住宅钢结构建筑体系的综合概述

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摘要： 为使大家能够对住宅钢结构有个充分的理解，从而在未来的工程管理、策划、销售上认识和充分利用钢结构的独特性。本人根据以往的工程实践及半年多来对钢结构在住宅建筑领域中的优势以及其 发展 和制约因素汇总如下。 

关键词： 钢结构 建筑体系 多维集团拟在长春、大连、北京等地建设高档别墅小区，平均在三至四层左右，为增加卖点，集团决定其别墅的结构为钢框架的结构形式。事实上，住宅采用钢结构的结构形式在我国现阶段，不仅仅是增加卖点的单一 问题 ，而且是具有轰动效应的问题，也就是说在无需广告投入的基础上提高了 企业 的知名度。因为，就 目前 为止，我国尚无一例如此大面积的钢结构高档别墅的开发单位，这本身就是企业实力的表现，这种 社会 效应是无形中的。   为使集团各公司能够对住宅钢结构有个充分的理解，从而在未来的工程管理、策划、销售上认识和充分利用钢结构的独特性。 本人根据以往的工程实践及半年多来对钢结构在住宅建筑领域中的优势以及其发展和制约因素汇总如下：   一、钢结构住宅体系的概念：     住房的建筑形式和风格千差万别，但就结构体系（支撑骨架）而言，只有砖混结构、木结构、钢筋混凝土结构和钢结构等几种主要的结构形式。随着国家对环境保护意识的认识不断加深，对木材和粘土砖已经提出限制、限时使用，现阶段我国住宅建筑的主要结构形式主要以钢筋混凝土框架为主，但该结构施工烦琐、施工垃圾多且结构自重大，进深和开间相对较小，梁、柱粗大，空间利用率较低等缺点，这在一定程度上无法满足条件越来越高的住宅建筑的功能要求。因此，开发坚固耐久，建造迅速，空间布置灵活，易于改建的新型住宅结构体系，则成为住宅建筑和结构发展的重要趋势。   随着我国钢产量的快速增长，新型建材的发展和 应用 ，符合上述要求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。   所谓的钢结构住宅体系就是指由维护墙体、隔断墙体、楼板与主体钢结构共同组成的住宅体系。     本文阐述的住宅钢结构体系是指纯钢结构（钢框架或框架 -支撑）体系，介于高层钢结构（钢框架或钢框架-混凝土剪力墙）体系与冷弯薄壁型钢钢结构（Z、C等轻型钢结构）体系之间的多层钢结构住宅体系。    二、钢结构住宅体系的优势     钢结构住宅体系与传统的结构体系相比具有以下优势：     1、利于 工业 化、产业化生产   钢结构住宅体系是由预制构件（框架片、网片等）及与之相配套的定型维护墙板、门、窗、隔墙等组成的，因此满足了工程化定型生产，现场拼装的特点。     2、绿色建筑、节能建筑   环境破坏及污染少，改建和拆迁容易，材料的回收和再生利用率高。因此，钢结构建筑达到了绿色建筑的要求，与钢结构构件及其配套技术的轻质材料（如各种轻质墙板等）采用新型材料，符合节能建筑的要求。     3、提高空间的利用率   由于采用了轻型屋面及墙体结构，而且其支撑钢结构的材料强度高，用料省，体形小，所以自重轻。故以钢结构做支撑体系时，可建造开间，进深较大（大柱网钢结构避免设置转换层利于各种建筑功能要求），户型户内不设柱的灵活分隔的住宅来满足建筑平面功能的要求；同时可提高住宅的空间利用率，适于住宅竖向的夹层、局部错层的改造。而且，所需构件的截面小，在相同建筑面积下的建筑空间利用率增加 5~8%，这一点对以建筑面积销售而言，开发商相对要吃砖混或钢筋混凝土结构的亏，但作为销售宣传上，是极为有利的。    4、钢结构构件可制造各种形状，因此，使设计更加灵活，先进，它可以根据设计师的意愿来完成其建筑功能及建筑 艺术 特性。   5、由于钢结构住宅的重量轻，体量小，且钢结构本身具有良好的延性，因此其钢结构住宅的抗震性能非常好，就地震破坏的情况 分析 来说，钢结构建筑明显的优于刚性建筑-砖混结构和钢筋混凝土框架结构。这一点在美国、日本、 台湾 的地震当中都能得到明显的证明。   6、减少基础造价   由于钢结构住宅建筑的自重较轻，基础负载也相应的减少，因此降低了基础工程的施工难度及造价。   