北京住宅产业化集团有限公司
概括
介绍了我国钢结构住宅的发展历史,以及目前的开发应用现状,表明钢结构住宅的发展优势明显。总结了钢结构住宅主体结构体系和围护结构体系的技术开发成果。针对目前钢结构在住宅建筑应用中存在的梁、柱外露、抗侧力构件与建筑功能冲突、建筑工业化水平较低等问题,总结了有针对性的典型技术适用于钢结构住宅。钢框架支撑延性墙板体系、钢结构组合剪力墙体系、钢结构模块化建筑、低多层钢结构体系等主要结构体系和“三板”围护体系的技术应用分类及特点详细分析了。对当前钢结构住宅发展中存在的问题进行了分析阐述,并提出了针对性的建议。
0简介
为推动工程建设领域高质量发展,促进建筑业转型升级,实现双碳目标,国家近年来大力发展装配式建筑,重点推进装配式钢结构建筑结构住宅。与粗放无序、能耗高、效率低的传统建造方式相比[1],钢结构住宅具有建筑功能好、抗震力高、轻质高强、施工效率高、能耗低等优点。消费、绿色环保[2]。天然装配特性与建筑工业化高度契合[3],是发展新生产力、推动建筑工业化、实现高质量发展的重要着力点。
我国钢结构住宅起步较晚[4],其国内发展主要经历了四个时期。早期的鼎盛时期始于20世纪50年代和1960年代,国家政策指出“建筑工业化是建筑业的发展方向”。随着国民经济的复苏,钢结构主要应用于工业厂房、体育场馆等大跨度建筑,民用建筑中也修建了一批钢结构房屋。它经历了20世纪60年代和1970年代的低谷时期。最初的发展时期是在20世纪80年代中后期和90年代,我国开始引进钢结构住宅。 1986年,冶金建设研究院与国外公司合作建造了钢结构住宅样板房; 1994年,我国在上海浦东东蔡完全设计建造了一栋8层钢框架结构住宅楼。从20世纪90年代末至今,它进入了快速发展时期。前期(1999-2015年),我国经济水平不断提高,钢铁工业持续发展,相关规范日趋完善,为钢结构住宅的快速发展奠定了必要的经济、物质和技术基础[ 5]。 2001年12月,建设部颁布了我国第一个钢结构住宅发展的指导性文件——《钢结构住宅工业化指导意见》。 2016年,中共中央、国务院印发《关于进一步加强城市规划建设管理的若干意见》,提出“发展新型建筑工法”、“大力推广装配式建筑”、“积极稳妥推广钢结构建筑”。此后,国家和地方政府出台了大量政策,推动完成试点城市布局、培育装配式建筑工业化基地、建设建筑工业化示范工程、完善标准体系。钢结构住宅因其固有的装配式特点而进入市场。进入快速发展的新时代。
传统钢结构住宅因内部梁柱外露、外墙开裂渗漏、隔音、耐用等常见问题,无法满足新时代人们对好房子的需求。为了解决传统钢结构住宅系统的这些问题,近年来,钢结构住宅技术围绕绿色化、智能化、标准化、工业化在设计、生产、施工等方面得到迅速发展,形成了丰富的技术体系和研究成果。各种新型的、更加成熟的钢结构体系、构件、制造工艺和施工技术不断涌现,为建设高品质钢结构住宅提供了解决方案。
1钢结构住宅主体结构体系
钢结构住宅的主要结构体系主要有:钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-延性墙板结构、钢框架-剪力墙结构、框架筒结构、模块式和轻钢龙骨等体系。我国最常用的钢结构住宅是钢框架结构和钢框架-抗侧力构件结构体系。由于住宅建筑的独特性质,在建筑功能与结构体系的匹配上存在一些问题,如梁柱裸露、抗侧力构件与建筑功能冲突等。近年来,国内企业和针对这些共性问题,科研院所提出了主体结构体系的各种改进方案。
1.1 钢框架支撑/延性墙板结构体系
1.1.1 解决梁柱外露问题
