結(jié)構(gòu)工程師：結(jié)構(gòu)住宅可行性分析

　　1前言

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑是住宅建筑的一個分支，與磚石結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)一樣是住宅建筑的重要組成部分，它以工廠化生產(chǎn)的鋼梁、鋼柱為骨架，同時配以新型輕質(zhì)、保溫、隔熱、高強的墻體材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造而成，其主要承重骨架是由鋼構(gòu)件或鋼管(園管或矩形管)混凝土構(gòu)件所組成。它在美國、英國等國家的發(fā)展應(yīng)用已有上百年歷史，由于具備其他結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)住宅已經(jīng)給住宅產(chǎn)業(yè)和建筑行業(yè)帶來了一場深層次的革命，從設(shè)計、施工、到一系列新材料的使用都出現(xiàn)了革命性的變化，因而在國際范圍內(nèi)代表了未來的住宅發(fā)展新模式。

　　我國鋼結(jié)構(gòu)住宅起步很晚，只是改革開放后，從國外引進(jìn)了一些低層和多層鋼結(jié)構(gòu)住宅，才使我們有了學(xué)習(xí)與借鑒的機會。1986年意大利鋼鐵公司和冶金部建筑研究總院合作介紹一種低層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系-Bsis，并在冶金部建筑研究總院院內(nèi)建造一楝二層鋼結(jié)構(gòu)住宅樣板房。這個工程采用熱軋H型鋼為梁柱，采用組合樓板，外墻為陶粒混凝土板，配套設(shè)備齊全，如太陽能淋浴、冷熱空調(diào)、意大利家俱等。1988年日本積水株式會社贈送上海同濟(jì)大學(xué)二楝鋼結(jié)構(gòu)住宅(二層)，建在同濟(jì)新村中。住宅由組合的冷彎型鋼作為梁柱、屋架、外墻為化學(xué)建材、內(nèi)部設(shè)備功能齊全。那時從國外進(jìn)口大型設(shè)備，從而帶來工地用的一批簡易辦公、住宅鋼結(jié)構(gòu)房屋，一般1層～3層，但作為住宅其功能極為簡單。90年代個別國外公司為推廣其產(chǎn)品在北京、上海等地建立多層鋼結(jié)構(gòu)辦公、住宅樓。

　　大規(guī)模研究開發(fā)、設(shè)計制造、施工安裝鋼結(jié)構(gòu)住宅還是近二三年才發(fā)展起來。目前在北京、天津、山東萊蕪、安徽馬鞍山、上海、廣卅和深圳等地開展低層、多層和高層鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程，目前已經(jīng)建成30多萬平方米，最近北京賽博思金屬結(jié)構(gòu)有限公司將建造12萬平米外企職工公寓，天津市建筑設(shè)計院為唐山設(shè)計了10萬平米的鋼結(jié)構(gòu)住宅，這些都說明了鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展勢頭良好。

　　2 鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅體系區(qū)別于傳統(tǒng)體系住宅的內(nèi)容主要是指主體鋼結(jié)構(gòu)體系、外圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻體體系以及樓板體系。

　　2.1 鋼結(jié)構(gòu)體系

　　鋼結(jié)構(gòu)體系的型式有多種，但應(yīng)用于住宅的主要可分為鋼框架體系、鋼支撐框架體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、錯層桁架體系、巨型結(jié)構(gòu)加子結(jié)構(gòu)體系等。從構(gòu)件的截面形式上可分為：熱軋H型截面、焊接H型截面、焊接箱形截面、冷彎薄壁方鋼管內(nèi)灌混凝土、冷彎C型截面、圓鋼管內(nèi)灌混凝土等。鋼結(jié)構(gòu)的防火措施可采用防火噴漆、防火板外包、耐火鋼等。

　　2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

　　外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用墻板的型式，如輕混凝土板、太空板、水泥刨花板、夾心板等。內(nèi)墻采用輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。

　　2.3 樓板結(jié)構(gòu)體系

　　樓板的主要型式有：壓型鋼板與現(xiàn)澆混凝土組合樓板、預(yù)制輕混凝土板等。鋼結(jié)構(gòu)選材上，宜采用Q235或Q345強度級別鋼，并應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和加工條件選擇不同質(zhì)量等級的鋼。 