7、施工周期短，提高资金的投资效益；施工现场文明   除基础施工外，构件全部由专业工厂标准化生产，施工速度快，施工周期比传统建筑缩短一半；各部件运抵现场组装，施工现场文明，现场湿作业少，噪声粉尘和建筑垃圾也少，满足环境保护的要求；施工作业受天气及季节 影响 较少（冬季可在工厂制作钢构件），并且可以工厂制作与现场安装平行进行，甚至一些标准化的住宅体系，可以随订货，随建造，大大缩短建造周期和资金占用时间。    8、综合效益指数高   钢结构住宅体系直接造价略高于混凝土结构大约 5%左右。但其 经济 效益、社会效益高，在房地产企业激烈竞争的今天，它是房地产企业综合实力的集中体现，对于提高企业产品品牌，提高企业的社会知名度都有较大的影响。     二、钢结构住宅体系发展的动因     1、钢结构的广泛应用是一个国家技术水平的标志   在建筑结构领域建筑钢结构是 科技 含量高，工程进步的标志，从发达国家地区来讲，钢结构由于提供了结构安全性，稳定性，在设计上灵活、先进，因此钢结构已成为许多建筑的主要结构形式。建筑、土木工程在日本建筑钢结构用钢量占 13%，而建筑钢结构用钢中，钢结构构件住宅用钢占了相当大的比例，而我国目前建筑钢结构用钢占钢产量的比例仅有1.5%。    而今我国持续三年年钢产量超过 1亿吨，成为世界上钢产量最多的国家，为此国家十五规划中，确立了2010年全国钢结构用钢达到钢材总量的5%左右，因此，国家鼓励在住宅领域采用钢结构。而且随着我国钢铁工业的不断发展，钢材产量和质量陆续提高，尤其是受规格单一的影响造成扎制型型钢的积压，钢材市场出现供过于求的局面，钢材及型钢价格将逐步下降，据调查显示，钢结构的材料、制作和安装费用以由1995年的每吨9000~10000元下降到现在的5000~6000元（2000年底价格），几乎下降了50%，因此钢结构住宅的建筑成本也将随之下降并能与钢筋混凝土结构持平，甚至要比钢筋混凝土结构还要低。所有这些都将为钢结构住宅建设提供了发展平台。    2、住宅建设只有走产业化的道路才有出路   作为商品的住宅它本身具备了商品的所有属性，同时也具有其个性—大的投资和大的风险。   传统的结构体系如砖混结构、钢筋混凝土结构，施工周期长，且很大程度上限制了建筑的使用功能的要求，因此在技术不断更新的年代，建筑功能也在不断地变化和发展，今天的户型设计出笼后，就意味着明天的不断改进和变更才能满足市场的要求，由于不断的变更，势必造成成本的增加和浪费，而钢结构住宅则避免了上述的恶性循环，体现了其集约化，工业化生产程度，符合了可持续发展的要求。   3、根据国务院［1999］72号文件和建设部、国家经贸委、质量技监局、国家建材局颁发的［1999］295号文件的要求，各直辖市、沿海地区的大中城市和人均占有耕地面积不足0.8亩的城市新建住宅中，逐步限时使用粘土砖的精神，砖混结构住宅将被屏弃，取而带之的钢结构住宅已经成为较为理想的适合我国国情的建筑体系之一。   4、随着我国改革开放的逐步深入，综合国力的加强，结合我国现有的规范的不断完善和建立、建筑材料、施工能力、地域限制和房地产界的激烈竞争、住宅产品-住宅户型设计和环境设计的透明度很高等现状及国家政策导向等各种综合因素的要求。   5、我国住宅钢结构体系的 研究 已经历了很长时期，已不是要不要做的问题，也不是回答能不能做的问题，而是要研究解决如何能把它做好的问题，是要完整的、配套的、高品质的、全新的把它研究好并推向市场的问题。   三、钢结构的结构体系简述     1、     工程基础形式：一般采用钢筋混凝土独立柱基础或筏板基础。当有地下室时，钢柱可直接延伸至地下室，结构传力途径简捷；结构施工周期短，综合造价降低。     2、     钢框架或框架 -支撑结构体系    1）     钢框架或框架 -支撑：在钢结构住宅的钢结构体系主要采用钢管混凝土柱、轻型H型梁框架体系和H型钢T形连接钢柱、轻型H型梁预制钢框架片通过钢梁现场组装的组合框架体系两种钢结构构成的纵横两个方向的多层框架体系类型。    