美式轻型钢结构住宅体系介绍.doc

美式轻型钢结构住宅体系介绍212020年4月19日资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。ABC美式轻型钢结构住宅体系介绍潘红晓 刘承宗上海美建钢结构有限公司 上海 03摘 要 本文详细介绍了ABC北美风格低层钢骨结构住宅的结构体系以及相配套的材料类别与性能, 分析了其作为居住用房的适用性问题, 以及其作为较新的一种住宅体系所表现出优越的综合性能。对于在中国引用、 消化、 改进与推广这种住宅体系, 促进住宅建设产业化发展的一系列的规范、 市场和政策问题也作了简要的分析。关键词 钢骨结构住宅, 材料, 适用性, 市场前景Analysis on the Structural Systems and the Application of Low-Rise Dwelling with Cold-Formed Steel FramingPan Hongxiao Liu ChengzongShanghai ABC Steel Structure Co., Ltd. Shanghai 03Abstract: Here in this paper introduced the structural system and the performance of various kinds of structural and decorative material for low-rise dwellings with cold-formed steel framing, and analyzed the serviceability and the comprehensive advantages of the residential system. How to develop and popularize this residential system and then push the industrialization of housing construction in China were also discussed, which included several facets to this question, such as building code, domestic marketing, country policy, and so on.Keywords: residential building of cold-formed steel framing, buildings material, serviceability, marketing potential. 1 北美轻型钢结构低层住宅的发展长期以来, 美国的住宅建造者一直都选择性能优越, 供给丰富, 成本相对低廉的木材作为建筑材料。然而, 近来由于建筑木材价格的增长和不可预见的波动以及对质量的关注, 促使建筑商和其它住宅供应商去寻找其它可替代的建筑产品。过去约 期间, 美国住宅市场中冷弯型钢框架的应用有明显的增加。其价格稳定, 质量可靠, 类似传统木框架, 市场营销成功, 以及防火, 防腐和防白蚁等等优点引起许多建筑商和设计人员的强烈的关注。相关机构, 如美国住宅和城市发展部( HUD) , 国家住宅建造者联盟( NAHB) , 北美钢框架联盟( NASFA) , 以及美国钢铁研究会( AISI) 等对此共同进行了深入而持久的研究, 并已编制了相关的设计规范和应用指南, 进一步提高了其市场接受度, 促进其被持续使用。由于钢结构住宅体系相对于传统的木结构住宅而言, 主要是用钢承力构件取代了相应地木承力构件, 维护材料和装修材料没有大的差异, 室内居住空间对人的亲和力与传统住宅基本相同, 比较容易被居住者接受, 因而推广速度也比较快。在美国新建的普通低层民用住宅中, 轻型钢结构体系所占的比例已从1990年代初的约5已发展到现在的20左右。