轻钢结构住宅设计.doc

中国石油大学（华东）轻钢结构住宅设计摘要：轻钢结构住宅是一种新型建筑体系,因其造型美观、施工速度快、绿色环保等优点而备受青睐。国内外实践证明, 钢结构住宅在住宅产业化进程中起着举足轻重的作用。本文通过分析我国轻钢住宅结构体系的发展、结构特点,对我国发展轻钢结构住宅的发展、优势以及面临的问题进行了分析。关键词: 轻钢结构；住宅；优势； 问题；对策建筑钢结构是一门新兴产业，由于采用“工厂化制造，现场安装”的施工方式，大大缩短了建筑周期，而且抗震性能好，免除了烧砖烧瓦对土地的破坏。目前我国钢结构年产值约为600亿元，正以年均25%左右的幅度增长 在很多发达国家，钢结构建筑已经成为建筑行业的主流。欧美国家钢结构建筑已占到全部建筑总量的65左右，在日本占到了50左右。但在我国，钢结构建筑属于新兴产业，在上世纪90年代中期才在我国逐渐发展起来。由于受到经济发展水平、观念意识、设计技术规范的影响及限制，我国建筑中采用钢结构设计的比例还不到5。 本文主要说明轻钢结构建筑中的轻钢结构住宅。所谓“轻钢结构建筑”，其主要材料是钢结构框架辅以彩色金属压型钢板，由于其框架结构以门式钢架为主，因此，其建筑表现是以门式钢架为基础进行衍化。通常是指由下列钢材所构成的结构：冷弯薄壁型钢结构；热轧轻型钢结构；焊接或高频焊接轻型钢结构；轻型钢管结构；板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。轻型钢结构住宅的建造技术是在北美式样木结构建造技术的基础上演变而来的，经过百年以上的发展，已形成了物理性能优异、空间和形体灵活、易于建造、形式多样的成熟建造体系。在世界上被誉为人居环境最好的北美大陆，有95以上的低层民用建筑，包括住宅、商场、学校、办公楼等均使用木结构或轻钢结构建造（甚至包括我们的近邻日本和韩国）。北美木结构和轻钢结构在整个建筑市场占有绝对优势。近年来，随着木材价格的节节攀升，北美轻钢结构体系的市场发展正以超过30的增长率快速增长，逐步为市场所广泛接受。同时在我们的近邻日本和韩国，以及澳大利亚也被大量采用。中国钢铁工业的产量已居于世界前列，但钢材在建筑业的使用比例远低于发达国家的水平。目前，中国建筑钢材数量、品种和质量已基本能满足钢结构住宅建筑的需要。近几年，国家加强了对钢结构住宅的政策指导和支持，钢结构住宅技术日益发展，已经具备了发展钢结构住宅的条件。国内最早出现的轻钢结构住宅是1994 年11 月建于上海浦东北蔡的8 层钢结构住宅。其特点是采用稻草板作外墙和楼板的组件, 单位面积用钢量34kg/ m2 。现在之所以要大力推行建设轻钢住宅，是由于轻钢结构具有以下几个优势： 自重轻, 抗震性能好, 安全性高。轻钢结构采用高效轻型薄壁型材, 承载力高, 构件尺寸小, 围护结构采用自重小的轻质墙体和楼面材料, 一般可减轻建筑结构自重的30 % , 质量是钢筋混凝土住宅的1/2 左右。轻钢结构整体刚度大, 钢材强度高、延性好, 因此抗震性能好, 用于结构抗震措施的费用少, 适用于地震多发区; 结构自重轻, 基础负担小还可大幅减少基础造价,尤其适用于地质条件较差的地区。 建筑造型简洁美观, 内部空间布置灵活丰富。钢材强度高, 可以采用大空间柱网布置, 建筑设计不受结构限制, 这种住宅为建筑师的创维设计提供了无限想象空间。因此, 轻钢结构住宅外形轻巧美观, 墙体与屋面色彩丰富, 屋顶造型别致, 尽显现代风格。室内大空间无梁无柱, 跨度可达12 m , 为业主提供了个性化分隔室内空间的可能。真正体现“以人为本”的设计理念; 同时, 墙柱等构件截面尺寸小, 可增加净使用面积5 %8 % , 当考虑楼板的组合作用, 使用组合梁或扁梁时, 还可以增加净高, 实现大空间住宅设计理念。 