浅谈钢结构住宅的优点及设计注意事项

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（福建十八重工股份有限公司，福建 厦门361012）

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1033-2738（2012）03-0267-02

摘要：钢结构体系由于具有自重轻、抗震性能好、施工周期短，绿色无污染等方面的优越性，使其在建筑领域得到了广泛的应用。国家经济实力的增强和住宅商品化、产业化的要求，促进了钢结构将成为建筑住宅中最适合的结构体系。本文对钢结构住宅的优点及设计注意事项做一探讨。

关键词：钢结构；住宅；优点；设计注意

近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展十分迅速，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。特别是在我国大中城市中，人多、土地资源少，而人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大范围应用钢结构住宅，是我国生产发展到一定阶段的必然产物。

一、钢结构的特点

一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点：

1.材料的强度高，塑性和韧性好。

钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延展性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

2.材质均匀，与力学计算的假定比较符合。

钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。

3.钢结构制造简便，施工周期短。

钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的钢结构加工厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，连接可以采用普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

4.钢结构的重量轻。

钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。

5.钢结构的耐腐蚀性和耐火性。

当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。

二、钢结构住宅体系的建筑优点

住宅的建筑形式和风格千差万别，但就结构体系（支撑骨架）而言，只有砖混结构，木结构、钢筋混凝土结构和钢结构等几种主要的结构形式。随着国家对环境保护意识的认识不断加深，对木材和粘土已经提出限制使用，现阶段我国住宅建筑的主要结构形式主要以钢筋混凝土框架为主，但该结构施工烦琐、施工垃圾多且结构自重大，进深和开间相对较小，梁、柱粗大，空间利用率较低，这些缺点在一定程度上无法满足条件越来越高的住宅建筑的功能要求。因此，开发坚固耐久，建造迅速，空间布置灵活，易于改建的新型住宅结构体系，成为住宅建筑和结构发展的重要趋势。随着我国钢产量的快速增长及新型建材的发展和应用，符合上述要求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。

钢结构住宅体系的建筑优点如下：

1.工程化程度高，建设成本降低，工期缩短。

钢结构建筑模数协调统一标准实现了建建筑工业化大规模生产，提高了建筑工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40%以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。

2.建筑的设计与功能一体化。

在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件、节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化并创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。

3.能够满足超高度和超跨度的要求。

钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米的超高层建筑的能力。

4.原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展。

发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。目前国际上比较先进的新型钢结构住宅逐渐在我国出现，其环保节能的特点主要体现在两个方面：

A、该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小，热损失低。不论冬夏，都具有舒适当居住环境。室外零摄氏度时，室内仍可以保持17摄氏度以上；以室外温度达到30摄氏度的情况下，室内温度仅为21摄氏度左右。

B、与砖混结构住宅相比，可节能60%以上，冬夏季空调设备可节约耗电30%以上，结构的废旧利用为100%，与砖混结构比较。

5.承载强度高，抗震性能优越。

相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小；而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。

6.施工方面优势突出。

现浇砼需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场作业量小，减少了施工临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。

7.综合造价低 。

钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。

三、钢结构住宅设计中应注意的事项

1.钢结构住宅体系选型设计。

目前国内进行钢结构住宅建设所采用的结构体系主要分为四种:1)纯框架形式；2)框架支撑形式；3)型钢混凝土组合形式；4)钢框架一混凝土抗震墙形式。

对于纯框架形式，梁柱材料采用型钢，通过焊接或螺栓连接的方式进行安装。框架支撑形式同纯框架形式类似，只是由于抗震需要，在主体结构两个主轴方向布置斜撑，钢斜撑与型钢柱和梁连接组成竖向抗侧力析架，从而取代传统的混凝土剪力墙，安装方式同样采用焊接或螺栓连接。型钢混凝土组合形式的特点是在钢骨架梁柱外侧另外浇筑一层混凝土，新浇筑的混凝土不仅起到结构作用，同时有助于解决主体结构的防腐、防火问题。钢框架一混凝土抗震墙形式，外部梁柱系统采用型钢，同样通过焊接或螺栓连接的方式进行安装，内部核心筒或剪力墙采用现浇方式施工，通过预埋构件同钢结构框架相连接，共同组成结构系统。这种结构体系的用钢量低于纯钢结构，施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间。但钢与混凝土材料的刚度和延性相差较多，目前主要在低烈度地震区的高层钢结构住宅中采用。

钢结构住宅设计时应根据安全可靠、经济合理、施工方便等原则，并结合建筑使用功能、建筑模块和建筑维护结构以及抗震设防烈度等要求合理择优选用抗震和抗风性能好的结构体系，以保证结构具有足够的抗风、抗震能力和满足住宅特点的使用功能。

