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冷弯薄壁型钢住宅体系即轻钢房屋在中国的应用和发展
本文主要介绍了国外冷弯薄壁型钢住宅体系,以及这些住宅体系在我国的应用状况,指出了应用和发展存在的一些问题。

一 、  概述
随着经济的快速发展和技术的不断进步,人们对居住空间和住宅整体性能的要求也越来越高。因此,也推动着住宅设计和建造技术的不断发展。空间的形象表达、布局的灵活多变、起居生活的舒适性、室内外空间的整体性以及合理的经济性等要求以及建筑技术的进步、原材料的发展,决定了现代住宅在建筑结构体系上的改变。钢材性能优越以及使用的灵活性等特点,使得钢结构成为住宅建设新体系中的一部分。
低层冷弯薄壁型钢住宅建筑技术正在广泛的应用和推广。目前许多国家,如美国、澳大利亚、日本,建造技术以及生产装配技术已经非常成熟和完善,工业化程度也相当高。美国由于技术、生产因素以及保护森林资源的必要性,钢骨架住宅逐渐成为传统木结构的替代品;澳大利亚钢结构住宅产品研发和应用也是许多国家无法相比的,目前其钢骨架住宅占全部住宅数量的30%;日本在引进和吸收别国技术和经验的基础上,对这种低层冷弯薄壁型钢住宅体系进行了全面系统的研究,并且开发出了具有自己特色的住宅产品。目前,日本有几十家企业在进行工业化住宅的研发、设计、构件加工、施工安装以及售后服务。
80年代中期,随着我国改革开放的深入,国外轻钢住宅也进入我国,主要是一些建筑商从日本、美国以及澳大利亚等国引进一些两三层的别墅,但是当时中方实际上只负责基础施工以及一些部件的组装,住宅骨架、配套维护材料和设备全套从国外进口。最近几年,国内一些企业引进北美、日本和澳大利亚的整套低层冷弯薄壁型钢住宅体系,并且对其进行消化和推广,现在设计和制造这种住宅的企业有:
也有一些企业从国外引进多层冷弯薄壁型钢住宅体系,如青岛迈华无比钢房屋从加拿大引进的“无比钢”体系。

二、低层冷弯薄壁型钢住宅体系
1、低层冷弯薄壁型钢住宅的特点
冷弯薄壁型钢住宅,按照一定的模数间距布置钢龙骨,钢龙骨之间布置各种支撑体系,龙骨骨架两侧安装结构板材和保温隔热材料以及面层装饰材料,形成非常可靠的“密肋型结构体系”,这种体系具备如下优点:
(1)自重轻,基础费用和运输安装费用省;
(2)骨架构件和维护结构材料以及各种配件均可工厂化生产,精确度高、质量好;
(3)建筑造型容易实现,个性化设计可满足客户的不同需求,房间空间大,布置灵活;
(4)具有良好的 抗风和抗震性能;
(5)施工安装简单,周期短,资金回收快,施工现场文明,基本上为干作业,建筑垃圾少,材料易于回收;
(6)设备管线布置简便。
(7)不需要二次装修。

2、北美低层冷弯薄壁型钢住宅体系及其在我国的应用
低层冷弯薄壁型钢住宅体系最早起源于北美,其前身为北美2x4木结构住宅体系。主要承重构件为热镀锌冷轧薄壁型钢,采用自攻自钻螺钉连接,墙体、楼面和屋面维护结构仍与木结构住宅体系相似。下面对北美低层冷弯薄壁型钢住宅作介绍。
1)   建筑形式和结构体系
北美冷弯薄壁型钢住宅多为二至三层的独立、联排以及庭院式别墅,一般都带地室,其建筑风格也沿袭了北美传统的风格,造型较为复杂,大都有弧型墙,弧型楼梯,拱型门洞及大悬臂烟囱等,室内空间布置也常常出现挑空、大开间和设置室内陆面高差,C型钢梁柱按照模数(如两英尺)布置,组成密肋型骨架。其建造装配示意图如图3     

各部分材料选用如下:
(1)        钢材:   常用Q235和Q345
(2)        截面:   C型     主要作为梁柱构件
U型     主要作为顶、底轨或者边梁(环梁),北美体系用T表示,即Track
L型     主要作为过梁和转角连接件
(3)        常用构件尺寸规格见图4及表1、表2:

北美体系墙体柱龙骨一般采用350C20和550C20,对应的顶、底导轨为350T20和550T20,但是考虑到建筑设计对墙体的厚度要求,以及局部墙体结构需要加强,有时候也采用大截面的800C18、800T18,1000C18、1000T18。过梁采用12英寸和8英寸的C、T组合形成箱型或工字型过梁,或者L型过梁。楼面梁采用1200C16,阳台处由于建筑做法一般要求比室内结构面低4公分左右,所以阳台支撑梁通常采用800C16。由于北美体系基本沿袭了北美木结构体系,其屋架做法也仍采用天花梁加屋面斜梁的形式,天花梁和斜梁均采用800C18,在屋架计算时只考虑天花梁承力,因而其做法很不经济。国内一些企业引进北美体系之后,根据自主研发以及实际设计施工中得出的经验对屋架形式做出了一些改进,如采用小截面龙骨形成桁架整体受力,大大节约了钢材用量,屋架布置和做法也更加经济合理。

