对建筑结构节能设计的探讨
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摘要：钢结构住宅被公认为是一种绿色环保、适应产业发展的结构体系。但由于钢材本身的热导系数是钢筋混凝土的几十倍而面临着保温节能的严峻问题。本文对钢结构住宅在节能方面存在的问题及措施进行了综合性的分析。
关键词：节能设计；钢结构；住宅
中图分类号：TU201.5 文献标识码： A 文章编号：
引言：近年来，随着我国钢材产量的大幅度提高，钢结构以其优良的性能，使得国家和建筑开发商把更过的目光发到对钢结构住宅的开发上来。国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要也明确提出我国到2015年，建筑用钢量达到钢材总产量的6%。因此，我国钢结构住宅的开发与应用呈现出了更加广泛与深化的发展趋势，但同时也存在着一些技术上的难题。本为主要从节能的角度，对钢结构住宅构造进行简单的探讨。
1 钢结构住宅的特点
1.1 钢结构住宅的优点
钢结构 是指以刚作为建筑承重梁柱的住宅建筑，与传统建筑方式（钢筋混凝土和砖混结构）相比，它的优点主要包括：
（1）钢结构设计形式灵活、合理，使得建筑上的大开间、灵活分割成为可能；
（2）容易实现建筑产业化，有效缩短建筑周期，提高室内使用面积，综合效益较好；
（3）钢材可以回收，建造和拆除时可以实现干操作，对环境污染较少；
（4）力学性能优异，具有极强的抗震性能；
（5）节能性好，特别是一些新型材料的应用，与传统的实心砖相比，效果更加突出。
1.2 钢结构住宅存在的问题
制约钢结构住宅快速发展的因素，包括钢结构的成本高于传统的建筑方法，国内钢结构住宅的建筑规范不完善，施工人员专业水平不高等。
除此之外，与传统的建筑材料相比，钢材本身具有很高的热导率，是混凝土的33.4倍，在各钢制梁柱部位、节点部位、阳台雨棚挑梁部位都极易形成热桥，导致热流量损失较大。同时还有砌体材料的实用性和节能性也还存在着一定的不足。因此，钢结构住宅面临的保温节能问题更加严峻。
2 钢结构节能构造的常用思路
目前常用的几种钢结构节能构造，都是针对钢材具有较大的导热系数而进行设计的：
（1）在结构上尽量避免热桥。一般情况下，热桥是无法避免的，但对于灵活性极强的钢结构住宅构造来说，还是有很大可能性的。如轻钢龙骨结构中，在墙的交接处使用普雷斯特角背衬连接件就可以有效的消除热桥效应；
（2）钢结构内部设置热阻断。在钢结构的特殊部位进行开孔处理时目前比较成熟的一种处理方法。处理后的钢结构，其力学性能损失不大，热学节能效果良好。另外还有在接口位置进行热阻断也有一定的可行性，但是这种方法对垫片的要求很高，必须具备一定的热阻和抗压或抗剪切强度。
（3）对热桥部位进行局部保温。对于钢结构梁柱等部位需要单独进行保温设计，同时可以与防火设计结合起来。
3.1 梁柱的节能设计
目前钢结构梁柱柱体主要有H型钢柱、空心方钢管柱和钢管混凝土柱三种形式，且其节能效率逐渐减小。对于钢柱来说，工字型截面优于方型截面，截面形式的不同导致其传热的路径不同，因此，节能设计的要求也不尽相同。对于H型钢，合理的构造措施即可以有效的降低热桥效应，如腹板区填充砌块；对于方钢管混凝土，虽然其受力性能有所提高，但要达到与H型钢相同的处理效果，其保温层厚度大约是H型钢柱的两倍以上。
对于H型钢，大部分情况下不需要做保温处理。虽然不做保温层，但考虑到实际工程中都会在内外涂上防火涂料、饰面砂浆等材料，而且这类材料的导热系数也比钢材小很多，同样可以起到一定的保温作用。对于节能要求比较高的建筑，则需要对结构进行整体分析给出热桥的保温构造。同时，减少腹板厚度、增大腹板高度对节能也是非常有利的，而翼缘板厚度对节能效果的影响相对较小。
对于方型钢管，则必须进行保温构造才可以达到一定的节能效果。目前对方型钢管保证冬季不结露的最小厚度的一般经验公式为：D=λ(86-0.1b+2)。式中λ为导热系数，单位取W/(m·k)；b为柱宽，单位为mm；t为柱壁厚，单位为mm。
在对钢柱进行保温时，一般采用内外结合的方式，同时在角部设置一个圆形倒角，以实现温度场的过渡，消除极小温度点的存在。
3.2 阳台挑梁的节能设计
钢结构住宅多采用压型钢板-混凝土组合楼板，在阳台部位也只是采用类似传统混凝土建筑的悬挑板结构，因此，在交接处十字形节点部位，极易形成热桥，影响房屋的节能。
目前。欧美国家通常采用的方式是再热桥的连接部位的两构件之间加一垫块，比如OSB板材，以隔断二者的热桥联系。改做法在轻质钢结构中值得借鉴，但在普通钢结构体系中应该慎重使用，特别是荷载较大、对节点力学要求较高的部位，普通材料的绝热垫块很难满足其力学和变形需要。
结合我国实际情况，在施工时一般采用柱体保温的方式进行节能，具体方式是挑梁局部延伸外包加厚保温层、柱体外保温层配合适当加厚的综合构造，是一种合理的柱-挑梁节点节能设计方式，充分考虑了热工性能和经济性能。影响其保温性能的参数主要包括：柱体外保温厚度、挑梁保温厚度、挑梁外包长度。其中挑梁外保温厚度和外包长度的关系，可定性理解为反关系。
3.3 砌体的节能设计
由于钢材和混凝土的线膨胀系数、弹性模量、梁柱截面尺寸都有了较大的变化，再加上高层钢框架结构容许层间位移较大，使得钢结构建筑的裂缝问题比混凝土结构更加严重。因此，如何解决砌体的裂缝、实现节能也是钢结构建筑研究的主要问题之一。目前常见的处理方式包括：
（1）采用弹性接缝材料。在墙体和框架连接部位采用弹性材料层粘结是目前钢结构墙体开裂最常见的处理方法。通过该层材料来吸收结构的相对变形，消除应力。因此，设置弹性缓冲层被认为是一种有效防止砌体因温度应力而开裂的构造措施。但这种方法对接缝材料的要求相当高，仍然需要进行大量的研究。
（2）设置构造柱。在传统建筑方式中，对于应力集中的门窗洞边等边缘部位，常采用设置构造柱的措施以加强局部构造强度阻止裂缝的发生。但在钢结构框架中，通过减小单块墙体面积的方法来减小温度应力的做法是不可取的，不过对于其他应力产生开裂的情况具有很好的效果。
（3）分离式构造。在钢结构中采用以放为主的方式，放开墙体与柱体的链接，以便二者在一定范围内可以自由变形。因此，可以防止温度、干缩、框架水平位移等因素造成的裂缝。但在设计时，必须考虑墙体对框架的侧向支持。
结束语：本文对钢结构住宅建筑中节能设计方面的一些问题进行了总结。钢结构住宅节能设计是一项庞大的系统工程，在节能设计方面还有许多值得探讨的因素，如自主节能技术，外部光线、能力的采集技术、钢框架与砌体的连接技术等等。随着在钢结构方面的研究不断深入，钢结构住宅建筑必将会成为得到巨大的发展。
参考文献
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