浅析轻钢住宅结构体系产业化
【摘要】轻钢结构住宅具有自重轻、抗震、保温隔热性能好、干作业施工、工期短、成本低等一系列优点。文章对我国轻钢住宅结构体系的开发、研究以及结构体系特点进行分析, 并论述了轻钢住宅结构体系和维护结构, 通过国内轻钢住宅研究及应用的介绍, 分析轻钢住宅结构体系产业化的优势与困难。 关键词: 住宅; 轻钢结构; 体系; 产业化
1、背景介绍
我国是世界上最大的砖砌体建筑和混凝土建筑大国, 根据有关统计每年生产砖7 000 多亿块, 约占世界产量的二分之一; 生产水泥5 亿吨, 约占世界产量的三分之一.生产砖的代价是每年毁掉农田15 万亩, 消耗标准煤7 000 万吨; 生产水泥的代价是每年排放温室气体CO 2 约3 亿吨, 破坏的矿山和排放的废水难以统计.而且砖和混凝土还是不可再生材料, 形成的建筑垃圾难以处理.本世纪头二十年我国全面建设更高水平的小康社会的关键是看住房, 目前我国的住宅都以砖混结构和钢筋混凝土框架结构为主, 这种传统的小开间、功能单
一、能耗高、资源消费大、抗震性能差、施工速度慢、受季节限制的结构体系已不能满足现代社会的要求.迫切需要研究、开发和推广造型优美、结构性能优良、使用方便、施工速度快、经济合理的住宅建筑体系来代替现有的结构体系.使我国住宅建设向舒适化、功能化、智能化、产业化方向发展.轻型钢结构正是住宅建设中具有独特优势的结构体系.
2、国内外发张现状
2、1国外发展现状
在国外采用钢结构住宅的大都是钢铁生产大国和钢结构建筑比较发达的国家和地区.轻钢建筑结构在欧美发展较快.近几年, 日本的发展更快.在美国、加拿大、澳大利亚、日本、瑞典等国家, 钢结构中的用钢量已经占钢材产量的30% 以上.钢结构住宅占住宅总建筑面积的40% 以上, 采用轻钢结构体系建设建造的单层和多层建筑物占50% 以上.日本新建的1- 4 层住宅大都采用轻钢结构, 以色列居民定居点的住宅也是以轻钢结构住宅为主.这些国家在钢结构住宅的抗震性能、防火、防渗、建筑材料、结构形式等方面的研究处于世界领先水平.美国在轻钢结构体系的分析、设计计算的理论和方法及制造工艺上已经非常完善, 开发了多种专利产品, 其专用的设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价, 在制作上也实现了高度的标准化及工厂化, 现有34 家专门生产单元式建筑的公司.瑞典是当今世界上最大的轻钢结构制造国.其轻钢结构住宅中预制构件数量达95%.目前在钢结构住宅体系上, 国外已开发了钢结构工业化生产体系, 并不断提升住宅产品的性能指标.而且国外的研究已进入对住宅体系灵活性、多样性研究, 进而扩大适应面和产生规模效应.例如, 日本的三泽住宅以“百年住宅”的概念,英国的以“建筑生产反思”的观念等使住宅产业化的实现体现出: 以模数化构建标准化, 以标准化推动工业化, 以工业化促进产业化.
2、2国内发展现状
目前中国建筑钢材品种丰富, 价格合理, 新产品开发力度大.热轧H 型钢、中厚板、型钢、钢管、高频焊接H 型钢、冷弯型钢及涂镀层钢板等都有显著增长.宝钢、武钢、马钢的耐火耐候钢在工程中得到使用, 武钢、浦钢、鞍钢厚板在工程中广泛使用, 马钢、莱钢H型钢供不应求, 为钢结构住宅提供了各种规格的钢材.另外为促进我国钢结构住宅产业发展, 建设部于2002 年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》,建筑钢结构的钢材、设计、制造、施工、行业标准、规范约60 本已基本编制修订完成.《钢结构住宅设计规程》正在编制.国内钢结构住宅从研究开发到工程试点, 发展速度非常快, 现在已经建成100 多万m 2.
