鋼結構住宅設計分析與研究

韋江萍

（福州外語外貿學院，福建 福州 350202）

為避免傳統住宅建筑結構體系在原材料應用，建筑施工，以及后續維護使用中產生的問題，迎合市場對高質量與高品質住宅追求，就找尋新建材與新住宅體系來適應發展要求，實現住宅產業健康持續發展.

1 鋼結構住宅的定義

鋼結構住宅是指以鋼作為建筑承重梁柱的住宅建筑，是一種注重美觀與效益的新型環保的建筑結構體系，這一建筑結構體系，將H型、C型、Z型與U型截面鋼構件進行連接，并形成主體框架結構，再配以構建、門窗等模塊，形成完整的建筑體系.常見鋼結構住宅體系包括鋼框架、鋼框架核心筒、鋼框架-支撐、鋼框架-剪力墻、冷彎薄壁型、交錯桁架與輕鋼結構.

2 鋼結構住宅主要結構形式

從實踐應用看，常見鋼結構形式有4種:(1)冷彎薄壁型鋼體系.用薄鋼板冷彎成C形與Z形構件，單獨或組合使用，桿件間采用自攻螺釘連接，通常應用于低矮住宅.(2)框架體系.橫向和縱向都設為鋼框架，門窗可靈活設置，開間較大，住戶可以靈活設計，可以更好的滿足個性化需求.這種設計應用于4-6層多層建筑.(3)框架支撐體系.這種體系梁柱和柱腳節點均可設計成鉸接或半剛接，施工構造較簡單，體形較小，軸交和偏交支撐效果很好，抗側剛度高，在風載或地震作用大的區域深受青睞.(4)框架剪力墻體系.空腔結構板狀基架經過浸漬形成的新型板材與鋼框架連接后，形成新型剪力墻，還有傳統的鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻，以及新研發的交錯桁架體系，剪力墻體系主要應用于4-6層低多層住宅.

3 鋼結構住宅的優點

3.1 空間布置靈活

一般在梁高相同的情況下，與混凝土結構相比，鋼結構開間更大，自然而然建筑布置更加靈活，住宅空間搭配的自由度凸顯.自由度大與強度高的結合是鋼結構住宅的最大優勢和特點.這一優勢為建筑設計師的設計留有更多的空間，也為居住戶改造內部結構與用途提供更多的可能，可靈活分隔室內空間，形成了開放式可變性的住宅.鋼結構連接簡單，錯層與躍層結構應用更加方便.相對傳統的混凝土結構，鋼結構墻體相對薄一些，管線可以暗埋其中，這樣其實是增加室內使用面積，提升經濟效益.

3.2 抗震性能強

與其他建筑結構相比，鋼結構的承載力大.鋼結構有很好延性，這一特性使得一旦鋼結構受到動力沖擊等外在破壞是，可吸收較多的能量，減弱脆性破壞帶來的危害，這就是鋼結構抗震性的體現.由于鋼結構整體較混凝土結構輕，受地址影響小，加之其較好延性及較好耗能性，在地震易發地區，尤其在高烈度地震區，應用鋼結構材料構建住宅建筑，使用鋼結構就更為有利，其抗震性能好，結構安全度高.

3.3 綜合造價低

鋼結構造價比與建筑重量等方面卻遠優于單純的混凝土結構.鋼材料的抗壓、抗拉與抗剪強度比較高，鋼結構的構件斷面小且重量輕，輕鋼住宅重量相當于磚混結構重量的三分之二.高層鋼混建筑自重為1.8噸/平米左右，而高層建筑鋼結構自重一般為1噸/平米以內，自重輕就會大幅降低鋼結構住宅建筑基礎造價.隨著我國鋼鐵產業不斷發展，鋼產量與質量穩步提升，鋼材價格的下降，鋼結構的造價也會下降.再綜合考慮出房率、土地使用效率、建設施工工業化程度等因素，鋼結構建筑的綜合造價不高.