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　　3 鋼結(jié)構(gòu)在住宅中應(yīng)用的優(yōu)勢

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,在使用功能、設(shè)計、施工以及綜合經(jīng)濟(jì)方面具有優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下方面。

　　3.1 設(shè)計制造周期短,設(shè)計生產(chǎn)一體化

　　現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計借助于計算機和專業(yè)化結(jié)構(gòu)分析軟件,使得設(shè)計周期大大縮短,設(shè)計中的修改和調(diào)整非常方便。同時,由于鋼結(jié)構(gòu)具有工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝的特點,可以將前期設(shè)計和現(xiàn)業(yè)的生產(chǎn)手段相結(jié)合,通過網(wǎng)絡(luò)計算機和數(shù)控機床結(jié)合,使設(shè)計人員在工作室中完成設(shè)計后,即由工廠的生產(chǎn)線完成產(chǎn)品制作,具有極高的效率和精確度,可以大大減少項目建設(shè)周期。

　　3.2 能夠合理布置功能區(qū)間

　　在居住建筑中,建筑師和居民一直希望能夠有大跨的無豎向結(jié)構(gòu)的空間,這樣,可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活隔斷,使室內(nèi)布置呈多樣化。傳統(tǒng)住宅由于所用材料的性質(zhì),限制了空間布置的自由。如果開間過大,就會造成樓板厚度大,梁柱截面過大,不但影響室內(nèi)美觀,而且加大結(jié)構(gòu)重量,增加土建投資。居民在二次裝修時經(jīng)常自行改變墻體布置,既增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),又因破壞承重墻而增加了危險隱患。鋼結(jié)構(gòu)住宅可以利用鋼材強度高的特點,采用大開間柱網(wǎng)布置,使建筑平面分隔靈活,既為建筑師提供了設(shè)計的回旋余地,又給用戶提供了根據(jù)不同用途改變結(jié)構(gòu)的可能,可以利用非承重墻體靈活分隔室內(nèi)空間,形成開放式住宅。同時,利用鋼結(jié)構(gòu)連接簡單的特點,在垂直平面內(nèi)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能更好地應(yīng)用錯層、躍層結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)住宅的構(gòu)件截面尺寸小,可以增加使用面積,提高得房率。

　　3.3 承載強度高,抗震性能優(yōu)越

　　相同的荷載,鋼結(jié)構(gòu)截面最小，相同的截面,鋼結(jié)構(gòu)承載力最大。在抗震設(shè)防區(qū),鋼筋砼結(jié)構(gòu)有許多不足之處,而鋼結(jié)構(gòu)重量輕,六層輕鋼住宅的重量僅相當(dāng)于四層磚混結(jié)構(gòu)的重量,因此,本身所受的地震作用小;而且,鋼材具有高延性,有較好的耗能能力,因此,抗震性能好,結(jié)構(gòu)安全度高。

　　3.4 施工方面優(yōu)勢突出

　　現(xiàn)澆砼需要連續(xù)施工,在我國北方地區(qū)受到施工季節(jié)的影響。鋼結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件在工廠生產(chǎn),運往現(xiàn)場通過焊接或螺栓進(jìn)行整體組裝,可全天候作業(yè)。施工現(xiàn)場作業(yè)量小,減少了施工臨時用地,與傳統(tǒng)建筑材料相比,對周圍環(huán)境污染小,提高了施工的機械化水平。由于鋼結(jié)構(gòu)本身可作為勁性結(jié)構(gòu)承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載和施工荷載,施工時可以節(jié)省支模、拆模的材料,由此降低成本,大大加快施工速度。資金價值在施工中充分體現(xiàn),減少資金成本,對開發(fā)商的銷售和資金回籠極為有利。

　　3.5綜合造價低

　　鋼結(jié)構(gòu)承載力高,可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大開間布置,構(gòu)件截面小,與砼結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)相比,自重比較輕,地基的處理比較容易,可以采用天然基礎(chǔ)型式。由于基礎(chǔ)在工程造價中占有比重比較大,上部結(jié)構(gòu)重量輕可以降低基礎(chǔ)的造價,從而減少整個項目的投資。鋼結(jié)構(gòu)施工機械化高的特點,從另一方面減少了人工費用和模板等其它輔助材料費用。