实现住宅产业化、建筑集成化轻钢结构住宅构件在工厂大批量、标准化生产, 现场拼装, 工业化程度高, 设计、生产、施工一体化, 提高了住宅产业化水平。 施工快捷、工期短, 不受季节限制。与传统住宅体系相比, 轻钢结构住宅至少可缩短1/ 3的工期。一栋 100 m2 的别墅房只需10 天左右时间, 例如上海现代房产实业有限公司建造的 500 m 的二层别墅仅用了45 个工日, 并且包括内外装修。真正做到既快又经济, 因此最大限度地为业主节约了投资。 绿色、环保, 符合国家可持续性发展的要求。轻钢结构住宅不使用粘土砖, 符合国家土地资源政策;施工过程中环境破坏及污染少, 符合国家环保政策; 而且大部分材料可回收和再生, 具有很高的可重复使用性和可循环性, 符合国家可持续发展战略。因此, 轻钢结构住宅堪称绿色环保型建筑典范。 防腐耐久, 舒适性好。轻钢墙体龙骨完全封闭在隔水层与石膏板之间, 不锈蚀, 不腐蚀, 不生霉菌, 防潮性能好; 墙体采用新型轻质围护材料, 不助燃, 不霉变, 不虫蛀; 装修一次到位, 少维修; 管线可暗埋在墙体及楼层结构中; 在保温、隔热、隔声等性能方面比传统结构的住宅好, 因此住宅的舒适性更好。 宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。 设计技术先进。利用先进的计算机辅助设计(CAD) 和计算机辅助制造(CAM) 技术, 能全面按用户要求进行设计, 且效率高、报价快、造价低、供货迅速。但是，资料显示，在轻钢结构住宅的建筑设计理念上，我国同国外有明显差距。目前，我国的轻钢结构建筑设计仍然执行现行的各种建筑规范，与混凝土建筑没有本质的区别。但其建筑理念由于使用材料的特殊性，确有与混凝土不同的地方，进而使其建筑表现出多种差别。 首先，混凝土建筑的设计都是按着先建筑设计后结构设计的理念进行设计，而轻钢结构建筑由于其特殊的材料和先进的设计软件，得以使设计程序实现建筑结构一体化设计，即建筑设计与结构设计同时完成。目前，国外轻钢结构企业都是遵循这样一条理念，而国内的大多数企业仍执行混凝土建筑设计的原则。建筑设计按混凝土建筑的设计方式进行设计，在结构设计的时候一方面很难完整地表现其建筑风格，另一方面也破坏了轻钢结构建筑特有的建筑特色。在围护系统与主体结构设计一体化方面，我国企业的基本做法是，主体结构的设计、围护系统的设计分开来进行，而国外普遍的做法是统一进行设计，甚至有些企业仍然执行建筑模数制以保证建筑整体安装的精确度。在配件系统与整体建筑系统设计一体化方面，国外企业设计的建筑在安装时，基本保证安装结束的时候，地面上没有多余的配件，建筑上也没有缺少的配件。而国内多数企业的情况却是或者少配件，或者多配件。这是因为配件系统的设计与整个建筑系统的设计不统一，而建筑表现也因此受到影响。当然，这里也有一个配件标准化的问题。 其次，我国轻钢结构建筑在表现形式上同国外有着较大差距。轻钢结构建筑的建筑表现主要有以下四个方面的特征，即规模、线条、色彩和变化。在这四个方面，我们都不同程度地存在差距。建筑规模：国外企业设计的轻钢结构建筑在建筑规模的表现上，表现得相当出色，特别是一脊双玻或带女儿墙的大跨度轻钢结构建筑，具有恢弘的建筑气势。据了解，这种用建筑规模表现建筑风格的作品，出自国内企业之手的，目前还不多见。金属压型钢板的线条：线条是表现轻钢结构建筑的风格最独特的特征，这种匀称的线条，或横或纵，使得轻钢结构建筑富有流畅的金属质感，与传统的混凝土建筑相比较形成极大的反差，体现了强烈的现代工业气息。但国内建筑往往在不经意间破坏了这种线条，而使得建筑物整体形象呆板、呆滞。墙面采光窗的不合理设置，是破坏这种线条的主要原因。如前所述，国内设计多是采用先建筑设计后结构设计的方式。