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冷彎薄壁型鋼住宅體系及其在中國的應(yīng)用和發(fā)展

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國金屬協(xié)會(huì)建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)專家組成員 薛發(fā) 佳合集團(tuán)節(jié)能住宅事業(yè)部 劉定榮）

    [摘 要] 本文主要介紹了國外冷彎薄壁型鋼住宅體系，以及這些住宅體系在我國的應(yīng)用狀況，指出了應(yīng)用和發(fā)展存在的一些問題。
    [關(guān)鍵詞] 冷彎薄壁型鋼住宅體系 密肋型結(jié)構(gòu)體系 標(biāo)準(zhǔn)件 KC 體系
    一 、 概述
    隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)居住空間和住宅整體性能的要求也越來越高。因此，也推動(dòng)著住宅設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的不斷發(fā)展?？臻g的形象表達(dá)、布局的靈活多變、起居生活的舒適性、室內(nèi)外空間的整體性以及合理的經(jīng)濟(jì)性等要求以及建筑技術(shù)的進(jìn)步、原材料的發(fā)展，決定了現(xiàn)代住宅在建筑結(jié)構(gòu)體系上的改變。鋼材性能優(yōu)越以及使用的靈活性等特點(diǎn)，使得鋼結(jié)構(gòu)成為住宅建設(shè)新體系中的一部分。
    低層冷彎薄壁型鋼住宅建筑技術(shù)正在廣泛的應(yīng)用和推廣。目前許多國家，如美國、澳大利亞、日本，建造技術(shù)以及生產(chǎn)裝配技術(shù)已經(jīng)非常成熟和完善，工業(yè)化程度也相當(dāng)高。美國由于技術(shù)、生產(chǎn)因素以及保護(hù)森林資源的必要性，鋼骨架住宅逐漸成為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的替代品；澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用也是許多國家無法相比的，目前其鋼骨架住宅占全部住宅數(shù)量的30%；日本在引進(jìn)和吸收別國技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)這種低層冷彎薄壁型鋼住宅體系進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，并且開發(fā)出了具有自己特色的住宅產(chǎn)品。目前，日本有幾十家企業(yè)在進(jìn)行工業(yè)化住宅的研發(fā)、設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工、施工安裝以及售后服務(wù)。
    80年代中期，隨著我國改革開放的深入，國外輕鋼住宅也進(jìn)入我國，主要是一些建筑商從日本、美國以及澳大利亞等國引進(jìn)一些兩三層的別墅，但是當(dāng)時(shí)中方實(shí)際上只負(fù)責(zé)基礎(chǔ)施工以及一些部件的組裝，住宅骨架、配套維護(hù)材料和設(shè)備全套從國外進(jìn)口。最近幾年，國內(nèi)一些企業(yè)引進(jìn)北美、日本和澳大利亞的整套低層冷彎薄壁型鋼住宅體系，并且對(duì)其進(jìn)行消化和推廣，現(xiàn)在設(shè)計(jì)和制造這種住宅的企業(yè)有：
    也有一些企業(yè)從國外引進(jìn)多層冷彎薄壁型鋼住宅體系，如青島邁華無比鋼房屋從加拿大引進(jìn)的“無比鋼”體系。
    二、低層冷彎薄壁型鋼住宅體系
    1、低層冷彎薄壁型鋼住宅的特點(diǎn)
    冷彎薄壁型鋼住宅，按照一定的模數(shù)間距布置鋼龍骨，鋼龍骨之間布置各種支撐體系，龍骨骨架兩側(cè)安裝結(jié)構(gòu)板材和保溫隔熱材料以及面層裝飾材料，形成非常可靠的“密肋型結(jié)構(gòu)體系”，這種體系具備如下優(yōu)點(diǎn)：
    （1）自重輕，基礎(chǔ)費(fèi)用和運(yùn)輸安裝費(fèi)用省；
    （2）骨架構(gòu)件和維護(hù)結(jié)構(gòu)材料以及各種配件均可工廠化生產(chǎn)，精確度高、質(zhì)量好；
    （3）建筑造型容易實(shí)現(xiàn)，個(gè)性化設(shè)計(jì)可滿足客戶的不同需求，房間空間大，布置靈活；
    （4）具有良好的 抗風(fēng)和抗震性能；
    （5）施工安裝簡單，周期短，資金回收快，施工現(xiàn)場文明，基本上為干作業(yè)，建筑垃圾少，材料易于回收；
    （6）設(shè)備管線布置簡便。
    （7）不需要二次裝修。

