住宅鋼結構建筑體系的綜合概述

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摘要： 為使大家能夠對住宅鋼結構有個充分的理解，從而在未來的工程管理、策劃、銷售上認識和充分利用鋼結構的獨特性。本人根據以往的工程實踐及半年多來對鋼結構在住宅建筑領域中的優(yōu)勢以及其 發(fā)展 和制約因素匯總如下。 

關鍵詞： 鋼結構 建筑體系 多維集團擬在長春、大連、北京等地建設高檔別墅小區(qū)，平均在三至四層左右，為增加賣點，集團決定其別墅的結構為鋼框架的結構形式。事實上，住宅采用鋼結構的結構形式在我國現階段，不僅僅是增加賣點的單一 問題 ，而且是具有轟動效應的問題，也就是說在無需廣告投入的基礎上提高了 企業(yè) 的知名度。因為，就 目前 為止，我國尚無一例如此大面積的鋼結構高檔別墅的開發(fā)單位，這本身就是企業(yè)實力的表現，這種 社會 效應是無形中的。   為使集團各公司能夠對住宅鋼結構有個充分的理解，從而在未來的工程管理、策劃、銷售上認識和充分利用鋼結構的獨特性。 本人根據以往的工程實踐及半年多來對鋼結構在住宅建筑領域中的優(yōu)勢以及其發(fā)展和制約因素匯總如下：   一、鋼結構住宅體系的概念：     住房的建筑形式和風格千差萬別，但就結構體系（支撐骨架）而言，只有磚混結構、木結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構等幾種主要的結構形式。隨著國家對環(huán)境保護意識的認識不斷加深，對木材和粘土磚已經提出限制、限時使用，現階段我國住宅建筑的主要結構形式主要以鋼筋混凝土框架為主，但該結構施工煩瑣、施工垃圾多且結構自重大，進深和開間相對較小，梁、柱粗大，空間利用率較低等缺點，這在一定程度上無法滿足條件越來越高的住宅建筑的功能要求。因此，開發(fā)堅固耐久，建造迅速，空間布置靈活，易于改建的新型住宅結構體系，則成為住宅建筑和結構發(fā)展的重要趨勢。   隨著我國鋼產量的快速增長，新型建材的發(fā)展和 應用 ，符合上述要求的鋼結構住宅體系逐步發(fā)展起來并引起了廣泛的關注。   所謂的鋼結構住宅體系就是指由維護墻體、隔斷墻體、樓板與主體鋼結構共同組成的住宅體系。     本文闡述的住宅鋼結構體系是指純鋼結構（鋼框架或框架 -支撐）體系，介于高層鋼結構（鋼框架或鋼框架-混凝土剪力墻）體系與冷彎薄壁型鋼鋼結構（Z、C等輕型鋼結構）體系之間的多層鋼結構住宅體系。    二、鋼結構住宅體系的優(yōu)勢     鋼結構住宅體系與傳統(tǒng)的結構體系相比具有以下優(yōu)勢：     1、利于 工業(yè) 化、產業(yè)化生產   鋼結構住宅體系是由預制構件（框架片、網片等）及與之相配套的定型維護墻板、門、窗、隔墻等組成的，因此滿足了工程化定型生產，現場拼裝的特點。     2、綠色建筑、節(jié)能建筑   環(huán)境破壞及污染少，改建和拆遷容易，材料的回收和再生利用率高。因此，鋼結構建筑達到了綠色建筑的要求，與鋼結構構件及其配套技術的輕質材料（如各種輕質墻板等）采用新型材料，符合節(jié)能建筑的要求。     3、提高空間的利用率   由于采用了輕型屋面及墻體結構，而且其支撐鋼結構的材料強度高，用料省，體形小，所以自重輕。故以鋼結構做支撐體系時，可建造開間，進深較大（大柱網鋼結構避免設置轉換層利于各種建筑功能要求），戶型戶內不設柱的靈活分隔的住宅來滿足建筑平面功能的要求；同時可提高住宅的空間利用率，適于住宅豎向的夾層、局部錯層的改造。