建筑设计时，为了考虑建筑采光，在墙面设置了大量的采光窗。这种采光窗虽然满足了采光的需要，但在建筑上却破坏了墙面的线条造型。其实，轻钢结构建筑，由于可以大量使用屋面采光板采光，从而减少墙面开窗的数量，这样就可以非常有效地既保证建筑采光又不破坏墙板的线条。另外，墙板的线条在板型方面，我们也有差距，这也是影响线条造型的又一个重要因素。建筑色彩：多种色彩的金属压型钢板使得轻钢结构建筑丰富多彩，特别是大胆使用跳跃性色彩和冷色调，可以给人一种明显区别于传统建筑的耳目一新的感觉。色彩的表现包括两个部分，一部分是屋面、墙面板的色彩表现，另一部分是收边泛水等饰件的色彩表现。国内企业多选择白色、蓝色、红色，很少选择褐色、黑色以及多种色彩组合。这既有社会群体审美意识的趋向问题，也有国内生产的板材色彩单调的问题，还有设计工程师的建筑审美水平不高的问题，更有业主主观武断的问题。建筑变化：国外企业设计的规模较小的建筑在追求建筑风格方面，多借鉴小规模混凝土建筑的建筑风格，包括混凝土建筑的装修装饰表现方法。虽然规模小，但多富于变化，使得小规模建筑表现出灵动的建筑风格。而国内企业，基本是方形建筑，确实缺少变化。 最后，我国的轻钢结构住宅在建筑装饰表现方面也同国外有着较大差距。轻钢结构建筑由于使用材料的原因，其装饰效果远比混凝土建筑丰富，这也是轻钢结构建筑更具表现力的主要原因之一。轻钢结构建筑的装饰物一般具有双重功能的特点，既有使用功能，又有装饰功能。比如外天沟，它既使天沟有组织排水的功能，又是建筑屋檐重要的装饰物。其他如雨篷、落水管、收边、泛水等，都是如此。国外的外天沟由于装饰功能的要求都设计有多种形式，而国内设计的基本就是一种直角形。此外，目前我国轻钢结构住宅还面临一些问题 ，如： 缺乏有针对性的钢结构住宅规范我国的标准规范是针对几十年来大量使用的结构体系编制的, 轻钢结构住宅体系此前在我国属于技术空白, 所以不能满足我国现行强制性规范的某些条文不足为奇。例如我国建国以后建造的建筑物多采用砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料, 由此导致我国的建筑设计防火规范在材料选用方面似乎较国外苛刻, 轻钢结构住宅难以满足其要求。再如长期以来镀锌轻钢龙骨在我国仅用于隔断、吊顶等非主要承重结构, 我国冷弯薄壁型钢结构技术规程基本上不考虑用厚度2毫米以下的钢材制作主要承重构件, 对于国外大量采用的壁厚0.81.6 毫米的镀锌轻钢龙骨承重体系, 我们既缺乏对其受力状况和结构安全性、耐久性的理论分析, 也缺乏相关的实验数据, 这就使得轻钢住宅的结构设计在我国寻找不到有针对性的规范作为依据。这种与国内规范不衔接的状况, 使轻钢结构住宅项目无论在工程报建阶段还是在工程验收阶段, 都会遇到数不尽的障碍与麻烦。 部分部品尚需进口中国的消费者由于长期以来住惯了砖混或钢筋混凝土结构的住宅, 从慢慢开始接受到逐步喜欢轻钢结构住宅, 也需要一个渐进的过程。轻钢结构住宅体系是在国外尤其是北美地区木结构住宅的基础上发展起来的, 这两种体系虽然在国外已经十分成熟和完善, 但是对于我国来说却完全是新东西,因而各种困难几乎无处不在。在建材和部品方面, 目前建造轻钢结构试验工程所需材料许多要从国外运来, 甚至有些由外商在中国大陆委托加工的部件, 往往也只能到国外去采购, 在国内市场上一时还找不到。 实用性人才不多见在人员方面, 由于国内无论中等或是高等专业学校的教学内容中均未涉及轻钢结构住宅体系, 因此我国建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之甚少, 而更加缺乏的是熟练技术工人, 所以虽然这一体系单纯从技术层面上讲并无多少难度, 但真正推行起来却缺乏得力的骨干。 