多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用

多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用

徐伟良，何余良

（浙江工业大学。３１００１４杭州）

摘要：钢结构技术是建设部近期重点推广的十大新技术之一。民用住宅建筑的钢结构体系是一种绿色环保的新型结构体系。通过对多层及高层住宅建筑钢结构体系的组成、特点、适用范围、材料选用、设计原则及其在国内的典型工程应用的介绍，分析论述了这类建筑体系的技术经济综合效益。

关键词：钢结构住宅；结构体系；工程应用中图分类号：ＴＵ３９２．５

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—４７２６（２００９）０３—０２０８—０４

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钢结构具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、建筑布局灵活合理等一系列优点。与钢筋混凝土结构等传统住宅建筑的结构形式相比，钢结构是一种最具备“绿色建筑”特征即“环保、节能、工厂化”的新型结构形式，正愈来愈受到广大开发商、用户和建筑师的青睐。钢结构住宅在欧美已经有几十年的发展历史，近年来一些国家如日本、澳洲、美国和英国等，正积极地推动预制装配化或称工业化钢结构住宅的应用与发展。日本、澳洲等国钢结构住宅的市场占有率已从２０世纪９０年代初的５％发展到现在的２５％左右，且每年均有明显增长。美国在１９９２年推动初期。仅有５００栋．而２０００年就达至１］２０万栋的规模，约占住宅建筑总数的２０％。欧洲的荷兰、比利时、卢森堡、英、法、德国建造的别墅住宅中，已越来越多地用钢结构替代传统的砖结构。在我国，为了满足人民群众日益增长的住房需求，推进住宅产业现代化，建设部已将钢结构住宅列为重点推广项目。近年来，已在北京、上海、天津、新疆、武汉、杭州、马鞍山和莱芜钢城等地建成或在建一批钢结构住宅示范试点工程。据了解，近几年来全国的钢结构住宅竣工面积在３００．５００

收稿日期：２００８一ｌｌ一２８

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（５０１０９３）

作者简介：徐伟良（１９５２一），男，浙江宁波人。浙江工业大学．教授。工学博士。浙江杭州朝晖六区，３１００１４，ｅ－ｍａｉｌ：ＸＷＬ５２３＠ｚｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

万ｍ捌。可以预期，钢结构住宅建筑必将在２ｌ世纪继续得到迅速的发展。

１

．

多高层钢结构住宅的结构体系

多高层住宅建筑的钢结构体系与传统的砖混结构

体系、混凝土结构体系有很大的不同．它主要由承重钢结构体系、楼面结构体系和围护结构体系等组成。Ｉ．Ｉ承重钢结构体系１．１．１体系的分类

（１）钢框架（梁柱包括异型柱）结构体系。其特点是受力明确，平面布置灵活，为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性。自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好，结构简单，构件易于标准化、定型化，旖工速度快．但框架结构属典型的柔性结构体系，其侧向刚度差，易引起非结构构件的破坏。

（２）钢框架一支撑结构体系。为了提高钢框架的侧向刚度，有效地抵抗水平荷载，减少层间位移，通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系，当房屋较高时，较纯框架经济。支撑设置的位置要合适，为了与建筑设计相协调，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。考虑到门窗的布置，可采用Ｗ形、Ｘ形、Ｋ形、人字形和门式等

２００９年第３期徐伟良，等：多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用

２０９

形式。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、形式和刚度。为了有效地提高钢框架的侧向刚度，支撑应沿建筑物同一平面四周环向封闭布置。以形成一个封闭的加强箍。偏心支撑在地震作用下具有较好的延性和耗能性能，可在强震区采用。

（３）新型抗侧力体系。包括钢框架一抗剪桁架结构体系。结合电梯井、管道井或楼梯间墙体的布置而形

焊接工字钢、Ｈ型钢、方（箱形）钢管、园钢管或冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢（当柱子受力较小时）。为了节约钢材，降低造价，框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱。由于钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点。具有良好的受力性能、抗震性能和耐火性能。其单柱的轴向承载力大幅提高，使钢柱截面尺寸大幅减小。与Ｈ型钢柱相比，用钢量可节省约５０％，造价约降低４５％ｔ４Ｊ。１．１．４连接形式