2)   维护材料以及构造做法
外墙构造做法
   STCOO墙面涂料(文化石)+玻纤网抹5厚抗裂沙浆+聚苯板+防潮纸+结构蒙皮板(0.75厚钢板或9-12厚OSB板或水泥木屑板)+钢龙骨(内部填充保温玻璃棉)+12厚石膏板
  (2)        楼面构造做法
   装饰面层(木地板或者地砖)+防潮层+38厚轻质混凝土层+18.3厚OSB板+C型钢梁+保温玻璃棉+吊顶石膏板
(3)     屋面构造做法
陶瓦(页岩瓦或平板瓦)+自粘防水卷材+12厚OSB板+钢屋架+保温玻璃棉+吊顶石膏板

3)  连接件及连接方式
北美低层冷弯薄壁型钢住宅体系不仅构件选型标准化程度很高,其连接件及连接方式也十分规范和完善。外墙用地脚螺栓通过压具和基础连接作为抗拔件,按照一定间距设置直径为10mm的膨胀螺栓作为抗剪件,内墙采用直径为3.6mm的射钉与基础连接。二层墙体采用ST5.5自攻螺钉与楼面板连接,按照构造施钉。 墙体组合柱和楼面组合梁可以采用自攻螺钉连接,拉接条连接或者焊接。
北美体系连接标准件分类也十分完善,如:1)剪力加固板HD; 2)抗拔压具S/HD; 3)梁托HU; 4)屋架连接件TBE4、SH1;5)辛普森(Simpson Strong-Tie)系列五金件等等。
正是由于北美体系在建筑风格、结构构造做法以及室内外装饰陈设等方面形成了完整的体系,而且其灵活多变的立面造型和大手笔的空间布置,得到了国内许多开发商和业主的偏爱。所以目前国内从事低层冷弯薄壁型钢住宅设计和施工的公司大多数是学习引进北美体系,其典型代表有北京居其美业西式房屋有限公司。其中纳帕溪谷即为北美体系在中国应用成功的例子之一。这种体系的特点和成功的设计开发,使得该企业很好的打开了冷弯薄壁型钢住宅市场,图5,图6为浙江某地产公司与居其合作开发的冷弯薄壁型钢别墅项目:

3、日本低层冷弯薄壁型钢住宅体系及其在我国的应用
日本冷弯薄壁型钢住宅起步可追溯到20世纪三十年代的。当时日本发生阪神淡路大地震,美国以国际援助的形式支援了日本300套轻钢住宅,从此这种住宅体系在日本迅速发展起来。
日本冷弯薄壁型钢住宅的起步虽然比美国晚,但是其发展和推广速度却是许多国家远远不及的,并且形成了有自己特色的新型体系,其工业化程度甚至要高于美国以及其他国家 。 由于日本冷弯薄壁型钢住宅体系源于美国,所以其基本结构形式和北美体系大体相似,值得强调的是,日本体系在工厂化、模数化、标准化以及材料等方面都做了很多研究和创新,而且根据自己国内多地震台风的情况,通过多年的实验和理论计算,形成了一套适合其国情的跨度荷载选型表,包括剪力墙墙量计算表、楼面梁跨度荷载选型表、过梁跨度荷载选型表、屋架跨度荷载选型表,实际上已经将冷弯薄壁型钢住宅作为完整的产品来推广。
以日本KC体系为例,其轻钢龙骨采用400 N/mm2 级钢材(屈服强度≥295 N/mm2 ,抗拉强度≥400 N/mm2 ),钢材表面镀层形式有三种:热镀锌 Z27,  5%锌铝镀层 Y18, 55%锌铝镀层 AZ150。构件截面形式也为C型和U型(相当于北美体系中的T,即Track),常用截面为:89LC□,89C□,140LC□,140C□等。其中89和140表示构件截面腹板高度,LC表示带卷边的C形截面,C表示不带卷边的U形截面,□代表N、M、W表示翼缘外宽度代号,对应的尺寸为40mm, 44.5mm, 50mm。
KC体系中梁截面一般采用235LCN10, 250LCN10, 300LCN10,其翼缘宽度和截面厚度如同上述墙龙骨截面形式,仍有多种组合方式。
KC体系最大的特点是模块化,即盒子结构,其模数一般采用400mm或600mm,将整个住宅划分为多个盒子单元,每个单元的墙体,楼盖均在设计时候划分为板块,设计尺寸精度非常高,工厂按照设计版图来加工和预制,结构板材和结构骨架在工厂就组装完成,所以现场施工更加简单,快捷。图7,图8分为国内企业引进KC体系(薄板钢骨体系)施工现场墙体安装和屋面系统。

