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淺析鋼結構住宅的設計原則及發展前景

作者：建筑鋼結構網    
時間：2010-12-08 11:03:41 [收藏]
摘要:建筑自人類產生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材與木材等。隨著科技的發展，新型材料廣泛運用于房屋建筑中。鋼結構由于在高層建筑和大跨度高聳結構方面的優越性，使其在非居住建筑領域得到了廣泛的應用。國家經濟實力的增強和住宅商品
    關鍵詞：鋼結構住宅的設計原則
        摘要:建筑自人類產生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材與木材等。隨著科技的發展，新型材料廣泛運用于房屋建筑中。鋼結構由于在高層建筑和大跨度高聳結構方面的優越性，使其在非居住建筑領域得到了廣泛的應用。國家經濟實力的增強和住宅商品化、產業化的要求，促進了住宅新技術和新材料的研究、應用，鋼結構將成為建筑中最適合創新的住宅結構體系，也是住宅建筑行業二十一世紀的主導方向。

        關鍵詞:鋼結構住宅;優越性;設計原則;發展

        近年來，隨著城市建設的發展和高層建筑的增多，我國鋼結構發展十分迅速，鋼結構住宅作為一種綠色環保建筑，已被建設部列為重點推廣項目。特別是在我國大中城市中，人多、土地資源少，而人們對住宅密度、環境綠地等要求越來越高的情況下，較大范圍應用鋼結構住宅，是我國生產發展到一定階段的必然產物。

        據資料顯示：2002年3月，一座高達18層、采用H型鋼建造的鋼結構住宅樓在安徽省馬鞍山市動工建設。它是我國住宅產業從鋼筋混凝土跨進鋼結構模式的重要標志。上海同時有6幢鋼結構高層住宅在建設，最終他們將建到100米、34層，這在國內還是首次。北京住宅也啟用了鋼結構，位于朝陽區十里堡的晨光家園B區，全部采用H型鋼鋼梁、鋼柱。2002年9月開盤的北京金宸公寓，填補了國內高層住宅鋼結構體系建筑的空白，同時也標志著我國住宅的開發和建設已步入了全新的鋼結構住宅體系時代。

        一、鋼結構住宅體系

        住房的建筑形式和風格千差萬別，但就結構體系(支撐骨架)而言，只有磚混結構，木結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構等幾種主要的結構形式。隨著國家對環境保護意識的認識不斷加深，對木材和粘土已經提出限制、限時使用，現階段我國住宅建筑的主要結構形式主要以鋼筋混凝土框架為主，但該結構施工煩瑣、施工垃圾多且結構自重大，進深和開間相對較小，梁、柱粗大，空間利用率較低，這些缺點在一定程度上無法滿足條件越來越高的住宅建筑的功能要求。因此，開發堅固耐久，建造迅速，空間布置靈活，易于改建的新型住宅結構體系，成為住宅建筑和結構發展的重要趨勢。隨著我國鋼產量的快速增長及新型建材的發展和應用，符合上述要求的鋼結構住宅體系逐步發展起來并引起了廣泛的關注。

        所謂的鋼結構住宅體系就是指由維護墻體、隔斷墻體、樓板與主體鋼結構共同組成的住宅體系。住宅鋼結構是指純鋼結構(鋼框架或框架—支撐)體系，介于高層鋼結構(鋼框架或鋼框架—混凝土剪力墻)體系與冷彎薄壁型鋼結構(Z、C等輕型鋼結構)體系之間的多層鋼結構住宅體系。

        二、現代鋼結構的建筑特點

        (一)預工程化程度高，建設成本降低，工期縮短

        鋼結構建筑模數協調統一標準實現了建筑工業化大規模生產，提高了建筑預工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性。同時鋼結構建筑的預工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40%以上，從而加快了房地產開發商的資金周轉速度，使建筑能更早投入使用。

        (二)建筑與結構的設計與功能一體化，使建筑更富有功能化

        在鋼結構建筑中，結構成為形象構成的重要因素，結構的形體，構件，節點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑與結構的設計與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化并創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。北京2008年奧運會國家體育場投標方案中有許多方案都體現了鋼結構建筑的這一特點。例如清華大學建筑設計院設計的可開合式方案，在體育場大屋面的中央設置兩個半圓型的玻璃頂面，同時相對旋轉、平行滑動完成大屋面的開合；又如中國建設設計研究院場館方案外觀即為建筑的結構，形象完美純凈，功能與結構達到了完美的統一；還有日本朱式會設建筑事務所設計的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結構支撐，可在30分鐘內完成開閉的動作，確保全年比賽及活動不受天氣影響。

        (三)能夠滿足超高度和超跨度的要求

        鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質體，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結構自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結構以及靈活的結構形體。現在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米最高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結構相結合形成索膜結構體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這在型建筑成為樗性建筑，比如日本東京后園棒球場屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結構，面積達28000平方米，英國政府為迎接21世紀而興建的樗性建筑倫敦千年穹頂大型綜合性展覽建筑也是索膜結構體系，其穹頂直徑達到320m。

        (四)原材料可以循環使用，有助于環保和可持續發展

        發展鋼結構對于資源，能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度高效能的材料，具有很高的再循環價值，邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅品引入我國，其環保節能的特點主要體現在兩個方面：

        1、該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當居住環境。室外零攝氏度時，室內仍可以保持17攝氏度以上；以室外溫度達到30攝氏度的情況下，室內溫度僅為21攝氏度左右。

        2、與磚混結構住宅相比，可節能60%以上，冬夏季空調設備可節約耗電30%以上，結構的廢舊利用為100%，與磚混結構比較，同樣樓層凈高條件下，鋼結構維護墻體面積小，節約空調所需能源，減小維護費用。

