国内钢结构高层住宅体系发展及研究

110atdDevelopmentandResearchoftheSteelStructureinHigh-riseResidenceSystem国内钢结构高层住宅体系发展及研究1我国钢结构住宅建设现状随着国家建设部倡导节能、节地、节约型住宅的开发及设计，全国各地都在紧锣密鼓地建设着优美舒适的康居住宅。而钢结构节能住宅在中国的住宅市场中也悄然兴起，钢结构节能住宅体系是一种节能、环保、可持续发展的住宅体系。在国外钢结构住宅也在住宅市场中占有极大的比重，它在中国大规模的建造将是中国住宅产业的又一次革命。钢结构节能建筑由于其取材对环境破坏小，造型美观，施工周期短，抗震性能好，造价容易控制，适合于不同气候条件和大气环境等优点，实现了人们对“绿色建筑”的追求和理想，在国内外建筑业已经得到越来越广泛的应用，早已成为一项非常成熟的技术。目前我国的钢结构建筑仅占全部建筑总量的1～2％，远远低于世界先进国家水平，与我国的经济技术水平和综合国力明显不符，这也是国家一再强调发展钢结构建筑及钢结构住宅的重要原因。90年代以来国家相继出台了一系列的政策措施鼓励、支持和推动我国钢结构建筑及钢结构住宅的发展。按照建设部的规划，二十一世纪我国民用住宅将会越来越多地采用钢结构体系。国务院[1999]第72号文件指出：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，对我国建筑业、冶金业及相关产业的发展具有重大意义。撰文郭奇孙翠鹏中国建筑西北设计研究院六所摘要关键词本文以济南黄金时代三期为例，结合中国住宅建设的概况，详述了现今国内高层钢结构住宅体系的发展及研究，对国内实践中的钢结构住宅体系的发展做进一步的总结，为在今后的设计过程中提出了一些应当关注的几个重要问题。高层钢结构住宅体系发展研究国内实践图1atd111工程实例济南”黄金时代“三期位于济南市经十东路高新产业园内，北面正对济南高新电子产业园，西边舜雅路紧邻一所私立小学，南面距新建成的十车道的经十路仅二百米。自然环境优越，交通便捷，商业配套齐全，同时周边又聚集了几所大专院校，文化氛围浓厚，同时提高了住宅小区的生活品质。总平面布局上，充分利用现有地形条件，建筑的排列由北向南顺山坡地势依次逐渐抬起，以各栋楼为中心的组团构成了整体布局。基地平面接近一个L型，将五栋小高层（见图1）放在长边处，两栋多层（见图2）放在短边，五栋小高层的单元组合也是依据地形，宽阔的地方建成三单元的板式小高层，狭窄的地方建成两单元的板式小高层，这样使得每栋建筑单体都融合到地形中去，让限有的地形得到最大化的开发和利用。2钢结构住宅的优势及特点钢材是一种理想的生态建筑材料，它强度高、耐久性好、具有良好的可重复性，兼具绿色、环保的特点。在量大面广的住宅建筑市场发展钢结构节能住宅是国家建设部及冶金工业局倡导的住宅产业化进程的重要方向。与传统的住宅结构形式相比钢结构住宅具有以下优势和特点：1）钢结构自重轻、强度高，造型活跃、房子面积利用率高，比砖混结构轻30%，比混凝土剪力墙结构轻20%，特别是对于高层钢结构节能住宅，自重的减少可以有效地降低地基处理所需的费用，增强了对基地条件的适应性；2）耐震性能好。钢梁、钢柱组成柔性框架（见图3），可以吸收部分地震能量；从国内外地震后情况看，钢结构住宅建筑倒塌数量很少，从国内外地震震害调查来看，钢结构住宅抗震性能明显优于钢筋混凝土建筑；3）施工速度快。和混合结构相比，工期可缩短一倍；施工现场湿作业少；不受天气的影响；施工临时用地小，且不用模板；4）工业化程度高，符合住宅产业化要求，建造质量易于保证。便于形成标准化建筑体系，实现构件工厂化和施工机械化。5）可回收、再利用，符合可持续发展要求。由于装配化施工（见图4、图5），所占用的施工现场、建筑垃圾、建筑施工噪声等都减少到最低的程度，对环境污染小，其节能指标可达50%以上，属于绿色环保建筑体系。