日本低层冷弯薄壁型钢住宅体系工厂化程度以及施工装配工艺比北美体系更加完善,国内北新建材旗下的北新房屋引进的即日本KC体系。

4、 其他国家低层冷弯薄壁型钢住宅体系介绍
除了北美和日式体系,澳大利亚和新西兰的住宅体系也享有盛名,特别是这两国冷弯薄壁型钢构件加工设备和住宅设计软件开发与应用方面都非常先进,如新西兰的海斯系列和FrameMaster系列等,澳大利亚住宅体系结构钢材为G550高强度镀铝锌钢板,板厚可至0.55MM。
新西兰早已经实现整个住宅骨架构件采用同一种规格的C型截面,即墙体骨架,楼面梁到屋架都采用了由同一种C型截面组成的桁架。这种高标准化的体系大大优化了整个住宅体系,从材料采购到图纸设计,从结构布置到构件加工以及现场安装都变的更为简单。这些设备和设计软件,国内已经有住宅设计公司引进,并在实际工程中进行了很好的实践应用,如高雅(深圳)建材有限公司在新疆建立的四个样板房。

另外,欧洲的一些国家和地区住宅产业化进程也不容忽视。芬兰、法国、瑞典及丹麦钢骨架住宅正越来越普及,已经建造了大量钢骨架体系的低层住宅。

三、多层冷弯薄壁型钢住宅体系
加拿大“无比钢”建筑体系(web steel),主体小桁架是由方、矩形管和V型、I型、H型连接件构成。无比钢建筑体系梁
柱龙骨按照400-600mm模数排列,龙骨截面在90-200mm之间。无比钢建筑制造工艺流程是先在工厂预制:镀锌卷板?槽钢、方型钢管及连接件?结构件组装;然后现场安装:基础?无比钢结构构件安装?外墙处理?内墙及吊顶(石膏板)。无比钢结构体系构造做法为:
外    墙: 钢网抹灰   即聚合物无水泥砂浆+钢网+OSB或胶合板
承重墙: 密肋格构网架,空间填充保温隔热材料
内   墙:  钢骨+石膏板
楼   层:  无比钢小桁架+压型钢楼板+轻质混凝土或无比钢骨架+镀锌平板+竹胶合板+木地板  
屋   顶:  无比钢专用骨架+轻钢彩瓦或普通水泥瓦

无比钢建筑的传力路径为:板?密柱?基础。由各种构件巧妙地组成3维空间受力体系。经实验研究,用国产材料做构件及节点,6层住宅设计计算合理,可满足抗震设防要求。建造一栋六层的住宅,从工厂生产钢板,现场拼装,到最后竣工入住,仅需要两个月左右。另外,优化的结构布置,使得其综合造价比混凝土框架低10%左右,还大大降低了能耗。
美国 DBS多层轻钢住宅建造体系
从经济及综合利用角度来看,比较理想的结构体系是将一些结构构件,如楼板、墙板等参与受力,或者将一些受力构件埋覆
在墙体或楼板中。这样就可以降低层高,发挥构件的双重作用,像低层钢结构住宅那样将墙板与中间密布的结构龙骨一起考虑受力,作为蒙皮效应来分析,应用于多层钢结构住宅。
美国迪特瑞驰公司研发的DBS(PIETRICH BUILDING SISTYM)多层轻钢住宅体系(图13,图14)取得了专利权,并在美国建造了许多4-6层的住宅、旅馆及公寓。DBS体系一般开间取4.88m,楼层净高为2.44m。墙体C型镀锌钢龙骨腹板高约为101.6mm,模数一般采用610mm。从底层到上部各层,龙骨的厚度逐渐减少。DBS体系的楼盖也用钢龙骨,楼盖梁可根据设计多处开孔,方便管线通过。楼板做法是在轻钢龙骨上面铺20mm厚纤维水泥板作为承重结构,上面可以做不同的地板面层。龙骨间填充玻璃棉,起到保温、隔音作用。

DBS系统具有以下特点:
结构自重轻,以某多层住宅为例,结构自重为161kg/m2   ,结构用镀锌钢结构为31 kg/m2。这样基础可以大大减少,节约了材料,降低了造价,施工速度也快。楼层横梁开孔可以布置水电管线、降低层高;具有良好的抗震性能;建筑材料的可再利用,有利于可持续发展。DBS系统在非地震区可建立达12层的轻钢住宅。
六、推广冷弯薄壁型钢住宅体系需要注意的问题
从总体上看,我国钢结构住宅仍处于起步阶段,目前低层冷弯薄壁型钢住宅体系中配套部件尤其是维护结构板材等可选性少,而且价格较高,使得冷弯薄壁型钢住宅建造成本偏高。许多企业都着力于别墅的发展,一些书刊杂志在介绍住宅技术时也都以别墅为主,这实际上是一种误区。另外,国内与这种新型住宅体系有关的标准、规范、施工工法等也不健全,国内一些试点项目还处于低水平的重复着国外十多年前的工作,缺泛技术创新和突破。国内一些致力于住宅建造的企业很大程度上照搬照抄国外的东西,技术人员相互之间缺少良性的交流。专家学者对这种体系的研究还不够深入,相关的实验和理论研究也没完全跟上,这些问题的存在必将制约着冷弯薄壁型钢住宅在中国的推广。
我国毕竟是一个人口众多、土地资源相当缺泛的国家,解决广大人民群众的住房问题,还是以占有土地相对少,满足更多人居住需要的住宅为主。现在有一些企业着力于低层别墅的发展,一些书刊及杂志在介绍钢结构住宅技术时也以别墅为住,似乎钢结构住宅的发展,重点再于这种方向上,这其实是值得研究的。当然,低层住宅(别墅)也不是不可发展的,但是也应该以适合广大偏僻山区的低价位的独立、联体式住宅为主。
另外,对于低层冷弯薄壁型钢住宅,可系统的引进、吸收、消化、研究及改进。无论是结构体系,还是配套材料,都应进行国产化。有些企业已经开始将这种住宅向欧洲、非洲等一些国家和地区出口,这应当是很好的发展方向。
参考文献:
1     李国强 陆烨  何天森.   钢结构在现代住宅中的应用.  工程建设与设计,  2005第2期
2        薛发.  我国钢结构住宅发展的几点建议. 建设科技,2005.9
3        Standard for Cold-Formed Steel Framing ? Prescriptive  Method for One or Two Framily Dwellings. AISI/COM/PM2001.
4        Dietrich TradeReady Steel Joist System
5        薄板钢骨建筑体系技术规程.    北新房屋   2004
6        童悦仲.  住宅产业化与钢结构住宅的发展 . 建设科技   2005.9
7        弓晓芸.  低层住宅轻纲结构体系  2005.4
8        童悦重等:美国的多层轻钢结构住宅。住宅产业 2004年11期
9        桥本仲一郎:薄板钢管建筑在日本的研发和普及。住宅产业2004年11期



