新型輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系及其應用
徐 凌 ，朱浮聲
(1．鞍 山科技 大學 土木 與交通工程學 院 ，遼 寧 鞍 山 I14044；2．東北大學 資源與土木 工程學 院 ．遼寧 沈 陽 I10006)
摘 要 ：對我國輕鋼住宅結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)、研究以及結(jié)構(gòu)體系特點進行分析，并論述了輕鋼住宅結(jié)構(gòu)體系和
維護 結(jié)構(gòu) ，通過 國 內(nèi)輕鋼 住宅研 究及 應用 的介 紹 ，強調(diào) 北 方地 區(qū)發(fā) 展輕 鋼住 宅的有利 條件．
關(guān)鍵詞 ：住宅；輕鋼結(jié)構(gòu)；體系；產(chǎn)業(yè)化
中圖分類號 ：TU392．5 文獻標識碼 ：A 文章編號 ：1672—4410(2004)04—029004
我國是世界上最大的磚砌體建筑 和混凝土 建筑大國，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計每年生產(chǎn)磚 7000多億塊 ，約占世界產(chǎn)量 的二分之一；生產(chǎn)水泥5億噸 ，約占世界產(chǎn)量 的三分之一．生產(chǎn)磚 的代價是每年毀掉農(nóng)田15萬畝 ，消耗標準煤 7000萬噸 ；生產(chǎn)水泥的代價是每年排放溫室氣體C0約3億噸 ，破壞的礦山和排放的廢水難以統(tǒng)計．而且磚和混凝 土還 是不可再 生材料 ，形成 的建筑垃圾難 以處理．本世 紀頭二十年 我國全面建設(shè)更 高水平 的小康社會 的關(guān)鍵是看住房，目前 我國的住宅都 以磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝 土框架結(jié)構(gòu)為主，這種傳統(tǒng)的小開問、功能單一、能耗高 、資源消費大 、抗震性能差 、施工速度慢、受季節(jié)限制的結(jié)構(gòu)體系已不能滿足現(xiàn)代社會的要求。根據(jù)建設(shè) 部 、國家經(jīng)貿(mào)委 、國家質(zhì)量技監(jiān)局 、國家建材局《關(guān) 于在住宅建設(shè)中淘汰落后產(chǎn)品的通知 》(建住宅 [1999]295號文 )的要求 ，各直轄市、沿海地區(qū)的大中城市和人均占有耕地面積不足 0．8畝的省份的大中城 市的新建住宅 ，逐步限時禁止使用實心粘土磚 ，限時截止期限為3年．另外為貫徹落實中共 中央 國務(wù) 院《關(guān)于加快技術(shù)創(chuàng)新 ，發(fā)展高技術(shù) ，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 的決定 》，迫切需要研究 、開發(fā)和推廣 造型優(yōu)美 、結(jié)構(gòu)性能優(yōu) 良、使用方便 、施工速度快 、經(jīng)濟合理 的住宅 建筑體 系來代替現(xiàn)有的結(jié) 構(gòu)體 系．使 我國住宅 建設(shè) 向舒適化 、功能化、智能化 、產(chǎn)業(yè)化方 向發(fā)展．輕 型鋼結(jié) 構(gòu)正是住宅建設(shè)中具有獨特優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)體系。
