锡蓉关于国外工业化钢结构住宅应用的探讨

　　概述工业化住宅是指房屋的构件、部品在工厂加工制作后运到现场进行组装的预制装配式建筑。这种建筑设计标准定型，构件在自动化生产线上加工，现场采用螺栓、自攻螺钉等连接件和密封材料干式组装，无湿作业，施工安装便捷。这种工业化住宅的骨架可以采用木结构、钢结构。由于木结构的防火、防腐、防蚁处理及价格问题，大多数采用钢结构。与其它结构相比，钢结构可以说是一种最符合产业化生产方式的结构形式，它最容易实现设计的标准化，构配件生产的工厂化，施工机械化、装配化。

　　工业化低层住宅与传统的砖混结构相比具有以下优点：房屋自重轻：这样就降低了基础的费用，节省了运输安装工作量，抗震性能好；骨架钢构件、围护结构板材及各种配件工厂化生产，精度高、质量好；施工安装简单，周期短，200m2别墅从基础至I装修2个月可以建成；建筑造型美观，房间布置灵活，管道和各种线路布置简便；现场施工文明，基础以上全是干式工法，没有湿作业，建筑垃圾少，属环保型建筑；适用于山区、边远地区以及地方建筑材料缺乏的地区；真正的交钥匙工程，骨架、屋面、墙面、内墙及室内装修，热水系统、中央空调及家电的安装调试全部完工，不需二次装修，用户可及时入住。

　　这种工业化的低层住宅在国外得到广泛的应用，日本每年新建竣工的工业化住宅20万栋左右，按每栋150m2计算，建筑面积3 000万m2.在日本，工业化住宅专业厂家有几十个，其中比较大的七八家，积水、大和、三泽房屋株式会社都是很有名的厂家，这些公司内设有技术部、设计部、生产工厂、施工部及住宅研究所和遍布全国的营业所全面负责工业化住宅的营销、研究开发、设计、构件加工、施工安装及售后服务。公司不是大而全，往往围护结构的板材及配件、施工安装都由专门的关联会社和名牌厂商提供及施工。

　　工业化住宅设计施工除了遵守日本建筑基准法及各种规程、规范的要求以外，还要通过建设大臣认定的工业化性能认定制度，优良节能建筑认定制度，优良住宅部品认定制度。对新开发的3层轻钢别墅也必须通过建设部的各种认定，认定前要进行各种材料、结构性能试验，包括实物的火灾试验。这种严格的审查制度，保证了消费者得到质量优良的住宅。

　　另外，完善的售后服务以及各种部件的保修年限使消费者放心、满意。所以别墅在日本销售量一直呈上升趋势。

　　20世纪80年代中期，随着我国改革开放的深入，工业化的钢别墅也进入我国，上海龙柏饭店、大连桃园山庄、北京光明公寓等引进日本大和、积水、三泽房屋株式会社钢别墅200多栋。近几年苏州、广州又从美国、澳洲引进二、三层别墅，这些房屋的骨架和围护结构、设备等全套从国外引进，中方只负责基础、地坪及房屋部件组装。目前国内一些单位也在进行钢结构别墅的试点。

　　第一作者：弓晓芸女1943年6月出生教授级高级工程师2日本、意大利低层钢结构住宅2.1日本低层钢结构住宅日本工业化住宅厂家很多，各厂家不断研究开发新型住宅，满足市场要求，但是，钢结构体系基本相同，只是在屋面、墙面选材，室内外装修及设备上有所不同。积水房屋株式会社在日本工业化住宅中占领先地位，专利产品预制装配化住宅B型在继承传统工法的优点基础上，把日本传统的木结构住宅改进成钢结构和合成板结构，并采用米制整数值的模数。B型体系提供了多样化自由设计以满足客户不同要求，B型体系的主要特点：（1）采用1m的模数：钢柱间距1m，墙板标准尺寸高25m，宽2m，中间可插入1m、0.5m；（2）骨架采用钢结构，为提高防锈性能进行电着涂层；（3）墙面：在标准尺寸的钢框中竖向铺设板材，干法施工；（4）钢筋混凝土条形基础：使用规格化的钢模板，工厂加工的钢筋，商品混凝土现场浇注，也有工厂预制基础运到现场埋设。下面介绍一般日本工业化住宅的建筑结构形式：（1）钢骨架：一般结构形式有斜撑耐力壁结构、框架结构、框架桁架组合结构及板式结构（见）。