纯文字的版本


随着我国国民经济飞速发展和综合国力的不断提高,住宅与房地产业有序调整,钢铁工业产品品质的提升,钢结构尤其是薄壁轻钢结构,逐渐进入工程建设中来,那么这种结构体系的内涵是什么、在国外发展的如何?是否符合人类居住使用的空间要求、是否适应目前我国基本建设发展的需要,应认真分析和研究。



一、  钢结构及薄壁轻钢住宅建筑的发展



    国外的情况:



钢结构尤其是轻钢结构房屋建筑体系诞生于20世纪初,在二战期间得到快速发展。其间多用于对施工速度要求很高的军事建筑设施;40年代出现了门式刚架结构;60年代开始大量应用由彩色压型板及冷弯薄壁型钢檀条组成的轻质围护体系。近些年来,世界钢铁总量的增加和国际军需用钢量的下降,一些钢铁生产大国和经济技术发达的国家,如欧洲、北美、日本和澳大利亚等,不断拓展钢结构使用范围,建设各种钢结构住宅,根据他们的生活习惯,主要建设以1-3层为主的低层独立住宅,随着各国土地资源的减少和人口数量的增加以北美、欧洲为代表,开始多层轻钢结构住宅的研究和开发。各国建筑用钢量在钢材总耗量中的比例明显提高,日本在50%左右。美国、瑞典、日本等国家钢结构用钢量已占钢材产量的30%以上,钢结构面积约占到总建筑面积40%以上。

  

    欧洲



    世纪50年代,欧洲由于受“二战”的严重创伤影响,对住宅需求非常大,为解决房荒问题,欧洲一些国家采用了工业化程度较高的钢结构建筑体系,建造了大量住宅,形成了一批完整的、标准的钢结构住宅体系,并延续至今。在芬兰、瑞典、丹麦、法国等国,各种钢结构建筑体系变得非常普及,其中瑞典的钢结构尤其是轻钢结构最为发达,轻钢结构住宅预制构件达95%,同时也是当今世界上最大的轻钢结构住宅制造国,生产供应欧洲各国。

  

    北美和澳洲

  

在美国、加拿大以及澳大利亚,用镀锌轻钢龙骨代替传统的木结构的轻钢结构住宅建筑体系,发展至今已有30多年的历史。1996年,美国的住宅建设中轻钢结构住宅达20%的比例;加拿大则有30%左右的比例;澳大利亚钢结构住宅建造数量约占50%。但是,这种结构形式主要应用于低层的小住宅。90年代后期以来,多层轻钢龙骨住宅在北美地区迅速发展,至今已建成约300万平方米。除住宅外,这种体系也用于养老院、假日旅馆、小学校等建筑。



轻钢结构住宅建筑体系是用镀锌冷弯薄壁型钢制作的型材作为结构承重部分,常用于建造2-3层的低层住宅。镀锌冷弯薄壁型钢所使用材料的屈服强度为Q235或Q345。其墙体钢龙骨按照一定的模数排列,一般中心距为400mm或600mm;冷弯薄壁型钢截面在93-200mm之间,钢板厚度在0.84-1.91mm之间。其楼层结构的钢龙骨截面一般在150-300mm之间,钢板厚度在0.84-2.56mm之间,楼层最大跨度目前可达8-9m。屋架可采用轻钢棱条直接搭接的方式。轻钢结构住宅的外墙常采用节能、轻质复合夹芯墙,内墙可采用石膏板;厨房及卫生间墙面采用防水石膏板或水泥加压板;楼板采用轻质结构板材;屋面可采用多彩瓦、彩板瓦等屋面材料。

  