1 國內(nèi)外發(fā)展及試點工程
在國外采用鋼結(jié)構(gòu)住宅的大都是鋼鐵生產(chǎn)大國和鋼結(jié)構(gòu)建筑 比較 發(fā)達的國家和地 區(qū)．輕鋼建筑結(jié)構(gòu)在歐美 發(fā)展較快．近幾 年，日本 的發(fā)展更快．在美 國、加拿大 、澳 大利亞 、日本 、瑞典等 國家 ，鋼結(jié)構(gòu)中的用 鋼量已經(jīng) 占鋼材產(chǎn)量的 3O 以上．鋼結(jié)構(gòu)住宅 占住宅總建筑面積 的 4O 以上，采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系建設(shè)建造 的單層 和多層建筑物 占 5O％以上．日本新建 的 1—4層 住宅大都采用 輕鋼結(jié)構(gòu) ，以色列居 民定居點 的住宅也是 以輕鋼結(jié)構(gòu)住宅為主．這些 國家在 鋼結(jié)構(gòu)住宅 的抗震性能 、防火 、防滲 、建筑 材料、結(jié)構(gòu)形式等方面 的研究處于世界領(lǐng)先水平．美國在輕鋼結(jié)構(gòu)體系的分析 、設(shè) 計計算 的理論和方法及制造工藝上已經(jīng)非常完善 ，開發(fā)了多種專利產(chǎn)品 ，其專用 的設(shè) 計軟件可在短時間內(nèi)完成設(shè)計、繪 圖、工程量統(tǒng)計及工程報價 ，在制作上也實現(xiàn) 了高度的標準化及工廠化 ，現(xiàn)有 34家專 門生產(chǎn)單元式 建筑的公司．瑞典是 當今世界上最大的輕 鋼結(jié)構(gòu)制造國．其輕鋼結(jié)構(gòu)住宅 中預制構(gòu)件數(shù)量達 95 ．目前在鋼結(jié)構(gòu)住宅體系上，國外已開發(fā)了鋼結(jié) 構(gòu)工業(yè) 化生產(chǎn)體系 ，并不斷提升住宅產(chǎn)品的性能指標．而且 國外的研究 已進入對住宅體系靈 活性 、多樣性 研究 ，進而擴大適 應面和產(chǎn) 生規(guī)模效應．例如 ，日本 的三澤住 宅以“百年住宅”的概念 ，英國的以“建筑生產(chǎn)反思”的觀念等使住宅產(chǎn)業(yè) 化的實現(xiàn)體現(xiàn) 出：以模數(shù)化構(gòu)建標準化 ，以標準化推動工業(yè) 化 ，以工 業(yè)化促進產(chǎn)業(yè)化．
自1979年我 國從澳大利 亞引進輕型鋼 架結(jié)構(gòu) 以來 ，輕 鋼結(jié)構(gòu)有 較大 發(fā)展．從 20世 紀 90年代后期開始系統(tǒng) 研制與開發(fā)鋼結(jié) 構(gòu)住 宅 ，發(fā)展較快 ．建設(shè)部 在《中國建筑 技術(shù)政 策 》(1996—2010年 )中提 出 了“積極 、合作較 快地 發(fā)展鋼結(jié)構(gòu) ”任務(wù) ，強調(diào)加 速推廣定 型化 的輕型房屋 鋼結(jié)構(gòu) 體 系；建設(shè) 部等 8部 門共同擬訂的《關(guān)于推進住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，提高住宅質(zhì)量的若干意見》(國辦發(fā)[1999]72號文)提出了要加強新 型結(jié) 構(gòu)技術(shù) 的開發(fā)研究 ，積極 開發(fā)和推廣 使用輕 鋼框 架結(jié)構(gòu) ，要求 到 2005年初 步建立住 宅 的工業(yè) 化和標 準化生 產(chǎn)體 系 ，到 2010年形成 系列的住 宅建筑體系．