多高层钢结构住宅技术及应用

多高层钢结构住宅技术及应用

合肥工业大学土木与水利工程学院 王静峰

1 绪论

1.1 国外钢结构住宅发展概况

国外采用钢结构建造住宅的主要是钢铁生产大国和钢结构建筑比较发达的国家和地区，如欧洲、北美、日本和澳大利亚，其中在北美、日本和澳大利亚1~3层的低层住宅是住宅的主流形式，因此钢结构住宅多为低层；在欧洲许多国家钢结构多层和高层住宅建造量较大，工业化生产和预制装配程度也较高。

20世纪50年代，欧洲由于受到“二战”的严重影响，对住宅需求非常大，为解决房荒问题，欧洲一些国家采用了工业化程度较高的钢结构建筑体系，建造了大量住宅，形成了一批完整的、标准的钢结构住宅体系，并延续至今。60年代，住宅建筑工业化的高潮遍及欧洲各国，并发展到美国、加拿大、日本等经济发达国家。

近年来，随着钢结构建筑技术的不断提高与发展，社会对住宅的需求经历了一个“由注重数量，到数量与质量并重，再到质量第一，进而强调个性化、多样化、高环境质量”的发展阶段。许多西方国家的住宅工业化生产又出现了新的高潮。

瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家，其80%的住宅采用以通用部件为基础的住宅通用体系；在美国现有34家专门生产单元式建筑的公司；在钢结构住宅体系上，国外已开发了钢结构工业化生产体系，并不断提升住宅产品的性能指标。

目前，国外的钢结构住宅工业化生产方面的研究已进入对住宅体系灵活性、多变性的研究，以大适应面和产生规模效应。如日本的三泽住宅以“年住宅”的概念，达到年销售量近万套；以及英国政府委托建筑领域完成的一份被称作“建筑生产反思”的报告中提出了一个最新的观念：将制造业的生产方式列入建筑业，它打破了人们长期以来认为的建筑业不同于制造业，认为它的每个产品都是独一无二的观念。

值得注意的是，住宅产业化的实现体现出这样的基本原则，即以模数化构建标准化，以标准化推动工业化，以工业化促进产业化。从20世纪90年开始国外已形成了从设计、制作到供应的成套技术及有效的供应链管理，其中轻钢结构因其自重轻、强度高、空间利用率高等特点，发展成为单元式建筑的主干，主要用于住宅、饭店、酒店的修建或扩建中。

1.2 发展钢结构住宅符合我国产业政策要求

中国是世界上最大的砖砌体建筑和混凝土建筑大国，每年生产7000多亿块砖（约占世界产量的1/2），5亿吨水泥（占世界产量1/3强），生产砖的代价是每年毁坏农田15万亩，消耗标准煤约7000万吨，生产水泥的代价是每年排放温室气体CO2约3亿吨，

破坏的矿山和排放的废水则难以统计，更为严重的是，砖、混凝土都是不可再生材料，一次性使用后果严重，形成的建筑垃圾将难以处理。

钢结构建筑的发展带来了解决问题的突破口。首先，钢材是一种高强度高性能的绿色环保材料，具有很高的再循环使用价值。其次，钢结构具有抗震性能好的特点，结构空间布局灵活，构件截面尺寸小，住房使用面积高，可有效提高使用面积5%～8%，满足居民的投资要求。钢结构有利于工业化配套生产，具有安装方便建造速度快的优点，工期可缩短1/2～1/3，减少了企业投资的财务成本。

同时钢结构建筑的发展，会带动一系列 相关轻质高强墙体材料的发展，为我国产业结构调整，实现产业升级创造条件。因此，在禁止使用实心粘土砖之后，积极开发、生产实用新型的钢结构住宅体系，建立替代现有结构体系的新型建筑结构体系，已迫在眉睫。

钢结构的发展是我国社会经济发展水平，钢结构建筑技术发展的必然产物。第一，我国钢铁行业迅猛发展，钢产量从1978年的3718吨增加到1996年的超过1亿吨，到目前，连续9年是世界第一产钢大国。总的消费量超过了美国和日本的总和。近年来，随着我国冶金企业的不断调整产业结构，钢与钢材的品种、规格日渐增多，建筑配套产品日益齐全，为钢结构住宅发展奠定了物质基础；

第二、我国政府高度重视钢结构建筑发展，建设部在新修订的《建筑技术政策》中，明确提出积极发展钢结构的方针，把钢结构技术列为十大重点推广技术。同时，1998年成立国家建筑用钢领导小组，足以证明国家对发展钢结构建筑的重视，这必将对我国钢结构建筑的发展起积极推动作用。