而且，所需構件的截面小，在相同建筑面積下的建筑空間利用率增加 5~8%，這一點對以建筑面積銷售而言，開發(fā)商相對要吃磚混或鋼筋混凝土結構的虧，但作為銷售宣傳上，是極為有利的。    4、鋼結構構件可制造各種形狀，因此，使設計更加靈活，先進，它可以根據設計師的意愿來完成其建筑功能及建筑 藝術 特性。   5、由于鋼結構住宅的重量輕，體量小，且鋼結構本身具有良好的延性，因此其鋼結構住宅的抗震性能非常好，就地震破壞的情況 分析 來說，鋼結構建筑明顯的優(yōu)于剛性建筑-磚混結構和鋼筋混凝土框架結構。這一點在美國、日本、 臺灣 的地震當中都能得到明顯的證明。   6、減少基礎造價   由于鋼結構住宅建筑的自重較輕，基礎負載也相應的減少，因此降低了基礎工程的施工難度及造價。   7、施工周期短，提高資金的投資效益；施工現場文明   除基礎施工外，構件全部由專業(yè)工廠標準化生產，施工速度快，施工周期比傳統(tǒng)建筑縮短一半；各部件運抵現場組裝，施工現場文明，現場濕作業(yè)少，噪聲粉塵和建筑垃圾也少，滿足環(huán)境保護的要求；施工作業(yè)受天氣及季節(jié) 影響 較少（冬季可在工廠制作鋼構件），并且可以工廠制作與現場安裝平行進行，甚至一些標準化的住宅體系，可以隨訂貨，隨建造，大大縮短建造周期和資金占用時間。    8、綜合效益指數高   鋼結構住宅體系直接造價略高于混凝土結構大約 5%左右。但其 經濟 效益、社會效益高，在房地產企業(yè)激烈競爭的今天，它是房地產企業(yè)綜合實力的集中體現，對于提高企業(yè)產品品牌，提高企業(yè)的社會知名度都有較大的影響。     二、鋼結構住宅體系發(fā)展的動因     1、鋼結構的廣泛應用是一個國家技術水平的標志   在建筑結構領域建筑鋼結構是 科技 含量高，工程進步的標志，從發(fā)達國家地區(qū)來講，鋼結構由于提供了結構安全性，穩(wěn)定性，在設計上靈活、先進，因此鋼結構已成為許多建筑的主要結構形式。建筑、土木工程在日本建筑鋼結構用鋼量占 13%，而建筑鋼結構用鋼中，鋼結構構件住宅用鋼占了相當大的比例，而我國目前建筑鋼結構用鋼占鋼產量的比例僅有1.5%。    而今我國持續(xù)三年年鋼產量超過 1億噸，成為世界上鋼產量最多的國家，為此國家十五規(guī)劃中，確立了2010年全國鋼結構用鋼達到鋼材總量的5%左右，因此，國家鼓勵在住宅領域采用鋼結構。而且隨著我國鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，鋼材產量和質量陸續(xù)提高，尤其是受規(guī)格單一的影響造成扎制型型鋼的積壓，鋼材市場出現供過于求的局面，鋼材及型鋼價格將逐步下降，據調查顯示，鋼結構的材料、制作和安裝費用以由1995年的每噸9000~10000元下降到現在的5000~6000元（2000年底價格），幾乎下降了50%，因此鋼結構住宅的建筑成本也將隨之下降并能與鋼筋混凝土結構持平，甚至要比鋼筋混凝土結構還要低。所有這些都將為鋼結構住宅建設提供了發(fā)展平臺。    2、住宅建設只有走產業(yè)化的道路才有出路   作為商品的住宅它本身具備了商品的所有屬性，同時也具有其個性—大的投資和大的風險。   傳統(tǒng)的結構體系如磚混結構、鋼筋混凝土結構，施工周期長，且很大程度上限制了建筑的使用功能的要求，因此在技術不斷更新的年代，建筑功能也在不斷地變化和發(fā)展，今天的戶型設計出籠后，就意味著明天的不斷改進和變更才能滿足市場的要求，由于不斷的變更，勢必造成成本的增加和浪費，而鋼結構住宅則避免了上述的惡性循環(huán)，體現了其集約化，工業(yè)化生產程度，符合了可持續(xù)發(fā)展的要求。   