1999年以来, ABC致力于在国内推广住宅钢结构, 基于市场的需要和中国国情的考虑, ABC的低层住宅钢结构确定了2种结构体系, 一是钢框架系统, 一是北美冷弯薄壁型钢结构体系, 这2种体系有时也混合使用。当前, ABC参与编制的中国关于”低层冷弯薄壁钢结构住宅”的产品规范业已经过建设部专家评审并报批, 相信会规范并促进中国住宅钢结构行业的快速发展。借此机会, 本文着重介绍ABC的低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系, 供业内参考。 2 结构体系典型的北美钢结构低层住宅是一种轻型钢骨结构体系, 一般为4层以内, 也能够建造6-7层的房屋。承重墙体内钢骨间距一般为400mm或600mm左右, 墙体厚度一般仅为100mm - 150mm; 楼面钢骨的断面高一般为150mm - 300mm, 低层住宅的屋面大都采用各种坡度的坡屋面, 屋面结构基本上采用的是由钢骨构成的三角型屋架或三角型桁架体系, 楼面和屋面钢骨间距与墙体钢骨间距一般相同, 也是400mm或600mm。图1 典型的低层钢结构房屋这种400mm或600mm间距的钢骨间布置有各种支撑体系, 在两侧安装上结构板材或饰面石膏板之后, 形成了非常可靠的”板肋结构体系”。因而, 这种结构实际上是一种复合板块结构体系, 有着很强的抵抗地震和风等水平荷载以及建筑物自重等各种竖向荷载的作用。 图2 典型的住宅结构用冷弯型钢各种冷弯型钢能够组合成不同断面的梁、 柱, 布置很灵活, 一般, 这种体系的住宅最大宽度和长度能够做到11m X 18m以上, 房间内的分隔也非常灵活。除了结构与基础间要布置12-16mm直径的锚栓外, 钢骨与钢骨之间的连接以及结构板材或饰面板材与钢骨之间的连接全部采用自攻螺钉或普通铁钉, 结构连接很方便。3 材料、 耐久性与适用性 建筑领域的革新与进步, 往往表现为建筑材料方面的创新。新型的钢结构低层住宅体系, 除却主要采用钢骨作为承力构件以外, 在其它维护和装饰材料的选择上, 也有自己的特点, 她主要强调以下几方面: 高性能, 轻质, 工厂定制。1) 钢骨构件 住低层宅结构用钢的强度指标一般达到230Mpa或340Mpa, 厚0.46mm-2.5mm, 由钢板压制成C型、 U型或者L型。钢材比其它传统的建筑材料都高, 材质更均匀可靠, 合理设计能够确保结构的安全。人们比较关心的是: 钢给人冰冷的感觉, 居住舒适吗? 传音防火防腐问题怎么解决? 图3 楼板钢骨构件事实上, 钢骨构件完全封闭在维护材料里, 居住空间里感觉不到钢铁的存在; 体系中选用的维护材料都满足防火的要求, 这在火灾条件下能够保护钢骨, 使其在设计的时间内保持正常工作。 图4 屋面钢骨构件生产钢骨构件的钢板在滚轧成型之前一般要经过一个热浸过程, 形成含锌金属镀层以防止钢材锈蚀。金属镀层钢板在建筑施工期间或完工后在设计的寿命期间是不会锈蚀的, 即使钢材被擦伤, 凹下, 切割或冲压, 镀层会继续保护外露的部分, 因为原电池反应使锌在几毫米范围的裸露金属表面重新形成新的保护层。 图5 墙体钢骨构件一般, 设计师会选用不同镀层厚度的镀锌钢板, 或者镀铝锌或镀锌铝钢板, 她们在室内环境( 如墙和楼板骨架) 下不易腐蚀。研究表明位于乡村、 大城市、 海滨和工业环境里的住宅, 锌的腐蚀低于0.1 m/每三年。因而用于住宅的G60镀锌钢板( 镀层厚13 m) 在50年设计基准期内就能够完成使命, 如果选用G90镀锌钢板, 或者耐腐蚀能力更强的镀铝锌或镀锌铝钢板, 就能够获得更长的使用寿命。 2) 维护结构及饰面板材 体系中板材起着及其重要的维护、 防护以及分隔作用。其中结构性板材主要指外墙、 屋面和楼面用板材, 与钢骨构成膈板, 承受面内力的作用。北美地区广泛应用的是防水防腐处理过的厚度不小于11mm的定向刨花板( OSB) 或厚度不小于12mm的胶合板。