轻钢别墅科普-轻钢结构绿色建筑设计应用特点

金桥天云

建房迷把收集到的轻钢别墅知识分享给大家，目的是让大家可以更全面了解轻钢结构别墅，给想用轻钢结构自建房的朋友一些帮助。

        

　　自进入20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。如世界第三高的上海88层、高420m的金茂大厦业已竣工，现已投入运营。据称世界第一高度的上海浦东环球金融中心，95层高460m，建筑面积为31万m2，现正在加紧建设中。由外商投资的大连总统大厦，正在加紧筹建之中，共95层，据称建成后其高度将名列世界前茅。

　　轻钢结构的发展则更是如火如荼，特别在工业厂房的建设中则更为迅猛。从钢结构制造加施工企业数量的大幅增长就可窥见一斑，如上海市的钢结构制造和施工单位已由原来的几十家一下子发展到现在的400多家，单上海的宝钢地区就有近百家的钢结构制造厂。大好形势下，如何因势利导，抓好设计和施工质量，这是当前一个十分迫切的问题。本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注意点、塑性设计及腹板屈曲后强度的利用和蒙皮效应等作一概略介绍，利于读者对轻钢结构有一个比较全面的了解。

　　轻钢结构行业及其适用范围

　　所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构;②热轧轻型钢结构;③焊接或高频焊接轻型钢结构;④轻型钢管结构;⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。

　　一.适用范围
　　根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
　　二.主要优点
　　⑴施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45d至2个月，而若采用钢筋混凝土建筑则要8～12个月左右。
　　⑵综合经济效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益;更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感;因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资;由于采用了聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。
　　⑶抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。
　　⑷宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
　　正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
　　钢结构一般分为普通钢结构和轻钢结构，它们之间并无明显的界限。其计算规则都是一样的。所谓轻钢结构，一般是结构荷载较小，结构杆件也较小，构件壁厚较薄的一类结构，一般采用门式钢架、屋架和网架为主要承重结构。正因为轻钢结构上作用的荷载较小，所以，使得结构效应产生的内力一般较小，这就使得结构的强度往往不成问题，而由于构件断面较小，截面惯性距较小，使得结构的刚度也随着减小，结构的整体和局部稳定成为在设计中必须引起重视的主要问题。这就是轻钢结构自己的特点。了解了这个特点，我们就可以采取相应的措施，比如可以采用增加支撑和拉条，以满足杆件的长细比要求，增设加劲肋以满足构件的局部稳定等。
　　A.门式刚架结构的特点
　　下面讲一下我们常见的门式刚架结构。门式刚架轻型房屋，其结构一般由主骨架和支撑系统构成，主骨架包括：1)主受力构件-门式刚架;2)墙架;3)檩条等;支撑系统包括：1)刚架柱之间的垂直支承;2)刚架梁之间的水平支撑;3)刚性系杆、拉条;4)隅撑等;
　　从以上的构成可以看出，支撑系统占有很大的比例，这也是轻钢结构的特点。
　　门式刚架房屋上作用的荷载一般有：竖向荷载(结构自重，雪荷载，积灰荷载，)和水平荷载(风荷载，吊车刹车力),还有地震荷载(水平和竖向)。由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。
　　B.判断结构是否适合用轻钢结构
　　是否为轻钢，可以根据结构承受荷载的大小，以及结构类型来定的。1、楼、屋面结构体系：如果是钢筋混凝土楼、屋面板，荷载较大就不能用轻钢结构;2、吊车荷载：如果有较大吨位的吊车就不符合轻钢结构的要求;3、结构体系：要是建筑物为多层，或是比较高的单层结构也不宜按轻钢设计。
　　C.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002的适用范围
　　适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或仅有起重量不大于20t的中、轻级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。
　　D.门式刚架各构件的作用
　　门式刚架，建筑物上的各种荷载主要由它承担并将其传给基础，刚架与基础的连接有刚接和铰接两种形式，一般宜采用铰接，当水平荷载较大，房屋高度较高或刚度要求较高时，也可采用刚接。刚架柱与斜梁为刚接。刚架的特点是平面内刚度较大而平面外刚度很小，这就决定了它在水平荷载作用时，可承担平行与刚架平面的荷载，而对于垂直刚架平面的荷载却无能为力。
　　墙架，主要承担墙体自重和作用于墙上的水平荷载(风荷载)，并将其间接传给主体结构。
　　檩条，承担屋面荷载，并将其传给刚架。檩条还通过螺栓与每榀刚架连接起来，与墙架梁一起与刚架形成空间结构。
　　由于檩条和墙架梁之间都是由螺栓连接的，连接点近似于铰接，又由于檩条和墙架梁的长细比都较大，在平行于房屋纵向荷载的作用下，其传力刚度有限，所以有必要在屋面的各刚架之间设置一定数量的刚性系杆。我们刚才说了，刚架平面外的刚度很小，这样，我们必须设置刚架柱之间的柱间支撑和刚架梁之间的水平支撑，使其形成具有足够刚度的结构;
　　由于檩条和墙架的平面外刚度小，所以，有必要设置拉条(增加支撑)，以减小在这个方向的长细比;
　　对于刚架斜梁，一般是上翼缘受压，下翼缘受拉，上弦由于檩条相连，一般不会出现失稳，但当屋面风荷载吸力作用时斜梁下翼缘有可能变号受压从而失稳，因此，设置隅撑就十分必要了。
　　另外门式刚架与基础是通过地脚螺栓连接的，当水平荷载作用形成的剪力较大时螺栓就要承担这些剪力，我们一般不希望螺栓来承担这部分剪力，在设计时我们也没考虑它的作用，而是设置刚架柱脚与基础之间的剪力键来承担这部分剪力。
文章来源：北新建材