另外我 國“十五”期 間計劃 達到 每年建筑鋼 結(jié)構(gòu)用 鋼量將 占全 國鋼材總產(chǎn)量 的 3%，到 2015年將達 到鋼材 總產(chǎn)量 的 6 ，這 是 已經(jīng)公 布 的《國家建 筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè) “十五 ”計劃和 2015年發(fā) 展規(guī)劃 綱要 》明確提 出的發(fā)展 目標．
我國經(jīng)濟 以 7%以上 的速 度持續(xù) 發(fā)展 ，住宅 建筑逐步 成為 國 民經(jīng)濟 的支柱 產(chǎn)業(yè)．預計 10年內(nèi)將新建住宅 56億 m ，如按 年竣 工面積 1 一5 采用鋼結(jié) 構(gòu)計算 ，每 年鋼結(jié) 構(gòu)住宅 的建筑 面積將達到 560—2800萬 m ．需 用鋼 材 28—140萬 噸／年 ，而 2002年 鋼筋 混凝土 中建筑 用鋼 量為 200萬 噸／年．與此 同時 ，我國鋼鐵行業(yè)迅 猛發(fā)展 ，鋼產(chǎn)量從 1978年的3718噸增加到 1996年 的超 過 1億 噸 ，2002年 的鋼產(chǎn)量是 1．9218億 噸 ，根 據(jù)最新消息 2003年 1—11月統(tǒng)計 我 國鋼產(chǎn) 量是世界 上首 次突破 2億噸 的國家．目前 中國建 筑鋼材 品種 豐富 ，價格合理 ，新產(chǎn)品開發(fā)力度大．其 中熱軋 H 型鋼 2002年底達 到 100多萬噸 ，其他鋼 結(jié)構(gòu)用 的 中厚板 、型鋼 、鋼管 、高頻 焊接 H 型鋼 、冷彎 型鋼及涂鍍層 鋼 板等都 有顯著增 長．寶鋼 、武鋼 、馬鋼 的耐火耐候鋼在 工程 中得 到使用 ，武鋼 、浦鋼 、鞍鋼厚板 在工程 中廣泛使 用 ，馬鋼 、萊鋼 H型鋼供不 應求 ，為鋼結(jié) 構(gòu)住宅提供 了各種規(guī)格 的鋼材．另外 為促進 我國鋼結(jié) 構(gòu)住 宅產(chǎn)業(yè) 發(fā)展 ，建設(shè)部 于2002年發(fā)布 了《鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化 技術(shù) 導則 》，并評 審通 過 了三批 共 36項 鋼結(jié) 構(gòu)住 宅科 研項 目立 項 和確定 了北 京賽博 思金 屬結(jié) 構(gòu)工 程管理公 司的第一個 建設(shè)部鋼結(jié)構(gòu) 住宅產(chǎn)業(yè) 化科技 示范 工程 ，建筑 鋼結(jié)構(gòu) 的鋼 材、設(shè) 計 、制造 、施工 、行 業(yè)標準 、規(guī)范 約 6o本 已基本編制修訂 完成．《鋼結(jié)構(gòu) 住宅設(shè) 計規(guī)程 》正在編 制 。
國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅從研究 開發(fā) 到工程 試點 ，發(fā)展速度非?？?，現(xiàn)在已經(jīng)建成100多萬m2。已經(jīng)建立試點工程的有：北京 、上海 、天津 、湖南 、安徽 、江陰 、南京 、山東 等地。
2 特點與建筑體系
2．1 特 點
