适应社会发展需要的高层钢结构住宅结构体系研究

适应社会发展需要的高层钢结构住宅结构体系研究

李延敏

天津中怡建筑规划设计有限公司30000

摘要：钢结构住宅具有抗震性能好、施工速度快、可循环再利用等优点,符合住宅产业化和绿色建筑的要求。随着我国当前化解产能过剩及环境治理的重大战略需求,钢结构设计、安装技术日渐成熟,发展装配式高层钢结构住宅产业化成为我国住宅产业化进程中的一个新的命题。

住宅产业现代化用现代科学技术手段建立标准化、工业化和市场化的住宅生产体制，用社会化大生产配套供应为主要途径，全面提高住宅建筑质量，减少中间环节，优化资源配置，通过工厂化生产提高构配件的质量和生产能力，从而减少能耗及能源浪费，提高住宅质量，简化现场操作，降低劳动强度，提高住宅建设生产率。

本文以高层钢结构住宅作为研究对象，运用分类和对比的研究方法对实现装配式高层钢结构住宅产业化所存在的问题进行了探讨。通过资料收集和工程经验，梳理了高层钢结构住宅曾经采用的结构体系，对比了高层钢结构住宅现在流行的，适应社会发展的结构体系，主要有钢管束剪力墙结构体系，异形柱+支撑结构体系，钢板组合墙结构体系，钢板组合墙+钢框架的结构体系，并根据住宅建筑的特点提出了适合高层钢结构住宅的结构体系。

关键词：高层钢结构，住宅产业化，结构体系，钢管束剪力墙，异形柱框架支撑，钢板组合墙，钢板组合墙+钢框架

绪论

1.钢结构住宅产业化研究背景

钢结构住宅具有抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、可循环再利用等优点，符合住宅产业化和可持续发展的要求。我国2020年国家钢结构发展规划重点是:研究在各类建筑中应用钢结构新体系，扩大应用范围，将钢结构设计标准与国际接轨、完善钢结构设计规范和标准;为实现钢结构住宅建筑产业化提供成套技术，研制快速安装、经济适用、安全可靠的钢结构体系、轻钢结构楼板等，应用于保障性住房工程设计。

早在2001年12月，建设部印发了《钢结构住宅建筑产业技术导则》(2001)254号文件，这是国家发布的关于钢结构建筑住宅发展的第一号有指导意义的文件，文件明确了钢结构建筑的发展方向，同时就钢结构建筑的钢材、围护构件、结构连接、设计等细节要领进行了分析和阐述。

2011年8月住建部正式公布的《建筑业“十二五”发展规划》增大了钢结构工程比例，逐步实现年建筑钢结构用材占到全国钢材总产量的10％左右，钢结构住宅建筑占到房屋总建筑面积15%左右。”从战略钢材储备的角度考虑，出台了大力推广钢结构建筑的扶持政策，把超高层钢结构工程和住宅钢结构工程关键技术作为基础研究课题，为开展钢结构住宅产业化研究提供依据。推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系，提高建筑工业化技术集成水平，支持集设计、生产、施工于一体的工业化基地建设，开展工业化建筑示范试点。

2012年2月，住建部明确提出要在保障性住宅中推动使用钢结构。

2.我国钢结构住宅产业化的现状

我国当前的住宅建设尚未摆脱粗放型生产方式，主要概括为“两高两低，即物质消耗高，能源消耗高，生产效率低。这种粗放型的住宅生产方式已经不适应可持续发展、走新兴工业化道路的要求，不能适应改善居民住房质量的需求。

钢结构具有良好的机械加工性能，易拼装，轻质高强，最适合建筑的模块化、标准化、工厂化、装配化和现代化，也最容易实现建筑现场的无火、无水、无尘、无垃圾的绿色建筑理念[1]。

对于多层钢结构住宅，2010年由住房和城乡建设部颁布了第一部关于钢结构住宅的规范《轻型钢结构住宅技术规程》JGJ209（以下简称“轻钢规程”）该“轻钢规程”是在总结和分析了我国多年来钢结构住宅工程实践并做了大量的科学试验和调查研究的基础上，提出了一种符合中国国情的、与国家现行标准保持一致的“轻型钢结构住宅”新体系：由轻型钢框架结构体系和水泥基的轻质墙体、轻质楼面、轻质屋面建筑体系所组成的轻型节能房屋建筑，适用于抗震或非抗震地区的不超过6层的钢结构住宅建筑的设计、施工及验收。该规程全面系统地规定了轻型钢结构住宅建筑的功能和性能，制定了轻型钢结构住宅的材料标准、设计施工和验收技术要求、以及使用和维护的规范管理原则。该“轻钢规程”的颁布，不仅用以规范我国轻型钢结构住宅的工程实践，而且对企业开发新型墙体材料和建筑节能新体系具有指导作用。钢结构住宅建筑具有工厂化制造、现场装配的产业化特点，该“轻钢规程”的颁布，对我国住宅产业化也起到了促进作用。

