钢结构住宅的设计优化探讨

　　摘要：从住宅建筑的前景来看,钢结构住宅具有一系列优点:抗震性好、施工污染少、自重轻、强度高、可循环再生、使用率高等。因此，发展钢结构住宅可提高住宅的产业化水平和居住功能水准。本文对钢结构住宅在节约型社会建设中具有广泛的应用价值进行探讨。
　　关键词：钢结构住宅，设计优化
　　钢结构是以钢材为材料做成受力构件的结构。钢结构与其它结构相比,在使用功能、设计、施工以及综合经济方面都具有优势。钢结构住宅以自重轻、基础造价低、施工快、周期短、投资回收快、施工污染环境少、抗震性能好等综合优势而受到各方的重视。
　　1钢结构住宅的应用优势
　　钢结构在住宅建筑中应用的优势主要体现在以下几个方面:
　　1.1设计制造周期短,设计生产一体化
　　现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件,使得设计周期大大缩短,设计中的修改和调整非常方便。同时,由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点,可以将前期设计和现场的生产手段相结合,通过网络计算机和数控机床结合,使设计人员在工作室中完成设计后,即由工厂的生产线完成产品制作,具有极高的效率和精确度,可以大大减少项目建设周期。
　　1.2有利合理布置功能区间
　　在居住建筑中,建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间,这样,可以根据需求进行灵活隔断,使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质,限制了空间布置的自由。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点,采用大开间柱网布置,使建筑平面分隔灵活,可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间,形成开放式住宅。同时,利用钢结构连接简单的特点,在垂直平面内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小,可以增加使用面积,提高得房率。下图以某花园二期为例，从图中可见柱截面很小：
　　
　　图1效果图
　　
　　图2标准层平面图
　　1.3承载强度高,抗震性能好
　　相同的荷载,钢结构截面最小,相同的截面,钢结构承载力最大。在抗震设防区,由于钢结构重量轻,六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量,因此,本身所受的地震作用小;而且,钢材具有高延性,有较好的耗能能力,因此,抗震性能好,结构安全度高。
　　1.4施工优势突出,综合造价低
　　现浇混凝土需要连续施工,在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产,运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装,可全天候作业。施工现场作业量小,减少了施工临时用地,对周围环境污染小,提高了施工的机械化水平。施工时可以节省支模、拆模的材料,由此降低成本,大大加快施工速度。资金价值在施工中充分体现,减少资金成本,对开发商的销售和资金回笼极为有利。钢结构承载力高,可以实现结构的大开间布置,构件截面小,自重比较轻,地基的处理比较容易,可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大,上部结构重量轻可以降低基础的造价,从而减少整个项目的投资。
　　1.5符合节约型社会建设的要求
　　钢结构适宜工厂大批量生产,工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起,实现综合成套应用,将设计、生产、施工、安装一体化,提高住宅的产业化水平。今后随着城市建设的发展,城市改造需要拆除大量的旧建筑,钢结构比传统结构的拆除更容易实施,钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小,符合可持续发展的要求。当然,钢结构也有一些缺点,如防火能力差、易锈蚀等。但这些问题随着科技的发展,设计的改进,先进的防火材料、防锈涂料及新型耐火耐候钢的出现将得到很好的解决。
　　2钢结构住宅的体系优选
　　钢结构住宅体系区别于传统体系住宅的内容主要是指主体钢结构体系、围护结构体系以及楼盖结构体系。
　　2.1主体钢结构体系优选
　　钢结构体系的形式有多种,但应用于住宅的主要可分为钢框架体系、钢框架—支撑体系、钢框架—剪力墙体系、钢框架—核心筒体系、交错桁架体系等。结构体系应根据安全可靠、经济合理、施工方便等原则,并结合建筑功能、建筑模块及建筑围护等要求合理选用。从构件的截面形式上可分为:H型截面、钢骨混凝土截面、圆钢管内灌混凝土等。各种柱截面形式的性能比较见表1。
　　表1不同柱截面形式的性能比较
　　项目 H型钢 钢骨混凝土 钢管 钢管混凝土