解决实际工程中梁柱外露问题主要有以下三种途径:一是通过多学科协同设计,调整结构梁柱常规居中布置方式,使外柱偏向室外,中间偏向中间。柱子朝向次要空间,避免梁柱暴露在室内。 、增加室内空间利用率;其次,通过建筑手法将柱子布置在管内,对于井、阳台等部位,提前进行初步设计,梁柱包覆与精装修有机结合,不影响室内使用空间;第三,通过钢材和混凝土的组合或混合,使结构构件满足力学和结构的要求。在某些条件下,它可以隐藏在围护系统内,这样梁或柱就不会暴露在室内。这种方法衍生出了多种特殊系统,如图1所示,主要包括:
1)矩形钢管混凝土组合异形柱[6]如图1(a)所示。由单肢矩形钢管混凝土柱通过竖向钢板相互连接,形成L型、T型或截面异形柱,并按一定间隔设置横向加劲肋,以增强整体性。通过减小柱腿的宽度,可以将柱隐藏在墙内,并可以与不同的抗侧力构件组合。
2)隐式框架[7]如图1(b)所示。它由宽钢管混凝土柱、窄翼缘H型钢梁以及与柱同宽的支撑组成。梁、柱的强轴采用板装、顶板、加强板条连接等无隔板刚性连接,弱轴采用插板连接。这种连接方式既满足了柱内浇筑混凝土的最小孔尺寸要求,又达到了将梁、柱隐藏在墙内的目的。
3)部分复合钢-混凝土组合结构(PEC)[8],如图1(c)所示。即在H型钢腔内焊接钢筋或扁钢,并浇注混凝土覆盖钢构件腹板的钢-混凝土组合结构,包括PEC钢-混凝土组合柱、PEC钢-混凝土组合梁和PEC钢-混凝土组合剪力墙。梁柱连接节点区采用构件钢板外露、螺栓焊接后浇筑混凝土的连接方式。除了能够隐藏梁柱之外,还可以改善钢结构的防火、防腐问题。由于混凝土为基面,居民接受度较高。
4)多腔钢管混凝土柱结构体系[9]如图1(d)所示。它采用钢板形成空腔,内部浇注混凝土,形成多空腔扁柱。多腔扁柱组合可将一型、L型、T型异形柱隐藏于墙内,并采用双侧板连接梁端与钢柱,增加抗侧刚度并提高抗震性和延展性。
5)方钢管混凝土组合异形柱结构[10]如图1(e)所示。它是由方钢管焊接而成的肢厚比为1的异形柱(截面一般为T形、L形、十字形)。钢管内浇筑混凝土后,形成以受压为主的复合受力构件。 。
图1 钢结构特殊结构体系
1.1.2解决抗侧力构件与建筑功能的冲突
采用可灵活布置抗侧力构件的钢框架-延性墙板体系和集中布置抗侧力构件的钢框架-核心筒结构体系,可有效解决抗侧力构件之间的矛盾。组件以及建筑布局和围护系统。可实现灵活布置的钢框架-延性墙板体系主要有:钢框架填充预制钢筋混凝土剪力墙(RC墙)结构、钢框架-抗屈曲钢板剪力墙结构、钢框架-波形钢板剪力墙结构墙体结构,钢框架-缝钢板剪力墙结构体系,如图2所示。其中,抗屈曲钢板剪力墙[11]如图2(b)所示。它由中间的消能钢板和两侧的防屈曲盖板组成,通过拉紧螺栓组装成一体。外盖板用于约束内填充钢板的面外变形,可采用预制钢筋混凝土板。抗屈曲钢板剪力墙与框架梁采用鱼尾板过渡连接。波形钢板剪力墙[12]如图2(c)所示,采用波形钢板作为抗侧力耗能构件。墙板与钢框架采用高强度螺栓连接。钢板通过波纹棱线的方向和加强筋平面外刚度的布置而升高。
图2 钢框架-延性墙板结构
1.1.3提高建筑工业化水平
由于大部分结构构件均可在工厂预制,制约钢结构建筑工业化水平的主要因素是节点连接和安装。为了提高建筑工业化水平,改进节点连接的研究成果主要有:如图3所示的矩形钢管柱端板连接钢结构,采用梁柱螺栓连接端板半刚性节点,装配式钢拉杆杆式柔性支撑和预制楼板留孔后浇筑。梁与柱之间的全螺栓连接可实现弯矩幅度调制,从而减少钢梁上的应力。多高层全螺栓钢结构[13]如图4所示,其竖向构件采用核心法兰连接并采用全螺栓连接,水平构件采用高强螺栓双拼接板连接。岩心筒在工厂独立加工,岩心筒与下立柱之间设置自锁单向螺栓或自攻螺栓,在工厂完成连接。上立柱现场安装。
