轻钢结构民用住宅在中国的首次尝试2016-09-28

[课题] 轻钢结构民用住宅在中国的首次尝试

[作者] 吴曙岽

[摘要] 随着钢建筑产品在中国建筑行业中应用范围的不断拓展，低层、多层轻钢结构住宅体系也开始逐步进入中国民用住宅市场。在此，结合国内首例完全以轻钢结构建设大型别墅群项目的案例，为进一步研究开发适合中国国情的轻钢住宅体系提供部分可借鉴的资料和经验。
[关键词] 轻钢结构民用住宅

1 概述
钢建筑产品作为一种环保好、性价比高的优秀建筑产品在世界范围的建筑行业中已得到了极为广泛的应用，尤其是在发达工业国家，其市场份额更是不容忽视，像美国，其钢建筑产品约占国家建筑产品总量的68%，在日本这个比例达到了50%，即使是在韩国其比例也超过了20%，但在经济已经开始腾飞的中国，钢建筑产品却仅占国家建筑产品总量的1~2%，这显然跟不上中国经济日益加速前进的步伐。而同时，作为一项早已在欧美发达国家成熟完善的建筑技术，低层、多层轻钢结构住宅体系在中国也才刚刚起步。
为了及早赶上国际步伐，适应国内住宅市场的需要，上海钢之杰钢建筑产品有限公司开始了这方面的首次尝试，并与加拿大BPA集团合作，由加方设计开发、中方加工制作，共同完成了大连枫桥园大型别墅群项目，从而迈出了中国轻钢结构在民用住宅应用方面的第一步。

2 背景介绍
大连枫桥园项目是由大连海昌集团投资，加拿大BPA集团设计开发，上海钢之杰钢建筑产品有限公司加工制作，共同合作完成的国内首次完全使用轻钢结构组装民用住宅的大型别墅群项目。项目主体为120栋豪华联体别墅。
加拿大BPA集团总部设在温哥华，在西雅图、洛杉矶均有分公司，在美加两地已完成数以百计的项目，其设计制造的轻钢结构、多层建筑项目在加西地区更是首屈一指。本次BPA集团正是瞄准了中国轻钢结构民用住宅上的空白，将其在该方面成熟的设计思路带到了中国。
上海钢之杰钢建筑产品有限公司作为一家在钢建筑行业中已摸爬滚打近六年的知名企业，以其优秀的产品质量、全面的加工能力以及超前的市场理念博得了BPA集团的信任，并最终取得了该别墅群项目的加工资格。为了满足加工需要，钢之杰公司特从国外引进了先进设备以加工轻钢结构所需的柱（stud）、梁（joist）、龙骨（track）等构件，BPA方面也派出了多名国外技术专家亲临钢之杰指导加工、组装。同时，钢之杰公司又与BPA集团签署了长期合作协议，共同打造适合中国人的轻钢结构民用住宅。
目前，该别墅群项目已通过了国家建设部住宅产业化促进中心组织的7位专家参与的技术论证。论证要点包括：结构设计、最低防火要求等。