3.4 工業化程度高

除基礎構件外的鋼結構住宅大多數構件都可在專業工廠進行標準化生產，在施工現場以焊接或螺栓的方式整體安裝，受天氣與季節影響較小.這樣工藝與安裝方式對周圍環境影響較小，且機械化程度高，符合環保要求.鋼框架安裝、混凝土核心筒澆筑等可立體交叉作業，且在上部安裝框架柱梁時，下部亦可開展內部裝修，安裝施工速度快，項目建造周期與資金周轉短，鋼結構施工成本降低.鋼結構建筑的拆除施工容易，拆除成本降低；且可回收二次利用，符合環保要求.

4 鋼結構住宅發展的前景

隨著經濟不斷發展，以及環境保護意識的增強，鋼結構住宅符合時代大勢.近年來，我國鋼產量不斷攀升，特種鋼材的出現及鋼材質量提高，鋼結構專用特厚板，熱軋H型鋼，高頻焊輕型H型鋼，以及Z型鋼、C型鋼、輕型圍護用鍍鋅板及彩涂板的大發展，都進一步加速我國鋼結構住宅產業化發展進程.通用化、標準化與系列化的鋼結構設計導向，社會化與專業化的鋼結構材料的生產，商品化的鋼結構材料的供應，成為現代鋼結構住宅體系.住建部組織研發的鋼結構建筑住宅體系的結構選型，新型圍護結構和隔斷體系，結構體系設計施工技術，并編制了設計與施工技術規范規程.經過相關領域專家的科學研究、實驗分析和實踐應用，鋼結構住宅通用體系具有良好社會經濟效益、獨特應用優勢與廣闊市場發展前景.

5 鋼結構住宅設計中存在問題的分析

5.1 耐火性能不高

作為一種不會燃燒的建筑材料，肯定不需要擔心燃燒，但其耐火性能方面存在一些缺陷，鋼結構抗拉、屈服點及彈性模量等機械性能會因為溫升而下降，且在溫度為450度到650度，鋼結構建筑就失去了其承載能力，會發生變形，因此，必須要做好鋼結構住宅的防火處理，避免突破耐火極限.

5.2 防腐蝕能力差

空氣中的濕氣、酸堿物及能與鋼鐵發生化學反應的物質，與鋼材接觸后就容易出現氧化腐蝕.鋼材表面涂可防止氧氣或酸堿性物質與其直接接觸而保護剛才受到腐蝕.如果鋼表面的涂層有極其細微的裂縫或氣孔都有可能成為腐蝕物質的入口，自然就會發生腐蝕，且會迅速侵蝕，腐蝕面積增大，鋼表面涂層遭到破壞，進一步加重鋼結構腐蝕.

5.3 保溫、隔熱、隔聲與防滲水問題

圍護系統和樓板決定了鋼結構住宅的保溫、隔熱、隔聲與防滲水等.我國所采用的材料大多是未經技術創新與產品改造的材料，而一些新產品新材料未經市場檢驗且價格高.優質價廉的保溫、隔熱、隔聲、防火、防腐材料是建筑鋼結構市場需要的.

5.4 鋼結構住宅配套問題

基于結構合理性與可行性考慮，鋼結構體系應用于住宅類建筑幾乎沒難度，但配套建筑設備與材料、空間形式和構造技術措施等，會挑戰建筑設計施工的人員.除應滿足鋼結構建筑結構安全性外，應滿足使用功能要求，解決好鋼結構住宅墻柱連接對空間完整性的影響，設備布線等問題，鋼結構住宅裝配式的施工建設方式，就會出現大量建筑物連接節點，影響到鋼結構住宅聲、光、熱等建筑物理性能和建筑物耐久性能.