3.我国钢结构住宅产业化的存在问题

我国钢结构住宅的应用才刚刚起步,在具体的应用中还存在着很多问题,特别是距离住宅的商品化、产业化要求还有很大的差距。而且对于高层钢结构轻型钢结构体系不能满足要求，轻型的外墙围护体系需要与主体更可靠的连接才能满足抵抗地震及风荷载的要求，配套产业滞后于钢结构产业本身的发展，其中配套部品和楼板、内墙板、外墙板等没有完全解决。

4.推行住宅产业化的目的及意义

住宅产业化是指住宅及相关部品的生产、销售和经营活动的总和，目的是提高住宅建筑质量并以此带动相关行业的发展，核心是发展住宅产品的工业化。住宅产业现代化就是用现代科学技术手段建立标准化、工业化和市场化的住宅生产体制，用社会化大生产配套供应为主要途径，全面提高住宅建筑质量，减少中间环节，优化资源配置，通过工厂化生产提高构配件的质量和生产能力，从而减少能耗及能源浪费，提高住宅质量，简化现场操作，降低劳动强度，提高住宅建设生产率。

一、高层钢结构住宅结构体系

相对于多层轻钢住宅不同，高层钢结构的地震作用及风荷载较大，高层钢结构住宅常采用两种结构体系，钢框架-核心筒结构和钢框架-支撑结构。

1、钢框架-核心筒结构体系

钢框架核心筒，利用钢筋混凝土核心筒良好的抗侧性能，作为主要抗侧力构件，承受主要水平荷载和扭转力矩，利用材料强度高的的外圈钢框架来承担竖向荷载。钢框核心筒结构即有钢结构的自重轻、施工速度快的特点，而且造价低于全钢结构。虽然“钢-混凝土”这种结构形式有但是这种结构形式仍然有混凝土湿作业，没有摆脱传统住宅的弊病，而且由于交通核位于核心筒，使得住宅不能满足南北通透等要求，因此钢框架核心筒结构不适用于住宅建筑，也不满足钢结构住宅产业化需求，现已很少使用。

2、钢框架-支撑结构体系

钢框架-支撑结构，以框架体系为基础，沿房屋纵向、横向或其他主轴方向，根据侧力大小，布置一定数量的竖向支撑，当烈度在7度以下可采用中心支撑，8度以上时，宜采用偏心支撑，利用钢支撑作为主要抗侧力构件，支撑与钢框架相互作用，大大减小结构层间位移角，因此这种结构体系可用于高层结构[4]。并且钢框架柱距较大，住宅内部可以布置少柱框架，使得住宅使用空间灵活，钢框架支撑结构为全钢结构，梁柱可在工厂制作，现场拼装，大大提高了结构的装配化率，满足住宅产业化需求。

《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015的实施，修改补充了风荷载及地震作用的有关内容，增加了抗震等级及刚重比的有关规定，修改了梁柱刚性连接的计算方法和强柱弱梁的计算规定，对钢板剪力墙及异形柱制作做了相关规定，为高层钢结构住宅的设计安装及制作均提供了依据，有利于高层钢结构住宅在住宅建筑中的发展。

3、异形钢框柱-支撑结构体系

对于高层住宅建筑，采用钢框架支撑结构，钢框柱一般为矩形钢管混凝土柱，因此会对住宅使用会有一定影响，“轻钢规程”中介绍了异形柱的计算方法，异形柱的使用可以使得柱隐藏于建筑墙体中，满足住宅建筑对室内空间美观的要求。当结构高度较高时，H型钢作为钢框架结构柱承载力不能满足使用要求，研究高层住宅结构中使用的异形柱即为目前钢结构用于住宅建筑的重点内容。

图1-1“轻钢规程”异形柱截面形式

对钢管混凝土异形柱，国内多所大学都有研究，如华南理工大学，天津大学，同济大学，西安建筑科技大学，哈尔滨工业大学，清华大学，广西大学。现将其部分研究列举如下：

①《带约束拉杆异形钢管混凝土柱力学性能的基础研究》

陈德明，张学文，蔡健，2000，华南理工大学

②《方钢管混凝土柱和L形截面方钢管混凝土组合异形柱研究》

荣彬，陈志华，2005，天津大学

③《T形、L形钢管混凝土柱抗震性能试验研究》

王丹，吕西林，2005，同济大学

④《十字形截面方钢管混凝土组合异形柱研究》

李振宇、陈志华，荣彬，刘锡良，2006，天津大学

⑤《L形截面方钢管组合异形柱的长细比计算》.

荣彬,陈志华,李黎明.钢结构,2006,04:8-11.