钢管混凝土框架柱钢框架，即是在空钢管内灌注高强度素混凝土而形成的复合受压构件，它利用钢管约束混凝土，使钢管内的混凝土三向受压，从而提高了混凝土的抗压强度和延性，同时，管内的混凝土保证了钢管的局部稳定性，因此钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点，单柱的轴向承载力大幅提高，框架柱截面大幅减少，与 H型钢柱相比，可节约用钢量约50%，降低造价约45%，钢管直径不变，壁厚逐渐减薄；另外，钢管混凝土柱中之混凝土可以吸收热量，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。    H型钢T形连接钢柱的组合框架，即是钢结构采用工厂预制钢框架片（钢柱、钢梁及支撑组合），现场组合的框架体系，技术上较为先进，拐角处将两个三相垂直的H字型柱合并的处理 方法 ，双向都有较强的刚度，无弱轴；增加了侧向刚度（加一定支撑），整体结构受力效果好。每个单片框架可以将墙体龙骨、门窗框同时组装在内，现场通过高强螺栓及连接板连接各框架片，这样，现场即可直接将结构框架与墙体材料和门窗一起就位，加快建造速度。   钢结构框架梁一般均采用高频焊接 H型钢，它的优点是，翼缘板的宽度和厚度可以根据设计的要求任意改变，腹板的厚度可以满足局部稳定的条件下比扎制H型钢（所说的工字钢）薄，构件截面惯性距比扎制H型钢增加20~30%，对于以承受弯距为主的框架梁等于节约了20~30%的用钢量，因此，在与扎制H型钢的比较中因重量轻、强度高、外观美、加工方便、根据设计要求随意定尺、生产能力强等优点使其更具有经济合理、截面尺寸选择灵活的特性。    钢柱与钢梁之间的连接有刚性连接和铰接两种形式，刚性连接指腹板处采用高强螺栓连接，上下翼缘焊接的连接形式；铰接连接指腹板处采用高强螺栓连接，上下翼缘无须焊接的连接形式。前者需要现场施焊，而后者无须现场施焊，安装可不受天气和季节限制，因此，大为简化了安装程序，现场作业量大为减少，钢结构安装速度可成倍的提高。同时可利用此铰接节点，在钢梁设计 计算 时，全部采用钢 -混凝土组合梁截面进行计算，钢梁受拉，现浇混凝土受压，充分发挥钢材和混凝土两种材料的受力特点，可节约钢梁用钢量，同时也降低了钢梁的高度，增加了使用空间。    2）钢结构的水平受力构件-楼板和屋面板形式分为预制楼板和现浇楼板两种类型。由于，抗震、易开裂、隔音效果等因素，采用的很少。现阶段均采用现浇混凝土楼板，它分为压型钢板上现浇混凝土（复合板）和普通模板现浇混凝土两种形式，后者从经济角度考虑比较多，前者则更适合于钢结构的特性：①压型钢板即作为模板又代替楼板下部受力钢筋；②满足防火要求；③无须支模；④提供工程作业面，以利土建、设备交叉作业；不影响工期；⑤天棚规整，无须找平砂浆（落物伤人），利于二次装修效果（涂料、壁纸或其它）的体现。   3、围护结构体系   与钢结构体系相适应的围护墙体材料的选择是制约钢结构住宅发展的一个非常重要的因素。它要求：①工厂化程度高，与钢结构易于连接，②材料轻且强度高，③防水、抗渗、抗冻性能强，④保温、隔热、节能，⑤外饰面，⑥耐火，⑦耐久性，⑧经济指标易于接受，等等。     我国的墙体改革已经多年，但由于住宅墙体受各种综合因素的影响较大，尤其是北方地区，对于保温防水性能、安全性能、经济指标等要求很高，虽然各种材料（复合墙体）很多，但真正能够被人接受的很少。因此，许多开发商不得不采用最传统的空心砖砌块的形式，利用当地生产的轻质加气混凝土砌块（容重 700kg/m 3 ），但总是有别于钢结构住宅的特性；对于复合墙体有多种形式，如：ALC、伊通轻质墙板；混凝土板材加苯板；砌块加苯板；DP膜网等，这些墙板配以砂浆也可以保证墙体的功能。随着我国建材业的不断发展、完善，适宜于本地区的，适宜于钢结构住宅生产的墙体材料必将大量涌现。    4、     钢结构的防火     在满足我国现行的防火规范要求下，钢结构防火一般采用厚涂型和薄涂型（膨胀型）两种，事实上，钢结构防火材料的选择占整个钢结构成本的比重很大，这无形中也阻碍了钢结构住宅的顺利进行。     在钢结构防火设计中我们仍可采用阻燃墙板、砌块（包覆）进行钢结构防火的方法。     例如：防火板内设耐热岩棉板通过紧固件固定在钢构件上。这种方法干施工、不受气候条件的限制、融防火保护与装修为一体。     5、     钢结构的锈蚀     钢结构的锈蚀与空气的相对湿度及大气中的侵蚀性物质含量有密切的关系。