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淺析鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計原則及發(fā)展前景

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2010-12-08 11:03:41 [收藏]
摘要:建筑自人類產(chǎn)生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材與木材等。隨著科技的發(fā)展，新型材料廣泛運用于房屋建筑中。鋼結(jié)構(gòu)由于在高層建筑和大跨度高聳結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性，使其在非居住建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國家經(jīng)濟實力的增強和住宅商品
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計原則
        摘要:建筑自人類產(chǎn)生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材與木材等。隨著科技的發(fā)展，新型材料廣泛運用于房屋建筑中。鋼結(jié)構(gòu)由于在高層建筑和大跨度高聳結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性，使其在非居住建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國家經(jīng)濟實力的增強和住宅商品化、產(chǎn)業(yè)化的要求，促進了住宅新技術(shù)和新材料的研究、應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)將成為建筑中最適合創(chuàng)新的住宅結(jié)構(gòu)體系，也是住宅建筑行業(yè)二十一世紀的主導(dǎo)方向。

        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)住宅;優(yōu)越性;設(shè)計原則;發(fā)展

        近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展和高層建筑的增多，我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展十分迅速，鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種綠色環(huán)保建筑，已被建設(shè)部列為重點推廣項目。特別是在我國大中城市中，人多、土地資源少，而人們對住宅密度、環(huán)境綠地等要求越來越高的情況下，較大范圍應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)住宅，是我國生產(chǎn)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。

        據(jù)資料顯示：2002年3月，一座高達18層、采用H型鋼建造的鋼結(jié)構(gòu)住宅樓在安徽省馬鞍山市動工建設(shè)。它是我國住宅產(chǎn)業(yè)從鋼筋混凝土跨進鋼結(jié)構(gòu)模式的重要標志。上海同時有6幢鋼結(jié)構(gòu)高層住宅在建設(shè)，最終他們將建到100米、34層，這在國內(nèi)還是首次。北京住宅也啟用了鋼結(jié)構(gòu)，位于朝陽區(qū)十里堡的晨光家園B區(qū)，全部采用H型鋼鋼梁、鋼柱。2002年9月開盤的北京金宸公寓，填補了國內(nèi)高層住宅鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的空白，同時也標志著我國住宅的開發(fā)和建設(shè)已步入了全新的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系時代。

        一、鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

        住房的建筑形式和風格千差萬別，但就結(jié)構(gòu)體系(支撐骨架)而言，只有磚混結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等幾種主要的結(jié)構(gòu)形式。隨著國家對環(huán)境保護意識的認識不斷加深，對木材和粘土已經(jīng)提出限制、限時使用，現(xiàn)階段我國住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)形式主要以鋼筋混凝土框架為主，但該結(jié)構(gòu)施工煩瑣、施工垃圾多且結(jié)構(gòu)自重大，進深和開間相對較小，梁、柱粗大，空間利用率較低，這些缺點在一定程度上無法滿足條件越來越高的住宅建筑的功能要求。因此，開發(fā)堅固耐久，建造迅速，空間布置靈活，易于改建的新型住宅結(jié)構(gòu)體系，成為住宅建筑和結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要趨勢。隨著我國鋼產(chǎn)量的快速增長及新型建材的發(fā)展和應(yīng)用，符合上述要求的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系逐步發(fā)展起來并引起了廣泛的關(guān)注。

        所謂的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系就是指由維護墻體、隔斷墻體、樓板與主體鋼結(jié)構(gòu)共同組成的住宅體系。住宅鋼結(jié)構(gòu)是指純鋼結(jié)構(gòu)(鋼框架或框架—支撐)體系，介于高層鋼結(jié)構(gòu)(鋼框架或鋼框架—混凝土剪力墻)體系與冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)(Z、C等輕型鋼結(jié)構(gòu))體系之間的多層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系。

        二、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的建筑特點

        (一)預(yù)工程化程度高，建設(shè)成本降低，工期縮短

        鋼結(jié)構(gòu)建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標準實現(xiàn)了建筑工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，提高了建筑預(yù)工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構(gòu)配件具有一定的通用性和互換性。同時鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設(shè)成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40%以上，從而加快了房地產(chǎn)開發(fā)商的資金周轉(zhuǎn)速度，使建筑能更早投入使用。