对于L型钢管柱的长细比和稳定性进行了研究，并提出了实用性计算方法。

⑥《T形钢管混凝土柱轴心受压稳定承载性能研究》

雷敏，沈祖炎，李元齐，罗金辉，2016，同济大学

⑦《T形方钢管混凝土组合异形柱偏压承载力研究》

姚亚楠，张广泰，李凤彬，2013，新疆大学建筑工程学院

异形钢框架柱用于钢结构住宅可使得钢结构更好的满足住宅建筑的需求及市场适应性，更加有利于高层钢结构住宅产业化的推广，下图所示异形柱对普通户型的适应性。

图1-2异形钢框架柱户型布置图

二、高层钢结构住宅围护体系

围护体系装配钢结构住宅围护体系包括钢结构住宅的内外墙板、楼盖、外门窗等,我国很多专家一致认为钢结构住宅围护体系是我国住宅产业化钢结构住宅体系研发的重点与难点。

1高层钢结构内外墙板

墙体是住宅建筑重要组成部分,约占住宅建筑所有建材消耗量的70%[2]，也是住宅建筑体系中功能最复杂的部位，住宅产业化除了主体结构装配外，还包括墙体的选材及安装。

传统住宅内外墙采用砌筑的方式，施工周期长，现场作业量大，施工成本高。钢结构住宅本身自重轻，抗震性能好，但砌筑类墙体容重较重，使得结构整体质量增加，影响钢结构本身优越的抗震性能。砌筑类墙体，施工速度慢，现场存在大量湿作业，因此该类墙体不能满足钢结构住宅产业化的要求。

住宅产业化要求墙体在工厂化生产,现场装配化建造;钢结构住宅墙体连接部位的构造节点处理十分重要，对于高层钢结构住宅，在设防烈度，风荷载值，使用功能确定的情况下，结构体系满足设计规范的各项参数，那么结构本身用钢量会在一个范围内浮动。目前钢材价格较低，结构本身造价并不为整体造价的主要方面。

目前很多墙板厂家和房产开发公司对装配化墙板进行了研究，但都处于研发试验阶段，或在工程中做了试验性的尝试，距离大面积推广还有一段距离。当前技术相对比较成熟的主要有加气混凝土(ALC)墙板该板材在工厂加工，现场拼装，节省现场砌筑量。轻质混凝土复合条板较传统混凝土隔墙质量轻、强度高，而且墙板表面平整，二次装修平整度更易保证。

2.高层钢结构住宅楼板

楼(屋)盖体系作为房屋的水平构件,起着支撑竖向荷载和传递水平荷载的作用,除了承受竖向荷载并将它传给框架外,还将水平力传到各个柱上,因此楼(屋)面结构必须具有足够的强度,足够的平面整体刚度,并能保证梁的整体稳定性。作为建筑要求,住宅楼板还应能隔音、防水和防火,同时应尽量釆用技术和构造措施减轻楼板自重,提高施工速度。应尽量减轻楼板自重,便于管线的敷设,提高施工速度,减少现场湿作业量。

由表2-1可看出钢筋桁架楼承板适用于高层钢结构住宅结构。

采用钢筋桁架楼承板，现场钢筋绑扎工作量可减少50%～60%，现场钢筋绑扎量在5～8kg/m2之间，可进一步缩短工期；桁架受力模式可以提供更大的楼承板刚度，可大大减少或无需用施工用临时支撑；底模不参与使用受力，无需考虑防腐及耐火问题，且可撕掉，便于装修。

3.高层钢结构住宅楼梯

钢筋混凝土预制楼梯无需现场支模，只需工厂加工，现场安装，节省工期及现场混凝土作业。

预制楼梯包括预制梯板、梯段板吊装预埋件、栏杆预留洞、销键预留洞等部分。

表2-1各种楼板类型对比[3]

图2-5.滑动铰端安装大样

结论

钢结构住宅是适应于住宅产业化的住宅结构体系，也是提高住宅装配率、生产效率的结构形式。异形柱钢框架支撑结构对高层住宅建筑有很好的适用性，不仅满足建筑室内要求而且可以满足结构承载力需求和高层结构抗震要求，结构主体为全装配安装，为住宅产业化实现提供可能。

钢结构住宅产业化还包括围护体系等配套产品，从目前国内的研究和实践来看，墙体问题（特别是外墙）是技术研究的重点和难点。其中既有对墙体材料材性的革新也有对墙体构造节点的研究，已经采用的一些新型墙体材料及构造措施大部分只有实验室数据，尚需时间来检验材料的真实可靠性。

推进钢结构住宅产业化发展需要政府在政策上的扶持，包括资金支持、鼓励新材料及新技术研发，政府住宅项目指导性文件实施。对设计人员进行培养，坚持建筑结构设计一体化、围护系统与主体结构设计一体化、配件系统与整体建筑系统设计一体化的设计理念，探索出适合我国技术条件和经济现状的钢结构住宅建筑体系。

参考文献

[1]张爱林.工业化装配式高层钢结构体系创新、标准规范编制及产业化关键问题[J].工业建筑,2014,08:1-6+38.

[2]于春刚.住宅产业化—钢结构住宅围护体系及发展策略研究[D].同济大学,2006.

[3]杨煦.钢结构住宅结构体系应用研究[D].北京交通大学,2014.

[4]杜爽.钢结构住宅的技术性研究[D].清华大学,2003.