　　斜撑耐力壁结构的钢柱采用厚度32mmC型钢组成工字型或口字型断面，也可以采用H型钢。梁采用厚度5.58mm的H型钢。钢骨架的用钢量平均为60kg/m2，以保证使用及抗震所需要的强度和刚度，梁柱采用镀锌合金钢材加工，磷酸铁膜化学处理后再进行树脂涂料电着涂层，经过这样三道防锈处理后，大大提高钢结构的耐候性和耐久性。需要防火时采用喷涂防火涂料或者用板隔断。

　　楼板：除应具有足够的强度和刚度外，其耐火性、隔音、隔震性能也很重要。干式工法主要有以下三种：①钢梁上设木龙骨，铺木地板；②钢梁上设次梁，钢龙骨，铺木夹板；③钢梁上铺100mm厚ALC混凝土楼板，再铺15mm木夹板，地毯或木地板。也有米用压型钢板上现浇混凝土组合楼板，再在楼板上设采暖设备。）屋面：应抗风雨、防水、防漏、保温隔热、耐久美观。屋面一般做成坡屋顶，根据用户要求，屋面板采用琉璃瓦、石片瓦、彩色油毡瓦、彩色钢板瓦等。

　　为一种住宅屋面的构造。

　　（4）外墙：除满足使用功能要求外，外墙板还应考虑能够工业化生产，考虑与钢骨架连接构造简单，现场安装方便。外墙种类很多，例如，高档的采用陶瓷板、磁砖，一般的采用ALC混凝土板、塑料板、木板及彩色钢板夹芯板。为一种住宅的外墙构造：①57厚混凝土板，表面可加工各种图案；②钢骨架表面进行3道防锈处理；③66mm空气层；④29mm高性能隔热耐火板；⑤12mm石板。

　　这种外墙构造耐久性好，强度高，不易燃，防火性能好，隔热性好，隔声性好，并且防结露，防潮湿，居住舒适性好。

　　（5）门窗：窗户大都采用双层中空玻璃，气密性好的铝合金或塑料门窗，其强度高，隔声性能好，不易结露。窗外可设遮阳百叶窗。根据要求门可作成木门、塑料门和钢门，密闭、开启方便，防盗、防火。

　　2.2意大利低层钢结构住宅意大利BASIS工业化建筑体系是新意大利钢铁公司和热那亚大学合作研究设计的新型房屋建筑体系，是意大利在钢结构应用领域新开发的项目。该建筑体系具有造型新颖、结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方便、采用CAD计算机辅助设计和CAM计算机辅助制造等优点。在欧洲、非洲、中东等地区大量推广应用，获得好评。该建筑体系适用于建造18层钢结构住宅。1986年笔者去意大利考察，参观了意大利低层、多层钢结构住宅及加工厂施工现场。意大利厂商送给冶建院的BASIS工业建筑体系样板房，其结构为框架支撑结构形式，柱子米用H型钢H140mmX140mmX7mmX11mm，主梁米用大断面冷弯型钢2C280mmX 5mm，次梁米用5mm，支撑米用角钢L75mmX 6mm，梁柱通过连接板采用M18mm高强螺栓连接。楼板采用0.带凹痕的压型钢板，上浇混凝土的组合楼板，楼梯为钢楼梯（也可以做成混凝土现浇楼梯）外墙结构的外侧采用80mm厚普通混凝土预制条形板（也可以采用混凝土条形板，板面可预制成各种图案）外墙板设预埋件采用T型螺栓与梁连接，板缝之间设双层密封条，外墙内侧为100mm厚玻璃棉铝箔隔气层，轻钢龙骨石膏板，柱子正好在内外侧墙板的空气层中。内隔墙采用钢龙骨石膏板玻璃棉。屋顶为组合楼板，上面做保温、防水，平屋顶作为屋顶花园，门窗采用SECOL公司彩色钢板门窗及塑料遮阳卷帘，家具有板式组合家具，钢组合家具，灯具、空调、太阳能等设备均为意方产品。这栋样板房建筑面积180m2，所有构件及设备、家具用10个集装箱从意大利运来，该样板房10人40d建成，钢骨架仅用3d.是意大利BASIS工业建筑体系节点构造。

