钢结构住宅设计分析与研究

韦江萍

（福州外语外贸学院，福建 福州 350202）

为避免传统住宅建筑结构体系在原材料应用，建筑施工，以及后续维护使用中产生的问题，迎合市场对高质量与高品质住宅追求，就找寻新建材与新住宅体系来适应发展要求，实现住宅产业健康持续发展.

1 钢结构住宅的定义

钢结构住宅是指以钢作为建筑承重梁柱的住宅建筑，是一种注重美观与效益的新型环保的建筑结构体系，这一建筑结构体系，将H型、C型、Z型与U型截面钢构件进行连接，并形成主体框架结构，再配以构建、门窗等模块，形成完整的建筑体系.常见钢结构住宅体系包括钢框架、钢框架核心筒、钢框架-支撑、钢框架-剪力墙、冷弯薄壁型、交错桁架与轻钢结构.

2 钢结构住宅主要结构形式

从实践应用看，常见钢结构形式有4种:(1)冷弯薄壁型钢体系.用薄钢板冷弯成C形与Z形构件，单独或组合使用，杆件间采用自攻螺钉连接，通常应用于低矮住宅.(2)框架体系.横向和纵向都设为钢框架，门窗可灵活设置，开间较大，住户可以灵活设计，可以更好的满足个性化需求.这种设计应用于4-6层多层建筑.(3)框架支撑体系.这种体系梁柱和柱脚节点均可设计成铰接或半刚接，施工构造较简单，体形较小，轴交和偏交支撑效果很好，抗侧刚度高，在风载或地震作用大的区域深受青睐.(4)框架剪力墙体系.空腔结构板状基架经过浸渍形成的新型板材与钢框架连接后，形成新型剪力墙，还有传统的钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙，以及新研发的交错桁架体系，剪力墙体系主要应用于4-6层低多层住宅.

3 钢结构住宅的优点

3.1 空间布置灵活

一般在梁高相同的情况下，与混凝土结构相比，钢结构开间更大，自然而然建筑布置更加灵活，住宅空间搭配的自由度凸显.自由度大与强度高的结合是钢结构住宅的最大优势和特点.这一优势为建筑设计师的设计留有更多的空间，也为居住户改造内部结构与用途提供更多的可能，可灵活分隔室内空间，形成了开放式可变性的住宅.钢结构连接简单，错层与跃层结构应用更加方便.相对传统的混凝土结构，钢结构墙体相对薄一些，管线可以暗埋其中，这样其实是增加室内使用面积，提升经济效益.

3.2 抗震性能强

与其他建筑结构相比，钢结构的承载力大.钢结构有很好延性，这一特性使得一旦钢结构受到动力冲击等外在破坏是，可吸收较多的能量，减弱脆性破坏带来的危害，这就是钢结构抗震性的体现.由于钢结构整体较混凝土结构轻，受地址影响小，加之其较好延性及较好耗能性，在地震易发地区，尤其在高烈度地震区，应用钢结构材料构建住宅建筑，使用钢结构就更为有利，其抗震性能好，结构安全度高.

3.3 综合造价低

钢结构造价比与建筑重量等方面却远优于单纯的混凝土结构.钢材料的抗压、抗拉与抗剪强度比较高，钢结构的构件断面小且重量轻，轻钢住宅重量相当于砖混结构重量的三分之二.高层钢混建筑自重为1.8吨/平米左右，而高层建筑钢结构自重一般为1吨/平米以内，自重轻就会大幅降低钢结构住宅建筑基础造价.随着我国钢铁产业不断发展，钢产量与质量稳步提升，钢材价格的下降，钢结构的造价也会下降.再综合考虑出房率、土地使用效率、建设施工工业化程度等因素，钢结构建筑的综合造价不高.

3.4 工业化程度高

除基础构件外的钢结构住宅大多数构件都可在专业工厂进行标准化生产，在施工现场以焊接或螺栓的方式整体安装，受天气与季节影响较小.这样工艺与安装方式对周围环境影响较小，且机械化程度高，符合环保要求.钢框架安装、混凝土核心筒浇筑等可立体交叉作业，且在上部安装框架柱梁时，下部亦可开展内部装修，安装施工速度快，项目建造周期与资金周转短，钢结构施工成本降低.钢结构建筑的拆除施工容易，拆除成本降低；且可回收二次利用，符合环保要求.

4 钢结构住宅发展的前景

随着经济不断发展，以及环境保护意识的增强，钢结构住宅符合时代大势.近年来，我国钢产量不断攀升，特种钢材的出现及钢材质量提高，钢结构专用特厚板，热轧H型钢，高频焊轻型H型钢，以及Z型钢、C型钢、轻型围护用镀锌板及彩涂板的大发展，都进一步加速我国钢结构住宅产业化发展进程.通用化、标准化与系列化的钢结构设计导向，社会化与专业化的钢结构材料的生产，商品化的钢结构材料的供应，成为现代钢结构住宅体系.住建部组织研发的钢结构建筑住宅体系的结构选型，新型围护结构和隔断体系，结构体系设计施工技术，并编制了设计与施工技术规范规程.经过相关领域专家的科学研究、实验分析和实践应用，钢结构住宅通用体系具有良好社会经济效益、独特应用优势与广阔市场发展前景.

5 钢结构住宅设计中存在问题的分析

5.1 耐火性能不高

作为一种不会燃烧的建筑材料，肯定不需要担心燃烧，但其耐火性能方面存在一些缺陷，钢结构抗拉、屈服点及弹性模量等机械性能会因为温升而下降，且在温度为450度到650度，钢结构建筑就失去了其承载能力，会发生变形，因此，必须要做好钢结构住宅的防火处理，避免突破耐火极限.