    2、北美低層冷彎薄壁型鋼住宅體系及其在我國的應(yīng)用
    低層冷彎薄壁型鋼住宅體系最早起源于北美，其前身為北美2x4木結(jié)構(gòu)住宅體系。主要承重構(gòu)件為熱鍍鋅冷軋薄壁型鋼，采用自攻自鉆螺釘連接，墻體、樓面和屋面維護(hù)結(jié)構(gòu)仍與木結(jié)構(gòu)住宅體系相似。下面對(duì)北美低層冷彎薄壁型鋼住宅作介紹。
    1） 建筑形式和結(jié)構(gòu)體系
    北美冷彎薄壁型鋼住宅多為二至三層的獨(dú)立、聯(lián)排以及庭院式別墅，一般都帶地室，其建筑風(fēng)格也沿襲了北美傳統(tǒng)的風(fēng)格，造型較為復(fù)雜，大都有弧型墻，弧型樓梯，拱型門洞及大懸臂煙囪等，室內(nèi)空間布置也常常出現(xiàn)挑空、大開間和設(shè)置室內(nèi)地面高差，C型鋼梁柱按照模數(shù)（如兩英尺）布置，組成密肋型骨架。其建造裝配示意圖如圖3

    各部分材料選用如下：
    （1） 鋼材： 常用Q235和Q345
    （2） 截面： C型 主要作為梁柱構(gòu)件
    U型 主要作為頂、底軌或者邊梁（環(huán)梁），北美體系用T表示，即Track
    L型 主要作為過梁和轉(zhuǎn)角連接件
    （3） 常用構(gòu)件尺寸規(guī)格見圖4及表1、表2：

    北美體系墻體柱龍骨一般采用350C20和550C20，對(duì)應(yīng)的頂、底導(dǎo)軌為350T20和550T20，但是考慮到建筑設(shè)計(jì)對(duì)墻體的厚度要求，以及局部墻體結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)，有時(shí)候也采用大截面的800C18、800T18，1000C18、1000T18。過梁采用12英寸和8英寸的C、T組合形成箱型或工字型過梁，或者L型過梁。樓面梁采用1200C16,陽臺(tái)處由于建筑做法一般要求比室內(nèi)結(jié)構(gòu)面低４公分左右，所以陽臺(tái)支撐梁通常采用800C16。由于北美體系基本沿襲了北美木結(jié)構(gòu)體系，其屋架做法也仍采用天花梁加屋面斜梁的形式，天花梁和斜梁均采用800C18,在屋架計(jì)算時(shí)只考慮天花梁承力，因而其做法很不經(jīng)濟(jì)。國內(nèi)一些企業(yè)引進(jìn)北美體系之后，根據(jù)自主研發(fā)以及實(shí)際設(shè)計(jì)施工中得出的經(jīng)驗(yàn)對(duì)屋架形式做出了一些改進(jìn)，如采用小截面龍骨形成桁架整體受力，大大節(jié)約了鋼材用量，屋架布置和做法也更加經(jīng)濟(jì)合理。
    2） 維護(hù)材料以及構(gòu)造做法
    外墻構(gòu)造做法
    STCOO墻面涂料（文化石）+玻纖網(wǎng)抹5厚抗裂沙漿+聚苯板+防潮紙+結(jié)構(gòu)蒙皮板（0.75厚鋼板或9-12厚OSB板或水泥木屑板）+鋼龍骨（內(nèi)部填充保溫玻璃棉）+12厚石膏板
    (2) 樓面構(gòu)造做法
    裝飾面層（木地板或者地磚）+防潮層+38厚輕質(zhì)混凝土層+18.3厚OSB板+C型鋼梁+保溫玻璃棉+吊頂石膏板
    （3） 屋面構(gòu)造做法
    陶瓦（頁巖瓦或平板瓦）+自粘防水卷材+12厚OSB板+鋼屋架+保溫玻璃棉+吊頂石膏板
    3） 連接件及連接方式
    北美低層冷彎薄壁型鋼住宅體系不僅構(gòu)件選型標(biāo)準(zhǔn)化程度很高，其連接件及連接方式也十分規(guī)范和完善。外墻用地腳螺栓通過壓具和基礎(chǔ)連接作為抗拔件，按照一定間距設(shè)置直徑為10mm的膨脹螺栓作為抗剪件，內(nèi)墻采用直徑為3.6mm的射釘與基礎(chǔ)連接。二層墻體采用ST5.5自攻螺釘與樓面板連接，按照構(gòu)造施釘。 墻體組合柱和樓面組合梁可以采用自攻螺釘連接，拉接條連接或者焊接。
    北美體系連接標(biāo)準(zhǔn)件分類也十分完善，如：1)剪力加固板HD; 2)抗拔壓具S/HD; 3)梁托HU; 4)屋架連接件TBE4、SH1；5）辛普森（Simpson Strong-Tie）系列五金件等等。
    正是由于北美體系在建筑風(fēng)格、結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法以及室內(nèi)外裝飾陳設(shè)等方面形成了完整的體系，而且其靈活多變的立面造型和大手筆的空間布置，得到了國內(nèi)許多開發(fā)商和業(yè)主的偏愛。所以目前國內(nèi)從事低層冷彎薄壁型鋼住宅設(shè)計(jì)和施工的公司大多數(shù)是學(xué)習(xí)引進(jìn)北美體系，其典型代表有北京居其美業(yè)西式房屋有限公司。其中納帕溪谷即為北美體系在中國應(yīng)用成功的例子之一。這種體系的特點(diǎn)和成功的設(shè)計(jì)開發(fā)，使得該企業(yè)很好的打開了冷彎薄壁型鋼住宅市場，圖5，圖6為浙江某地產(chǎn)公司與居其合作開發(fā)的冷彎薄壁型鋼別墅項(xiàng)目：