另外，发达国家建筑用钢量为其钢产量

45%～55%，而我国建筑用钢量仅为钢产量的20%左右。同时，住宅产业是我国国民经济新的增长点，住宅建筑量大面广，在推进住宅产业现代化过程中，钢结构住宅发展前景广阔。钢结构住宅因其固有的优点将成为我国推进产业现代化的主要建筑体系。

1.3 我国钢结构住宅建设现状

我国“十五”期间计划达到每年建筑钢结构用钢量将占全国钢材总产量的3%；到2015年将达到钢材总产量的6%。这是已经公布的《国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要》明确提出的发展目标。为促进我国钢结构住宅产业化发展，建设部于2002年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》，并审批通过了三批共36项钢结构住宅科研项目立项和确定了北京赛博思金属结构工程管理公司的第一个建设部钢结构住宅产业化科技示范工程。

目前我国钢结构住宅的开发应用已呈现出更为广泛与深化的发展趋势，同时全国各地也相继建成了一批钢结构住宅示范工程。低层钢结构住宅有河北唐山的裕华道轻钢别墅、浙江杭州的金都富春山居，都是轻钢框架；多层钢结构住宅有湖南长沙的远大集成

住宅，为钢框架结构，北京的亦庄青年公寓，为钢框架混凝土核心筒结构，山东济南的艾菲尔花园，为钢框架结构，山东莱钢樱花园4号楼和试验楼，为钢框架支撑结构，山东莱钢的南生活区4号楼，为钢框架—预制混凝土剪力墙结构；

小高层钢结构住宅有北京金融街的12层板式住宅金宸公寓，为钢框架-混凝土核心筒结构，天津建工丽苑小区住宅，为钢管混凝土柱框架核心筒结构，山东莱钢的13层樱花园1号楼，济南伟东新都住宅小区，结构为钢框架—混凝土剪力墙结构；

高层钢结构住宅有北京朝阳区十里堡的晨光家园B区、上海中福城二期、三期住宅、广西南京的湖滨大厦等，为钢

管混凝土柱框架-核心筒结构，上海的中福花苑一期，为钢-混凝土剪力墙结构体系。安徽马鞍山的光明新村1号楼和2号楼，还有济南百花小区1号楼，是钢-混凝土混合结构体系，新疆乌鲁木齐市新民西街化工集团综合楼，为钢框架混凝土

核心筒结构，陕西的丽彩天玺，为全钢构体系 上海中福城二期住宅

建筑地点：位于上海市黄浦区。 建成时间：2002年 建筑面积：6万平方米 建筑高度：60米

建筑特点：占地面积9289m2。由10个高层住宅单元通过三层裙房连成一体，地下 1层、地上18层。楼梯间、电梯井集中布臵在核心筒内，采用大柱网结构，柱距7.8m，户内不设柱。工程投资1.26亿，造价2100元/m2 。

综合用钢量指标：

上海中福城二期建筑平面图

上海中福城二期：梁柱节点施

上海中福城二期：钢框架和混凝土核芯筒

已建成的上海中福城二期 上海中福城三期住宅

建筑地点：位于上海市黄浦区。 建成时间：2002年 建筑面积：6万平方米

建筑高度：17层(56.7米)、31层 (98.85米)

建筑特点：占地面积9946m2，住户236户，由两幢住宅组成，南面为一幢17层住宅，北面为一幢31层住宅，全钢结构，地下1层。建筑平面为单元式布臵，二梯二户，大柱网，柱距7.8~8.4m(两个开间为一个柱网)。住户可以根据需要进行自由分隔。

上海中福城三期标准层结构布臵

上海中福花苑一期

占地面积1.5万m2，总建筑面积约11.8万m2，住宅约9.2万m2 南楼34层，高99.2m，北楼29层，高83.2m 钢-混凝土剪力墙结构体系 柱：钢管混凝土柱 梁：H型钢梁

楼板：钢筋混凝土现浇板 型钢用量：55kg/ m2

新疆乌鲁木齐市新民西街化工集团综合楼

建筑面积1.7万m2 ，地上21层，地下2层，建筑高度66.8m 柱：箱形钢柱 梁：H型钢梁； 剪力墙厚：400mm

马钢光明新村1号楼

建筑面积9700 m2，17层，总高54米

..柱：H型钢劲性混凝土柱 ..梁：H型钢梁

..现浇钢筋混凝土楼板 ..钢-混凝土混合结构体系 马钢光明新村2号楼

建筑面积14500 m2，17层，总高59.6米 柱：H型钢劲性混凝土柱 梁：H型钢梁

钢-混凝土混合结构体系

济南百花小区1号楼(东方丽景大厦 建筑面积31710 m2， 26层，高89米 柱：方钢管 梁：H型钢梁

钢-混凝土混合结构体系 济南艾菲尔花园住宅

建筑地点：位于济南市经六路延长线以南。 建成时间：2002年 建筑面积：4万平方米

建筑高度：小高层(33米)、多层住宅(15米)