框架横梁与柱在强轴方向适于采用刚性连接；而在弱轴方向宜结合支撑布置采用铰接处理或者采用钢

成的钢框架一混凝土核芯筒（剪力墙）结构体系和钢框架一抗剪钢板剪力墙结构体系等。使钢框架主要承担

竖向荷载，而钢框架与抗剪桁架、剪力墙协同工作承担水平荷载，以确保结构水平位移控制在规范允许值内。抗侧力构件可为抗剪桁架、混凝土核芯筒（剪力墙）或抗剪钢板剪力墙。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况采用不同的抗侧力体系。

（４）交错桁架结构体系。由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成，桁架高度等于层高，在相邻柱上为上下层交错布置。楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架，且中间无柱子。所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑１２１。同时，因为桁架隔层布置，减小了桁架弦杆引起的局部弯矩，使柱在框架平面内的弯矩很小，主要受轴力，有利于减小柱的断面尺寸，框架的横向刚度大，侧向位移小。

１．１．２适用范围

管柱设计方案。钢框架梁柱节点连接的构造形式为：①螺栓连接；②焊接连接；③栓、焊混合连接。焊接节点的

连接刚度大，混合节点次之，螺栓节点的连接刚度较小。但螺栓连接的安装施工速度最快，且在现场拼接和安装时，施工质量容易保证。主梁与次梁之间一般也采用铰接，在连接构造上以焊接和高强度螺栓连接为主，也可采用栓、焊混合的连接方式：梁腹板用高强度螺栓连接，翼缘用焊接，可先用螺栓安装定位，再对翼缘施焊。

１．２楼面结构体系

楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。从力学计算角度考虑，楼盖除了将竖向荷载直接分配给墙、柱外，更主要的作用是参与并保证和抗侧结构的空间协同作用。因此，必须保证楼盖有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。作为民用住宅的楼面结构，楼板还应具有较好 的隔热、隔声、保温、防水和防火性能。为了保证钢梁的整体稳定性。楼面主、次梁应采取紧凑型构造措施，并和楼面板紧密联系。目前主要采用的楼板形式如—Ｐ月。

（１）压型钢板一现浇混凝土组合楼板。压型钢板通过栓钉固定在钢梁上，可作为永久性模板并参与共同工作（起受拉钢筋作用），省去了支模的不便。整体分

（１）３层及以下的低层住宅：①轻型钢框架结构体系；②冷弯薄壁型钢密排柱（轻钢龙骨，Ｃ形或ｚ形檩

条）结构体系。

（２）４矧昙多层住宅：①钢框架结构体系；②钢框

架一支撑结构体系；③钢框架一混凝土剪力墙结构体系。

（３）７～１２层中高层住宅：①钢框架一支撑结构体系；②钢框架一混凝土核芯筒结构体系。

（４）１３—３０层高层住宅：①钢框架一支撑结构体系（宜采用偏心耗能支撑）；②钢框架一抗剪桁架结构体系；③钢框架一混凝土核芯筒结构体系；④钢框架一带

竖缝预制混凝土剪力墙结构体系（含其他各种延性剪

析时要考虑组合楼板的各向异性对框架梁的影响：①

根据楼板设置情况确定是连续板或简支板、传力路径

是单向还是双向；②组合钢梁是按强边还是弱边组合

造成的刚度差异；此外，要合理布置组合楼板，尽量形成双向承重结构体系，避免因集中单向布置楼板而形成横向或纵向承重结构体系。为了大大降低组合楼板的自重，现浇混凝土板应采用轻骨料混凝土。

（２）预制预应力混凝土叠合楼板。即钢梁与预制预应力混凝土薄板连接，上浇混凝土薄板以组成叠合楼板。由于这种楼板不仅具有现浇组合楼盖的整体性。还可以省去压型钢板，也无需支模，施工方便，可降低

力墙板）；⑤钢框架一抗剪钢板剪力墙结构体系；⑥错

列桁架结构体系１３１。１．１．３设计原则

承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁、强节点弱构件的一般设计原则．在具体设计时，若较难满足强柱弱梁的设计公式。则满足轴压比要求也可。框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接Ｈ型钢，次梁可以有多种作法。框架柱子的材料一般可选用热轧或

２１０－建筑技术第４０卷

楼板造价，应为首选。１．３围护结构体系

内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的３０％，对钢结构住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求．故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板（ＡＬＣ板）、ＳＲＣ复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ＡＬＣ轻质砌块、轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。ＡＬＣ板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性，非常适合与钢结构配套使用。使用２５０ｍｍ以上厚度的ＡＬＣ板作为外墙．可达到节能５０％的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔音等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外，还具有抗震、透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙１６１。