5.2 防腐蚀能力差

空气中的湿气、酸碱物及能与钢铁发生化学反应的物质，与钢材接触后就容易出现氧化腐蚀.钢材表面涂可防止氧气或酸碱性物质与其直接接触而保护刚才受到腐蚀.如果钢表面的涂层有极其细微的裂缝或气孔都有可能成为腐蚀物质的入口，自然就会发生腐蚀，且会迅速侵蚀，腐蚀面积增大，钢表面涂层遭到破坏，进一步加重钢结构腐蚀.

5.3 保温、隔热、隔声与防渗水问题

围护系统和楼板决定了钢结构住宅的保温、隔热、隔声与防渗水等.我国所采用的材料大多是未经技术创新与产品改造的材料，而一些新产品新材料未经市场检验且价格高.优质价廉的保温、隔热、隔声、防火、防腐材料是建筑钢结构市场需要的.

5.4 钢结构住宅配套问题

基于结构合理性与可行性考虑，钢结构体系应用于住宅类建筑几乎没难度，但配套建筑设备与材料、空间形式和构造技术措施等，会挑战建筑设计施工的人员.除应满足钢结构建筑结构安全性外，应满足使用功能要求，解决好钢结构住宅墙柱连接对空间完整性的影响，设备布线等问题，钢结构住宅装配式的施工建设方式，就会出现大量建筑物连接节点，影响到钢结构住宅声、光、热等建筑物理性能和建筑物耐久性能.

6 应对钢结构设计问题的举措

6.1 完善钢结构住宅设计

总体设计要遵循标准化、通用化、定型化与多样化的原则，在总体设计方面要注意建筑、结构、水电、暖气综合考虑，在钢结构住宅各部分设计中严格做到模数协调.根据钢结构住宅实际，综合考虑梁、柱与楼板等因素，适应个性化、多样化和可操作性.在确定住宅层高的时候，要确保楼板有足够的承载力、刚度和整体性，考虑钢结构的隔音与管线布置等，管线铺设方面，要注意设置空间，尽量利用空闲空间.

围护结构设计要强化抗震性能与连结性等要求，应采用高强轻质墙体，确保保温、隔热、隔音、防火、防水与防裂等各方面的综合性能，同时对墙面涂料要求较高.

钢结构体系的节点设计非常重要.钢结构的节点设计包括梁梁节点、梁柱节点、柱柱节点、柱帽节点、柱脚节点等.具体设计时要尽可能减少节点，要做到安全与可靠，施工工艺要简易且稳定可靠.

厨房和卫生间设计在钢结构设计中占有很重要的地位.厨房和卫生间用水角度，而钢结构防水与防腐性能差，在这两个主要区域的设计显得尤为重要.在设计时要采用结构防水和材料防水相结合,注重应用防水效果较好的结构性防水方法.

6.2 优化钢结构住宅墙体材料

为了突出钢结构住宅可改性好、布置灵活与自重轻的特点，在钢结构墙体材料的选择方面，要符合钢结构住宅特点，不宜采用传统的黏土砖或其它较重较大的材质.应采用加气混凝土、空心混凝土砌块、压型钢板加轻保温材料组成的复合墙体、CS板、OSB板、LCC板.这些材料在防水、防渗透能力及保温方面表现好，也易于施工，还符合建筑墙体强度的要求.在设计钢结构墙体时，要明确连接件的详细参数，这样提高设计精确性，有利于简化建筑施工.

6.3 强化钢结构防火、防水与防腐

对于钢结构这一种优质的建筑材料，做好防水、防火及防腐措施是必须的，尽量远离或隔离热源、腐蚀源或水源，以保护钢结构，避免其承载能力受到一定损害.

一般的住宅用钢材在全负荷状态下，在温度300℃以上时就会产生一定危险，在500℃状态下肯定会失去静态平衡稳定性.一旦发生火灾通常温度会超过800℃，这对于钢结构住宅是极其危险的.在钢材是加上防火涂料或者包裹混凝土等，是比较常用的防火措施，但这会失去钢结构的优势.采取被动和主动防火相结合的措施.安装防火和防火警报，设置防火隔离区，固体、液体、气体与泡沫灭火消防喷淋系统等主动防火措施.被动防火通常是借用相关技术手段使得钢材与可能的火情有效隔离，通常的技术手段包括：（1）外包法，使用外包保护层保护钢材，增加其耐火性，通常用混凝土等实体外包或防火石膏板等板材外包.（2）膨胀材料保护层，钢材在受热时，借用膨胀材料使材料产生膨胀，形成一层耐火保护层.（3）空心注水法，将钢材设计成空心注水，但这一方法的造价较高，技术性能要求也高，不宜广泛推广应用.（4）屏蔽法，将钢结构屏蔽在耐火材料建造成的墙体内，不过这种方法会减少住宅的实际使用面积.

钢材防水、防腐蚀重点在于在确保钢材不受外部极端不良环境因素的影响，避免发生变形.钢材在酸性或化学气雾环境下易受腐蚀，从而影响建筑质量安全.做好被动防护与主动防护，做好钢材的外部保护与隔离，并探索更合理的结构体系.

〔1〕范鹏飞.钢结构住宅的特点、结构体系与发展应用[D].浙江工业大学，2011.

〔2〕詹瑜.钢结构住宅发展现状及效益分析[D].华南理工大学，2012.

〔3〕孔德超.钢结构住宅技术与经济性分析[D].山东大学，2010.