6 應對鋼結構設計問題的舉措

6.1 完善鋼結構住宅設計

總體設計要遵循標準化、通用化、定型化與多樣化的原則，在總體設計方面要注意建筑、結構、水電、暖氣綜合考慮，在鋼結構住宅各部分設計中嚴格做到模數協調.根據鋼結構住宅實際，綜合考慮梁、柱與樓板等因素，適應個性化、多樣化和可操作性.在確定住宅層高的時候，要確保樓板有足夠的承載力、剛度和整體性，考慮鋼結構的隔音與管線布置等，管線鋪設方面，要注意設置空間，盡量利用空閑空間.

圍護結構設計要強化抗震性能與連結性等要求，應采用高強輕質墻體，確保保溫、隔熱、隔音、防火、防水與防裂等各方面的綜合性能，同時對墻面涂料要求較高.

鋼結構體系的節點設計非常重要.鋼結構的節點設計包括梁梁節點、梁柱節點、柱柱節點、柱帽節點、柱腳節點等.具體設計時要盡可能減少節點，要做到安全與可靠，施工工藝要簡易且穩定可靠.

廚房和衛生間設計在鋼結構設計中占有很重要的地位.廚房和衛生間用水角度，而鋼結構防水與防腐性能差，在這兩個主要區域的設計顯得尤為重要.在設計時要采用結構防水和材料防水相結合,注重應用防水效果較好的結構性防水方法.

6.2 優化鋼結構住宅墻體材料

為了突出鋼結構住宅可改性好、布置靈活與自重輕的特點，在鋼結構墻體材料的選擇方面，要符合鋼結構住宅特點，不宜采用傳統的黏土磚或其它較重較大的材質.應采用加氣混凝土、空心混凝土砌塊、壓型鋼板加輕保溫材料組成的復合墻體、CS板、OSB板、LCC板.這些材料在防水、防滲透能力及保溫方面表現好，也易于施工，還符合建筑墻體強度的要求.在設計鋼結構墻體時，要明確連接件的詳細參數，這樣提高設計精確性，有利于簡化建筑施工.

6.3 強化鋼結構防火、防水與防腐

對于鋼結構這一種優質的建筑材料，做好防水、防火及防腐措施是必須的，盡量遠離或隔離熱源、腐蝕源或水源，以保護鋼結構，避免其承載能力受到一定損害.

一般的住宅用鋼材在全負荷狀態下，在溫度300℃以上時就會產生一定危險，在500℃狀態下肯定會失去靜態平衡穩定性.一旦發生火災通常溫度會超過800℃，這對于鋼結構住宅是極其危險的.在鋼材是加上防火涂料或者包裹混凝土等，是比較常用的防火措施，但這會失去鋼結構的優勢.采取被動和主動防火相結合的措施.安裝防火和防火警報，設置防火隔離區，固體、液體、氣體與泡沫滅火消防噴淋系統等主動防火措施.被動防火通常是借用相關技術手段使得鋼材與可能的火情有效隔離，通常的技術手段包括：（1）外包法，使用外包保護層保護鋼材，增加其耐火性，通常用混凝土等實體外包或防火石膏板等板材外包.（2）膨脹材料保護層，鋼材在受熱時，借用膨脹材料使材料產生膨脹，形成一層耐火保護層.（3）空心注水法，將鋼材設計成空心注水，但這一方法的造價較高，技術性能要求也高，不宜廣泛推廣應用.（4）屏蔽法，將鋼結構屏蔽在耐火材料建造成的墻體內，不過這種方法會減少住宅的實際使用面積.

鋼材防水、防腐蝕重點在于在確保鋼材不受外部極端不良環境因素的影響，避免發生變形.鋼材在酸性或化學氣霧環境下易受腐蝕，從而影響建筑質量安全.做好被動防護與主動防護，做好鋼材的外部保護與隔離，并探索更合理的結構體系.

〔1〕范鵬飛.鋼結構住宅的特點、結構體系與發展應用[D].浙江工業大學，2011.

〔2〕詹瑜.鋼結構住宅發展現狀及效益分析[D].華南理工大學，2012.

〔3〕孔德超.鋼結構住宅技術與經濟性分析[D].山東大學，2010.