    3、日本低層冷彎薄壁型鋼住宅體系及其在我國的應(yīng)用
    日本冷彎薄壁型鋼住宅起步可追溯到20世紀(jì)三十年代的。當(dāng)時(shí)日本發(fā)生阪神淡路大地震，美國以國際援助的形式支援了日本300套輕鋼住宅，從此這種住宅體系在日本迅速發(fā)展起來。
    日本冷彎薄壁型鋼住宅的起步雖然比美國晚，但是其發(fā)展和推廣速度卻是許多國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的，并且形成了有自己特色的新型體系，其工業(yè)化程度甚至要高于美國以及其他國家 。 由于日本冷彎薄壁型鋼住宅體系源于美國，所以其基本結(jié)構(gòu)形式和北美體系大體相似，值得強(qiáng)調(diào)的是，日本體系在工廠化、模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及材料等方面都做了很多研究和創(chuàng)新，而且根據(jù)自己國內(nèi)多地震臺(tái)風(fēng)的情況，通過多年的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，形成了一套適合其國情的跨度荷載選型表，包括剪力墻墻量計(jì)算表、樓面梁跨度荷載選型表、過梁跨度荷載選型表、屋架跨度荷載選型表，實(shí)際上已經(jīng)將冷彎薄壁型鋼住宅作為完整的產(chǎn)品來推廣。
    以日本KC體系為例，其輕鋼龍骨采用400 N/mm2 級(jí)鋼材（屈服強(qiáng)度≥295 N/mm2 ，抗拉強(qiáng)度≥400 N/mm2 ），鋼材表面鍍層形式有三種：熱鍍鋅 Z27, 5%鋅鋁鍍層 Y18, 55%鋅鋁鍍層 AZ150。構(gòu)件截面形式也為C型和U型（相當(dāng)于北美體系中的T,即Track）,常用截面為：89LC□，89C□，140LC□，140C□等。其中89和140表示構(gòu)件截面腹板高度，LC表示帶卷邊的C形截面，C表示不帶卷邊的U形截面，□代表N、M、W表示翼緣外寬度代號(hào)，對(duì)應(yīng)的尺寸為40mm, 44.5mm, 50mm。
    KC體系中梁截面一般采用235LCN10, 250LCN10, 300LCN10，其翼緣寬度和截面厚度如同上述墻龍骨截面形式，仍有多種組合方式。
    KC體系最大的特點(diǎn)是模塊化，即盒子結(jié)構(gòu)，其模數(shù)一般采用400mm或600mm,將整個(gè)住宅劃分為多個(gè)盒子單元，每個(gè)單元的墻體，樓蓋均在設(shè)計(jì)時(shí)候劃分為板塊，設(shè)計(jì)尺寸精度非常高，工廠按照設(shè)計(jì)版圖來加工和預(yù)制，結(jié)構(gòu)板材和結(jié)構(gòu)骨架在工廠就組裝完成，所以現(xiàn)場施工更加簡單，快捷。圖7，圖8分為國內(nèi)企業(yè)引進(jìn)KC體系（薄板鋼骨體系）施工現(xiàn)場墻體安裝和屋面系統(tǒng)。