輕鋼結(jié) 構(gòu)一般指 承受相對較小的外加荷載，采用較小 的構(gòu)件截面 尺寸 ，結(jié)構(gòu) 自重較 輕的鋼結(jié) 構(gòu)．輕鋼住宅結(jié)構(gòu)是 以經(jīng)濟型材構(gòu)件 ，包括冷彎型 鋼 、熱 軋或焊接 H 型鋼 、焊 接或無縫 鋼管及其 組合構(gòu)件作 為住宅承重骨架 ，輕 型墻 體材 料作為 圍護結(jié)構(gòu)所 構(gòu)成．與傳統(tǒng) 的住 宅結(jié)構(gòu)相 比，輕鋼結(jié)構(gòu)住 宅有許 多優(yōu)點．
2．1．1 建筑 空間布 置靈活 ，真正體 現(xiàn)“以人 為本”的設(shè) 計理 念 傳統(tǒng)住宅開 間小 ，裝修增減墻體 (尤其承重墻)即破壞結(jié)構(gòu) 又浪費．鋼砼框 架結(jié) 構(gòu)造價高 、施 工周期較長 ，柱 的截面尺 寸大 ，影 響空間布置 ，而鋼住宅柱距 、開間大 ，所有墻體都是非 承重 墻 ，可隨意分隔和布置 ，可增加使用面 積 5%一8%。
2．1．2 選材合理 ，結(jié)構(gòu) 多樣 與鋼結(jié) 構(gòu)配套 的輕質(zhì)墻板 、復合樓板等新 型材 料 ，符合建筑節(jié)能和環(huán)保的要求 ，可 以達 到節(jié) 能 50 的 目標 ，極大地 節(jié) 約 了我 國人 均 缺少 的能源．在豎 向 可布 置躍 層和錯 層體系 ，屋頂 形式 可豐 富多姿．
2．1．3 輕 質(zhì)高 強、抗震性 能好 ，安 全性 高 ，使 用年限長 輕 鋼結(jié) 構(gòu)采用 自重小 的輕質(zhì)墻 體和 樓面材料 ，構(gòu)件 尺寸小 ，一般可減輕建筑結(jié)構(gòu) 自重的 30 ，質(zhì)量是 鋼筋混凝土住宅 的 1／2左右 ，6層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的質(zhì)量 僅相 當于 4層 磚混結(jié) 構(gòu) ，并充分 發(fā)揮鋼 材強度高 、延性好 的特點 ，抗震 性能很 好 ，安全性 高．防潮得 當可延長使用 壽命 ．
2．1．4 實現(xiàn)住 宅建設(shè) 的工業(yè)化和產(chǎn) 業(yè)化 輕鋼結(jié) 構(gòu)在工廠制 作 ，現(xiàn) 場安裝 ，易于工廠 規(guī)模生產(chǎn) 和標準化 、系列化 ，可采用工業(yè)化生產(chǎn)方式 ，實現(xiàn)技術(shù)集成化 ，提高住 宅的科技 含量和使用功能 ．
2．1．5 設(shè)計技 術(shù)先進 利用 先進 的計算機 輔助設(shè)計 (CAD)和計算 機輔助制造 (CAM )技術(shù) ，能全 面按用戶要求進行設(shè)計，且效率高、報價快、造價低、供貨迅速．
2．1．6 施 工方便 、工期短 ，不受季 節(jié)限制 輕鋼結(jié)構(gòu)住宅基本 為干法施工 ，裝配化程度高 ，質(zhì) 量可靠 ，不支模 ，不受氣候 影 響 ，尤其 在北方地 區(qū)更適 用．同時安裝元需 大型機械設(shè) 備 ，施 工臨時用地 少 ，建設(shè) 快速、高效、簡便．與傳統(tǒng)住宅體系相比，輕鋼住宅至少可縮短 1／3的工期．提高投資效益 ，建造一個幾萬m。小 區(qū) ，周期 ～般 為 2—3年 ，而采用 輕鋼建 筑一般 為 6—12個月．例如上海 現(xiàn)代房產(chǎn)實業(yè) 有 限公 司建造的500m。的二層 別墅僅用 了 45個工 13，并且包括 內(nèi)外裝修 ．而湖南遠大集 團 7層 5300m。輕鋼住宅±0．00以上只用 2O天 就安 裝完成 ．