管理模式不太适应在建筑管理方面, 我国现行的建筑管理模式与轻钢结构住宅这种工业化生产方式也不适应, 我国加入WTO 以后, 国外许多住宅生产企业希望进入中国大陆市场, 但是他们搞不清自己来到中国后应当申领什么资质, 属于什么身份- - 设计单位? 施工单位? 集成商? 还是制造商?而当钢结构住宅建成后, 我国现行的工程质量验收程序和办法也不适应。 建筑保温和节能问题钢材传热系数大, 热量散失快, 且易形成冷桥, 因此保温节能是轻钢结构住宅要解决的主要问题之一。轻钢结构住宅保温有外保温和内保温两种做法。外保温做法是在墙柱间填充玻璃纤维, 在墙外侧再贴一层保温材料, 有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥; 内保温层是指外墙内表面层加入内部松软的保温层, 再罩一层纸面石膏板、其他板材或做上抹面, 形成硬质面层。墙体的保温性能会大大加强。阻止了室内的大量热能向室外散发, 从而起到了节约热能的作用。例如: 钢柱的翼缘截面尽量的作成200mm的, 选用蒸压加气混凝土砌块, 一般选用宽度为250mm 的截面, 在砌砌块时可以把钢柱包裹起来, 当然钢柱四周要用保温材料包裹起来以免产生冷桥。在蒸压加气混凝土砌块砌完后外抹保温砂浆, 满足保温隔热的效果。 建筑防火问题钢材不耐火, 轻钢结构住宅要进抗火设计及防火措施保护。目前常用的防火措施有四种: (1) 防火涂料法。(2)隔离法。(3) 实心包裹法。(4) 膨胀漆覆盖法。抗火极限最高达2h。对于轻钢住宅结构最关键的问题是防火技术的应用, 工程中常用作法是: 在墙的两侧与楼盖的天花处贴防火石膏板, 对于普通防火墙和分户墙用2514mm 石膏板保护, 以达到1 个小时的防火要求, 另外在墙体墙柱间与楼盖搁栅间填充的玻璃纤维对于防火与热传递也起了积极的保护作用。 建筑隔音问题建筑隔音问题已经成为业主关注的重点, 声音传播分为空气传播和固体传播两种形式。民用建筑隔音规范要求: 建筑隔音最低标准为40 分贝。轻钢住宅中, 采用内外墙及楼盖搁栅间填充玻璃棉, 阻止空气传播; 在分户墙用二道墙柱构成带有中间空隙的二道墙体; 对于固定吊顶石膏板的小龙骨, 用带有小切槽的弹性构造措施减少楼层间的固体声传播。 造价问题我国虽是产钢大国, 但钢材价格较高, 轻钢结构在我国又属于新体系, 施工技术人员缺乏, 管理模式不适应,造成轻钢结构住宅成本偏高, 国内消费者近期还难以接受。尽管轻钢结构住宅的性能和舒适度较高, 但由于缺乏实践意识, 相对于传统住宅的竞争优势尚不明显。只有大批量建造轻钢结构住宅, 实现产业化, 集成化, 才能降低造价,逐步被人们接受。因此，我们推广轻钢住宅的工作思路是：首先应有计划地建造一批试验工程, 以便引进该项生产技术。如果没有一定的建造量, 就不可能编制完成我们自己的轻钢结构技术规范,在中国使这项技术成熟起来就成为一句空话。虽然一般情况下我们强调必须执行强制性规范, 但是技术标准和规范就其性质来说, 永远都是落后于技术自身的发展的。因此, 在国内规范不完善时, 建造试验工程不仅是应当的, 而且是必须的。再者就是，在建造试验工程并取得经验的基础上, 就应不失时机地编制相应的轻钢结构住宅技术标准和规范。由于与国外标准体系、技术环境的差异, 甚至标准管理方式和部门分工的不同, 都使这项工作在我国具有相当的难度, 并非像有些人设想的那样, 把国外标准直接翻译过来就万事大吉了。把国外轻钢结构住宅嫁接到中国的技术标准体系中来, 还有许多深入细致的研究和协调工作要做。根据建设部技术标准编制工作计划,目前建设部住宅产业化促进中心正在组织各有关科研设计单位、大专院校、生产企业共同编制行业技术标准低层轻钢结构住宅技术要求, 这项标准发布后, 将结束轻钢结构住宅在我国无技术标准可依的局