3、根據國務院［1999］72號文件和建設部、國家經貿委、質量技監(jiān)局、國家建材局頒發(fā)的［1999］295號文件的要求，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畝的城市新建住宅中，逐步限時使用粘土磚的精神，磚混結構住宅將被屏棄，取而帶之的鋼結構住宅已經成為較為理想的適合我國國情的建筑體系之一。   4、隨著我國改革開放的逐步深入，綜合國力的加強，結合我國現有的規(guī)范的不斷完善和建立、建筑材料、施工能力、地域限制和房地產界的激烈競爭、住宅產品-住宅戶型設計和環(huán)境設計的透明度很高等現狀及國家政策導向等各種綜合因素的要求。   5、我國住宅鋼結構體系的 研究 已經歷了很長時期，已不是要不要做的問題，也不是回答能不能做的問題，而是要研究解決如何能把它做好的問題，是要完整的、配套的、高品質的、全新的把它研究好并推向市場的問題。   三、鋼結構的結構體系簡述     1、     工程基礎形式：一般采用鋼筋混凝土獨立柱基礎或筏板基礎。當有地下室時，鋼柱可直接延伸至地下室，結構傳力途徑簡捷；結構施工周期短，綜合造價降低。     2、     鋼框架或框架 -支撐結構體系    1）     鋼框架或框架 -支撐：在鋼結構住宅的鋼結構體系主要采用鋼管混凝土柱、輕型H型梁框架體系和H型鋼T形連接鋼柱、輕型H型梁預制鋼框架片通過鋼梁現場組裝的組合框架體系兩種鋼結構構成的縱橫兩個方向的多層框架體系類型。    鋼管混凝土框架柱鋼框架，即是在空鋼管內灌注高強度素混凝土而形成的復合受壓構件，它利用鋼管約束混凝土，使鋼管內的混凝土三向受壓，從而提高了混凝土的抗壓強度和延性，同時，管內的混凝土保證了鋼管的局部穩(wěn)定性，因此鋼管混凝土柱結合了鋼柱與混凝土柱的優(yōu)點，單柱的軸向承載力大幅提高，框架柱截面大幅減少，與 H型鋼柱相比，可節(jié)約用鋼量約50%，降低造價約45%，鋼管直徑不變，壁厚逐漸減?。涣硗?，鋼管混凝土柱中之混凝土可以吸收熱量，減慢鋼柱的升溫速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結構倒塌。    H型鋼T形連接鋼柱的組合框架，即是鋼結構采用工廠預制鋼框架片（鋼柱、鋼梁及支撐組合），現場組合的框架體系，技術上較為先進，拐角處將兩個三相垂直的H字型柱合并的處理 方法 ，雙向都有較強的剛度，無弱軸；增加了側向剛度（加一定支撐），整體結構受力效果好。每個單片框架可以將墻體龍骨、門窗框同時組裝在內，現場通過高強螺栓及連接板連接各框架片，這樣，現場即可直接將結構框架與墻體材料和門窗一起就位，加快建造速度。   鋼結構框架梁一般均采用高頻焊接 H型鋼，它的優(yōu)點是，翼緣板的寬度和厚度可以根據設計的要求任意改變，腹板的厚度可以滿足局部穩(wěn)定的條件下比扎制H型鋼（所說的工字鋼）薄，構件截面慣性距比扎制H型鋼增加20~30%，對于以承受彎距為主的框架梁等于節(jié)約了20~30%的用鋼量，因此，在與扎制H型鋼的比較中因重量輕、強度高、外觀美、加工方便、根據設計要求隨意定尺、生產能力強等優(yōu)點使其更具有經濟合理、截面尺寸選擇靈活的特性。    鋼柱與鋼梁之間的連接有剛性連接和鉸接兩種形式，剛性連接指腹板處采用高強螺栓連接，上下翼緣焊接的連接形式；鉸接連接指腹板處采用高強螺栓連接，上下翼緣無須焊接的連接形式。