        三、鋼結構住宅設計的原則及問題對策

        (一)鋼結構穩定設計的探討

        穩定性是鋼結構的一個突出問題。在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。現代工程史上不乏因失穩而造成的鋼結構事故。在我國1988年曾發生13.2×17.99m網架因腹面桿穩定位不足而在施工過程中塌落的事故。因此穩定性鋼結構設計中的主要問題，一旦出現鋼結構的失穩事故，不但會造成經濟嚴重損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結構設計中一定要把握好穩定設計這一關。目前，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中存在穩定設計的薄弱環節。另一方面是由于新型結構的出現，如空間網架，網殼結構等，設計者對其如何設計還沒完全的了解。

        (二)鋼結構建筑設計的原則

        針對鋼結構建筑穩定問題，在實際設計中，我們必須遵循以下三個原則：

        1、結構整體布局必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。目前結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。為保證這些平面結構不致出平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩定計算必須和結構布局相一致。

        2、結構計算簡圖和計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩定計算十分重要。目前在設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定分析而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架穩定時用到的柱計算長度系數，自應通過框架整體穩定分析得出，才能使柱穩定計算等效力框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。

        3、設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合，使二者有一致性。結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦予它足夠的剛度和柔度，對框架節點應盡量減少桿件偏心，這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

        (三)鋼結構住宅設計中應注意的問題及對策

        1、鋼結構住宅建筑要以建設計為主導，其他專業緊密互動配合。鋼結構住宅建筑除要遵循住宅建筑設計一般原則外、要注重解決：

        (1)如何發揮鋼結構的優勢？梁跨度可增大、開間更靈活、為住戶創造更大的空間。但又如何避免鋼結構帶來的建筑平、立面單調呆板。

        (2)要解決鋼結構住宅建筑防火、防腐蝕問題。特別是在多雨的地區，防腐、防銹工作處理的好壞直接影響到鋼結構住宅的推廣。

        2、選擇和開發外墻板，是鋼結構住宅建筑推廣中的關鍵問題之一。除滿足外墻板的各項技術要求外，還要做到墻板原材料因地之宜、工作化生產、運輸、安裝連接方便。

        3、鋼結構要做到安全合理、節點構造方便可靠、并為構件制作、運輸、吊裝創造條件。

        結構抗震性能與結構布局規則性有很大關系。結構布局不規則，地震時易損壞，而且除彈性設計外還要作彈塑性層間位移驗算。因此應盡量使結構布置符合規則性要求。

        住宅鋼結構的平面布局應力求規則、對稱。住宅鋼結構常見的布局不規則，主要是平面不規則。如平面形狀不規則，L形等，特別是支撐剪力墻偏置，明顯不對稱等。若樓層的最大彈性水平位移超過質心水平位移的1.2倍，就屬于平面不規則，此時需對支撐剪力墻的配置進行調整。

        4、建筑設備與鋼結構住宅配合，是住戶首先遇到的問題。因此如何采用先進的技術來開發適合于鋼結構住宅的各項設備是我們必須要解決的問題。

        5、鋼結構住宅的造價是房地產開發商最關心的問題。鋼結構住宅應定位于中、高檔住宅，鋼結構住宅建筑是一項系統工程，應從設計、制造、運輸、安裝、維修和管理等環節著手加強管理和協調，從而達到降低成本，提高綜合經濟效益的目的。

        四、鋼結構住宅發展前景

        住宅產業化是我國住宅業發展的必由之路，因為這將成為推動我國經濟發展新的增長點。鋼結構住宅體系易于實現工業化生產，標準化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節能、環保的新型材料，它屬綠色環保性建筑，可再生重復利用，符合可持續發展的戰略，因此鋼結構體系住宅成套技術的研究成果必將大大促進住宅產業化的快速發展，直接影響著我國住宅產業的發展水平和前途。

        鋼結構建筑的科技含量很高，結構本身往往就是建筑表現，鋼結構的表現與工藝不僅是實現形象構思的必要手段，而且對建筑形象的影響極為顯著，這就決定了結構構思是形象構思成功與否的關鍵所在。科學技術的進步，審美觀的改變必然使得鋼結構建筑不斷地去擴展自身的表達語匯而尋求發展。我們所提倡的是：拋開風格要素，從結構理性主義出發，從現代的和傳統的從多風格流派中吸取精華，創造出技術和藝術有機融合的鋼結構精品建筑。

        目前國內的建筑業生產效率較低，尚屬勞動密集型產業，而鋼結構住宅屬于高技術高效率的產業，加快對鋼結構住宅的研究，將促進建筑業向技術密集型產業轉化，并將帶動建材、冶金、信息機械尤其是鋼鐵企業的發展。

        應該看到，我國鋼結構住宅正得到大力地發展，但從建筑、結構設計到制作安裝，各個環節我們都與國外先進水平有很大的差距。作為設計人員，應在工作中應該腳踏實地的積極創新；專業研究人員則應對鋼結構設計理論和設計方法進行深入系統的研究；技術主管要加強對從業人員的技術培訓及市場的管理力度。只有這樣才能使我國鋼結構住宅產業化得到更加健康的發展，成為真正具有國際競爭力的產業。

        參考文獻

        [1]薛發，國內鋼結構住宅的墻體發展狀況[J].工程建設與設計;2004-09.

        [2]蔡玉春;鋼結構住宅產業化的現狀與進展[J].鋼結構.2005-01.

        [3]王元清等.現代輕鋼結構建筑及其在我國的應用.建筑結構學報.2002-2.

        [4]姜學詩，鋼結構房屋結構設計中常見問題分析[J];建筑結構;2003年06期
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