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅的工程造價是個很敏銳的問題，從目前的情況看，鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價要略高于鋼筋砼剪力墻住宅。有老師測算，小高層住宅鋼結(jié)構(gòu)用鋼量可控制在每平方米50公斤以下，工程造價增幅即可控制在10%左右，但綜合效益十分可觀，并將推進(jìn)住宅生產(chǎn)經(jīng)營方式的變革，拉動住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而隨著體系化、產(chǎn)業(yè)化水平的提高，性能價格比也會提高，成本將會有所降低。

　　3.6 符合住宅產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的要求

　　鋼結(jié)構(gòu)適宜工廠大批量生產(chǎn),工業(yè)化、商品化程度高。它能將節(jié)能、防水、隔熱、門窗等先進(jìn)的成品集合在一起,實現(xiàn)綜合成套應(yīng)用,將設(shè)計、生產(chǎn)、施工安裝一體化,提高住宅的產(chǎn)業(yè)化水平。今后隨著城市建設(shè)的發(fā)展,城市改造需要拆除大量的舊建筑,鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拆除更容易實施,鋼材回收利用率高、拆除成本低、污染較小,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

　　4 我國鋼結(jié)構(gòu)建筑基本情況

　　近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展和高層建筑的增多，我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展十分迅速，鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種綠色環(huán)保建筑，已被建設(shè)部列為重點推廣項目。特別是在我國大中城市中，人多、土地資源少，而人們對住宅密度、環(huán)境綠地等要求越來越高的情況下，較大范圍應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)住宅，是我國生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。

　　1985年在上海建造的金沙江大酒店，是第一幢自己設(shè)計并使用國產(chǎn)H型鋼材料制造和安裝的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。1996年，深圳建成了高度325米的帝王大廈，是國內(nèi)第一幢超高層鋼結(jié)構(gòu)大廈。2002年3月，一座高達(dá)18層、采用H型鋼建造的鋼結(jié)構(gòu)住宅樓在安徽省馬鞍山市動工建設(shè)。它是我國住宅產(chǎn)業(yè)從鋼筋混凝土跨進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)模式的重要標(biāo)志。上海同時有6幢鋼結(jié)構(gòu)高層住宅在建設(shè)，最終他們將建到100米、34層，這在國內(nèi)還是首次。北京住宅也啟用了鋼結(jié)構(gòu)，位于朝陽區(qū)十里堡的晨光家園B區(qū)，全部采用H型鋼鋼梁、鋼柱。2002年9月開盤的北京金宸公寓，填補了國內(nèi)高層住宅鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的空白。同時，也標(biāo)志著我國住宅的開發(fā)和建設(shè)已步入了全新的住宅鋼結(jié)構(gòu)體系時代。

　　5鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展前景

　　住宅產(chǎn)業(yè)化是我國住宅業(yè)發(fā)展的必由之路，因為這將成為推動我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點。鋼結(jié)構(gòu)住宅體系易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型材料，它屬綠色環(huán)保性建筑，可再生重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，因此鋼結(jié)構(gòu)體系住宅成套技術(shù)的研究成果必將大大促進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，直接影響著我國住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和前途。

　　目前，國內(nèi)的建筑業(yè)生產(chǎn)效率較低，尚屬勞動密集型產(chǎn)業(yè)，而鋼結(jié)構(gòu)住宅屬于高技術(shù)高效率的產(chǎn)業(yè)，加快對鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究，將促進(jìn)建筑業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，并將帶動建材、冶金、信息機械尤其是鋼鐵企業(yè)的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展將帶動住宅施工行業(yè)的革新。如果說鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展使施工從手工業(yè)進(jìn)入了機械化，那么鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用就將使住宅施工實現(xiàn)現(xiàn)代化?！颁摻Y(jié)構(gòu)是環(huán)保住宅，鋼結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展概念”。有老師預(yù)言：3年內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅將成為建筑現(xiàn)代化發(fā)展的一個重要標(biāo)志。21世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)將占領(lǐng)廣闊的建筑市場。