3 轻钢结构体系
随着国家促进使用钢结构的一系列政策措施的推广，钢结构住宅也已成为符合国家产业政策的重点推广项目，随之而来的是各种钢结构住宅体系的诞生，这里可对国内的钢结构住宅体系做一个简单的分类：1.钢框架与混凝土筒体（墙体）的混合结构体系；2.钢框架加支撑的结构体系；3.钢框架与预制混凝土墙体的框剪结构体系；4.纯钢框架结构体系；5.错列衍架结构体系；6.轻钢结构体系。
与其它几种体系相比，轻钢结构体系所具有的最突出的优势就是用钢量极低，区别于其它体系中使用的大尺寸H型钢，轻钢结构主要由冷弯C型钢组成，通常材料厚度仅为1.0mm~1.6mm，整个体系一般由柱（stud）、梁（joist）、龙骨（track）及中间腰支撑（channel）通过配套扣件（angle）、拉条（bracing）和加劲件（stiffener）用自攻螺钉（bolt）连接而成。如果说H型钢框架结构仅仅是工业用厂房向民用建筑的一种延伸，轻钢结构则应是钢建筑产品在民用领域的一个质的飞跃。
1、系统设计
整个轻钢结构系统的设计工作均通过轻钢结构别墅设计系统来完成，系统核心软件为专业的AUTOCAD（计算机辅助设计）系统，该软件由数据文件驱动，这些文件包含了系统里所有的设置和工程数据，系统自身即可根据客户不同的设计及地基要求轻易完成各种不同形状的墙面、屋面和地面设计。同时系统最大的优点是可以同多种系统兼容，尤其是可与相应的CAM（计算机辅助生产）系统相连，直接实现数据的完整过渡，清除了一切可能的人为误差，大大提高了生产量。
2、技术指标
轻钢结构体系的主要受力机理：柱与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁，竖向力由楼面梁传至墙壁的龙骨，再通过柱传至基础；水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。由于在传力过程中，墙面板承受了一定的剪力，并提供了必要的刚度，故墙面板应满足一定的要求。楼板可采用楼面轻钢龙骨体系，龙骨腹板预制管线穿行孔位，上覆胶合板及楼面面层，下部设置石膏板吊顶，既便于管线的穿行，又满足了隔音要求。
整个体系采用的结构材料均为ASTM A653M/SQ Gr.340.G90高强度热镀锌钢板，材料厚度主要为1.0~1.6mm。钢板经过冷弯成型用于建筑构件，主要构件按截面形状可大致分为两种：C型槽钢（track）和C型檩条（stud or joist）。槽钢和檩条的分布密度可从60~360mm不等，可以满足不同结构部位、不同荷载、不同构件的需要。
结构中主要构件间距一般为400mm左右，墙体构件厚度一般为100~150mm，楼面构件高度一般为300mm，这样的空间可为住宅中任何管、网提供方便的安装条件。由于低层住宅的屋面大都为坡屋面，因此屋面结构基本上采用由构件做成的三角形屋架体系。这种间距为400mm左右的构件在封完结构性板材及石膏板后，已形成了坚固的“板肋结构”，有着高的抗震与抗水平载荷的能力，在正常情况下，只要给予合理的维护，轻钢结构建筑可有75年以上的寿命。
轻钢结构体系中，板材起着重要的维护及分隔作用。结构性板材主要指外墙、屋面及楼板用板材，目前多采用经防水防腐处理过的定向刨花板（OSB），厚度为9~18mm。内墙多采用防火石膏板，厚度为9~15mm。在整个结构内部需填充以玻璃纤维棉或岩棉为主的保温及防火材料，同时也可起到很好的隔音效果。屋面系统的防水材料则以改性沥青瓦较为普遍。
轻钢结构体系住宅在防火方面的规定与我国有些不同，在北美类似的规范中，更注意于发生火灾时的逃生功能，而不是更多的去强调材料及构件的耐火极限，所以其承重墙体的耐火极限一般在1.5h左右。如果要使其提高到2.5h以上，符合我国的防火规范，仅需增加石膏板的厚度即可。
3、结构特点
用钢量低是轻钢结构体系的显著特点，以300m2的轻钢结构住宅为例，用钢量为35~45kg/m2，建筑物自重为80t左右（含装修），仅为砖混结构自重的1/4~1/6，因此地基的处理就较为简单；其次，组成体系的构件尺寸较小，可将结构构件隐藏在墙体内部，有利于建筑布置和室内美观；所有构件均为铰接，省却现场焊接及高强螺栓的费用，而且受力墙体均可在工厂整体拼装并预制特定孔位，加快了施工进度（通常6名训练有素的工人5天即可完成一个三层高的结构）；现场施工几乎全是干作业，施工场地干净，所采用的施工机械比较简单，且机械化程度高，便于提高施工工序管理的先进性，因此，占用施工场地、建筑垃圾、建筑施工噪音等都可减少到最低程度；如果有特殊要求，轻钢结构还能相当方便地与H型钢框架相结合，或使用混凝土铺面无梁轻钢楼面系统（BESTSTEEL LK-678/688系列），同时也可根据客户需要使用彩涂压型板屋面系统（BESTSTEEL CLIP-CEL®-750系统），因此具有极高的使用柔性，可方便应用于多层结构中（目前实际案例已达到7层）。
轻钢结构住宅已彻底抛弃了传统的“秦砖汉瓦”，而且墙体及屋面等大部分材料均可回收利用，有着极高的环保、节能意义。以墙体的隔热、保温性能为例：100mm厚的保温玻璃纤维棉，热阻值可达1000mm左右厚的砖墙所达到的效果；另外，外墙防水材料的应用亦是当今的最新材料，内墙全部采用防火石膏板，有较好的呼吸功能，能调节室内温度，增加入住后的舒适度。轻钢结构住宅的窗，一般采用的是中空玻璃窗，不但有良好的隔热保温功能、节省能源，而且还具有非常好的隔音效果，减少噪音污染；住宅中的多种管线均可全部暗埋在墙体中，布线和修改都非常灵活、便捷。
综上所述，轻钢结构可归纳出以下几大特点：
· 结构轻，施工快，美观大方，建筑内空间大。
· 避免了所有石材建筑、砖、混凝土结构、焊接喷漆结构在生产与应用上存在着的辐射，并且结构材料适于回收，因此具有很高的环保性。
· 结构的耐蚀、防震、防火、防虫、保温、隔音、稳定性能优越。
· 真正实现了建筑构件标准化、现场安装模块化、工厂化、产业化的标准。

4 发展及结束语
从世界范围来看，轻钢结构的发展前景还是相当乐观的，以北美为例，在北美普遍的低层民用住宅中，钢结构住宅所占的比例从90年代初的5%左右已发展到现在的25%左右，而且应用技术更加成熟、完善。在中国，随着轻钢结构民用住宅的逐步应用，越来越多的人们已开始将注意力投向这里，但面临的问题也相当多，譬如：实际案例经验极少，有关的标准尚未出台，整个市场还须规范，部分重点企业亟待政府的扶持，这些不利的条件都将影响到轻钢结构的发展。同时，轻钢结构面临的最大问题，就是成本问题，虽然轻钢结构具有总重轻，基础处理费用少，施工快，工期费用少的特点，但由于材料成本明显高于土建材料成本，因此整体成本依旧略高，如何降低成本也将对轻钢结构的发展起到举足轻重的作用。
建设部和国家冶金局在拟订“十五”产业政策和规划时，把钢结构住宅作为重点加以考虑，并积极推动各省市对钢结构住宅建筑体系进行研究开发，鼓励试点工程建设。作为钢结构住宅体系中的一支主要力量，轻钢结构体系的开拓者们应充分利用目前的大好时机，不断吸取国外先进经验和成熟技术，适应市场需要，结合我国国情，将我们的住宅产业现代化真正推向一个新的高度。