前者需要現場施焊，而后者無須現場施焊，安裝可不受天氣和季節(jié)限制，因此，大為簡化了安裝程序，現場作業(yè)量大為減少，鋼結構安裝速度可成倍的提高。同時可利用此鉸接節(jié)點，在鋼梁設計 計算 時，全部采用鋼 -混凝土組合梁截面進行計算，鋼梁受拉，現澆混凝土受壓，充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的受力特點，可節(jié)約鋼梁用鋼量，同時也降低了鋼梁的高度，增加了使用空間。    2）鋼結構的水平受力構件-樓板和屋面板形式分為預制樓板和現澆樓板兩種類型。由于，抗震、易開裂、隔音效果等因素，采用的很少?，F階段均采用現澆混凝土樓板，它分為壓型鋼板上現澆混凝土（復合板）和普通模板現澆混凝土兩種形式，后者從經濟角度考慮比較多，前者則更適合于鋼結構的特性：①壓型鋼板即作為模板又代替樓板下部受力鋼筋；②滿足防火要求；③無須支模；④提供工程作業(yè)面，以利土建、設備交叉作業(yè)；不影響工期；⑤天棚規(guī)整，無須找平砂漿（落物傷人），利于二次裝修效果（涂料、壁紙或其它）的體現。   3、圍護結構體系   與鋼結構體系相適應的圍護墻體材料的選擇是制約鋼結構住宅發(fā)展的一個非常重要的因素。它要求：①工廠化程度高，與鋼結構易于連接，②材料輕且強度高，③防水、抗?jié)B、抗凍性能強，④保溫、隔熱、節(jié)能，⑤外飾面，⑥耐火，⑦耐久性，⑧經濟指標易于接受，等等。     我國的墻體改革已經多年，但由于住宅墻體受各種綜合因素的影響較大，尤其是北方地區(qū)，對于保溫防水性能、安全性能、經濟指標等要求很高，雖然各種材料（復合墻體）很多，但真正能夠被人接受的很少。因此，許多開發(fā)商不得不采用最傳統(tǒng)的空心磚砌塊的形式，利用當地生產的輕質加氣混凝土砌塊（容重 700kg/m 3 ），但總是有別于鋼結構住宅的特性；對于復合墻體有多種形式，如：ALC、伊通輕質墻板；混凝土板材加苯板；砌塊加苯板；DP膜網等，這些墻板配以砂漿也可以保證墻體的功能。隨著我國建材業(yè)的不斷發(fā)展、完善，適宜于本地區(qū)的，適宜于鋼結構住宅生產的墻體材料必將大量涌現。    4、     鋼結構的防火     在滿足我國現行的防火規(guī)范要求下，鋼結構防火一般采用厚涂型和薄涂型（膨脹型）兩種，事實上，鋼結構防火材料的選擇占整個鋼結構成本的比重很大，這無形中也阻礙了鋼結構住宅的順利進行。     在鋼結構防火設計中我們仍可采用阻燃墻板、砌塊（包覆）進行鋼結構防火的方法。     例如：防火板內設耐熱巖棉板通過緊固件固定在鋼構件上。這種方法干施工、不受氣候條件的限制、融防火保護與裝修為一體。     5、     鋼結構的銹蝕     鋼結構的銹蝕與空氣的相對濕度及大氣中的侵蝕性物質含量有密切的關系。通常相對濕度在 60%~70%以下，鋼材的大氣腐蝕是輕微的，而一旦超過鋼材腐蝕的臨界濕度（60%~70%）鋼材的腐蝕速度將加快。因此，必須在鋼結構表面進行刷涂或噴涂防腐涂料。    防火涂料（分底漆和面漆）中底漆應與鋼材表面附著力好，面漆與底漆的粘結力強，漆層間作用、性能和硬度配套?，F大多采用溶劑基無機富鋅底漆。因為這種底漆的防銹壽命長，而且本身也可耐 500 0 C高溫。    在鋼結構的鋼材選擇和防火、防腐材料選擇中，寶鋼已開發(fā)出耐候耐火鋼，并陸續(xù)通過防火試驗，若能在鋼結構住宅中應用耐候耐火鋼，將會明顯降低鋼結構防腐防火措施費用。     6、     鋼結構施工     由于鋼結構設計中的框架節(jié)點、構件的標準化，即每柱設三層梁、節(jié)點牛腿 H型鋼梁設計成若干個標準構件，作到了制作工廠化，這樣就為鋼結構現場施工的裝配化打下了基礎。