    加拿大轻钢结构住宅体系



加拿大的轻钢构件通常由镀锌或镀铝锌合金的薄钢板冷弯滚压成型,其截面形状通常为C型和槽型,钢板的厚度可根据结构的要求而变化,其构件长度可视所需而决定。轻钢构件制作精确,在其制作过程中通常在构件上有规律地穿孔,以利   于水电线路和管道及横向加强构件的通过.虽然,一块薄钢板本身的承载力并不高,但通过冷弯成不同形状(如C型)后, 其抗弯抗压的能力成倍提高。因此, 轻钢构件的承载力主要是取决于其截面形状,而不是板材的厚度。这就构成其轻质高强的特点。

  

低层住宅:

  

结构体系住宅结构通常由楼面,墙体及房顶等体系组成。轻钢住宅的结构形式通常采用线内支承的板肋体系,轻钢构件可应用于不同的房屋构件,采用轻钢构件可以大大简化结构体系,同时又提供有效利用结构体系及构件的承载力,设计的灵活性及施工便利。



楼面体系:



作为楼面托梁的轻钢龙骨其截面高度通常为150至300毫米之间,其钢板厚度大约在0.84至2.56毫米之间,楼面托梁常见支撑形式是简支或连续梁,多跨连续梁即可采用单一构件的形式,也可采取多构件搭接的形式。一般说来多构件搭接的形式较单一构件具有更大的灵活性,同时在运输上也很方便。楼面托梁龙骨的腹板通常给予等间距的冲孔,以方便水电管线的穿越。



墙体系统:



用于墙体的轻钢龙骨可分为承重和非承重两种,承重的C型龙骨其截面高度一般在93至200毫米之间,钢板厚度通常界于0.80至1.91毫米之间;非承重龙骨的截面高度在41至150毫米之间,其钢板厚度为0.45至0.84毫米,作为一种非常经济实用的墙体体系,这种由轻钢龙骨与石膏板(若作外墙还需加结构板材)组成的板肋墙体也普遍地应用于高层住宅建筑。屋架--不同截面形式及厚度的轻钢构件,可为各式各样的房顶形式及体系提供广泛的用途。屋架即可由轻钢椽梁直接构成,也可用轻钢桁架构成。轻钢桁架既可现场制作也适合于工厂大规模集成生产,跨度较大的情况下,采用轻钢桁架尤为经济。



中低层住宅:



轻钢板肋结构体系通常适用于六层或六层以下的住宅建筑,但目前也有应用到八层的旅馆建筑实例。中层住宅建筑,其底层轻钢龙骨厚度可达2.6毫米,龙骨间距常为305毫米,上部楼层的龙骨材料厚度可随荷载的减小而减少。楼面结构可根据其跨度的长短选择下列体系:轻钢楼面体系,由压型钢板和混凝土构成的钢承复合楼板,钢筋混凝土预制或现浇楼面。特大开间可采用轻型空腹钢桁架,压型钢板和混凝土组成的复合楼面,抗侧向荷载的体系常由轻钢拉条构成X型斜向支撑体系,或由抗剪板材与轻钢龙骨组成的剪力墙体系构成。屋架多由轻钢椽梁或桁架构成。



高层住宅 :



在加拿大,轻钢结构已广泛地应用于在包括住宅在内的各种高层建筑,其主要用于内外填充墙,隔墙,幕墙,外维护墙及屋架,屋顶体系.高层住宅的承载结构常由H型钢或钢筋混凝土的框架体系组成,由轻钢构件构成的轻质内外墙体系非常便于与承重结构的框架体系融为一体



    美国的轻钢结构住宅



美国像其他西欧国家一样,轻钢结构主要用于低层住宅建筑,近些年来,美国也开始进行多层轻钢结构住宅体系的研发,最早一幢多层轻钢住宅于1990年开始设计,至目前总面积发展到约30万平方米。并取得许多成熟的技术和经验。 美国的多层轻钢结构住宅技术是一项综合的技术,集轻钢结构、建筑节能保温、建筑防火、建筑隔声、新型建材、设计施工于一体的集成化技术,社会化分工明确,各种产品的生产商、施工方、设计方紧密合作,发展多层轻钢结构住宅技术,最关键的问题是其结构本身的性能,楼盖结构要具有适当的跨度并尽可能轻,并希望有较好的楼盖平面内刚度,墙体结构在承担竖向荷载(自重与楼面活荷载)的同时还要承担横向荷载(风荷载与水平地震作用)。



美国多层轻钢结构住宅的特点为:

   

轻质楼盖系统其楼盖由C型的轻钢搁栅与铺于搁栅上的薄板组成。搁栅一般跨度为3.6米~4.8米,搁栅高为254毫米(搁栅的最大跨度可达11米),搁栅间距为 600毫米。搁栅在腹板上开有大孔,这样对于管线的穿越与布置极为方便。楼面有三种做法,分别为:高密度木纤维水泥板;满铺压型钢板再浇筑20毫米的陶粒轻骨料混凝土;满铺定向木纤维板或高密度层压胶合板。在这些轻质楼盖上每平方米可承受316~365公斤的荷载。该楼盖结构体系重量仅为国内传统的混凝土楼板体系的四分之一到六分之一,但其楼盖的结构高度将比普通混凝土板高100~120毫米。