图3 矩形钢管柱端板连接
图4 全螺栓连接

全螺栓连接系统采用螺栓连接代替螺栓连接或焊接。施工速度快、质量高、不受天气影响,为工程快速高质量实施提供了保障。但全螺栓连接对加工和施工精度提出了更高的要求,柱(尤其是边跨)的拼接不能完全匹配住宅建筑功能的问题尚未完全解决。
1.2 钢结构-剪力墙结构体系
与钢框架-支撑/延性墙结构体系相比,钢结构组合剪力墙体系具有与混凝土剪力墙或短肢剪力墙相似的平面形状。在钢结构体系中,较好地解决了平面图与结构的匹配问题。这是一个难题,但也带来了钢材消耗高、节点结构复杂、未能充分利用钢结构轻质高强等问题。在工程实践中,必须特别注意剪力墙构件的竖向拼接质量、薄钢板的防腐等问题。
近年来,为适应建筑设计和施工工业化发展的需要,在传统双钢板-混凝土组合剪力墙的基础上[14](图5),采用钢管束组合剪力墙结构和桁架型多层剪力墙结构得到进一步发展。空心钢板组合剪力墙结构、波形钢板组合剪力墙结构、承插式钢板组合剪力墙等,如图6所示。
图5 双钢板-混凝土组合剪力墙
钢管束组合剪力墙结构[15]如图6(a)所示,由标准化钢板焊接在一起,形成具有多个竖向空腔的钢管束,内部浇筑的混凝土形成抗侧力剪力墙。 ,内焊立式钢板加劲肋有效增加其延展性和抗震性能。桁架式多腔钢板组合剪力墙结构[16]如图6(b)所示,主要由两侧平板钢板和两端方钢管构成腔体,混凝土为浇注形成复合钢结构构件。竖向加强筋采用钢桁架形式,减少用钢量和成本。波形钢板组合剪力墙结构[17]如图6(c)所示,将围护钢板改进为波形钢板,并通过拉螺栓组装。内部浇注混凝土,空腔两端与方形、矩形管组成的边连接。元件焊接连接。承插式组合钢板剪力墙[18]如图6(d)所示,其改进的连接方式便于在施工现场利用高强螺栓和后注浆技术进行拼接,解决了传统钢板组合剪力墙的问题。剪力墙无法快速组装。问题。
图6 钢结构-剪力墙结构体系
1.3 钢结构模块化建筑
钢结构模块化建筑是一种高度集成的建筑形式,在工厂内完成模块化单元的主体结构、围护结构、设备管道和室内装饰的制作和安装。只需要现场组装、组装即可。工厂化、施工化程度高,具有一体化效果好、施工方便快捷、对环境影响小等特点。但模块化组装特性带来的零部件冗余等问题导致成本增加,且多个高层节点的连接技术和高度集成与现有行业监督管理系统不匹配亟待解决。
常见的模块结构形式如图7所示,包括:柱承重模块、墙体承重模块、集装箱模块、框架剪力墙模块等。模块之间的节点连接应能有效传递水平和竖向力。模块之间的力量,同时,它应该易于安装。主要形式有:螺栓剪键连接、拉杆剪键连接、注浆连接等。
图7 模块结构体系
1.4 低多层钢结构体系
低多层钢结构体系施工速度快,符合我国建筑业工业化的发展方向。随着新型城镇化建设的推进,低矮多层住宅开始采用冷弯薄壁钢结构、分层装配式钢结构等。得到广泛应用。
分层预制钢结构[19]如图8(a)所示,H型钢梁贯通连接,小截面钢柱分层。梁柱节点处使用端板螺栓,使钢柱沿梁轴线移动,实现分层装配和可变结构布置。为了满足舒适性要求,需要通过设置支撑桁架来增加结构的侧向刚度。低层冷弯薄壁钢结构[20]如图8(b)所示,采用冷弯薄壁C型、Z型、矩形钢构件作为承重构件。通过设置柱间支撑保证整体稳定性。部件连接采用螺栓或自攻螺钉。冷弯薄壁钢构件通过皱纹和卷边增加截面回转半径和转动惯量,充分利用材料特性。对于趋肤效应的计算方法已有相关研究,表明围护结构的趋肤效应可以用来增强结构的整体刚度。