因此，鋼結構安裝可以單柱安裝，一吊三梁就位連接；同時，也可工廠安制框架網片，現場整體吊裝的施工方法。對于鋼管混凝土柱，混凝土可按三到四層為一段分次集中澆注。     四、鋼結構住宅的 經濟 指標      在談到鋼結構住宅的經濟指標時，人們的思想仍停留在傳統(tǒng)的印象中（過去我國鋼產量低而對鋼結構建筑加以限制，從而造成長期以來人們對建筑鋼結構的 應用  研究 落后和認識上的偏差），致使形成“鋼結構住宅的成本昂貴，遠遠大于鋼筋混凝土結構”，“鋼結構鋼含量過高”，鋼結構技術含量高，不如鋼筋混凝土成熟事實上，我們應該結合以上所論的各種因素綜合考慮，而不是單一、片面的認識和理解。     1、 鋼結構經濟指標     事實上僅就鋼結構與鋼筋混凝土結構本身經濟成本相比而言，要省去了鋼筋制作、混凝土澆注、模板的周轉和圍護腳手架等材料、施工的費用。     五、制約鋼結構 發(fā)展 的因素     1、鋼結構住宅體系缺乏統(tǒng)一的標準準則，因此從設計到施工、建筑防火及工程驗收等環(huán)節(jié)差別較大，在設計規(guī)范、建筑防火（是以人為本還是以物為本-即對于多層住宅而言，人在1.5h防火要求時間內完全可以逃生）要求尚缺乏必要的有針對性的規(guī)范準則。   2、住宅建筑綜合性比較強，平面布置比較復雜，使用要求比較高，鋼結構作為建筑的一種結構體系雖然毫無技術 問題 ，但整體鋼結構體系（包括與各種圍護構件的連接件的配套生產、防火材料、各種板材等）的采用在經濟核算上、工程使用上尚有難度。   3、在住宅建筑中，結構體系不能外露，對鋼結構構件的設計，鋼結構的維護和防火、防腐帶來困難。   4、缺乏合適的外墻板（包括屋面板），內墻板及樓面板等材料，因此，很難做到既要經濟耐用，又能達到防火、防腐、保溫、防水、隔聲、隔熱等要求。   六、 總結      住宅鋼結構在我國已經進入起步階段，作為房地產發(fā)展商應本著“冒可以冒的風險，不冒不可以冒的風險”的原則。因此，就長春項目而言，我們必須本著 科學 的審慎的態(tài)度對待我們的產品，不能頭腦發(fā)熱，盲目選擇，必須要學會科學的思考，結合我國的住宅建筑發(fā)展的現狀（大面積開發(fā)、分階段滾動實施）進行綜合選擇。   （一）鋼結構住宅的特殊性     1、高價位的住宅的特點，住戶對房型，立面處理以及各項性能都會有很高的要求，對價格又有一定的承受力，其反面造成了鋼結構住宅在與其相配套的圍護材料以及其與鋼結構構件相連接的連接件的選擇上的難度，尤其是在長春嚴寒地區(qū)，對保溫、抗?jié)B漏（防水）等要求很高。   2、住宅長期性的特點，根據我國的傳統(tǒng)的生活方式，住宅將受到住戶的長期考驗，無論在結構設計或材料選擇上必須重視耐久性的要求。   3、住宅出售競爭劇烈的特點，必須重視價格的合理性，由于存在磚混結構和鋼筋混凝土結構的價格作為對比，鋼結構住宅將受到挑戰(zhàn)。因此，在銷售上必須對鋼結構的特點進行有針對性的強力宣傳，包括爭取政府的政策傾斜（房地產銷售以使用面積核計）和媒體的炒作等等。   （二）合理開發(fā)鋼結構住宅     從住宅產業(yè)的特殊性可以看出住宅鋼結構的關鍵并不在鋼結構本身，而在以下方面：   1、要有合適鋼結構體系的房型和立面處理，以充分發(fā)揮鋼結構（工廠化、產業(yè)化）的優(yōu)越性。   2、要有合適的外墻，隔墻及樓面板等材料，即經濟耐用又能保證良好的性能，為客戶所接受。   3、房產商必須從綜合經濟效益著眼，制定售價。