　　承载性能 较好 好 一般 好
　　用钢量 较多 省 较多 省
　　施工速度 最快 较慢 快 较快
　　防火处理 需处理 不用处理 难度大 一般
　　造价 较高 较省 较高 较省
　　2.2围护结构体系优选
　　钢结构住宅的围护结构包括外墙板、隔墙板和屋面板,是住宅结构的重要组成部分。外墙板的连接必须可靠并具有足够的延性和适当的转动能力,满足在设防烈度下主体结构层间变形的要求;隔墙板与钢结构有可靠的连接并具有抗震延性;屋面板应具有可靠的搁置、防滑和连接,具有适当的变形能力。围护结构对住宅建筑功能与经济性有十分重要的影响,也是目前钢结构住宅体系中有一定技术难度的研究开发内容。外围护结构主要采用轻混凝土板、太空板、夹心板等。内墙品种较多,常用的为轻混凝土板、石膏板、水泥刨花板等。屋面板多选用压型钢板,它具有良好的外观效果与防水和抗腐蚀能力,还有自重轻、施工快捷等特点,同时还可兼有模板与组合承重的功能,并便于施工。
　　2.3楼盖结构体系优选
　　楼盖体系是建筑的重要组成部分,它既要承受竖向荷载又需传递水平荷载,因此它在平面内外都需足够的强度、刚度。同时,还需要一定的抗裂性,以满足建筑功能抗渗、抗漏的要求。目前,最常用的是现浇钢筋混凝土楼板,优点是成本低、防火性能好、整体性强,缺点是需要大量摸板和支撑,施工速度慢、周期长;压型钢板组合楼盖,施工方便、速度快、抗裂性能好,在高层钢结构建筑中已普遍采用。但由于压型钢板兼作钢筋用时,需进行防火处理,而仅作模板用时成本过高,因此在多层、小高层住宅中的应用应做好综合效益比较分析后再确定。
　　3钢结构住宅的设计优化
　　在选择了合适的结构体系、柱网布置以后,在钢结构住宅设计过程中还要从以下三个方面进行优化。
　　3.1钢结构住宅节点的优化设计
　　钢结构体系当中,节点的设计和构件的设计具有同等的重要性,因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁—柱节点、梁—梁节点、柱—柱节点、柱脚节点、柱头节点等。设计时应确保节点的安全可靠,并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺,减少或避免现场的焊缝连接。钢结构节点的形式按传力特性可以分为三类:铰节点、半刚性节点、刚性节点。由结构布置分析,考虑工程实际情况,在设计时,多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面,在此弱轴方向与梁的连接多采用铰接,而强轴方向则采用刚接形式。铰节点形式简单,施工方便,但它使得梁跨中弯矩加大,增加用钢量,不经济;刚性节点构造复杂,但其有效的降低了跨中弯矩,节约了用钢,有较好的经济效应;而半刚性节点应用比较少,主要是其受力特性比较复杂,往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式,哪一种更加经济可靠,还有待于在实际工程中比较、检验。
　　3.2钢结构住宅墙体的优化设计
　　一般来说,为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点,钢结构住宅墙体通常采用轻质材料,目前使用的比较多的是蒸压轻质加气混凝土板(AutoclavedLightweightConcrete)简称ALC板(块)。这种材料质地较轻,具有较好的防水、防渗透能力,保温性能好,隔声效果与一般混凝土空心砌块相当,自身的强度高,施工方便、快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。
　　在进行墙体的设计时,要求对连接件的强度、质料和尺寸有准确的规定。对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性,尽可能采用简捷、快速的连接方法,以便于施工,提高作业效率。
　　3.3钢结构住宅卫生间、厨房的优化设计
　　卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方,所以这两处的防水处理十分重要。在钢结构中,结构防水的效果比较好。例如,框架—核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内,具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定,比如对于框架-支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时,通常在墙角处将混凝土上翻100～150mm。由于目前钢结构住宅的工程实例不是很多,故这方面还有待进一步研究、开发。
　　4结束语
　　总之,钢结构住宅体系具有混凝土结构所无法比拟的优点,如抗震性能好、施工快、造价合理等。相对于砖混结构,虽然造价略高,但空间布置灵活、开间大,因而具有较强的商业竞争能力。在我国努力建设节约型社会、大力推广住宅产业化的形势下,钢结构体系必将成为住宅体系的主流,钢结构住宅体系的发展和应用一定会有广阔的前景。