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我國(guó)的住宅建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入裝配化時(shí)代，作為裝配式住宅家族的后起之秀，鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)新建房屋中所占的比例不斷提高。為了讓大家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅有一個(gè)初步的了解，本文從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度，對(duì)這種住宅體系做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并解答地產(chǎn)人普遍關(guān)心的幾個(gè)問(wèn)題。

鋼結(jié)構(gòu)住宅的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 

二戰(zhàn)后隨著人口大量增加和由此導(dǎo)致的能源危機(jī)，各國(guó)都在尋求既節(jié)能環(huán)保，又能快速批量建造的建筑形式。鋼結(jié)構(gòu)既符合綠色環(huán)保的理念，又具有模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，符合建筑工業(yè)化的需求，因此在歐美國(guó)家得到長(zhǎng)足的發(fā)展。我國(guó)雖然人口眾多，但鑒于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，因此鋼結(jié)構(gòu)住宅起步較晚，只是近幾年才開始進(jìn)行系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)建造。下面從建造規(guī)模和發(fā)展階段兩個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)住宅的現(xiàn)狀做一個(gè)比較：

1、建造規(guī)模

據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在1965年時(shí)鋼結(jié)構(gòu)房屋所占比例尚不足15%，目前已增至50%以上；日本的鋼結(jié)構(gòu)房屋所占比例也接近40%。相比之下，雖然我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%左右，是名副其實(shí)的鋼鐵大國(guó)，但鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展水平較低，鋼結(jié)構(gòu)房屋占比不足5%（圖1）。每年新建住宅中，美國(guó)有35%是鋼結(jié)構(gòu)住宅，日本約20%。我國(guó)每年竣工住宅面積12~14億平米，其中只有不到1%是鋼結(jié)構(gòu)住宅。

各國(guó)民用建筑結(jié)構(gòu)體系情況對(duì)比

2、發(fā)展階段

根據(jù)岳清瑞院士的觀點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化必然要經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展階段：

我國(guó)目前處于初級(jí)階段向?qū)Ｓ皿w系發(fā)展過(guò)程中，特征是實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)工廠化生產(chǎn)。而歐美日本等發(fā)達(dá)國(guó)家處于通用體系向綠色發(fā)展階段推進(jìn)過(guò)程中，特征是規(guī)?；ㄓ皿w系成為主流，以綠色節(jié)能環(huán)保為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。總體上，我國(guó)處于跟跑階段，與世界先進(jìn)水平還有較大差距。

全球建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程

通過(guò)對(duì)比可以看出，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅無(wú)論規(guī)模還是發(fā)展程度，與世界第一鋼產(chǎn)量大國(guó)的地位很不相稱，鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)有巨大的市場(chǎng)潛力，發(fā)展前景廣闊。近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)勞動(dòng)力短缺推動(dòng)人工費(fèi)持續(xù)上漲，和鋼材價(jià)格的持續(xù)低迷，鋼結(jié)構(gòu)住宅將會(huì)進(jìn)入快速發(fā)展期。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場(chǎng)定位，目前在我國(guó)還是以災(zāi)后重建住房、定向安置房等政府主導(dǎo)的項(xiàng)目為主。相信隨著裝配化理念的普及和民眾認(rèn)識(shí)程度的提高，會(huì)有越來(lái)越多的商品房項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)。

歐美和日本等國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)住宅以低層的輕鋼結(jié)構(gòu)為主（圖3）。在我國(guó)，考慮到人口密度和居住習(xí)慣等因素，所建鋼結(jié)構(gòu)住宅以高層建筑為主，主體結(jié)構(gòu)為鋼框架+支撐（或剪力墻），稱為普通鋼結(jié)構(gòu)。本文主要介紹普通鋼結(jié)構(gòu)住宅。

普通鋼結(jié)構(gòu)住宅的分類 

普通鋼結(jié)構(gòu)住宅按抗側(cè)力體系可分為純框架、框架-支撐、框架-剪力墻等類型，各種類型簡(jiǎn)單示意如下：

 1、純框架體系

這種體系的受力構(gòu)件只有鋼梁和鋼柱，鋼梁鋼柱之間設(shè)剛性節(jié)點(diǎn)，抵抗豎向和水平荷載。

優(yōu)點(diǎn)是平面布置靈活，可為建筑設(shè)計(jì)提供較大的室內(nèi)空間，與建筑外立面也比較容易協(xié)調(diào)。缺點(diǎn)是側(cè)向承載力和抗側(cè)剛度比較差，只適用于低層和多層住宅樓，不能在高層住宅中使用，因此采用純框架的住宅項(xiàng)目較少，代表性的有濟(jì)南艾菲爾花園，曾獲中國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)。