华盛顿的集成多层冷弯钢结构建筑技术系统(W-IBS)[21],如图8(c)所示,是一种密肋板墙系统。该系统采用“肋”(间距一般为400~600毫米的冷弯型钢柱、梁)承受重力荷载,用“板”(剪力墙板)抵抗地震荷载和风荷载产生的侧向力。
钢-混凝土组合承重保温一体化板结构体系如图8(d)所示。主要结构构件包括:预制闭孔泡沫混凝土墙板、轻钢隐柱、预制组合建筑屋面板、后浇混凝土圈梁等。等待。 U型轻钢龙骨“框架”与自承式自保温泡沫混凝土“围护墙”形成受力相同的组合结构体系,解决了传统建筑外保温材料可能脱落的问题。
图8 低多层钢结构体系
2钢结构围护系统(“三板”系统)
钢结构围护系统一般也称为“三板”系统,主要包括:外围墙板、内部隔墙板和楼(顶)盖板。
2.1 外围壁板

外墙板系统作为钢结构住宅的重要组成部分,需要具备防火、防水、防潮、隔音、保温等性能。目前,钢结构住宅采用的围护结构系统包括水泥基板条系统(预制混凝土外墙板、蒸压加气轻质混凝土(ALC)外墙板、玻璃纤维增强水泥(GRC)外墙板、超高性能混凝土外墙板) (UHPC)插墙板)、内骨架复合外墙板(钢架装配式复合外墙、外单元式轻钢龙骨集成墙板、承重围护保温集成墙板、保温结构装饰一体化金属幕墙板、钢板网复合保温混凝土墙板等)。
2.1.1 水泥基板条系统
1)预制混凝土外墙板,如图9(a)所示,是目前广泛使用的一种外围墙形式。只承担自身的外部影响,不考虑分担主体结构的影响。墙板间的防水结构是保证围护墙体整体质量的关键。一般防水结构有三种。从里到外分别是防水胶条、物理空腔、耐候防水密封胶。当防水要求特别高的时候可以使用这个。在部件内部添加 1 层聚氨酯防水层。混凝土材料可采用轻质保温材料,如陶粒混凝土或发泡聚苯乙烯(EPS)混凝土,以减轻其自重。
2)ALC外墙板,如图9(b)所示,是由ALC制成的建筑墙板。具有保温隔热、轻质高强、防火阻燃、加工性能好、抗震性能好、耐久性好等特点。 ALC板条外墙的优点,但ALC板条外墙的接缝是外墙防水的弱点,因此整个外墙需要采用多重防水和保温技术。
3)GRC外墙板,如图9(c)所示,是用GRC制成的建筑外墙。与石材、瓷砖、石膏板等传统外墙材料相比,重量更轻,安装和维护成本更低。低,同时保持良好的美观效果;但与传统建筑材料相比,GRC外墙板的价格相对较高。
4)UHPC外墙板如图9(d)所示。它是以UHPC为外墙材料,结合高性能连接技术而形成的建筑外墙板。它具有超高的强度和耐用性。 ,其使用寿命与建筑物一样长。同时,其丰富细腻的纹理和纹理给建筑表皮带来不同的风格和多变的表现力。
图9 水泥基板条系统
2.1.2 骨架复合外墙板
1)钢框架装配式复合外墙,如图10(a)所示,是将复合外墙板放置在已安装好的钢框架内的外墙板。复合外墙板一般由金属面层、保温材料、保温材料和装饰材料组成。它具有较高的强度和韧性,比传统的围护结构更轻,便于运输和安装。它对施工技术要求较高,施工需要由成熟的产业工人来完成,否则可能会出现质量问题。由于采用复合材料和金属材料,维护成本较高,需要定期维护和保养才能保证使用寿命。
2)外单元式轻钢龙骨集成墙板见图10(b)。以轻钢龙骨为骨架,外侧采用EPS混凝土或ALC条。龙骨内填充岩棉保温材料,内封板采用纤维水泥板。
3)承重围护与保温一体化墙板如图10(c)所示。它是集承重受力框架和围护系统于一体的外围墙板。该板包含结构骨架。骨架在现场吊装后,通过节点处的螺栓焊接连接组装在一起,形成整体受力钢框架或钢框架支撑系统。