    日本低層冷彎薄壁型鋼住宅體系工廠化程度以及施工裝配工藝比北美體系更加完善，國內(nèi)北新建材旗下的北新房屋引進(jìn)的即日本KC體系。
    4、 其他國家低層冷彎薄壁型鋼住宅體系介紹
    除了北美和日式體系，澳大利亞和新西蘭的住宅體系也享有盛名，特別是這兩國冷彎薄壁型鋼構(gòu)件加工設(shè)備和住宅設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用方面都非常先進(jìn)，如新西蘭的海斯系列和FrameMaster系列等，澳大利亞住宅體系結(jié)構(gòu)鋼材為G550高強(qiáng)度鍍鋁鋅鋼板，板厚可至0.55MM。
    新西蘭早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)住宅骨架構(gòu)件采用同一種規(guī)格的C型截面，即墻體骨架，樓面梁到屋架都采用了由同一種C型截面組成的桁架。這種高標(biāo)準(zhǔn)化的體系大大優(yōu)化了整個(gè)住宅體系，從材料采購到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)布置到構(gòu)件加工以及現(xiàn)場安裝都變的更為簡單。這些設(shè)備和設(shè)計(jì)軟件，國內(nèi)已經(jīng)有住宅設(shè)計(jì)公司引進(jìn)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了很好的實(shí)踐應(yīng)用，如高雅（深圳）建材有限公司在新疆建立的四個(gè)樣板房。

    另外，歐洲的一些國家和地區(qū)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也不容忽視。芬蘭、法國、瑞典及丹麥鋼骨架住宅正越來越普及，已經(jīng)建造了大量鋼骨架體系的低層住宅。
    三、多層冷彎薄壁型鋼住宅體系
    加拿大“無比鋼”建筑體系（web steel），主體小桁架是由方、矩形管和V型、I型、H型連接件構(gòu)成。無比鋼建筑體系梁
    柱龍骨按照400-600mm模數(shù)排列，龍骨截面在90-200mm之間。無比鋼建筑制造工藝流程是先在工廠預(yù)制：鍍鋅卷板?槽鋼、方型鋼管及連接件?結(jié)構(gòu)件組裝；然后現(xiàn)場安裝：基礎(chǔ)?無比鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝?外墻處理?內(nèi)墻及吊頂（石膏板）。無比鋼結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造做法為：
    外 墻： 鋼網(wǎng)抹灰 即聚合物無水泥砂漿+鋼網(wǎng)+OSB或膠合板
    承重墻： 密肋格構(gòu)網(wǎng)架，空間填充保溫隔熱材料
    內(nèi) 墻： 鋼骨+石膏板
    樓 層： 無比鋼小桁架+壓型鋼樓板+輕質(zhì)混凝土或無比鋼骨架+鍍鋅平板+竹膠合板+木地板
    屋 頂： 無比鋼專用骨架+輕鋼彩瓦或普通水泥瓦