鋼框架結(jié)構(gòu)住宅-濟(jì)南艾菲爾花園

 2、框架-支撐體系

為提高框架的抗側(cè)剛度，可在鋼框架中增設(shè)柱間斜支撐，就構(gòu)成了框架-支撐體系。

框架-支撐結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于純框架結(jié)構(gòu)，但是平面布置不靈活，斜支撐會(huì)占用一部分室內(nèi)空間。

常用的支撐形式按有無(wú)耗能梁段可分為中心支撐和偏心支撐，按形狀分有“X”形支撐、“人”形支撐、“K”形支撐等。

中心支撐

偏心支撐（紅色區(qū)段為耗能梁段）

偏心支撐的抗側(cè)剛度雖不如中心支撐，但強(qiáng)震作用下的延性較好。中心支撐多用于多層和小高層建筑，偏心支撐多用于高層和超高層建筑。采用鋼框架-支撐體系比較有代表性的有北京朝陽(yáng)區(qū)黑莊戶定向安置房項(xiàng)目、寶鋼都江堰幸福家園項(xiàng)目等。

黑莊戶項(xiàng)目是北京市第一個(gè)超高層鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目，采用中心支撐和偏心支撐混合的抗側(cè)力體系。

鋼結(jié)構(gòu)支撐-黑莊戶項(xiàng)目

鋼結(jié)構(gòu)支撐布置-黑莊戶項(xiàng)目

鋼結(jié)構(gòu)施工-黑莊戶項(xiàng)目

偏心支撐-寶鋼都江堰幸福家園

 3、框架-剪力墻體系

為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，可在鋼框架中用剪力墻替代斜支撐，就構(gòu)成了框架-剪力墻體系。

適用于鋼結(jié)構(gòu)的剪力墻形式是鋼板剪力墻。鋼板剪力墻分為純鋼板剪力墻和鋼板-混凝土組合剪力墻：

純鋼板剪力墻—為防止鋼板過(guò)早屈曲，可在鋼板中開豎縫，把墻板的變形由剪切轉(zhuǎn)化為彎曲，以提高墻板的延性。目前這種剪力墻形式已成功應(yīng)用于多個(gè)住宅項(xiàng)目（圖16）。

帶豎縫鋼板剪力墻構(gòu)造

帶豎縫鋼板剪力墻-河南新天豐公寓

提高鋼板剪力墻延性的另一條途徑是利用混凝土來(lái)約束鋼板的屈曲變形，這就是鋼板-混凝土組合剪力墻。

雙層鋼板內(nèi)填混凝土組合剪力墻

鋼板剪力墻用鋼量較大，一般用于公建。住宅鋼結(jié)構(gòu)出于成本考慮，通常采用框架-支撐體系。但是與鋼支撐相比，鋼板剪力墻剛度大、延性好，且與建筑設(shè)計(jì)較容易協(xié)調(diào)，因此在高抗震設(shè)防烈度區(qū)，已經(jīng)有住宅項(xiàng)目開始嘗試采用鋼板剪力墻作為抗側(cè)構(gòu)件，例如2017年主體結(jié)構(gòu)封頂?shù)谋本┴S臺(tái)區(qū)成壽寺B5地塊定向安置房項(xiàng)目，就采用了鋼板組合剪力墻。

北京豐臺(tái)區(qū)成壽寺B5地塊定向安置房項(xiàng)目效果圖

鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)-成壽寺B5項(xiàng)目

普通鋼結(jié)構(gòu)住宅的組成 

作為鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)項(xiàng)目和北京首個(gè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅示范工程，成壽寺B5項(xiàng)目采用了諸多新技術(shù)，例如：鋼板剪力墻，墻板阻尼器，加氣PC外掛墻板，基于BIM的虛擬建造技術(shù)等。下面將結(jié)合該項(xiàng)目，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅的各組成部分做一個(gè)系統(tǒng)的展示。

 1、鋼板剪力墻

成壽寺B5項(xiàng)目2#和3#樓采用雙層鋼板組合剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