---

一、轻钢结构建筑及轻钢结构住宅发展现状
1.1轻钢结构建筑的发展现状
改革开放以来，中国的钢产量有了很大的提高，特别是从1997年以后，中国的钢产量突破1亿t，但中国的钢结构用钢量占总钢产量的比例仅为3％左右，而在钢结构用钢量中，建筑钢结构用钢量又仅占10％，(大部分为工业车间、汽车展厅等)这与中国作为产钢大国的地位是很不相称的，为此，国家外经贸委会同冶金部制定了在建筑工程中推广使用钢结构的一系列政策措施，鼓励建筑工程采用钢结构形式，争取在2010年建筑钢结构的用量达到总钢产量的6％。
1.2轻钢结构住宅的发展现状
中国轻钢结构住宅起步很晚，只是改革开放后，从国外引进了一些低层和多层钢结构住宅，才使我们有了学习与借鉴的机会。1986年意大利钢铁公司和冶金部建筑研究总院合作，介绍了一种低层轻钢结构住宅建筑体系－Bsis，并在冶金部建筑研究总院院内建造一栋二层轻钢结构住宅样板房；1988年日本积水株式会社赠送上海同济大学两栋轻钢结构住宅(二层)，建在同济新村中；20世纪90年代个别国外公司为推广其产品在北京、上海等地建立多层轻钢结构办公、住宅楼。
大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构住宅还是近几年才发展起来。目前，在北京、天津、山东莱芜、安徽马鞍山、上海、广州和深圳等地开展低层、多层和高层钢结构住宅试点工程，目前已经建成几十万平方米，这说明了钢结构住宅的发展势头良好。
近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，中国钢结构发展十分迅速，轻钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。特别是在中国大中城市中，人多、土地资源少，而人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大范围应用钢结构住宅，这是中国生产力发展到一定阶段的必然产物，它是符合国家产业政策的推广项目。
二、轻钢结构住宅相比传统结构形式住宅的优势分析
2.1钢结构住宅结构上的优势
2.1.1能合理布置功能区间
利用钢材强度高的特点，设计可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔、灵活方便，创造开放式住宅。而传统结构(砖混结构、砼结构)由于材料性质限制了空间布置的自由，如果开间过大，就会造成板厚、梁高、柱大，出现“肥梁胖柱”现象，不但影响美观，而且自重增大，增加造价，购房者在二次装饰时，经常由于自行改变墙体位置，增加隐患。
2.1.2轻钢结构住宅空间利用率高
在空间使用率上。钢结构的断面小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8％左右。在建筑风格上，钢结构建筑也更显灵活丰富，户内空间可多方案分割，可以满足不同用户的需求。
2.1.3自重轻、抗震性能好
相同建筑面积的建筑楼层，轻钢结构自重轻，根据比较，6层轻钢结构住宅的重量，仅相当于4层砖混结构住宅的重量。而且钢材具有延性，能比较好地消耗地震带来的能量，所以抗震性能好，结构安全度高。
2.2钢结构住宅经济性占优势
2.2.1施工方便、工期短