6）新型钢结构住宅改变了人们过去认为钢结构建筑造价高，难以承受的传统观念。如果综合考虑各种因素，如使用面积增加、工期缩短、上部自重的减少对基地的影响等有利因素，以及由于钢材自身的优越性所带来的社会效益，很显然，钢结构在多层及高层住宅中的推广应用图2112atd是非常有意义的。因此，钢结构节能住宅具备广阔的前景。7）钢结构属于框架结构，以钢框架和钢筋混凝土框架做比较：在跨度相同情况下，钢梁高度是钢筋混凝土梁高度的一半。在承载力相同的情况下，钢柱外围面积是钢筋混凝土面积的1/4。比起“肥梁胖柱”的钢筋混凝土框架结构，钢结构有很强的优势。3钢结构节能住宅设计要点：3.1户型的设计对于钢结构住宅的户型设计，要充分考虑到钢结构这种体系与传统住宅体系的不同。户型设计的好用与否不仅关系着住户的利益，对开发商也有直接的经济利益。钢结构节能住宅适合于平面布置基本规正、均匀、凸凹变化较少，不适宜轴线错开较多，形心和质心距离较大图3图4图5atd113和易于产生较大扭转的住宅户型。规整的户型可以减少钢材的用量，减轻住宅的自重，造价自然也就会减少。“黄金时代”三期的户型带来的是超大面宽的舒适享受（见图6），所有房间都能得到自然的通风采光，让阳光及和煦微风充满每一个空间。户型中柱与柱之间7米多的大跨度尽显钢结构框架体系的优势，使得室内空间更加完整,提高房子面积的利用率。3.2层数及层高的设计任何一种结构形式都有它的适用范围和最佳高度。钢结构正是在高层、超高层建筑中具有独到的优势。但是在八度地震区，高层住宅由于地震设防，梁、柱断面虽然与同条件钢筋混凝土梁、柱相比要小的多，但在寻常百姓家的居室中，梁、柱的存在仍然是十分尴尬的事。所以“藏梁包柱”仍然是钢结构住宅设计的一项主要内容。相比之下，我们经过多方面考虑和计算，认为钢结构用于多层和“小高层”，还是具备一定优势的。大空间可自由分割历来是住户的期望，在墙体结构中大空间的获得，只有以大空间大进深来实现，其结果是楼板厚度增加造成用钢量和结构自重加大，结构重量加大又造成地震力加大，反过来影响剪力墙的厚度、强度和配筋。在钢结构框架体系中，利用小进深获得大空间的优势要大的多。常常用吊顶把开间梁、进深梁隐藏起来，这种做法层高要求在3.1米以上。但在“黄金时代”三期的设计上，由于户内分隔墙和分户墙拆移的可能性很小，墙上部的梁可以包在墙体内，因此层高设计为仅2.9米。3.3柱网和柱型断面形式设计柱网的设计是根据户型设计而排布，并且结合梁的位置截面高度同时考虑到将框架梁很好地隐蔽起来，使得屋内空间保持完整。外墙处的柱距是柱网确定的关键，沿外墙钢梁和外墙窗上皮的高度关系处理好，柱网也基本就确定了。现在国内的钢结构节能住宅其梁截面一般为I型，分轧制和钢板焊接两种。钢柱的截面型式大体分为三中：圆管柱、方管（箱形）柱和H型钢柱（见图7）。其中，管柱内浇注混凝土，形成钢管混凝土柱，承载力比钢筋混凝土柱大幅度提高，因此用钢量较省。在“黄金时代”三期工程上小高层采用了方钢管柱，多层采用了H型钢柱。在节点构造做法上，方管柱构造简单合理。但是，管柱在与钢梁连接上下翼缘部位，须加横隔板以形成贯通式节点，这一要求增加了加工难度，因而也提高了工程造价。H型钢柱，当外包钢筋混凝土时形成钢骨混凝土柱。H型钢柱加工和施工都比较方便，但钢柱用钢量较多。3.4钢结构构件的防火与防腐目前,钢结构构件的防火措施主要有：喷涂防火涂料、外包防火板、水泥砂浆包覆等措施。其中,防火涂料又分厚涂型和薄涂型两种.厚涂型防火涂料外观厚重，不平整，需二次装修，施工不便。薄涂型防火涂料价格高，耐火极限低，水泥砂浆包覆施工不便，需二次装修。因此，均不适用于住宅设计中，相比较而言，钢结构外包覆防火硅钙板（见图8、图9）易于施工，价格低，防火性能好，外观整洁美观，仅需喷涂内墙涂料。本设计采用了包覆25厚防火板。当图6114atd图7然，防火板有其不足之处，其强度较低，在使用中需注意，以免其损坏，影响防火效果。