屋盖系统尽量采用有檩体系。屋面材料可与楼面相同。也可采用彩色压型钢板防水屋盖。该屋盖系统既具备了良好的防水防腐效果。又起到了屋面的隔热保温作用，丰富了建筑物的外部造型。如洁面彩色涂层压

型钢板屋面系统，具有如下特点：①屋面无明钉，防水

性能极佳，可做成大小头。适应屋面的复杂变化，且可

自由伸缩；②板肋较低，采用卷边方式固定；③惯性矩

小，易做成三维曲面板，屈服强度为３００ＭＰａ；④造价适中；⑤适用板材：钢板、铝板、铜板、钛锌板等，其中尤以钢板的造价最经济［７１。

彩涂板本身具有良好的防水性，不会漏水，产生漏水的主因是压型钢板、夹芯板板缝处理不好。为了防止屋面漏、积水。设计时应注意以下几点罔：

（１）压型钢板板型设计时应考虑板缝防水构造，对板型先天不足造成的漏水隐患要采取防水措施；

（２）屋面坡度一般不宜小于１１２０，当屋面坡度为１１２０时。应选用高波压型钢板，如果采用低波压型钢板，必须采取有效的防水措施；

（３）宜采用长尺压型钢板，‘以减少板长方向的搭接，在板搭接处或咬合处应设防水胶条：

（４）不宜在屋面开洞，如无法避免，应尽量使洞口靠近屋脊部位并在洞口周边采取措施防止雨水渗漏。

２钢结构住宅的特点和综合效益

与传统住宅建筑的砖混结构体系、混凝土结构体系相比，钢结构体系具有十分明显的技术、经济和社会综合效益。现结合其特点分析综述如下。

（１）结构轻质高强，抗震性好，工程造价低。钢材的抗拉、抗剪强度相对较高。钢结构住宅可以充分发挥钢材自重轻（约为普通钢筋混凝土结构自重的１／３～１／２）、强度高、延性好、塑性变形能力强、抗震性能好的特点，不仅所受的重力和地震作用小，从而减小粱、柱截面尺寸，节约钢材，而且还可以降低地基基础造价和运输安装费用，经济效益十分可观。

（２）构件安装便捷，施工周期缩短。钢结构住宅装配化程度高．所用构配件轻巧。运输安装方便、快捷。采用钢结构也可为施工现场提供较大空间和较为宽敞的施工作业面。吊装梁柱、安装钢框架、浇筑混凝土等施工，可实施平行立体交叉作业，且无须支模，现场湿作业少，受气候影响小。因此，其施工周期可比传统住宅建筑至少缩短１／３，可以加快资金周转，大大提高投资效益。

（３）外部造型美观，空间布局灵活，建筑功能增强。由于钢材轻质高强的特点，便于形成大柱距、大开间的建筑空间，灵活地分隔和布置室内的分区，更好地满足现代住宅建筑的使用功能要求，与砖混结构或混凝土结构相比，其有效使用面积可提高１０％一１５％。建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快。

（４）质量易保证，商品化程度高。所用构配件可在工厂制作，加工精度高，现场安装，适合标准化、系列化和工业化生产，商品化程度高，有利于降低成本，提高产品质量，实现我国住宅建筑技术的集成化、产业化。

（５）易于改造，管线布置方便。钢结构的内部分割、接高、加固等较为灵活。钢梁的腹板允许穿越小于一定直径的管线，加之结构空间的孔洞与空腔，使管线布置、更换、修理方便。

（６）符合节能环保要求。钢结构住宅建筑所用材料主要是环保型绿色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除时，钢材可全部回收利用，大大减少了建筑垃圾，对周围环境污染小，利国利民。

综上所述，住宅建筑的钢结构体系不仅具有轻质高强、抗震性好而降低基础造价、抗震费用和运输安装费用的优点，而且还具有构件安装便捷、施工周期缩短、加快资金周转、提高投资效益，建筑布局灵活合理．增加有效使用面积，提高建筑使用功能，质量易保证、商品化程度高等技术和经济综合优势。此外，钢结构住宅外部造型美观，适用性广，美化居住环境和钢材污染小、可回收再利