钢结构构件，可以实行工广化生产，现场安装。由于现场作业量小，对周围环境污染少，同时，施工机械化程度高，加快了施工速度。根据统计，同样面积建筑物，钢结构比砼结构工期可缩短1/3，而且可节省支模材料。
2.2.2综合造价低
由于自重轻，基础费用降低，总体用料减少，直接成本降低，建设工期短，间接费又可减少，所以综合造价低。
2.2.3符合住宅产业化和可持续发展的要求
轻钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工—体化，提高住宅产业化的水平。
另外，钢材报废后可实现100％废品再回收利用，所以称“钢结构建筑”为“绿色建筑”毫不为过，它是适应我们人类可持续发展战略的新型建筑形式。
三、轻钢结构住宅发展阻力(颈瓶)分析
3.1社会认可度
轻钢结构住宅的发展面临的首要问题是整个社会对这种新住宅体系的接受需要一个过程。轻钢结构住宅体系是在国外尤其是北美地区木结构住宅的基础上发展起来的，这两种体系虽然在国外已经十分成熟和完善，但是对于中国来说却完全是新东西。，因而各种困难几乎无处不在。中国的消费者由于长期以来住惯了砖混或钢筋混凝土结构的住宅，从慢慢开始接受到逐步喜欢轻钢结构住宅，也需要—个渐进的过程。
3.2发展轻钢结构住宅技术上还不够成熟
钢结构体系住宅成套技术，由于过去缺乏技术引导，市场需求没有达到产业化程度，因此，中国的相关产品功能性单一。工业化程度不高，产品质量还不能满足住宅产业化标准的要求。目前，该技术零散而不系统，技术水平及标准参差不齐，不配套，需进一步研究创新并进行整合。
此外，在建材和部品方面，目前建造轻钢结构试验工程所需材料许多要从国外运来，甚至有些由外商在中国大陆委托加工的部件，往往也只能到国外去采购，在国内市场上一时还找不到。这也制约了钢结构住宅的发展和推广。
3.3专业技术人才缺乏
在人员方面，由于国内无论中等或是高等专业学校的教学内容中均少涉及轻钢结构住宅体系，因此中国建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之甚少，而更加缺乏的是熟练技术工人，所以虽然这一体系单纯从技术层面上讲并无多少难度，但真正推行起来却往往缺乏得力的骨干。
3.4工程造价问题
目前，轻钢结构住宅在中国大陆的报价大约是同条件传统混凝土结构住宅的1.5倍左右，国内消费者近期还难以接受。然而这种价格在国外比起其他结构形式住宅的造价来说，却具有很强的竞争力，这也就是为什么轻钢结构住宅体系在国外能够蓬勃发展的原因。任何新技术的产生与发展都是与所处社会的技术经济背景相联系、相适应的，目前，美、日、欧等发达国家和地区，人均GDP约为中国的40～50倍，劳动力价格约为中国的20～30倍，因此，符合产业化生产方式的轻钢结构住宅在发达国家远比中国更易被市场接受。而中国由于科技和生产力发展水平较低，劳动力价格便宜，尽管轻钢结构住宅的性能和舒适度较高，但其对下传统建筑形式住宅的竞争优势反倒不够明娃，因而市场接受起来比较缓慢。
3.5缺乏有针对性的钢结构住宅规范及相应标准
中国的标准规范是针对儿十年来大量使用的结构体系编制的，轻钢结构住宅体系此前在中国属于技术空白，所以不能满足中国现行强制性规范的某些条文。例如中国建国以后建造的建筑物，多采用砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料，由此导致中国的《建筑设汁防火规范》在材料选用方面似乎较国外苛刻，轻钢结构住宅难以满足其要求。这种与国内规范不衔接的状况，使轻钢结构住宅项目无论在工程报建阶段还是在工程验收阶段，都会遇到数不尽的障碍与麻烦。