2．1．7 符合 國家環(huán)保和可持續(xù)性發(fā)展 的要 求 輕鋼住宅所用材料都是節(jié)約土地 、能源和資源的永久性材料．而且大部 分材 料可回收和再生 ，施工 現(xiàn)場濕作業(yè)少 ，建造和拆除時對環(huán)境污染較小 ，利國利民．
2．1．8 綜合 經(jīng)濟效益好 輕鋼結(jié)構(gòu)截面尺 寸小 ，增加 了住 宅的使 用面積 ，降低 了房屋高度 ，增加 了凈高；房屋保溫隔熱性能好，使用能耗低；基礎(chǔ)處理難度和費用降低 ，可降低 10 一2O ；節(jié)約投資利息一般可達總投 資的 2O 左右 ；投 資周期 短 ，收效快 ；人工 費用 和模板等其他輔助材料費用 減少．
2．1．9 具有較 高的性 能價格 比 小 高層 鋼結(jié)構(gòu)住 宅單位建筑 面積造價與規(guī) 模相同 的混凝 土結(jié)構(gòu)建筑造 價基本 相 當，多層鋼 結(jié) 構(gòu)住 宅單 位 建筑 面積 造價 比規(guī)模 相 同 的混 凝 土結(jié)構(gòu) 建筑 造價 高 約 5％～1O% 左右 ，但 由于具 有上述幾方優(yōu)點 ，所 以具 有較高的性能價格 比．
2．2 建 筑 體 系
2．2．1 結(jié)構(gòu)體 系 (1)輕鋼龍 骨 (冷 彎薄壁型鋼 )體系 ，3層 以下采用．(2)純鋼框架結(jié)構(gòu) ，4～6層采用 ；(3)鋼框 架一砼 剪力墻混合結(jié)構(gòu) 體系 ，樓梯 間和電梯 間布置成鋼筋 混凝土簡體 ，鋼框架 布置在 四周．4— 12層采用．(4)鋼框 架一鋼支撐體系 ，支撐可 結(jié)合樓梯 、電梯間布置．7—12層 采用 ．(5)鋼框架 預制 混凝土墻體結(jié)構(gòu) ，4—6層采用 ．(6)鋼框架一鋼板 剪力墻結(jié)構(gòu) ，正在研發(fā) 當中。
2．2．2 樓面結(jié)構(gòu) (1)壓型鋼 板～現(xiàn)澆鋼筋砼組 合樓板．通過栓釘將 壓型鋼 板固定在鋼架上 ，可做為永久性樓 板 ，現(xiàn)澆砼板 可采用輕骨料 砼．(2)預制 預應 力薄板上疊合 現(xiàn)澆層 樓板．將工業(yè) 化預 制的預應力砼薄板與 鋼梁連 接 ，上澆砼 板組成疊合板 ，這種疊合 樓板 同樣 無需模板 ，施工方便 ，省 去壓型鋼板 ，降低造價．(3)密排托 架一現(xiàn)澆砼組合 樓板．樓面 次梁采用密 排托架代替與砼 樓板組合 工作 ，設(shè) 備管道可從托架空腹穿 過 ，節(jié)約凈空 ．(4)輕骨料加 氣砼 樓板．采 用現(xiàn)澆 或預制輕骨 料或者加氣砼 的樓板可減 輕 自重．
2．2．3 基 礎(chǔ) 輕鋼建筑 的 自重輕 ，基礎(chǔ) 可相對較小 ，以柱 下單獨基 礎(chǔ)為主 ，當?shù)?基較軟弱 時 ，可 采用條形或十字形基礎(chǔ) ，柱腳 剛性連接 ，基礎(chǔ)梁采用鋼砼梁 或外包砼的鋼梁．
2．2．4 墻體 結(jié)構(gòu) 采用輕 質(zhì)材料 或輕質(zhì) 保溫 復合墻 板 ：(1)自承 重式 的空 心砌塊 ；(2)加氣 砼塊 ；(3)非 自承重 的壓型鋼板夾芯板 ：(4)蒸壓輕質(zhì)加氣 砼板 (AIC)；(5)萊 鋼生產(chǎn) ICC—A，ICC—B，LCC—C型系列墻 板 ；(6)稻草板 ；(7)玻璃纖維加強水 泥外墻 板 ；(8)玻璃幕墻 、墻梁可采用冷彎薄型槽鋼 、卷邊槽鋼 、卷邊 Z型鋼 等。