2.钢结构住宅平面及空间设计。

钢结构住宅通常为框架体系，结构体系与围护体系完全分开，两者相互独立，围护墙体可以根据需要灵活设置，建筑空间处理的任意性大大高于以墙体承重为主的传统住宅。同时钢框架由于刚度较大，结构构件均较为纤细，可以节约出更大的有效空间。

基于以上对于钢结构住宅空间结构特点的分析，平面及空间设计中应遵循的原则是：通过建筑、结构、设备各专业的配合，达到平面及空间使用上最大限度的无障碍性和组合灵活性。对住宅可变性的要求，更加积极促进了钢结构在住宅中的应用。

大开间钢框架体系为内部非承重隔墙的改造提供了方便，但考虑到住宅中设备管线的分布，因此希望设中要考虑集中布置的核心管井，而各入户管线应尽量埋设在楼板中，以方便隔墙的变动。

3.钢结构住宅墙体设计。

钢框架建筑的荷载由梁柱传递，墙体不起承重作用，这是钢结构住宅墙体与传统的砖混或内浇外砌剪力墙住宅的根本区别。这使钢结构住宅墙体成为纯围护结构，不再受结构空间的限制，可以根据居住空间的要求灵活分隔。钢结构住宅的外墙作为住宅基本维护结构，必须满足承载能力、热工、防水、隔声、防火、抗冻等方面的要求。

钢结构住宅外墙的设计原则有：舒适性，指外墙材料必须满足居住空间的各项建筑物理性能，在温湿度、声、光、空气流通等方面创造适宜的居住环境；耐久性，包括墙体材料本身、连接件、密封材料以及外观效果在住宅建筑结构寿命期内的耐久性。外墙直接暴露在大气中，受外界环境的侵蚀很大，应该提倡在不影响居住的前提下可以及时进行局部更新的材料和构造做法；外墙材料应尽量地方化，降低运费并便于日后维修时就地取材。

钢结构住宅的内墙应尽量采用非承重轻质隔断墙，其主要功能是将使用空间分隔开来，内隔墙材料及构造做法应满足居住建筑各项物理环境性能标准，强度和防火安全要求，特别是作为防火分区的隔墙，必须确保墙体耐火极限要求。固定墙体如分户隔墙、楼电梯间及走廊等公共部分墙体，应满足建筑物耐久年限的要求，厨房卫生间等有水房间墙体应具有防水功能，在使用年限内不应发生渗水、漏水现象，墙体材料不应霉变、老化。分户墙的选择应在安全可靠，隔声效果达标的基础上尽量选取轻质耐久的材料;户内隔墙应优先选用质轻、高强、拆装方便的材料，墙内走线应灵活可变。

4.钢结构住宅防火设计。

钢结构虽然是不燃烧体，但其材料化学特性决定了钢材不耐火、不抗烧，极易导热。普通建筑用钢材，在全负荷状态下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，一般在300℃~400℃时钢材强度就开始迅速下降。一般无任何保护及覆盖物的钢结构的耐火极限只有15分钟左右的时间，远远低于建筑设计防火规范的要求。因此，普通建筑用的钢材作为建筑物的承载主体，一旦发生火灾，在高温作用下，其承载力急剧下降，致使钢结构不可避免地出现变形，造成建筑物部分或全部坍塌。

钢结构的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期。外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。

5.钢结构住宅楼板设计。

建筑物楼板结构必须具有足够的刚度、强度和保证梁的整体稳定性。对于住宅建筑还要有良好的隔声、防火性能，同时要考虑在楼板内敷设管线的空间。钢结构的基本元件是冷弯或热轧的型钢和钢板，它的承载能力高，外部尺寸小，重量轻，由于框架这种形式，建筑内部支撑少，空间布置的灵活性大。

在设计中，针对结构材料和类型特征，应把握如下设计准则: ①设计中综合考虑布置梁柱的位置，特别是柱的形式、排列和柱距，应最大限度地满足居住空间灵活性的要求；②选择合理的楼盖结构跨度，既不要太大，也不要太小；③选择适当的位置布置结构支撑体系，以不妨碍建筑空间布局为宜，应避免设在有门窗洞口或将来住户有可能开设门窗洞口的位置。④选择适宜的钢结构类型，考虑人力、气候、原材料、工期、造价等综合因素的影响。⑤结构构件设计应尽量简化且尺寸精确，以免增加现场安装的困难和导致废料的产生。⑥选择隔声、防渗效果好的楼板体系，保障居住环境的舒适性。

四、结语

住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，因为这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

目前国内的建筑业生产效率较低，尚属劳动密集型产业，而钢结构住宅属于高技术高效率的产业，加快对钢结构住宅的研究，将促进建筑业向技术密集型产业转化，并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。

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