        (二)建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計與功能一體化，使建筑更富有功能化

        在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)成為形象構(gòu)成的重要因素，結(jié)構(gòu)的形體，構(gòu)件，節(jié)點從很大程度上導(dǎo)致并制約著建筑的形象。建筑與結(jié)構(gòu)的設(shè)計與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化并創(chuàng)造出技術(shù)與藝術(shù)融為一體的鋼結(jié)構(gòu)建筑。北京2008年奧運會國家體育場投標方案中有許多方案都體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的這一特點。例如清華大學建筑設(shè)計院設(shè)計的可開合式方案，在體育場大屋面的中央設(shè)置兩個半圓型的玻璃頂面，同時相對旋轉(zhuǎn)、平行滑動完成大屋面的開合；又如中國建設(shè)設(shè)計研究院場館方案外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，形象完美純凈，功能與結(jié)構(gòu)達到了完美的統(tǒng)一；還有日本朱式會設(shè)建筑事務(wù)所設(shè)計的折疊式方案，屋頂由懸臂的鋼架結(jié)構(gòu)支撐，可在30分鐘內(nèi)完成開閉的動作，確保全年比賽及活動不受天氣影響。

        (三)能夠滿足超高度和超跨度的要求

        鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結(jié)構(gòu)自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結(jié)構(gòu)以及靈活的結(jié)構(gòu)形體。現(xiàn)在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米最高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成索膜結(jié)構(gòu)體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這在型建筑成為樗性建筑，比如日本東京后園棒球場屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結(jié)構(gòu)，面積達28000平方米，英國政府為迎接21世紀而興建的樗性建筑倫敦千年穹頂大型綜合性展覽建筑也是索膜結(jié)構(gòu)體系，其穹頂直徑達到320m。

        (四)原材料可以循環(huán)使用，有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展

        發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對于資源，能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度高效能的材料，具有很高的再循環(huán)價值，邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅品引入我國，其環(huán)保節(jié)能的特點主要體現(xiàn)在兩個方面：

        1、該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統(tǒng)，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當居住環(huán)境。室外零攝氏度時，室內(nèi)仍可以保持17攝氏度以上；以室外溫度達到30攝氏度的情況下，室內(nèi)溫度僅為21攝氏度左右。

        2、與磚混結(jié)構(gòu)住宅相比，可節(jié)能60%以上，冬夏季空調(diào)設(shè)備可節(jié)約耗電30%以上，結(jié)構(gòu)的廢舊利用為100%，與磚混結(jié)構(gòu)比較，同樣樓層凈高條件下，鋼結(jié)構(gòu)維護墻體面積小，節(jié)約空調(diào)所需能源，減小維護費用。

        三、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計的原則及問題對策

        (一)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的探討

        穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失?，F(xiàn)代工程史上不乏因失穩(wěn)而造成的鋼結(jié)構(gòu)事故。在我國1988年曾發(fā)生13.2×17.99m網(wǎng)架因腹面桿穩(wěn)定位不足而在施工過程中塌落的事故。因此穩(wěn)定性鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要問題，一旦出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但會造成經(jīng)濟嚴重損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一定要把握好穩(wěn)定設(shè)計這一關(guān)。目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計者的經(jīng)驗不足，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定缺少明確概念，造成一般性結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在穩(wěn)定設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。另一方面是由于新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，如空間網(wǎng)架，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，設(shè)計者對其如何設(shè)計還沒完全的了解。

        (二)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的原則

        針對鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定問題，在實際設(shè)計中，我們必須遵循以下三個原則：

        1、結(jié)構(gòu)整體布局必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。為保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布局相一致。

        2、結(jié)構(gòu)計算簡圖和計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。目前在設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效力框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

        3、設(shè)計結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦予它足夠的剛度和柔度，對框架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心，這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細部時經(jīng)?？紤]到的。但是，當涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

        (三)鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中應(yīng)注意的問題及對策

        1、鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑要以建設(shè)計為主導(dǎo)，其他專業(yè)緊密互動配合。鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑除要遵循住宅建筑設(shè)計一般原則外、要注重解決：

        (1)如何發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢？梁跨度可增大、開間更靈活、為住戶創(chuàng)造更大的空間。但又如何避免鋼結(jié)構(gòu)帶來的建筑平、立面單調(diào)呆板。

        (2)要解決鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑防火、防腐蝕問題。特別是在多雨的地區(qū)，防腐、防銹工作處理的好壞直接影響到鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣。