通常相对湿度在 60%~70%以下，钢材的大气腐蚀是轻微的，而一旦超过钢材腐蚀的临界湿度（60%~70%）钢材的腐蚀速度将加快。因此，必须在钢结构表面进行刷涂或喷涂防腐涂料。    防火涂料（分底漆和面漆）中底漆应与钢材表面附着力好，面漆与底漆的粘结力强，漆层间作用、性能和硬度配套。现大多采用溶剂基无机富锌底漆。因为这种底漆的防锈寿命长，而且本身也可耐 500 0 C高温。    在钢结构的钢材选择和防火、防腐材料选择中，宝钢已开发出耐候耐火钢，并陆续通过防火试验，若能在钢结构住宅中应用耐候耐火钢，将会明显降低钢结构防腐防火措施费用。     6、     钢结构施工     由于钢结构设计中的框架节点、构件的标准化，即每柱设三层梁、节点牛腿 H型钢梁设计成若干个标准构件，作到了制作工厂化，这样就为钢结构现场施工的装配化打下了基础。因此，钢结构安装可以单柱安装，一吊三梁就位连接；同时，也可工厂安制框架网片，现场整体吊装的施工方法。对于钢管混凝土柱，混凝土可按三到四层为一段分次集中浇注。     四、钢结构住宅的 经济 指标      在谈到钢结构住宅的经济指标时，人们的思想仍停留在传统的印象中（过去我国钢产量低而对钢结构建筑加以限制，从而造成长期以来人们对建筑钢结构的 应用  研究 落后和认识上的偏差），致使形成“钢结构住宅的成本昂贵，远远大于钢筋混凝土结构”，“钢结构钢含量过高”，钢结构技术含量高，不如钢筋混凝土成熟事实上，我们应该结合以上所论的各种因素综合考虑，而不是单一、片面的认识和理解。     1、 钢结构经济指标     事实上仅就钢结构与钢筋混凝土结构本身经济成本相比而言，要省去了钢筋制作、混凝土浇注、模板的周转和围护脚手架等材料、施工的费用。     五、制约钢结构 发展 的因素     1、钢结构住宅体系缺乏统一的标准准则，因此从设计到施工、建筑防火及工程验收等环节差别较大，在设计规范、建筑防火（是以人为本还是以物为本-即对于多层住宅而言，人在1.5h防火要求时间内完全可以逃生）要求尚缺乏必要的有针对性的规范准则。   2、住宅建筑综合性比较强，平面布置比较复杂，使用要求比较高，钢结构作为建筑的一种结构体系虽然毫无技术 问题 ，但整体钢结构体系（包括与各种围护构件的连接件的配套生产、防火材料、各种板材等）的采用在经济核算上、工程使用上尚有难度。   3、在住宅建筑中，结构体系不能外露，对钢结构构件的设计，钢结构的维护和防火、防腐带来困难。   4、缺乏合适的外墙板（包括屋面板），内墙板及楼面板等材料，因此，很难做到既要经济耐用，又能达到防火、防腐、保温、防水、隔声、隔热等要求。   六、 总结      住宅钢结构在我国已经进入起步阶段，作为房地产发展商应本着“冒可以冒的风险，不冒不可以冒的风险”的原则。因此，就长春项目而言，我们必须本着 科学 的审慎的态度对待我们的产品，不能头脑发热，盲目选择，必须要学会科学的思考，结合我国的住宅建筑发展的现状（大面积开发、分阶段滚动实施）进行综合选择。   （一）钢结构住宅的特殊性     1、高价位的住宅的特点，住户对房型，立面处理以及各项性能都会有很高的要求，对价格又有一定的承受力，其反面造成了钢结构住宅在与其相配套的围护材料以及其与钢结构构件相连接的连接件的选择上的难度，尤其是在长春严寒地区，对保温、抗渗漏（防水）等要求很高。   2、住宅长期性的特点，根据我国的传统的生活方式，住宅将受到住户的长期考验，无论在结构设计或材料选择上必须重视耐久性的要求。   3、住宅出售竞争剧烈的特点，必须重视价格的合理性，由于存在砖混结构和钢筋混凝土结构的价格作为对比，钢结构住宅将受到挑战。因此，在销售上必须对钢结构的特点进行有针对性的强力宣传，包括争取政府的政策倾斜（房地产销售以使用面积核计）和媒体的炒作等等。   （二）合理开发钢结构住宅     从住宅产业的特殊性可以看出住宅钢结构的关键并不在钢结构本身，而在以下方面：   1、要有合适钢结构体系的房型和立面处理，以充分发挥钢结构（工厂化、产业化）的优越性。   2、要有合适的外墙，隔墙及楼面板等材料，即经济耐用又能保证良好的性能，为客户所接受。   3、房产商必须从综合经济效益着眼，制定售价。