　　3发展我国钢结构住宅的几点想法（1）深刻领会国家住宅产业化、钢结构住宅技术经济政策。建设部和国家冶金局对建筑用钢高度重视，两年来发了好几份文件，多次召开会议，并在拟iT‘十五“产业政策和规划时，把钢结构住宅作为重点加以考虑。指出钢结构住宅基本发展思路是一要打基础，促发展；二要抓配套，促应用；三要抓试点，带产业。指出钢结构住宅体系的研究要高水平，要符合我国的产业技术政策，要符合国家关于走出去的战略政策，要符合经济发展总体要求，要从符合市场走向的角度研究。要求钢结构住宅要以人为本，在研究、设计、材料、配件及加工工艺、施工及管理等方面起点要高。钢结构住宅应以其适用、安全、耐久、环境和经济性能等优良的住宅性能得到用户的认可和满意，另外，要研究开发适合我国国情的钢结构住宅，适合不同消费群体有地方特色的钢结构住宅体系。

　　加大钢结构住宅体系研究的力度。建设部大力推动各省市及大企业对钢结构住宅进行研究开发试点。科研设计单位要支持企业不断改进，逐步完善，搞好各自的钢结构住宅体系。开发低层、多层和小高层钢结构住宅以适应市场的不同要求。对于钢结构住宅来说，结构只是一个骨架，还有许多配套材料和相关技术需要解决，例如，比较突出的问题是墙体材料不配套。钢结构住宅体系必须考虑相关企业的协调发展和科技创新。目前，我国钢结构住宅骨架用的轧制H型钢已在马钢、莱钢、鞍钢生产，上海大通高频焊接H型钢，秦皇岛、武汉冷弯矩形钢管以及全国几十条焊接H型钢生产线、冷弯型钢生产线，为钢骨架提供了多品种的钢材；各种形式的屋面、楼面用的压型钢板、ALC板、太空板、SP板、玻璃棉、聚氨酯板、石膏板、防火板都可以生产；各种螺栓、自攻螺钉以及防水密封材料均可买到；水暖电设备有引进的，有国产的。目前，主要问题是通过设计研究解决如何使这些建筑构件部品很好地组合起来，达到既能满足住宅性能的要求，又能施工安装方便，并且能够使设计标准定型，构件工厂化生产。新的住宅产品，应在材料、构件试验的基础上进行整体房屋试验，总结经验，改进完善后形成一个比较成熟的住宅产品，经过有关部门鉴定再推向市场。建立完善的售后服务制度，使用户放心。

　　钢结构住宅建筑体系可按低层、多层、小高层和高层分类进行研究，日本把23层别墅建筑称为工业化住宅，现在已经日趋完善，在标准定型的基础上可为用户进行单体个性化设计。20世纪80年代中期，我国从日本引进200多栋别墅供外国人住，近几年需求量增加，随着国民生活水平的提高，郊区别墅、乡间别墅已是一部分消费者的选择。钢结构住宅体系可以为这部分消费群体提供理想的住宅。

　　不均匀系数，取1.2 3结构内力计算31结构位移计算整个结构按十字交叉梁系划分成等代柱单元、等效柱单元以及楼板梁单元，采用矩阵位移法计算。

　　单元刚度计算分别采用式（3）、式（6）、式（7）。

　　求解方程（8）可得第i榀抗侧力结构第楼层的位移y/和。

　　求出剪力墙各墙肢在楼层处的剪力和弯矩后，由节点平衡条件和墙肢两侧连梁的线刚度即可求得连梁的剪力和弯矩。

　　对于底层框架柱，求得顶点的位移和转角后，可按普通杆件分别求得各柱的剪力和弯矩。第i片框支墙第1个柱子的轴力可按式（14）计算：第i片框支墙底层楼面转角。

　　求得底层框架柱的内力后，可根据框架节点的平衡条件求得框支梁的内力。

　　对于端点为k的楼板，剪力可按下式（15）计算：4结语限于篇幅，本文不再给出实例。作者己经做过的算例表明：本文方法应用于框支剪力墙结构内力计算，不仅能够考虑楼板变形，而且适用于结构竖向刚度变化的情况。自由度很少且有足够的计算精度。