    無比鋼建筑的傳力路徑為：板?密柱?基礎(chǔ)。由各種構(gòu)件巧妙地組成3維空間受力體系。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，用國產(chǎn)材料做構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)，6層住宅設(shè)計(jì)計(jì)算合理，可滿足抗震設(shè)防要求。建造一棟六層的住宅，從工廠生產(chǎn)鋼板，現(xiàn)場拼裝，到最后竣工入住，僅需要兩個(gè)月左右。另外，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布置，使得其綜合造價(jià)比混凝土框架低10%左右，還大大降低了能耗。
    美國 DBS多層輕鋼住宅建造體系
    從經(jīng)濟(jì)及綜合利用角度來看，比較理想的結(jié)構(gòu)體系是將一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如樓板、墻板等參與受力，或者將一些受力構(gòu)件埋覆
    在墻體或樓板中。這樣就可以降低層高，發(fā)揮構(gòu)件的雙重作用，像低層鋼結(jié)構(gòu)住宅那樣將墻板與中間密布的結(jié)構(gòu)龍骨一起考慮受力，作為蒙皮效應(yīng)來分析，應(yīng)用于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅。
    美國迪特瑞馳公司研發(fā)的DBS（PIETRICH BUILDING SISTYM）多層輕鋼住宅體系（圖13，圖14）取得了專利權(quán)，并在美國建造了許多4-6層的住宅、旅館及公寓。DBS體系一般開間取4.88m，樓層凈高為2.44m。墻體C型鍍鋅鋼龍骨腹板高約為101.6mm，模數(shù)一般采用610mm。從底層到上部各層，龍骨的厚度逐漸減少。DBS體系的樓蓋也用鋼龍骨，樓蓋梁可根據(jù)設(shè)計(jì)多處開孔，方便管線通過。樓板做法是在輕鋼龍骨上面鋪20mm厚纖維水泥板作為承重結(jié)構(gòu)，上面可以做不同的地板面層。龍骨間填充玻璃棉，起到保溫、隔音作用。

    DBS系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
    結(jié)構(gòu)自重輕，以某多層住宅為例，結(jié)構(gòu)自重為161kg/m2 ,結(jié)構(gòu)用鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)為31 kg/m2。這樣基礎(chǔ)可以大大減少，節(jié)約了材料，降低了造價(jià)，施工速度也快。樓層橫梁開孔可以布置水電管線、降低層高；具有良好的抗震性能；建筑材料的可再利用，有利于可持續(xù)發(fā)展。DBS系統(tǒng)在非地震區(qū)可建立達(dá)12層的輕鋼住宅。
    六、推廣冷彎薄壁型鋼住宅體系需要注意的問題
    從總體上看，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅仍處于起步階段，目前低層冷彎薄壁型鋼住宅體系中配套部件尤其是維護(hù)結(jié)構(gòu)板材等可選性少，而且價(jià)格較高，使得冷彎薄壁型鋼住宅建造成本偏高。許多企業(yè)都著力于別墅的發(fā)展，一些書刊雜志在介紹住宅技術(shù)時(shí)也都以別墅為主，這實(shí)際上是一種誤區(qū)。另外，國內(nèi)與這種新型住宅體系有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、施工工法等也不健全，國內(nèi)一些試點(diǎn)項(xiàng)目還處于低水平的重復(fù)著國外十多年前的工作，缺泛技術(shù)創(chuàng)新和突破。國內(nèi)一些致力于住宅建造的企業(yè)很大程度上照搬照抄國外的東西，技術(shù)人員相互之間缺少良性的交流。專家學(xué)者對(duì)這種體系的研究還不夠深入，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究也沒完全跟上，這些問題的存在必將制約著冷彎薄壁型鋼住宅在中國的推廣。
    我國畢竟是一個(gè)人口眾多、土地資源相當(dāng)缺泛的國家，解決廣大人民群眾的住房問題，還是以占有土地相對(duì)少，滿足更多人居住需要的住宅為主?，F(xiàn)在有一些企業(yè)著力于低層別墅的發(fā)展，一些書刊及雜志在介紹鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)時(shí)也以別墅為住，似乎鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展，重點(diǎn)再于這種方向上，這其實(shí)是值得研究的。當(dāng)然，低層住宅（別墅）也不是不可發(fā)展的，但是也應(yīng)該以適合廣大偏僻山區(qū)的低價(jià)位的獨(dú)立、聯(lián)體式住宅為主。
    另外，對(duì)于低層冷彎薄壁型鋼住宅，可系統(tǒng)的引進(jìn)、吸收、消化、研究及改進(jìn)。無論是結(jié)構(gòu)體系，還是配套材料，都應(yīng)進(jìn)行國產(chǎn)化。有些企業(yè)已經(jīng)開始將這種住宅向歐洲、非洲等一些國家和地區(qū)出口，這應(yīng)當(dāng)是很好的發(fā)展方向。
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