２００９年第３期徐伟良，等：多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用

２ｌｌ

用、节约能源、符合环保等特点也是极具竞争力的经济和社会效益。国内业已建成的钢结构住宅试点工程的设计与拖工实践已经表明：从直接造价角度而言，多层钢结构住宅的造价一般略高于钢筋混凝土结构住宅．小高层钢结构住宅的造价则可基本与钢筋混凝土结构住宅持平网，钢结构住宅的造价甚至可以低于钢筋混凝土结构住宅。文献［４】表１２的新疆库尔勒金丰城市信用社住宅楼的综合方案比较即为一例闱。如果综合考虑各种因素．如使用面积增加、工期缩短、加快资金周转以及由于钢材自身的优越性所带来的经济和社会效益，钢结构在多层和小高层住宅中的推广应用是非常有意义的因。

上，并在菜芜钢城建造了Ｈ型钢钢结构住宅示范小区。其中１幢小高层（地上１２层）住宅采用钢框架一现浇混凝土剪力墙结构，建筑面积１．２万ｍ２，围护材料采用水泥轻质保温防水墙板。另一幢多层住宅建筑面积１

３６５

ｍ２。采

用６层钢框架一支撑结构体系．１００ｍｍ厚现浇混凝土楼板，围护材料为加气混凝土砌块和ＡＬＣ板Ｉ切。

（７）杭州萧山钢构正在建设的武汉世纪家园钢结构住宅项目，总建筑面积２２．９７万ｍ２，其中３栋楼为点式住宅，７栋楼为２２－２４层板式住宅。该项目除了全部以钢结构作为主体结构外，还将采用由杭萧钢构自主开发的自承式楼层板和ＣＣＡ隔声、保温、防火、防水内外墙板Ｉ＂。

３国内若干典型工程应用４结语

（１）中国建研院与天津建工集团合作。从研究开

（１）钢结构住宅是一种环保型绿色住宅建筑体系。它在国内外的快速发展符合住宅产业化的发展趋势。住宅建筑的钢结构体系具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、外形美观、适用性广、建筑布局灵活合理、增加有效使用面积、提高建筑使用功能、节约能源、符合环保等明显的技术、经济和社会综合效益。

（２）在我国开展钢结构住宅建筑技术开发，具有

５３２

发、技术设计、产品生产和工程施工等方面形成了

“钢一混凝土组合建筑体系”的钢结构住宅成套技术。并在天津建成了３０万ｍ２的钢结构住宅。该钢结构住宅体系由承重的框架一支撑体系、节能型复合外墙板和挤出型内墙板等部品进行优化组成，具有多项专利。该体系的工程造价可与钢筋混凝土结构持平，产业化程度高、施工速度快、综合技术经济水平先进１９｝。

（２）北京西三旗水电工程宿舍。总建筑面积２ｍ２，６层Ｈ型钢的钢框架一剪力墙结构体系，压型钢板组合楼面，自承重砌体外墙，钢筋混凝土独立基础加连系梁，构件的防火采用防火涂料加砂浆覆面。有效施工期１２０ｄ，其中钢框架部分为１０ｄ，工程造价ｌ０００元／ｍ２［１０］。

（３）上海陆海城由６幢２５层的高层钢结构住宅组成，建筑面积７万ｍ２，采用钢框架一混凝土核芯筒（剪力墙）结构体系，压型钢板组合楼面。框架柱采用圆形钢管混凝土柱，框架梁全部采用高频焊轻型Ｈ型钢。外墙及分户墙为２００ｍｍ厚砌块，内隔墙采用１５０ｎｕｎ厚砌块。构件耐火等级为一级．设计采用厚型防火涂拳驴。

（４）上海现代房产公司建造了几万ｍ２的多层和高层轻钢结构住宅。其中多层住宅采用冷弯矩形钢管柱和帽型冷弯型钢梁组成的框架体系；高层住宅采用矩形钢管混凝土柱和帽型冷弯型钢组合梁组成的框架体系，钢材采用耐火、耐腐蚀、强度高的磷铜稀土钢；楼板

‘

推行住宅产业化、提高住宅质量的划时代意义。它有利于我国建筑行业技术进步。有利于促进节能环保型建材的开发和拉动冶金行业内需。

（３）可以预期，随着高效建筑钢材的开发和建筑钢结构应用技术的发展，钢结构住宅建筑必将具有更广阔的发展前景。

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（６）莱钢公司已经完成钢结构住宅工程１８０万ｍ：以

多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

徐伟良， 何余良， XU Weiliang， HE Yulang浙江工业大学,310014,杭州建筑技术

ARCHITECTURE TECHNOLOGY2009,40(3)6次

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