鋼板剪力墻準(zhǔn)備吊裝-成壽寺B5項(xiàng)目

鋼板剪力墻豎直定位-成壽寺B5項(xiàng)目

2、結(jié)構(gòu)框架

為增加使用面積，高層住宅的框架柱常采用鋼管混凝土柱以減小柱截面，框架梁的跨度一般為6~9米，宜采用熱軋H型鋼或焊接H型鋼。成壽寺B5項(xiàng)目采用如下的結(jié)構(gòu)框架：

地上部分

鋼柱：□400或□350箱型柱，內(nèi)填C50自密實(shí)混凝土；

鋼梁：主要采用H350X150焊接H型鋼。

地下部分

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，地上鋼結(jié)構(gòu)與混凝土基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置勁性混凝土結(jié)構(gòu)層作為過(guò)渡。成壽寺B5項(xiàng)目地下室采用勁性混凝土框架柱以滿足規(guī)范要求。

梁柱節(jié)點(diǎn)

《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS159）推薦了四種梁柱節(jié)點(diǎn)形式。從受力的合理性和成本方面考慮，成壽寺B5項(xiàng)目采用外伸內(nèi)隔板剛性連接。

外伸內(nèi)隔板式梁柱連接

梁柱節(jié)點(diǎn)-成壽寺B5項(xiàng)目

柱 腳

成壽寺B5項(xiàng)目采用埋入式柱腳。

將鋼柱或鋼骨埋入鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)或基礎(chǔ)梁或筏板基礎(chǔ)中就構(gòu)成埋入式柱腳。我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議在高抗震烈度區(qū)采用埋入式柱腳。

埋入式柱腳

 3、墻板阻尼器

經(jīng)論證，成壽寺B5項(xiàng)目采用了墻板阻尼器技術(shù)。該技術(shù)主要用于減震設(shè)計(jì)，在日本已得到廣泛的應(yīng)用。上海寶鋼2014年從日本引進(jìn)，其工作原理是通過(guò)豎向鋼管束之間的摩擦增大阻尼，減小地震作用。該產(chǎn)品有以下特點(diǎn)：

體積小，施工安裝方便

缺點(diǎn)是部分材料需要國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格較高。

墻板阻尼器-成壽寺B5項(xiàng)目

綜合來(lái)看，該產(chǎn)品要在我國(guó)未來(lái)的高層建筑市場(chǎng)中占有一席之地，還需要做到以下三方面：

 4、樓 板

成壽寺B5項(xiàng)目同時(shí)采用了鋼筋桁架樓承板和混凝土疊合板，以便于進(jìn)行比對(duì)分析。

鋼筋桁架樓承板

鋼筋桁架混凝土疊合板

鋼筋桁架疊合板施工-成壽寺B5項(xiàng)目

 5、預(yù)制外掛墻板

成壽寺B5項(xiàng)目以輕質(zhì)混凝土外墻板為外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在外墻掛板室內(nèi)側(cè)后做輕鋼龍骨內(nèi)裝修系統(tǒng)。外墻掛板與主體結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)動(dòng)滑移節(jié)點(diǎn)，消除地震應(yīng)力對(duì)外墻掛板的作用，保證建筑外圍護(hù)系統(tǒng)不受破壞。

PC外墻掛板-成壽寺B5項(xiàng)目

PC外墻掛板與鋼梁上翼緣連接節(jié)點(diǎn)-成壽寺B5項(xiàng)目

PC外墻掛板與鋼梁下翼緣連接節(jié)點(diǎn)

（已噴涂發(fā)泡聚氨酯保溫層）

外墻掛板吊裝后現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)立面-成壽寺B5項(xiàng)目

地產(chǎn)人關(guān)注的問(wèn)題 

對(duì)于一直從事混凝土結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)的地產(chǎn)人來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)住宅是個(gè)新生事物，難免會(huì)產(chǎn)生這樣那樣的疑慮，比如：這種住宅體系有哪些優(yōu)缺點(diǎn)，能不能推廣，成本是否可控，等等。下面對(duì)地產(chǎn)人普遍關(guān)心的幾個(gè)問(wèn)題做一下解答。

1、優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu) 點(diǎn)

■ 自重輕，可減輕建筑物的重量約30%。這對(duì)于高層住宅，地質(zhì)條件較差或設(shè)防烈度較高的項(xiàng)目，優(yōu)勢(shì)更為明顯；