竖向墙体结构一般将内横墙作为结构的承重墙,墙柱为C形轻钢构件,其壁厚根据所受的荷载而定,通常为0.84~2毫米,墙柱间距一般为400~600毫米,墙柱的下端为U形开口朝上的底槽梁,墙柱上端为U形开口向下的顶槽梁,搁栅固定于上槽梁侧边。为提高墙柱的稳定性,一般墙柱高度范围内设三道轻钢拉条。这种墙体结构布置方式,可有效承受并可靠传递竖向荷载,且布置方便,但该墙体结构不能承受水平荷载。为抵抗水平风荷载与地震作用,美国多层轻钢结构住宅体系中有二种方式,分别为采用轻钢剪力墙或采用带十字交叉支撑的普钢框架结构。轻钢剪力墙一般布置在分户墙,采用0.5毫米镀锌薄钢板蒙于石膏板上,再固定于轻钢墙柱上,形成类似于应力蒙皮结构的剪力墙,每层之间有一个特殊的构件对上下楼层剪力墙进行连接,以有效传递水平剪力与由于水平力作用在墙柱上而产生的拉力。在地震区,为保证结构安全,采用带十字交叉支撑的普钢框架作为抗侧力结构,形成以轻钢承受竖向荷载,以普钢承受水平荷载的混合结构体系。



建筑保温节能技术美方轻钢住宅体系中,对保温节能技术十分重视,对于墙来说为确保达到保温效果,一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外,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;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维,减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维,减少户墙之间的热传递。



建筑防火技术,对于轻钢结构一个最关键的问题是防火技术的应用,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25.4 毫米厚(1吋)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。



建筑隔声技术轻钢建筑中,美国的研发工作对于隔声处理下了较大功夫,在内外墙及楼盖搁栅间填充玻璃棉,有效阻止了通过空气传播的音频部分,而对于通过固体传播的冲击声,在美国的多层轻钢住宅中,作了如下构造处理:对于分户墙用二道墙柱构成带有中间空隙的二道墙体;而对于吊顶用的固定石膏板的小龙骨,用带有小切槽的弹性构造以有效减少楼层间的固体声传播。



    澳大利亚冷弯薄壁轻钢结构住宅体系



构造特点:



承载结构采用冷弯薄壁轻钢骨架,采用高强、防腐钢卷板(屈服强度550Mpa,锌铝合金镀层厚度270g/m2),钢材厚度为0.75mm,通过电脑辅助制造专用设备按设计要求,直接轧制成各种不同类型的结构构件。竖向承重构件采用密排柱,最大柱中距600mm。平面承重构件:屋面采用桁条网,网格尺寸为600X600mm,楼(地)面采用桁架式梁,最大中距1200mm,门窗过梁采用小桁梁。墙体围护结构采用轻质高强围护材料或纤维水泥板。屋面、楼面、内外墙采用防水、保温材料.屋面楼面系统采用防水玻纤瓦、防水卷材、保温材料棉、桁条、吊防火石膏板。



施工特点:



钢结构的生产制作采用电脑辅助制造技术,生产制作的全过程是以电脑软件控制的专业设备完成,保证构件制造的精确度误差在人工难以达到的半毫米以内。除基础施工外,其余全为干作业施工安装。



设计特点:



冷弯薄壁轻钢结构体系是澳大利亚的成熟技术。设计中使用了特殊的CAD技术-轻钢结构建造设计软件,由此生成的设计文件可以直接输入到加工设备进行自动加工。  



    亚洲各国轻钢结构:



由于西欧发达国家的经济扩张以及亚洲诸国的经济崛起,印度、日本、韩国等国也在二十世纪初开始研究和发展钢结构住宅建筑,日本钢结构建筑占建筑总量的50%左右,韩国钢结构建筑占建筑总量的20%左右,并且钢结构用钢总量中H型钢占50%~60%左右。



日本钢结构建筑的历史有100年左右。目前日本的各种建筑结构中,钢结构的建筑数量最多,占住宅建筑总面积的20%左右,其中多数为低层独立住宅。使用轻型钢的低层小规模住宅已系统化,轻钢结构住宅竣工的占住宅总数的25%~28. %,主要生产企业有新日铁、丰田、积水、大和、三泽住宅株式会社,其中新日铁的KC住宅体系有为突出。



日本的KC体系



    结构体系强调的冷型钢与结构用板材共同形成抵抗横向荷载的整体墙板,类似于钢筋混凝土结构中的剪力墙。每层楼板都搁置安装在该层的墙板之上,墙板在竖向都被各层楼板隔开,竖向墙体在结构上无法构成连续的墙体。因此技术上就要通过贯通楼板的抗拔锚栓将上下层墙板连成整体,同时靠抗剪螺栓将墙板与楼板连接在一起。



结构板材一般采用OSB(定向刨花板)、结构合成板、水泥纤维加压板等。这种板材解决了原有纯木质板材在防火、防水以及结构整体强度不足的缺陷,这种替代产品,解决了原来木质板材在防火、防水、以及结构整体强度方面的不足,提高建筑体系的整体性能。