4)带有保温结构和装饰的一体化金属幕墙板如图10(d)所示。是一种金属饰面夹芯复合节能墙板。保温芯材可选用岩棉板或玻璃棉板。其独特的侧折设计省去了墙板的接缝和修边,美观的外观省去了表面装饰。
5)钢板网复合保温混凝土墙板[22]如图10(e)所示,它采用工业钢渣作为填充材料,并采用蜂窝状金属网代替传统墙体中的钢筋作为内部结构。墙体的拉力连接。 ,能保证网状结构与混凝土牢固粘结,并满足整体性、稳定性和可靠性的要求。
图10 骨架复合外墙板
2.2 内部隔板
建筑中常用的内隔墙板基本上分为两大类:水泥基条体系和轻钢龙骨体系。水泥基条带系统隔墙包括ALC条带和增韧泡沫混凝土(RFC)内墙板,以及轻钢龙骨系统。龙骨系统隔墙是由冷弯工艺卷制的热镀锌带材组装成金属框架而成的非承重墙体,表面饰以纸面石膏板、石膏板等轻质板材。装饰石膏板。
水泥基板条系统隔音性能稳定、质量可控、钉合力强、居住体验好。但运输和安装困难。有望通过建造小型机械设备代替体力劳动来解决。但其产品精度低、表面粗糙,需要通过提高工厂模具精度来解决。
轻钢龙骨系统隔墙施工方便,精度高,但工序太多,质量难以控制。钉力差,空鼓感强。住所的体验很差。随着工业化程度的提高,通过提高工厂一体化有望解决现有问题。
总之,各类墙体的应用必须根据不同的建筑条件和用户需求综合考虑,并通过工业化手段不断提高产品质量。
2.3 楼(屋)盖
随着装配式钢结构建筑的快速发展,楼面施工也成为装配式钢结构工程进度的关键因素。楼板为建筑物提供了足够的强度、面内刚度,并保证了钢梁的整体稳定性。在住宅建设工程中,楼板还应具有防火、防水、隔音等性能。同时,应尽可能减轻楼板重量,以利于机电管线的敷设,减少现场湿作业,提高施工安装效率。目前中国市场上常用的钢结构楼板形式及优缺点如表1所示。

3 钢结构住宅发展中存在的问题
1)我国钢铁产能过剩,钢结构建筑用钢比例很低。我国虽然是全球最大的钢铁生产国,但建筑用钢量仅占全国钢铁总产量的20%至25%。与发达国家40%至55%相比仍有较大差距。而且我国钢材主要用在混凝土结构中的钢筋、钢绞线、钢丝、门窗等,钢结构用钢量只占很小的一部分。
2)零部件标准化体系落后,建筑模块化体系不完善。钢结构住宅构件的制造标准与建筑设计和施工不一致,导致出现模块不协调、接口不一致、安装不规范等问题。由于缺乏模块化系统,缺乏建筑组件和其他零件的整体大小协调,因此难以实施工厂的批量生产和现场装配生产方法,这会影响钢结构快速组装的优势钢结构住宅的发展。
3)某些技术系统不能完全发挥钢结构的优势。由于土地利用条件,地板面积比,商业模型等不同,住房类型和住房可用性率的均匀性也不同。房屋类型的最佳解决方案(通常是唯一的解决方案)将导致不规则的柱网格。剪切壁系统对列网络的规律性没有太多要求。为了促进钢结构的发展,过去的市场上出现了许多适合住宅单元的剪切壁系统。这样的系统未能充分利用钢结构的优势。取而代之的是,钢铁消耗的激增导致成本增加甚至质量危害。在一定程度上,它阻碍了钢结构壳体的发展和促进。
4)缺乏合适的钢质规格。缺乏针对钢截面的产品规格,因此很难满足建筑市场中对钢的各种需求。外国概况产品规格不满足我国家的钢结构产业的应用需求,导致轮廓占地不到钢铁总消耗的20%。
5)工业链的协调不是理想的。钢结构住房产业链涉及多个实体,例如设计单位,生产和加工公司,安装公司和房地产开发人员。它需要每个实体的高集成,并且高度互连和多层。目前,钢结构住房产业链存在诸如实体之间的信息共享和实体之间的低协作之间的问题,这严重限制了钢结构整个生命周期的生产效率和质量,不利于持续提高行业生产率。