建筑特点：其中三栋小高层、11层，采用钢框架－中心支撑结构体系；三栋多层住宅，5 层，采用纯钢框架结构体系。 济南伟东新都住宅小区

建筑地点：位于济南市市中心区东八里洼 建成时间：2003年

建筑面积：3.7万平方米 建筑高度：小高层(36米)

建筑特点：5座小高层由山东莱钢建设有限公司建设，均为12层，采用钢框架剪力墙结构。

陕西丽彩天玺

建筑地点：位于陕西省咸阳市宝泉路3号 建成时间：2001年

建筑面积：3.8万平方米 建筑高度：高层(99米)

建筑特点：占地约4000平方米，32层，采用全钢结构体系。

钢管混凝土柱与栓钉

压型钢板做楼板模板

安装楼板栓钉

1.3 钢结构住宅的优势

钢结构住宅与其它结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面都具有优势，主要体现在以下方面：.可以更好的满足大开间、灵活分割的要求，使用面积增加5%～8%；

.与钢结构配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料，符合建筑节能和环保的要求；

.钢结构及配套技术相应部件的绝大部分易于定型化、标准化，可采用工业化生产方式，实现构件的工厂预制和现场装配化施工，实现技术集成化，提高住宅的科技含量和使用功能；

.钢结构住宅体系可以实现住宅建筑技术集成化和产业化新思路

.钢结构住宅体系工业化生产程度提高，现场湿作业少，而且钢材本身可再生利用，符合环保建筑的要求； .钢结构体系轻质高强，可减轻建筑结构自重的30%，大大降低基础的造价； .钢结构体系施工周期短，可以大大提高资金的投资效益，所以虽然其直接造价略高，但综合效益却明显高于传统的住宅体系。 .钢结构通用体系具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于保证现 代居住生活的需要，适应现代住宅市场的需求；

.开发钢结构住宅体系对于消化钢材和水泥，带动建筑、冶金、建材、化工等一大批跨部门、跨行业企业的发展也有着重要意义。

1.4 钢结构住宅的不足

钢结构住宅虽然优点众多，但在我国处于发展初期阶段，仍存在很多问题：

.与钢结构住宅相配套的抗侧力体系和材料问题，都没有很好的解决，尤其是墙板、楼板等围护材料，目前较好的外墙板造价偏高，而价格低的预制墙板材料在解决保温隔热、热桥等方面又达不到要求；

.造价也是制约钢结构发展的一大因素，从理论上分析，钢结构占有一定的优势，但在实际工程中，由于经验不足、专业人员的缺乏，而且配套体系不完善，会使钢结构住宅的造价还是比混凝土结构高，使钢结构在中低层、中低档住宅方面缺乏竞争力。

.钢结构住宅的技术要求高，涉及的材料、部件种类多，防火性能、防腐性能都是其中的技术难点

.另外，在技术规范、标准方面，虽然目前单一的专业技术规程规范比较齐全，但是对于作为钢结构住宅的综合性技术规程尚待编制。

1.5 钢结构住宅的发展前景

近年来，我国城镇年住宅竣工面积约6亿m2，投资约6000亿元。目前我国住宅仍以传统混凝土结构和砌体(特别是粘土砖)结构为主，这两种结构既不便于产业化，也不利于社会环境与可持续发展。住宅产业化是我国住宅发展的必由之路，因为这将成为推动我国经济发展的新的增长点。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，它属于绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略。

我国在加入WTO之后，房地产也面临着与国际接轨，而国内的建筑生产效率较低，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，其发展必将带动建材、冶金、信息、机械尤其是钢铁产业的发展。

钢结构住宅的发展将带动住宅施工行业的革新。如果说钢筋混凝土结构的发展是使施工从手工业进入机械化，那么钢结构的应用就将使住宅施工实现现代化。

钢结构住宅在我国的住宅产品中还是新秀，虽然长处多多，但能否成为一个有特色的建筑分支产出，还有待于行业有关各方共同努力开发打造。

2钢结构住宅的结构体系 2.1 轻钢龙骨结构体系

轻钢龙骨结构体系主要用于中低层住宅或别墅，大致可分为两类，一类为以冷弯C 型钢组成的龙骨体系，另一类以小型热轧型钢组成的龙骨结构体系。

轻钢龙骨体系一般由柱、梁、天龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接而成，梁柱构件厚度在1～3 mm，柱子间距为400～600 mm。其主要受力机理为：柱子与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁,竖向力由楼面梁传至墙壁的天龙骨,再通过柱子传至基础；