防火采用耐火性能较高的板材,如不燃水泥基结构用板材、耐火石膏板等作为基本材料。以延长墙体耐火时间,增强耐火完整性。隔热措施通过在复合外墙中增设反射层,提高墙体对辐射热的反射作用,大    大降低了辐射热对建筑室内的热环境的影响,经测试比较和实践证明,节能效果明显,热稳定性也有所提高。



(二)   国内的情况:



    市场和政策支持:

   

随着我国经济持续稳定发展钢铁产量剧增,2005年钢产量已达到3.71亿吨,人均消费300公斤左右,建筑钢材数量、品种、质量基本满足钢结构住宅建筑的需要。同时建筑业和房地产业的不断壮大,使之成为国民经济的支柱产业,钢结构行业广泛应用到建筑中来。迅速崛起。   

其次,从1996年起国家就不断出台政策引导和支持钢结构建设的发展,如



1996年建设部编制了《1996-2010年建筑技术政策》提出合理使用钢材,发展钢结构、开发钢结构制造和安装施工新技术;



1999年,国务院办公厅72号文件提出——发展钢结构住宅,扩大钢结构住宅的市场占有率,将会加速住宅产业化过程。



2001年底建设部发布了《钢结构住宅建筑产业化技术导则》。



2005年2月,建设部发文《关于进一步做好建筑业10项新技术推广应用的通知》,通知中推广新技术中的第五项为钢结构技术。

2006年到目前正在抓紧制订《钢结构住宅设计规程》和《低层轻钢结构装配式住宅技术要求》等建筑钢结构的钢材、设计、制造、施工有关国家行业标准和规范,为钢结构住宅建筑体系发展奠定理论基础。



二、   钢结构建筑体系在我国住宅中应用   

根据《国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要》的发展目标,我国“十五”期间计划达到每年建筑钢结构用钢量将占全国钢材总产量的3%;到2015年将达到钢材总产量的6%。为促进我国钢结构住宅产业化发展,建设部于2002年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》,建立并批准在天津二建钢管混凝土住宅、上海中启集团的中福城、上海现代的新疆库尔勒8层钢结构住宅、马钢公司的12层钢结构住宅楼、山东莱钢的住宅楼,以及以北新房屋、河北唐山低层轻钢结构住宅,这些项目为我国钢结构住宅的发展打下坚实的基础。 钢结构住宅尤其是轻钢结构住宅建筑结构体系,正是工业化、标准化产业化的真正体现,是住宅的建筑体系朝着安全、环保、节能和可持续发展方向发展的根本保障。



以下介绍两种典型的钢结构建筑体系:

  

(一)“H”型钢住宅建筑体系

  

    山东莱钢建筑体系:

   

它主要是以“H”型为骨架的钢建筑体系,包括结构体系、墙板体系等部分。



    结构体系:

   

对于不同的建筑形式,合理的结构选择和设计至关重要,它直接关系到结构的使用性能和整个工程的造价,结构形式主要有:    钢框架-混凝土剪力墙(核心筒)混合结构、钢框架—预制混凝土剪力墙结构和   偏心支撑结构。

  

    墙板体系:

  

配合钢结构绿色节能住宅的体系的推广,莱钢建设自主研发了LCC-A型、 LCC-B型和LCC-C型轻质保温复合墙板。

   

    体系的特点:



户内的有效使用面积增大。由于采用了新型墙材,厚度比砖墙明显变薄,加之梁柱的截面减少,因此室内空间比传统建筑结构增加约3 % -6%;建筑风格灵活、丰富。大开间的设计,户内空间可多方案分割,满足用户的不同需求;采用轻质、保温的新型墙材和节能技术,使室内保温性能好;建筑物抗震、抗风性能好。钢结构延性好,自重轻、大大提高了住宅的安全可靠性;建筑总重轻。比砖混结构和钢筋混凝土结构轻1/3-1/2,可降低基础处理费用;   

工厂化制作,易于产业化,施工速度快。工期比相应砖混结构和钢混结构缩短1/3-1/2,加快了资金周转,提高了资金的收益;环保效果好。施工时可大量减少砂、石、灰的用量,减轻了对不可再生资源的破坏;现场湿法施工大量减少,施工环境好,占用施工场地面积少。当建筑物服务期满需要拆除时,钢材可全部回收利用,减少灰色建筑垃圾;具有较高的性能价格比。

   

(二)“C”型钢体系

   

“C”型钢体系,主要是指以美国(WORTHINGTON)、加拿大()、澳洲(BLUESCOPE)和日本新日铁(NSC)的体系,前以介绍,此处不在叙述。

  

三、   我国目前房地产发展现状及住宅形式的要求



    国家基本政策要求:

   

