多層輕鋼結構民用建筑的設計與經濟分析

賈軒軒

摘 要：多層輕鋼住宅是一種新型建筑體系，也是目前國內住宅研究和開發的方向。但是它的設計方法，結構體系，結構特點，常用經濟指標不為設計者所熟悉，因此多層輕鋼住宅示范樓的設計與施工是推廣這種新型體系的最好方式。本文從多層輕鋼民用建筑中的結構選擇入手，并根據工程實際，探討多層輕鋼結構民用建筑的設計與經濟內容。

關鍵詞：多層；輕鋼；民用建筑；結構

1 前言

多層民用建筑設計多采用鋼筋砼結構和磚混結構，很少采用鋼結構，鋼結構在民用房屋的應用主要還集中在高層建筑上，近年鋼結構在民用建筑上的應用越來越多，隨著鋼結構在實際工程的應用經驗和設計理論研究的深入，及鋼結構廠家不斷推出新的鋼結構產品，鋼結構在多層民用建筑上的應用日漸增長，相對鋼筋砼具有較高的經濟價值。軋制H型鋼的大量生產，樓承板的多樣化，防腐涂料及防火涂料的成熟也為多層民用房屋鋼結構的應用創造了廣闊的空間。

2 多層輕鋼民用建筑中的結構選擇

2.1 純框架結構體系

純框架結構體系在地震區一般不超過15層。框架結構的平面布置靈活，可為建筑提供較大的室內空間，且結構各部分剛度比較均勻。框架結構有較大的延性，自振周期較長，因而對地震作用不敏感，抗震性能好。但框架結構的側向剛度小，由于側向位移大，易引起非結構構件的破壞，因此不宜建的太高。

2.2 框支結構體系

純框架在風、地震荷載作用下，側移不符合要求時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結構的縱、橫兩個方向布置一定數量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網尺寸，基本上與框架體系相同，支撐大多沿樓面中心部位服務面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒[1]。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來取代由抗彎桿件形成的框架結構，能獲得比純框架結構大的多的抗側力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

2.3 框架剪力墻結構體系

在框架結構中布置一定數量的剪力墻可以組成框架剪力墻結構體系，這種結構以剪力墻作為抗側力結構，既具有框架結構平面布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結構。當鋼筋混凝土墻沿服務性面積周圍設置，就形成框架多筒體結構體系。這種結構體系在各個方向都具有較大的抗側力剛度，成為主要的抗側力構件，承擔大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。

3 多層輕鋼結構民用建筑的設計案例分析

3.1 工程概況

某工程，地下一層，地上八層，局部樓梯間出屋面一層，抗震設防烈度8度，建筑類別為丙類，耐火等級一級，建筑場地類別為Ⅲ類，擬建物西側為己建五層樓，與擬建物間距1.0米，獨立柱基，基礎埋深1.50米，基礎向外延伸1.50米。建筑物長38.4m，寬16.2m，結構總高36.8m，柱距7.8× 6.3m，層高為2.70m、4.8m、4.2m、6× 3.5m、7.0m。基本風壓： 0.45kN/m2，基本雪壓： 0.4kN/m2，樓面恒載： 4.00kN/m2，樓面活荷：2.00kN/m2。

3.2 結構方案布置

鋼結構方案基礎采用筏板基礎，考慮鄰近建筑物基礎的影響，基礎軸線偏離已有建筑基礎3000米，地上部分層層外挑3000米，地下室柱為勁性混凝土柱，地上部分為鋼箱形柱，梁為焊接H型鋼，樓蓋為壓型鋼板組合樓蓋，電梯井亦采用焊接H型鋼柱和梁，框架帶支撐結構布置五道支撐[2]。鋼混框架剪力墻結構方案采用筏板基礎，未能解決基礎與已有建筑基礎相鄰問題，占用原建筑物基礎0.50m，混凝土框架柱，布置四道剪力墻，樓蓋為現澆混凝土樓蓋，電梯井為混凝土剪力墻筒。