■ 回收率高。鋼結(jié)構(gòu)房屋拆除后，鋼材回收率可達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土房屋和磚混房屋，且產(chǎn)生的建筑垃圾較少。

缺 點(diǎn)

■ 用鋼量較大，造價(jià)較高；

■ 鋼構(gòu)件需要做防火和防銹處理，進(jìn)一步增加了成本；

■ 缺乏相配套的圍護(hù)體系和高效的裝配化連接等；

■ 缺乏與鋼結(jié)構(gòu)住宅相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范規(guī)程，另外設(shè)計(jì)和計(jì)算理論還需要補(bǔ)充完善。

 2、民眾認(rèn)可度

據(jù)有關(guān)地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)的問(wèn)卷調(diào)查，國(guó)內(nèi)普通民眾對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅仍存在一定的偏見(jiàn)，如擔(dān)心結(jié)構(gòu)是否安全、保溫和隔音性能如何、墻板和樓板是否會(huì)開裂和漏水等，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，小鐵匠咨詢了有關(guān)專家，得到建議如下：

■ 作為地產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)積極做好引導(dǎo)，例如在樣板間或售樓處設(shè)置一些鋼結(jié)構(gòu)住宅部品部件的展示，通過(guò)科普的形式，讓買房人了解裝配式住宅，了解鋼結(jié)構(gòu)，并逐步接受，進(jìn)而喜歡上鋼結(jié)構(gòu)住宅。無(wú)論在西方發(fā)達(dá)國(guó)家還是在我國(guó)，推廣普及鋼結(jié)構(gòu)住宅，都必然會(huì)經(jīng)歷這樣一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。

3、對(duì)平面功能和立面效果的影響

住宅的平面和立面設(shè)計(jì)是地產(chǎn)人關(guān)注的重點(diǎn)。與混凝土住宅相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅的平面和立面設(shè)計(jì)有其特殊性，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

■ 對(duì)框架-支撐結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，斜支撐最好是布置在外墻，因此在建筑立面設(shè)計(jì)中，應(yīng)在條件允許的情況下，為布置斜支撐留出足夠的空間。如果無(wú)法布置于外墻，則分戶墻、電梯井和樓梯間應(yīng)平面內(nèi)對(duì)稱布置，以便于布置支撐或剪力墻；

鋼結(jié)構(gòu)住宅戶型設(shè)計(jì)難度大于混凝土剪力墻住宅，難點(diǎn)之一是框架柱對(duì)室內(nèi)空間的影響比較大。下面結(jié)合成壽寺B5項(xiàng)目談?wù)勪摻Y(jié)構(gòu)住宅建筑立面和平面設(shè)計(jì)的一些特點(diǎn)：

■ 柱網(wǎng)設(shè)計(jì)和柱距選取應(yīng)考慮預(yù)制樓承板的設(shè)計(jì)跨度，如果柱距超過(guò)樓承板的規(guī)格跨度，則需要構(gòu)件廠進(jìn)行特別的研發(fā)和定制，增加供貨成本，延長(zhǎng)供貨周期。同時(shí)為便于標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制加工和安裝，兩個(gè)方向的柱距宜一致。以成壽寺項(xiàng)目為例，所選用的鋼筋桁架樓承板最大跨度為6.6m，因此采用6.6mx6.6m標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)（圖34、35）；

■ 邊柱布置在室外，邊梁偏心布置，以減少梁和邊柱對(duì)室內(nèi)空間的影響（圖34、35）；

4、建造成本

如果僅考慮材料和人工成本，目前比較一致的看法是在同等條件下，鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)比混凝土住宅高10~15%。但是考慮到鋼結(jié)構(gòu)住宅施工周期較短這個(gè)因素，鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造成本與混凝土住宅相差不大。以成壽寺B5項(xiàng)目為例，下面兩個(gè)表格對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅的成本增量和單位面積材料消耗進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析：

鋼結(jié)構(gòu)住宅是我國(guó)建筑市場(chǎng)上一支新生力量，雖然目前處在試驗(yàn)和探索階段，還存在不少問(wèn)題，但是作為建筑產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)新模式，鋼結(jié)構(gòu)住宅代表了未來(lái)住宅發(fā)展的方向，標(biāo)志著從傳統(tǒng)住宅向環(huán)保住宅的轉(zhuǎn)變。