        2、選擇和開發(fā)外墻板，是鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑推廣中的關(guān)鍵問題之一。除滿足外墻板的各項技術(shù)要求外，還要做到墻板原材料因地之宜、工作化生產(chǎn)、運輸、安裝連接方便。

        3、鋼結(jié)構(gòu)要做到安全合理、節(jié)點構(gòu)造方便可靠、并為構(gòu)件制作、運輸、吊裝創(chuàng)造條件。

        結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)布局規(guī)則性有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)布局不規(guī)則，地震時易損壞，而且除彈性設(shè)計外還要作彈塑性層間位移驗算。因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)布置符合規(guī)則性要求。

        住宅鋼結(jié)構(gòu)的平面布局應(yīng)力求規(guī)則、對稱。住宅鋼結(jié)構(gòu)常見的布局不規(guī)則，主要是平面不規(guī)則。如平面形狀不規(guī)則，L形等，特別是支撐剪力墻偏置，明顯不對稱等。若樓層的最大彈性水平位移超過質(zhì)心水平位移的1.2倍，就屬于平面不規(guī)則，此時需對支撐剪力墻的配置進行調(diào)整。

        4、建筑設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)住宅配合，是住戶首先遇到的問題。因此如何采用先進的技術(shù)來開發(fā)適合于鋼結(jié)構(gòu)住宅的各項設(shè)備是我們必須要解決的問題。

        5、鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價是房地產(chǎn)開發(fā)商最關(guān)心的問題。鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)定位于中、高檔住宅，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑是一項系統(tǒng)工程，應(yīng)從設(shè)計、制造、運輸、安裝、維修和管理等環(huán)節(jié)著手加強管理和協(xié)調(diào)，從而達到降低成本，提高綜合經(jīng)濟效益的目的。

        四、鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展前景

        住宅產(chǎn)業(yè)化是我國住宅業(yè)發(fā)展的必由之路，因為這將成為推動我國經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。鋼結(jié)構(gòu)住宅體系易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，標準化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型材料，它屬綠色環(huán)保性建筑，可再生重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，因此鋼結(jié)構(gòu)體系住宅成套技術(shù)的研究成果必將大大促進住宅產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，直接影響著我國住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和前途。

        鋼結(jié)構(gòu)建筑的科技含量很高，結(jié)構(gòu)本身往往就是建筑表現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與工藝不僅是實現(xiàn)形象構(gòu)思的必要手段，而且對建筑形象的影響極為顯著，這就決定了結(jié)構(gòu)構(gòu)思是形象構(gòu)思成功與否的關(guān)鍵所在?？茖W技術(shù)的進步，審美觀的改變必然使得鋼結(jié)構(gòu)建筑不斷地去擴展自身的表達語匯而尋求發(fā)展。我們所提倡的是：拋開風格要素，從結(jié)構(gòu)理性主義出發(fā)，從現(xiàn)代的和傳統(tǒng)的從多風格流派中吸取精華，創(chuàng)造出技術(shù)和藝術(shù)有機融合的鋼結(jié)構(gòu)精品建筑。

        目前國內(nèi)的建筑業(yè)生產(chǎn)效率較低，尚屬勞動密集型產(chǎn)業(yè)，而鋼結(jié)構(gòu)住宅屬于高技術(shù)高效率的產(chǎn)業(yè)，加快對鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究，將促進建筑業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，并將帶動建材、冶金、信息機械尤其是鋼鐵企業(yè)的發(fā)展。

        應(yīng)該看到，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅正得到大力地發(fā)展，但從建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計到制作安裝，各個環(huán)節(jié)我們都與國外先進水平有很大的差距。作為設(shè)計人員，應(yīng)在工作中應(yīng)該腳踏實地的積極創(chuàng)新；專業(yè)研究人員則應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和設(shè)計方法進行深入系統(tǒng)的研究；技術(shù)主管要加強對從業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)及市場的管理力度。只有這樣才能使我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化得到更加健康的發(fā)展，成為真正具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)。

        參考文獻

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        [2]蔡玉春;鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀與進展[J].鋼結(jié)構(gòu).2005-01.

        [3]王元清等.現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑及其在我國的應(yīng)用.建筑結(jié)構(gòu)學報.2002-2.

        [4]姜學詩，鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析[J];建筑結(jié)構(gòu);2003年06期
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