根据中央经济工作会议提出的“继续加强和改善宏观调控,着力调整和转变增长方式,着力加强资源节约和环境保护,着力推进改革开放和自主创新,着力促进社会发展和解决民生问题”的总要求,2005年国务院出台《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》(国发[2005]22号)、《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》(国发[2005]21号)和《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》(国发[2005]39号),提出运用节能技术,推进建筑节能工作,以住宅产业化带动,发展节能省地型住宅。2006年《国务院办公厅转发建设部等部门关于调整住房供应结构稳定住房价格意见的通知》(国办发[2006]37号)。    上述几个文件的中心思想就是着力调整住房供应结构,合理引导住房消费,整顿和规范房地产市场秩序,积极发展节能省地型住宅。根据我国人多地少、资源短缺的实际,提出了套型建筑面积90平方米以下的住房面积占新建商品住房总面积70%的目标要求 。    同时为全面落实科学发展观和构建社会主义和谐社会重大战略部署,构建多层次住房保障体系,不断完善经济适用房和廉租住房制度的建设,政府将提供充足的资金,保证居民尤其是最低生活保障家庭住房困难的需要。    由此看到,国家能源战略和能耗指标的提出,以及住房建设和消费模式的转变为钢结构住宅提供了广泛的市场。

  

    住宅建设与市场开发:   



    大中城市的建设现状与住宅形式的要求

  

由于国家宏观经济调控,使得城市土地供应进一步有序,城市尤其是大中城市的土地变得稀少,同时“节能省地型住宅”建设政策的要求,使得大中城市的房地产开发趋于以投入产出比较合理的小高层、高层住宅产品为主,而多层住宅、多层以下的住宅都被转化到城乡结合部,或中小、土地资源较为丰富的城市来开发建设。



    村镇住宅建设的新特点

   

    年中央一号文件《中共中央国务院关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农村建设的若干意见》(中发 [2007]1 号)。提出继续推进农村人居环境治理的指导思想,为新农村建设提供保障。  



应该清楚的发到,新农村建设不仅仅把农民住房简单的成为城市化的问题,不是简单的“农民上楼”的问题,“农民上楼”是改善农民居住生活的一种形式,一种理想模式,但中国的土地之广阔,生活方式之复杂多样化,绝不可能一刀切,况且农民有农民的生活方式,他需要有耕作的农具、生畜以及其他生产资料,这些都需要区别于城市住房的居住空间,而绝大部分农村的经济还较为落后,高成本的住房建设费用,恐难以承受,工业化的建筑体系受地域的影响,在偏僻的农村建造也存在一定的空难。

  

四、   薄壁轻钢住宅建筑体系的特点及市场



基本特点:

   

近150年来,钢材在建筑业的应用已遍及世界.钢材至今仍然是最坚固,耐久和经济的建筑材料之一。

   

冷弯薄壁型钢为支撑体的轻钢建筑结构体系具有以下特点:

   

结构体系自重轻,基础负载小,可以大大减少基础造价,最大程度的降低成本;施工周期短,可缩短投资资金的占用周期,提高资金的投资效益,加快产品的产出;

  

钢构件及相应配套技术工厂化制作,有利于保证产品的质量,促进产业化发展;工业化程度高,作业和现场干净,废料少,其材料可再生利用,符合环保和可持   

续发展的要求;

   

建筑体系满足建筑大开间,灵活分隔的要求,墙体薄可增加有效使用面积;    纵横的钢龙骨构造,为管线穿越提供了方便并封在墙体内部,避免穿墙打洞对结构的破坏;

  

轻钢体系提供高强,高质、节能、防蛀、抗震、耐久和可回收的安全结构,满足现代建筑发展的需求。

   

同时它还具有以下不利的特点:

   

结构体自重轻,空腔多,居住者居中时噪音较大,在住宅的安全性、耐久性上缺少传统钢混结构保障度;

   

的钢材与板材复合的结构体,使的建筑体系热惰性较差,须采取较大的技术措施,才可提高居住的舒适性;

   

由于是较新的结构体系,还没达到或最终也不可能达到通用设计和优化设计,结构体系造价较高,在目前的状况下,在同等的楼层缺乏经济竞争力;  由于材料本身和建筑体系技术开发不够完善的原因,此种结构体系只限于低层(1-3层)住宅和中低层住宅(8层)以下。

   

部分专业,如防火、结构等的施工与验收规程与目前国家或行业标准不符。

  

市场需求:

   

由于其结构体系自身的因素(无论是从理论上,还是从实践上看),认为此种结构体系只适合5-6层以下的住宅建设,而目前大中城市土地供应的限制和价格因素,大量多层住宅的建设不是最理想的投入产出比,实际上多层住宅一般都建在土地价格适当便宜的城乡结合部或中小城市,而其工业化程度以及造价(目前统计数据建安造价为1200-1800元/m2),对于那个地区的项目增加了相当的难度;最后是市场价格的问题,城乡结合部或中小城市目前的房价本身适当,大幅度的增加造价,开发商恐怕难以接受。   结论    研究表明,冷弯薄壁型钢低层、多层住宅建筑体系技术可行,也能满足目前部分住宅市场的需要,它的推广应用有利于我国住宅产业的发展,但由于目前的国民经济承受水平、国家房地产政策和居民购买的接受程度,认为目前的市场需求不乐观。    然而参照发达国家的发展经验,世界经济强国无论由于什么方面的原因,(或发展钢铁工业、或改造传统结构体系、或环保节能等)都在加紧研究、推广此种结构体系,这个过程应引起我们的思考和关注。

  

认为,我国目前具备发展此项结构体系的一切条件,应加大学习和研究力度、甚至加大实验和样板工作的深度,作好重复的技术储备,迎接适合此技术体系推广应用市场的到来。  


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