民用轻钢结构设计浅析

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摘要：本文首先介绍了轻钢结构体系的优势,接着分析了国内外民用轻钢结构设计上的差距，最后分析了民用轻钢结构设计的关键技术和设计方向。

关键词: 轻钢结构 设计 民用

随着我国钢产量的快速增长，钢结构建筑的发展十分迅速，某些城市标志性高层建筑的建成，为钢结构的发展揭开了新的一页。我国民用建筑市场潜力很大，特别是近几年对环境保护、节能省地问题的重视，以及政府提倡大力发展民用轻钢结构住宅产业的政策指导和支持，使开发民用轻钢结构住宅体系成为当前住宅结构研究中的热点。

所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。

1轻钢结构建造优势

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。

轻钢结构具有以下几个优势：

⑴ 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。

⑵ 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。

⑶ 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。

⑷ 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。

⑸ 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。

⑹ 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。

⑺ 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。

⑻ 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。

根据我国目前情况来看，轻型钢结构由于其上述优势，已大量应用于民用住宅、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层民用厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。

2民用轻钢结构国内外设计差距

我国钢结构建造研究起步较晚，尽管进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，但无论是在建造技术上还是在建筑设计理念上，同国外相比都有明显差距。

（1）轻钢结构建筑的表现规模

在世界上被誉为人居环境最好的北美大陆，有85％以上的低层民用建筑，包括住宅、商场、学校、办公楼等均使用轻钢结构建造，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。而在我国，90%的民用建筑采用框架结构或者是砖混结构，多数人还不能接受住宅用轻钢结构来建造。

（2）轻钢结构建筑的表现形式

国内建筑轻钢结构建筑往往形象呆板、呆滞。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，但在建筑上却破坏了墙面的线条造型；国外轻钢结构大胆使用跳跃性色彩和冷色调，给人一种明显区别于传统建筑的耳目一新的感觉，国内轻钢结构多选择白色、蓝色、红色，很少选择褐色、黑色以及多种色彩组合。无法体现多种色彩的金属压型钢板在轻钢结构建筑上的丰富多彩；国外民用轻钢结构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。而国内的设计，基本是方形建筑，确实缺少变化。

3我国民用轻钢结构设计

随着目前世界气候变化和这几年大陆版块的表现，民用轻钢结构结构体系设计也就需要不断的发展。民用轻钢结构常规是两层至八层，但最近有向小高层（3层―18层）发展的趋势。在结构体系设计时，这个变化趋势必须兼顾考虑。

(1) 纯框架结构体系。纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。

(2) 框支结构体系。纯框架在风、地震荷载作用下，侧移不符合要求时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度，可以明显减小建筑物的层间位移。

(3) 框架剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系，这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，该技术设计还可用于高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积（如楼梯间、电梯间和卫生间）周围设置，就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度，成为主要的抗侧力构件，承担大部分水平荷载，钢框架主要承受竖向荷载。

除了上述的结构体系设计之外，还要注意在设计者注意以下两点：一是楼面结构设计上宜采用组合楼盖。是把楼板和钢梁合为一体，形成组合扁梁楼盖；二是支撑设计。可以抵抗水平地震作用的墙体，应减小层间错移，墙体最好内布置垂直支撑。如果是其他次要位置，支撑形式可以灵活采用，如 X型、单斜杆型、K型、M型、W型、V型和人型等。还应该多采用偏心支撑设计，这些支撑在地震作用下具有较好的延性和耗能性能。

4小结

总之，我国的民用轻钢结构设计和建筑尚处于发展阶段, 还有许多问题需要进一步研究和完善。产业化、技术集成化是我国民用轻钢结构建筑业发展的必由之路, 轻钢结构住宅体系符合国家发展轻钢结构住宅、实现小康社会的住宅的目标要求, 有理由相信，我国民用轻钢结构建筑业具有良好的发展前景。

参考文献:

[1 ] 刘志勇.论轻钢建筑及其发展[J ] .工业建筑.2010 (4)

[3 ] 何保康.发展我国新型轻钢结构建筑体系[J ] .中国工程科学, 2000 (3)

[4 ] 张亦静.发展轻钢结构存在的问题与对策[J ] .株州工学院学报, 2011 (1)