水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。由于在传力过程中，墙面板承受了一定的剪力，并提供了必要的刚度，故墙面板应满足一定的要求。楼板可采用楼面轻钢龙骨体系，上覆刨花板及楼面面层，下部设臵石膏板吊顶，既可便于管线的穿行，又满足了隔声要求。

轻钢龙骨结构有四个突出的技术特征： 一是构造特征，它以C形或U形这两种简单截面形式的冷弯型钢龙骨为基本结构构件，经装配工艺构成各种复杂形式的梁柱或大型组合构件，再经组装工艺成为完整的住宅结构框架；

二是材料特征，它采用壁厚为0.8～1.8mm的冷轧热镀锌钢板为构件材料，不同于传统概念的冷弯型钢构采用的厚度为2.0～2.7mm的裸钢板。

三是构件强度特征，镀锌钢板经冷弯加工成型，加工过程使材料产生形变强化，进而提高了构件的屈曲强度；

四是连接特征，它不采用焊接或螺栓连接的方式，而是采用自攻自钻螺钉，这种连接工艺的效果是使螺钉与被连接构件之间没有间隙，保证了结构的稳定性。

轻钢龙骨结构体系的优点为:

?重量轻

构件由壁厚0.8～1.2mm（最大为2.4mm）的热浸镀锌钢板制造，在满足相同承载能力的前提下，它的重量最轻。配合轻质功能建筑材料，轻钢龙骨建筑的整体重量约为混凝土结构建筑的1/3。结构重量轻，基础就十分简单，一般采用荷载8吨的条形基础就能满足需要，工程造价也相应降低。

?抗震好

冷弯型钢构件与外墙板组成“板肋”构造，抗水平荷载和垂直荷载的能力都大大提高，抗风性能与抗震性能优于其它结构。

?寿命长

构件采用热浸镀锌钢板，抗腐蚀性能极佳，而且钢结构构件全部封闭在不透水气的复合墙体内部，不会腐蚀和霉变，不怕虫蛀，使用寿命可达70年以上。

?使用面积大

围护墙厚度15～20cm，内墙厚度12cm，使用面积可比混凝土结构增加15%，得房率可高达90%以上

?开间灵活

最大跨度可以做到8m，业主可以随意对建筑平面进行分割和布局，形成大开间、高净空的理想空间形式。

?建筑周期短

主要构件可在工厂预制，一栋300平方米的别墅建筑周期2～3个月。

?舒适度高

视野好，墙体保温隔热好，冬暖夏凉，有自然通风设臵

?绿色环保的建设理念 仅在现场装配，无建筑垃圾。 2.1.1 轻钢龙骨结构体系的设计

轻钢龙骨体系在欧美等发达国家已经应用了几十年，技术成熟，在北美国家属冷弯薄壁型钢构范畴。但在我国，轻钢龙骨结构体系构件的材料厚度不符合《冷弯薄壁型钢构技术规范》（GB50018-2002）的规定，只能另建体系，约定俗成地称为“轻钢龙骨”结构体系。

轻钢龙骨框架结构与构件名称示意图

轻钢龙骨框架结构与构件名称示意图

轻钢龙骨体系的全部管线系统是在钢结构构件中布臵的，这也是钢结构建筑的一大特征。为便于走线，构件沿中心线布臵了孔洞，在构件加工生产过程中也有开孔工序。但开孔位臵会影响构件的强度，尺寸不当可能造成构件在工作状态下失稳，所以必须有一定的开孔设计原则。

安装完成的智能化控制管线

2.1.2 OSB板及其在轻钢龙骨结构中的增强作

OSB板，Oriented Strand Board板，即定向刨花板。是由矩型木板薄片一层层沿水平方向粘结压制而成。

OSB板具有很好的加工性，抗冲击能力和强度比其他人造木板高得多，握钉能力更是出色，OSB板主要用于屋顶、承重的剪力墙和楼面覆盖层等结构，它具有支撑荷载的能力以及抵抗水平失稳的能力，和钢结构一起组成完整的结构体系，其典型的蒙皮作用可提高结构的整体刚度和承载力，这种结构也称为“板肋”结构。

2.1.3 轻钢龙骨结构的节点设计 （1）构件与基础的连接

基础进行过程中，各种结构与基础相连接的预埋件要准确定位及安装，主要有直条式抗风连接带、地脚螺栓、加固扁铁等。基础工程完成以后，在基础与钢结构的沿地龙骨之间首先要做好隔潮垫层，然后铺设18mm的OSB板或其他木质衫垫，以缓冲钢构件与混凝土的硬接触。

沿地龙骨、柱与基础的连接1

沿地龙骨、柱与基础的连接2和连接3

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