6)生产和施工技术是向后的。钢结构行业的集中度不高,低端生产能力过多,生产和构造基本上仍处于传统的装配线模式。具有行业整合能力的领先公司很少,这不利于该行业的整体技术进步,无法满足不断增长的市场需求,这严重影响了我国钢结构住房的工业化过程。
7)缺乏钢结构外壳的才能。钢结构住房的技术内容很高,并且非常缺乏全面的设计和建筑管理才能,他们充分了解土木工程和装饰设计,组件处理以及建筑和安装的整个过程的基本实践和特征,例如以及技术水平高的专业工业技术工人。
4钢结构住宅开发建议
1)加强政策指导。政府部门应扩大优惠政策,并促进钢结构住宅建筑的建设。同时,我们将大力指导并鼓励企业开发和生产钢结构住房市场中迫切需要的新产品,增加钢结构的参与和声音,支持该行业的制造商,建立有效的沟通和协作机制,开放行业链的上游和下游,并形成成熟的钢结构建筑建筑全链工业系统。
2)加强宣传和指导并打破向后概念的约束。使用新闻媒体宣传和促进具有良好地震抗性,高生活舒适性和良好建筑质量的钢结构住宅的特征,以改善公众对钢结构住宅的接受;通过政策宣传,技术指导,交流和合作以及其他措施来促进钢结构住宅,成熟的经验和典型实践将改善钢结构住房的影响并增强市场认可。
3)提高设计选择标准并促进标准化和模块化设计。大力促进住房和城乡发展部创建的“ 1 + 3”标准化设计和主要组件大小指导,促进“较少的规格,更多组合”设计方法,重点关注组件的节点连接和标准化设计外壳系统的规模,并扩展了组件和组件的使用量表,以解决组件和组件的高生产成本问题。
4)采用成熟且可靠的技术系统,并促进先进的支持材料和产品。住房是一个人民的生计项目,它必须采用符合当前技术标准和监管要求的成熟和可靠的技术系统,并已被证明是适用的,以满足人们对更好生活的期望。通过绿色的建筑材料评估和认证方法,我们将促进高强度和高性能的材料,并促进可回收材料,可重复使用的材料和用废物作为原材料生产的无废物建筑材料的选择。
5)技术系统和创新适应了应用程序方案。任何技术都具有一定的应用范围,钢结构也不例外。它具有某些应用程序场景,例如未来更有可能改变其住房类型的住宅,具有较大空间需求的住宅等。技术创新应针对应用程序场景的常见疼痛点,例如使用风化的应用钢,高效率节点和横向抗力的组件,以及外缸内部钢框架的混合结构,以解决周围保护的疼痛点。
6)提高技术信息应用程序的水平,并为整个产业链创建系统集成。促进建筑公司使用BIM技术来实现精致的管理,并为钢结构住宅行业建立互联网平台。促进土木工程和装饰的综合设计,建筑设计,组件生产以及建筑和安装的综合协作,并促进整个钢结构住宅产业链的系统整合和高质量开发。
7)促进新的组织管理模型,例如一般项目合同和建筑师责任系统。继续促进通用工程合同(EPC)模型,以整合项目构建设计,生产,建筑和管理,以优化资源并最大程度地利用整体收益。实施建筑师责任系统并协调各种专业设计,咨询机构和设备供应商。促进综合,跨阶段和整合的全程工程咨询服务,以全面提高预制钢结构住宅的投资收益,项目构建质量和运营效率。
8)创建高质量的演示项目。通过实施示范项目,将改善钢结构住宅的技术和管理水平,将解决“共同质量问题”,钢结构住宅的性能将有效提高,并增强消费者的身份意识。专注于促进钢结构预先制造的住房项目从单个试点项目到整体促销,在斑块和系统中开发钢结构住房,并创建钢结构住房示范社区。
资料来源:Su Lei,Wang Yanyan。钢结构住宅技术的应用开发和前景[J]。钢结构(中文和英语),2024,39(11):46-55。
doi:10.13206/j.gjgs24100922。