厨房及卫生间的墙面可采用防水石膏板或其它防水、 防火板材, 地面有时也可现浇一薄层混凝土。图6 楼面铺OSB板内隔墙、 外墙内侧或吊顶铺设的板材一般是防火石膏板, 厚度可采用9mm15mm厚, 合理选择防火石膏板的厚度和铺设的层数, 能够达到1小时以上等不同的耐火极限要求。石膏板除具有防火功能外, 还有一个特性常常不为人所注意, 这就是石膏板所具有的呼吸功能, 可在多雨季节吸收室内空气中大量的水, 使室内的空气保持干燥, 而在秋冬季节比较干燥的时候就会把水分释放出来调节室内的空气湿度。因此住在周围是石膏板的房子里, 要比砖石水泥砌筑的房子舒适得多。3) 保温隔热、 隔音材料 轻型钢骨结构住宅所采用的保温隔热材料以玻纤棉为主, 当墙面做外保温时, 比较多地采用刚性挤塑成型发泡材料, 热阻值一般在R13R30之间。这些保温隔热材料同时也是较好的隔音材料, 一般隔音效果可达到40分贝以上, 大大减少了房屋的环境噪音污染。图7 外保温材料图8 楼层板隔音方案4) 外墙及屋面防水材料 外墙体一般采用单向透气透水的建筑纸( building paper) 或其它优质防水卷材或涂料, 并辅以防水外挂装饰材料。屋面采用各种轻质的金属或非金属挂瓦、 板材或贴面材料。色彩多样、 成本低、 维护方便、 防漏性能好。5) 其它材料结构中还会用到各种紧固件, 粘胶等等, 不一而足。从前面论及之材料选用分析能够看到, 轻型钢结构低层住宅的耐久性与适用性是完全有保障的, 丝毫不逊色于传统的木结构或砖混结构房屋。4 技术先进性与经济合理性1) 灵活适用 轻型钢骨结构住宅能够布置为大开间, 自由分隔; 无梁柱外露, 室内空间完整; 内墙体材料具备呼吸功能, 适于居住; 室内水电管线全部可暗埋在墙体中, 且布置灵活、 修改方便, 更容易布置住宅智能化的综合布线系统; 合理设计后, 墙体和天花板能够吊挂各种家用电器设备; 房屋建筑设计灵活, 能够设计成不同风格的立面造型, 表现远远超过传统材料建筑。因此, 其能够兼顾不同用户的特别喜好, 适用性好。图9 管线在楼面和墙体结构内穿行2) 自重轻承重结构体系采用镀层轻型钢骨就是一大革新。其具有良好的抗震、 防腐、 防虫、 环保和节能效果。用钢量一般为30-45 Kgm2, 建筑物自重仅为砖混结构的1416, 因此地基及基础的处理很简单, 一般采用按构造配筋的钢筋砼条形基础或简单的砖石垒砌条形基础即可。3) 施工快由于建筑材料大量采用工厂生产的制成品及半成品, 现场装配以干作业为主, 这种房屋的施工安装速度很快, 一般一幢350m2的住宅, 包括精装修及设备安装, 整个建造过程大约只需要1个半月左右的时间, 大批量小区开发, 更能体现出施工的快捷性。而且, 机械化程度高, 施工机械简单, 施工管理先进, 施工质量有保证, 现场风险小也是其主要优点之一。图10 结构连接以自攻螺钉为主4) 经济性因为很多材料具备结构与装修双重功能, 钢结构低层住宅一般是结构装修一体化建造, 相对于传统的砖混结构房屋, 造价的可比性并不强。但有些数据能够说明一些问题: 不刻意强调装修效果, 这种低层房屋的结构综合造价大约在15001800元m2左右, 在国内, 其造价还会随着产业化程度的提高以及材料采购的本土化程度提高而不断下降。考虑到装修品位的不同及设备定位不同, 装修房的造价一般在2500-3500元m2之间, 或更高, 但总体上讲, 与当前市场上的装修成本相比, 还是具备较强的竞争力。特别地, 考虑到这种房屋的节能效益, 以及90以上的得房率, 其综合经济效益是非常明显的。我们一般主张按国外一般做法一步装修到位, 节省用户花在房屋装修上所花的时间和精力。5) 环保 轻型钢骨结构住宅所用构配件大都是新型的、 技术含量高的较新的工业化生产产品, 各种材料大都能够回收再利用; 从能量角度看, 其良好的保温与隔热性能能够节省大量的能量消耗; 在施工方面, 其占用的施工现场、 建筑垃圾、 施工噪音等都减少到最低的程度, 这能够称为是环保型建筑的典范。