3.6钢结构住宅本身缺陷
钢结构防火能力差。经过防火处理的钢结构的耐火时间也只有2h～3h，远远逊色于砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料。
3.7缺乏相适应的建筑管理模式
在建筑管理方面，中国现行的建筑管理模式与轻钢结构住宅这种工业化生产方式也不适应，中国加入WTO以后，国外许多住宅生产企业希望进入中国大陆市场，但是他们搞不清自己来到中国后应当申领什么资质，属于什么身份——设计单位?施工单位?集成商?还是制造商?
四、钢结构住宅发展前景展望
按发达国家的最低水平推算，中国钢结构用钢量至少有3600万t的发展空间。在近期内，国家将大力发展钢结构建筑，力争每年建筑钢结构用钢将占全国钢材总产量的3％以上，年均钢材消费量为350万t～400万t；到2015年，将再翻一番，全国建筑钢结构用钢材占钢材总产量的6％以上，由此可见，钢结构住宅市场前景十分广阔。
4.1适合建筑用的特种钢将不断涌现
随着中国钢铁企业冶炼技术的提高，为适应市场的需求，适合建筑用的特种钢必将不断地涌现，例如宝钢、武钢等钢铁企业成功开发的耐火耐候钢，它是通过合适的技术，使钢材含有特定的成分(如加钼等)，使钢材的表观结构及金相组织发生变化，从而使钢材本身生成所需的耐火性和耐候性，多种新型建筑用钢的出现将大力推动钢结构住宅的发展。
4.2国家将重点支持轻钢结构住宅的建设
轻钢结构住宅建设在中国才刚刚涉入，中国现在是一个产钢大国，年产量3亿多t，发展钢结构住宅有很大的潜力。20世纪90年代，国家建设部和国家经贸委一致通过，将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为中国建筑业用钢的突破点，并正式列入国家重点技术创新项目。这一举措为中国的钢结构发展奠定了基础。如今，由于国家的宏观调控作用，房市出现了前所未有的低迷，在这个时机推出钢结构住宅，利用钢结构住宅的优势来吸引市民目光，刺激消费，增加市场的购买力，起着事半功倍的作用。
4.3钢结构住宅建筑技术将不断发展
随着钢结构建筑的发展，钢结构住宅建筑技术也必将不断的成熟，大量的适合轻钢结构住宅的新材料也将不断的涌现，同时，钢结构行业建筑规范、建筑标准也将随之逐渐完善。相信不久的将来，轻钢结构住宅必然会给住宅产业和建筑行业带来一场深层次的革命。公务员之家
4.4发展轻钢结构住宅是中国住宅产业化的必由之路
住宅产业化是中国住宅业发展的必由之路，因为这将成为推动中国经济发展新的增长点。轻钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，因此轻钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着中国住宅产业的发展水平和前途。
五、结束论
如果说钢筋混凝土结构的发展使施工从手工进入了机械化，那么钢结构的应用就将使住宅施工实现现代化，轻钢结构住宅将成为建筑现代化发展的一个重要标志。“轻钢结构是环保住宅，钢结构符合可持续发展概念”——21世纪钢结构将占领广阔的建筑市场。在中国目前大力推广住宅产业化的时代背景下，钢结构体系必将成为住宅结构体系的主流。