3 北方地 區(qū)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅 的有利條件
(1)國家 機關(guān)政策 的頒 布和實施．(2)國家的標 準 、規(guī)程等逐 步實施和完 善．例 如 ，《冷彎 薄壁 型鋼技 術(shù) 規(guī) 范 》(GBS0018)、《門 式 剛 架 輕 型 房 屋 鋼 結(jié) 構(gòu) 技 術(shù) 規(guī) 程 》、《鋼 結(jié) 構(gòu) 工 程 施 工 及 驗 收 規(guī) 范 》(GB50205—95)、《輕 型房 屋 鋼結(jié) 構(gòu)技 術(shù)規(guī) 程 》等．(3)校 企合 作 已見成 效 ，有 利地促 進 鋼結(jié) 構(gòu)住宅 的開發(fā)．國 內(nèi)高校 與企業(yè) 聯(lián)合進一步加 強 ，例 如科技部委托建 設(shè)部作為鋼結(jié) 構(gòu)住宅項 目組 織單位 ，由同濟 大學 中標并牽 頭組織 ，上海大通鋼結(jié)構(gòu)公 司、日本 住友金屬 、南京旭建公 司共 同參與攻關(guān)的“輕鋼結(jié)構(gòu)住宅建 筑 體 系關(guān) 鍵 技 術(shù) 研 究 課 題”已經(jīng) 基本 完 成．(4)鋼 結(jié) 構(gòu) CAD 專 用 軟件 開發(fā) 比較 完善．例 如 ，國 內(nèi)PKPM 系列 3D3S和 M＆SteeI軟 件 ，國外 針 對 中國設(shè) 計 規(guī)范 推 出的 STRAP，STAAD，SAPX 和 AN—SYS設(shè)計軟件 ．(5)國內(nèi)外鋼結(jié) 構(gòu)等相關(guān)公 司的積極 參與和支持．例 如 ，國外有美 國的 巴特勒公司 ，法 國PPB公 司 ；國 內(nèi)有 江蘇省 頗具 實力 的輕 鋼房屋公 司 4O一5O家 ．上 海 、北京 、南 京 、山東 、湖南 、天津 等地有許 多輕鋼房屋 公司．例 如 ，馬鞍 山鋼鐵公 司、山東萊蕪 鋼鐵公 司等．(6)北 方鋼 結(jié)構(gòu)住宅開 發(fā)應用 少、起步晚，前景廣闊，是房 地產(chǎn) 開發(fā) 的新“賣點 ”．(7)輕 鋼住 宅保 溫性 能好 ，施工 不受 季節(jié) 限制 和天氣 限制 ，更適合 北方應用 ．(8)遼寧省 是全 國鋼鐵 大省 ，有實 力雄厚 的鞍 山鋼鐵公 司 、本 溪鋼鐵公 司等 ，供 貨更方便．(9)可 以帶動鋼鐵 、建材 、冶金 、信息 、機械 等行業(yè) 的發(fā)展．
4 結(jié) 論
鋼結(jié)構(gòu)住 宅在我 國還處 于發(fā) 展階段 ，還有許 多問題需 要進一步研究 和完善 ，但 是住宅 產(chǎn)業(yè) 化是 我國住宅業(yè)發(fā)展 的必 由之路 ，鋼結(jié)構(gòu)住宅體系能夠?qū)崿F(xiàn)定 型化設(shè) 計 、標準化制作 、工業(yè)化生產(chǎn) ，墻體材料可 以采用節(jié)能 、環(huán)保 的新型 材料 ，屬 于綠色 環(huán)保性建 筑 ，同 時又可再 生利 用 ，符合 可持續(xù) 發(fā)展．所以，大力 研究 、開發(fā) 、推廣和發(fā)展輕 型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系 ，建設(shè) “百年住宅 ”，實現(xiàn)小康社會的住 宅 ，用新的結(jié)構(gòu)體 系替代磚瓦結(jié)構(gòu) ，是建 筑業(yè) 同行 的共 同 目標．
