(shè)周期。
現(xiàn)澆混凝土連續(xù)施工，在我國(guó)北方地區(qū)受到施工季節(jié)的影響。鋼結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量小，減少了施工臨時(shí)用地，與傳統(tǒng)建筑材料相比，對(duì)周圍環(huán)境污染小，提高施工的機(jī)械化水平。由于鋼結(jié)構(gòu)本身可作為勁性結(jié)構(gòu)承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載和施工荷載，施工時(shí)可以節(jié)省支模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。
1.4綜合造價(jià)
鋼結(jié)構(gòu)承載力高，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大開(kāi)間布置，自重輕，地基的處理比較容易。由于基礎(chǔ)在工程造價(jià)中占有比重比較大，從而減少整個(gè)項(xiàng)目的投資。鋼結(jié)構(gòu)施工機(jī)械化高的特點(diǎn)，從另一方面減少了人工費(fèi)用和模板等其它輔助材料費(fèi)用。鋼結(jié)構(gòu)住宅能做到設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化，制造工期短，快速有效的收回投資。
1.5環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展
鋼結(jié)構(gòu)適宜工廠大批量生產(chǎn)，工業(yè)化、商品化程度高。它能將節(jié)能、防水、隔熱、門(mén)窗等先進(jìn)的成品集合在一起，實(shí)現(xiàn)綜合成套應(yīng)用，將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工安裝一體化，提高住宅的產(chǎn)業(yè)化水平。今后隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市改造需要拆除大量的舊建筑，鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拆除更容易實(shí)施，鋼材回收利用率高、拆除成本低、污染較小，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結(jié)構(gòu)住宅體系易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型材料，是綠色環(huán)保性建筑，可再生重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。
2 鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，在許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、英國(guó)、澳洲等，正積極推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)的中低層住宅。在澳大利亞，2000年鋼框架住宅占全部住宅數(shù)量50％。在芬蘭、瑞典、丹麥以及法國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)住宅越來(lái)越普及，也形成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化住宅體系。
2.1日本
在日本，常用的住宅體系為：6層以下的低層建筑采用純鋼結(jié)構(gòu)，6～16層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，16層以上的底部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部采用純鋼結(jié)構(gòu)的較多。
鋼結(jié)構(gòu)住宅在日本稱為工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)住宅(圖1)。60～80年代，日本經(jīng)濟(jì)處于大發(fā)展階段，鋼結(jié)構(gòu)建筑也得到飛速發(fā)展，其建筑面積超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)，其中也包括大量住宅。
由于近年經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨緩，對(duì)大規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)住宅開(kāi)發(fā)已趨低潮，但對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)住宅研究仍然重視。多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的框架多采用方鋼管混凝土柱。
2.2 美國(guó)
1996年，美國(guó)已有了20萬(wàn)幢鋼框架小型住宅，約占住宅建筑總數(shù)的20％。美國(guó)高層和多高層建筑廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)體系，作為住宅主要開(kāi)發(fā)2~3層的別墅，采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系(圖2)。也有6~8層的群體住宅建筑，結(jié)構(gòu)形式采用交錯(cuò)桁架體系，該結(jié)構(gòu)體系新穎，目前在澳大利亞等國(guó)也在開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
2.3 國(guó)內(nèi)情況
國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)住宅尚處于起步階段。隨著國(guó)內(nèi)鋼產(chǎn)量的增加，建造高層、多高層鋼結(jié)構(gòu)的住宅已提上日程，中國(guó)開(kāi)始試驗(yàn)建造的鋼結(jié)構(gòu)住宅，最早是在1994年，上�，F(xiàn)代房地產(chǎn)公司建于上海北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu)住宅采用冷彎成型矩形鋼管混凝土和U形冷彎薄壁組合梁組成框架，外墻采用稻草板。1999年還在新疆和上海分別建造了8層和5層鋼結(jié)構(gòu)住宅。
20世紀(jì)80年代中期，隨著我國(guó)改革開(kāi)放的深入，工業(yè)化的輕鋼別墅也進(jìn)入我國(guó)，上海龍柏飯店、大連桃園山莊、北京光明公寓等從日本引進(jìn)幾百棟工業(yè)化輕鋼結(jié)構(gòu)低層別墅。近幾年蘇州、廣州又從澳洲、加拿大等引進(jìn)二、三層別墅，這些房屋的骨架和維護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備等全套從國(guó)外引進(jìn)，中方只負(fù)責(zé)基礎(chǔ)、地坪及房屋部件組裝。目前國(guó)內(nèi)一些單位也在進(jìn)行輕鋼結(jié)構(gòu)別墅的試點(diǎn)（圖3）。
3 鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究問(wèn)題
目前，低層別墅式的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在我國(guó)也有越來(lái)越多的成功應(yīng)用。但我國(guó)人多地少，多高層住宅有更大的市場(chǎng)需求，但目前在多高層住宅體系中使用鋼結(jié)構(gòu)還存在諸多難點(diǎn)需要解決。
3.1建筑形式
多高層住宅的建筑布置靈活，房型變化多，要真正體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)該提供能廣泛滿足用戶需求的實(shí)用的房型。
3.2結(jié)構(gòu)體系
承重鋼結(jié)構(gòu)體系的研究有待于進(jìn)一步深入。包括結(jié)構(gòu)方案的分析比較、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造方式、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形式和構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)；計(jì)算模型的優(yōu)化及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面；在多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中，因?yàn)槌惺茌^大的荷載作用，因此鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的尺寸會(huì)比較大，這些構(gòu)件是否會(huì)影響住宅的使用也是必須明確的問(wèn)題。
3.3維護(hù)部件與設(shè)備管線
住宅是使用要求最高的民用建筑，墻體維護(hù)材料的選擇至關(guān)重要。需要研發(fā)具有保溫、輕質(zhì)、堅(jiān)固、飾面效果好、符合環(huán)保要求、便于裝配式施工、經(jīng)濟(jì)合理的理想墻板。目前國(guó)內(nèi)雖已有多種新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，但多不盡人意。
多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅內(nèi)水、電、暖通管線繁多，設(shè)備管線如何與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及墻體配合，是影響鋼結(jié)構(gòu)住宅使用性能的一個(gè)重要內(nèi)容。
3.4制作施工
鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)應(yīng)向產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)發(fā)展，研究全裝配化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到構(gòu)件工廠生產(chǎn)化、施工機(jī)械化。
3.5經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅必須具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其造價(jià)應(yīng)不高于傳統(tǒng)的住宅體系。
總之，鋼結(jié)構(gòu)體系住宅形成成套的技術(shù)與施工安裝體系后必將大大促進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，直接影響著我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和前途。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 高光虎. 多高層輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì). 建筑結(jié)構(gòu) 2001年8月
[3] 弓曉蕓 嚴(yán)虹. 國(guó)外工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用探討. 工業(yè)建筑 2001第31卷第8期
作者單位：上海建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司
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