3、轻钢住宅结构体系产业化的优势与困难
3、1 轻钢住宅结构体系产业化的优势
3、
1、1轻钢结构住宅的特点
(1) 工业化程度高，所有构件均实行工厂标准化生产，质量稳定可靠，利于 实现住宅建筑技术集成化、产业化，并能降低成本。工厂制作，现场拼装，全天候干式施工，噪音小，粉尘与垃圾少，有利于住宅产业化；符合环保建筑 施工的要求，不使用粘土砖，可拆卸和回收，符合国家土地资源政策、环保政 策和可持续发展战略，是环保型建筑的典范。
(2) 结构自重轻,基础负担小，可大幅减少基础造价，尤其适用于地质条件 较差的地区；结构地震反应小，用于结构抗震措施的费用少，适用于地震多发区，制作、运输、安装、围护方便，降低人工和机械费用。
(3) 施工周期短，投资回报快，比传统住宅体系至少可以缩短工期1/3，从 而可以加快资金周转, 大大提高投资效益。
(4) 符合环保建筑可持续发展的社会价值趋向。钢结构住宅所用的材料主要 是绿色、可回收材料,在建筑物拆除时,它的大部分材料可再利用,是环保型建筑 的典范。
(5) 可采用新型轻质围护材料，不助燃，不霉变，不虫蛀；装修可以一次 到位，少维修；管线可暗埋于墙体及楼层结构中，在保温、隔热、隔声等性 能方面比传统结构住宅有非常明显的优势,比砖混住宅节能60％以上，因此住宅 的舒适性更好。
(6) 外形设计自如，室内大空间无梁无柱，跨度可达12m。这也是钢结构住 宅的最大的优点。钢结构宽敞的空间正好给了业主一个根据自己的喜好来布置 生活空间，再也不用因为承重墙、构造柱来影响房子个性化的设计。
(7) 房屋构件的更换维修方便,省时省力,具有良好的综合经济效益.2.2 节约化
改进建筑的热工性能,利用自然通风与采光,利用各种清洁能源和可再生能源,采用高效照明，减少采用机械设备改进建筑热工性能的手段,选择低能耗建材(如 尽量少用粘土砖) ,利用旧建材与地方材料。采用节水设备,选择制造时耗水少的 建材( 如减少混凝土用量) 。钢结构具有可拆、可改、可循环、可再生的特点, 其配套构件(如楼板、墙板、楼梯、门窗及内部装修材料)也应选择具有这些特 点的材料,增强材料耐久性,以利于循环利用。 2.3 生态化
屋顶设太阳能收集器,收集雨水,废水处理后再回用等。从土壤成分、结构分 析入手,并对坡度、地下水、土壤侵蚀、场地动物植物资源、光能资源、风能资 源等进行研究,以适当的建筑形式和设备措施达到顺应小气候、改进微环境。 3.1.2 轻钢结构的构造特点
1) 抗侧力结构系统。抗侧力结构系统可分为纯钢框架体系、框架—支撑体系、钢框架—混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。对于轻钢结构体系的选择,可根据建筑平面设计的要求灵活处理,综合使用不同的抗侧力体系。2) 楼面屋盖系统。楼面和屋盖都必须有足够的强度、刚度和稳定性,同时应当尽量减小楼板厚度,增加室内净高。压型钢板—混凝土组合楼盖是目前应用较为广泛的形式。其楼盖由C 形轻钢格栅与铺于格栅上的薄板组成。楼面有三种做法:高密度木纤维水泥板;满铺压型钢板再浇筑20 mm 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。3) 墙体结构。目前,墙体主要分为自承重式和非自承重式。自承重墙体主要包括用于外墙的加气混凝土块、轻钢龙骨加强板、太空板等,及用于内墙的石膏板、轻钢混凝土板、水泥刨花板、稻草板等。外挂的非自承重式墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻璃纤维增强外墙板等。结构的承重墙一般为内横墙。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。采用非自承重式墙体材料,需设置墙梁用以悬挂外围护结构。门窗洞口上下要布置。墙梁多采用C 形或Z 形冷弯薄壁型钢,尺寸取决于跨度(刚架间距) 和墙距(板跨)。4) 建筑保温节能技术。为确保建筑物达到保温效果,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;楼层之间格栅内填充玻璃纤维,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。5) 建筑防火技术。火灾是对钢结构建筑的最大危害,钢材虽为非燃烧材料,但钢材不耐火,对于轻钢结构尤其要注意防火技术的应用,所以,钢结构不仅要进行结构的抗火设计,还要采用防火措施保护。目前常用的防火措施有防火涂料法、隔离法、实心包裹法、膨胀漆覆盖法。6) 建筑隔声技术。轻钢建筑中,将玻璃棉填充在内外墙及楼盖格栅之间,能有效阻止通过空气传播的噪声,而对于通过固体传播的冲击声,有两种处理办法:对于分户墙用两道墙柱构成带有中间空隙的两道墙体;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。