3.3 結構分析方法

三種結構體系均采用建研院PKPM系列軟件STS與PMCAD建模，接力SATWE計算，校核程序采用ETABSS-Nonlinear。

3.4 計算結果

結構方案在滿足規范配筋率、構造、及穩定、高寬厚比等的要求的前提下，應力比取為0.85～0.9，結構樓層位移、層間位移角，均滿足規范要求，結構計算周期合理，且兩方案樓層位移等結果接近或相同。鋼框架結構與鋼框支結構除鋼柱截面不同，板厚因高寬厚比要求較厚外，其他技術指標基本相同，由于支撐的存在，在建筑布局使用上，鋼框架優于帶支撐結構，柱截面較大的要求是鋼框架結構的缺點，相對于鋼筋砼結構，鋼結構梁柱截面較小，例如柱截面，鋼支撐構件截面是鋼筋砼構件截面的50%，重量僅為鋼筋砼重量的20%，降低層高250mm，減少基礎截面和造價，并且支撐較剪力墻輕巧靈活，采用靈活的支撐形式可解決開門窗洞口的問題，剪力墻的開洞給施工增加難度[3]。

4 設計方案的經濟性比較

4.1 基礎工程

基礎工程占結構工程總量的20～40%，占結構造價的比重比較大，各結構體系工程量對比是非常有意義的。鋼框架結構與鋼框支結構，基礎工程量區別僅在地下室勁性混凝土柱截面，鋼結構基礎混土用量是鋼筋砼結構基礎混凝土用量的73.57%，鋼結構方案基礎工程量小，造價低，基礎受力合理，技術處理簡單，在復雜地質條件下更具優勢。

4.2 樓蓋及樓層梁柱工程

結構工程量主要集中在樓蓋和梁柱上，鋼筋砼體系之間的對比可以通過此部分工程量的多少，直接得出結論。兩方案的最大區別在與樓蓋與樓層梁柱的工程量，但鋼結構與鋼筋砼結構在此數量上不具可比性，樓板混凝土用量兩方案雖然相同，但仍有較大區別，本鋼結構方案為組合樓蓋，未考慮組合作用對樓板和鋼梁的貢獻，所以在結構安全度上，還是遠優于鋼筋砼現澆樓蓋的，鋼結構由于構件截面小，可降低層高，增大有效使用面積，此部分的經濟效益是長期的，尤其是住宅鋼結構的商業效益更加突出，鋼筋砼結構在此方面顯然不具優勢。

4.3 其他工程

此部分工程在鋼筋砼結構體系中所占比例要高于鋼結構體系。鋼結構的其他工程量占主結構工程量的17.01%， 鋼混結構的其他工程量占主結構的工程量 27.87%，可見鋼筋砼結構工程量比較大，為實現大跨度外挑和建筑立面的要求，一般采用鋼結構，對于鋼結構方案來說，技術簡單，而鋼筋砼方案，技術上難于實現大跨懸挑，施工難度也較大。

4.4 工程結構造價

影響工程造價因素是多方面的，尤其是鋼結構體系受市場波動的影響大，不象鋼筋砼結構體系價格比較穩定，所以取費是按照市場價格。鋼框架方案與鋼框支方案在結構造價上差距不大，區別主要在建筑使用和布局上，鋼框架的柱截面大于鋼框支結構，鋼框支結構在建筑布置上不如鋼框架結構靈活，鋼筋砼結構造價低于鋼結構約13%，平米造價低80元/m2左右，本工程總價低40萬元左右，為結構部分總造價的10%左右，如果計入裝修、設備等費用，占比例則更小。

5 結語

鋼結構體系多層民用建筑在技術上比傳統鋼筋砼結構體系更為先進，經濟上，結構造價相差無幾。從綜合效益和可持續發展方面考慮，鋼結構體系也更為合理，經濟指標優于鋼筋砼結構體系。鋼結構體系，制造工場化，施工干作業，工期短，工業化程度高，無污染，無建筑垃圾，符合建筑市場發展趨勢。

參考文獻：

[1] 葉繼紅.多層輕鋼房屋建筑結構——輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系研究進展[J].哈爾濱工業大學學報，2016（6）：1～9.

[2] 崔鵬.多層輕鋼結構住宅的結構體系與設計[J].民營科技，2014（7）：172.

[3] 陳銀.多高層輕鋼結構住宅的設計與研究應用[D].河北工程大學，2013.