而钢结构的构件防腐则是在工厂对梁、柱加工时以涂料方式解决，为现场施工加快了速度。3.5钢结构节能住宅的围护体系为了让钢结构节能住宅趋向工业化发展，住宅的围护体系自然也要配合工业化的发展趋势。钢结构节能住宅采用墙板体系作为其维护结构，墙板全部工厂化预制，现场安装，施工速度快，节能环保，充分体现钢结构住宅的特性。外墙板为大开间轻制保温复合墙板，两侧为30厚水泥砂浆层，内夹70厚聚苯乙烯板。保温性能好，全部外墙板外包梁柱（见图10），使得住宅无冷桥部位。户内隔墙为轻制复合墙板，两侧水泥纤维板内夹水泥聚苯颗粒，同时具有保温、节能、轻质、坚固、易于装饰、环保等性能，便于装配和施工，经济合理。3.6体系的选择及设计对于多、高层钢结构住宅常用的结构体系可分为纯钢框梁结构体系、钢框架加支撑结构体系、钢框架—混凝土核心筒结构体系等几种形式。在本次“黄金时代”三期的项目中，结构形式采用了混合结构体系，电梯间采用钢筋混凝土浇筑成类似核心筒，全部水平荷载均由核心筒承受，形成主要的抗侧力结构，钢框架只承受垂直荷载，这样以来对于防火和疏散都较有利。结构专业在设计过程经过多种钢结构体系的比较，认为“黄金时代”三期的结构形式，具有很好的水平抗侧移刚度，投资成本相对较低，比较适用于小高层钢结构住宅。小高层采用了方钢管混凝土柱，多层采用了H型钢柱。不同的建筑形体采用不同的框架柱型，这样以来不仅结构形式合理，工程造价也会比较经济。3.7立面设计在体型立面设计中，始终贯穿着情景设计的原则。建筑中多处用到弧形阳台与墙面的对比所形成的视觉节奏，利用材质的变化区分，形成体块与体块之间、面与面之间的变化。建筑的细部是体现建筑风格的重要环节，在这些居住单体设计中对建筑细部也做了着重的处理，例如，玻璃雨蓬、金属栏杆等。在色彩方面，建筑的总体色调被设计为赭色，让住宅显的更为稳重、更具内涵。居住建筑的外墙材料应该体现出舒适、优雅的风格特点，经过特殊处理的木质饰面和面砖无疑是很好的选择。局部辅以白色的面砖，配合上绿色的小院和情景露台，更加烘托出建筑的舒适宜人。图8atd1154钢结构节能住宅的节能设计：本次工程节能设计主要从以下几个方面实现：首先要合理布置户型，而钢结构节能住宅的户型布置，需要考虑住宅市场接受的可能性及节能的要求。而钢结构要求柱网整齐、梁柱传力关系明确，即要适合钢结构本身的特点，又要符合住宅市场的需求。柱网整齐，平面尽量减少凸凹，符合节能设计要求，可以减小建筑物的体形系数，控制在0.3以下，是经济合理的平面布局。选择保温隔热性能好的外墙：ALC墙板的保温性能优越,传热系数低,采用半托半挂形式，较少了冷桥的出现。选择适当的内墙材料：内墙根据分户墙和户内墙分别选择合适的墙板类型，ALC内隔墙有良好的保温性能，满足分户热计量的要求。对屋面进行保温隔热处理：采用现喷硬质聚氨酯发泡保温屋面。地下室顶板的保温处理，粘贴60厚聚苯板保温使整个围护结构的传热系数都满足规定的限制。选择合适的门窗、控制窗墙面积比：在满足建筑采光与外观要求的同时，尽量减小窗户面积。并且采用塑钢单框中空窗等保温隔热性能良好的产品，提高门窗的气密性，降低换气次数。5标准化、模数化、集成化住宅的建造钢结构节能住宅在设计上有别于一般住宅设计，它需要参与设计的各专业打破传统的专业界线，特别在北方采暖地区，不考虑吊顶时，管线的布置和梁柱的处理需要结合精装修进行考虑。另外，梁柱还应开发新的截面型式，使之受力更为合理，节点构造更加简单。钢结构住宅要产业化，另外还需要统一编制专门的设计规范，施工技术质量验收标准;需要各地区根据施工技术特点研制配套的施工机具，组建钢结构住宅的专业化施工队伍。6结语通过对济南“黄金时代”三期钢结构节能住宅的研究，体会到钢结构与传统结构形式的住宅相比有众多优点，但从目前看来钢结构节能住宅还处于起步阶段，而国家的有关部门也出台了许多相应的政策，大力推广钢结构节能住宅。我国作为钢铁大国，钢结构节能住宅的建造对于整个国家支柱产业发展和国民经济的提升会有着重要的作用。图9图10