3.1.3轻钢结构主要构件的设计要点
1) 钢架柱与梁。轻钢结构钢架柱和梁的设计主要应进行梁柱板件的宽厚比限值计算、梁柱构件的强度计算、梁腹板加劲肋的配置、钢架柱整体稳定计算等。钢结构住宅一般为大开间,钢架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的要求。 2) 屋面板楼盖设计。在多层轻钢房屋中,楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性。因此,它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外,更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用;从抗震角度来看,还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有:压型钢板—现浇混凝土组合楼板,现浇钢筋混凝土板以及钢—混凝土叠合板,而以第一种最为常用,即在钢梁上铺设压型钢板,再浇筑100 mm～150 mm 的钢筋混凝土板,压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。 3) 檩条支撑构件设计。檩条可分为实腹式檩条、空腹式檩条和格构式檩条,优先采用实腹式构件。实腹式檩条宜采用卷边槽形和带斜卷边的Z 形冷弯薄壁型钢。檩条一般设计成单跨简支构件,实腹式檩条尚可设计成连续 构件。
4) 节点设计。框架梁柱节点一般采用两种连接方法,弱轴方向与梁的连接多采用铰接,而强轴方向采用刚接形式。一般均采用在构件端部焊一端板(翼缘与端板应采用全焊透对接焊缝,腹板与端板可采用角焊缝) ,然后再用高强度螺栓互相连接。
3.2轻钢结构发展所面临的问题
3.2.1轻钢结构的技术标准和规范有待进一步形成和完善。
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,近几年,根据建设部技术标准编制工作计划,虽然有一些轻钢结构技术规范出版,但在全国还尚未形成强制性规范条文。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,要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。
3.2.2轻钢建筑设计理念与国外存在一定的差距。
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,并不像混凝土建筑的设计是按着先建筑设计后结构设计的理念进行设计,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设设计的原则。另外,我国轻钢结构的主体结构设计、维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,这就保证了建筑整体安装的精确度。 3.2.3缺少研究轻钢结构的专业工程技术人员。
我国在较长的一段时间内,大多从事单一的混凝土结构工程设计和施工,此外,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,目前应大力加强和提高各级技术人员的轻钢结构业务水平,充分发挥各高等院校、学术团体等举办轻钢结构技术讲座、规范培训班等。
3.2.4现行的建筑管理模式与轻钢结构这种工业化生产方式不相适应。 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,因此,要改变现行的建筑管理模式以适应轻钢结构工业化的生产方式。 ·
4结语
我国钢结构研究已进入一个新阶段,有关规范和标准已出台,国内钢产量充足,为轻钢结构住宅的发展提供了较好的物质和技术基础。住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路, 钢结构住宅体系能够实现定型化设计、标准化制作、工业化生产, 墙体材料可以采用节能、环保的新型材料, 属于绿色环保性建筑, 同时又可再生利用, 符合可持续发展.所以, 大力研究、开发、推广和发展轻型钢结构住宅体系, 建设“百年住宅”, 实现小康社会的住宅, 用新的结构体系替代砖瓦结构, 是建筑业同行的共同目标.5参考文献
[1 ]苏春生.浅谈轻钢结构的设计与发展[M ]山西建筑,2010,36 (7).[2 ]李国强等.新型轻钢结构住宅体系及其应用[J ] 工程建设与设计,2007 , 27(4) .