6) 产业化住宅建设对世界各国而言, 都是十分重要的。住宅建设的产业化是各国追求的目标, 就当前而言, 钢结构低层住宅是最能满足产业化要求的结构体系, 其推广必将大幅度地降低住宅建设的综合成本, 创造更大的社会效益。图11 工业化生产与集成运输5 北美轻型钢结构低层住宅体系在中国的应用1) 金属建筑集成商的市场尝试技术的应用是没有国界限制的, 最近十年来, 中国建筑领域最引人注目的是引进了北美的非住宅类门式刚架轻型房屋钢结构体系, 从而形成了一个年市场价值已达300亿左右, 并仍在高速扩张的新型产业。中国住宅建设是更大的一个市场, 但几乎完全被传统砖混结构垄断。随着人们对低层钢结构建筑的熟悉和理解, 北美体系的钢结构住宅也逐渐开始在国内推广和应用。当前, 其市场运作模式主要有两种: 其一, 北美地区的建材生产商和住宅承建商直接向国内出口设计方案和成套住宅产品, 她们在国内设有办事机构或建立了代理机构。但在当前存在相应的问题, 主要表现为: 建筑设计的合法性, 方案的适用性没有保证; 工程周期长和构配件更换增减不方便; 施工技术指导和售后服务跟不上; 更重要的是造价较高。图12 我们在西藏完工的美式钢结构别墅其二, 国内金属建筑集成商, 以中国为基地, 向市场提供钢结构住宅产品。例如, 我们的运作模式就很有代表性: 1 本土设计。作为在中国运作的美资企业, 对中美设计规范和市场取向非常熟悉, 制定有合乎中美规范的设计标准和设计手册, 且具备相应的设计资质, 因而能够快捷提供合乎国家规范要求和市场定位的设计。2 材料全球采购, 合理配置, 降低结构造价, 提高反应能力。3 设计、 制造、 安装一体化本土服务, 确保工程质量, 当然, 也能够根据具体要求, 提供某一阶段的服务。最近几年, 国内已兴建了一些样板工程, 积累了不少经验和教训。2) 规范制定非住宅类低层金属建筑在国内真正形成规模发展是在中国1998年出台了相关的设计规程后才开始的。规范编制的滞后是当前北美体系钢结构住宅推广的主要障碍之一。可喜的是, 当前国家住宅产业化促进中心和中国工程建设标准化协会分别在主持相关规程或标准的编制工作, 相信将对此类房屋的设计、 建造和验收带来极大的便利。图13 我们在NAHB的实验室做墙体抗剪实验研究3) 材料国产化国内的建筑材料生产商和销售商对钢结构低层住宅在国内的发展实际上已有比较充分的准备。当前, 主要的镀锌钢板, OSB板, 胶合板, 石膏板, 防水挂板和挂瓦大都能够在国内采购。而且, 建筑集成商也在和材料生产商合作, 以便开发更有竞争力的国产材料。只有解决了材料供应的瓶颈问题, 国内钢结构住宅建设才会形成工业化、 规模化和产业化。4) 市场推广活动人们对传统的东西总是容易接受, 对新的事物总会抱有怀疑的态度; 只有对事物有了正确的认识, 才会有科学的态度。钢结构住宅体系, 包括北美低层体系, 在国内已引起各方面广泛的关注和讨论, 市场推广和学术研究活动频繁, 各种各样的似是而非问题得到澄清, 人们在心理上也在逐步接受它。6 市场前景在建筑行业, 有两只手在起关键作用: 一是政策导向, 二是市场规律。政策导向表现为一系列的建筑设计和验收规范、 材料准许证制度以及相应的指导性文件。当前, 中国住宅建设发展的根本目标是产业化与环保。很幸运, 我们讨论的这种住宅体系恰好符合这方面的要求。就当前而言, 低层钢结构住宅体系可能是唯一一种既符合中国国情, 又能实现住宅建设产业化要求的结构体系。中国住宅建设在相当长时间里, 将表现出两个特征: 1 城乡建设量大, 2 城郊、 乡村以低层为主, 城市以多高层为主, 低层住宅不可能被多高层住宅取代。低层住宅的确会占用很多土地, 可能要适当限制。但我们注意到, 中国房屋大多建设在平地或良田上, 大量的山地, 坡地都空置在那里, 没有利用, 国外则相反, 尽量避免房屋建设占用良田。轻型钢结构住宅特别适合于在山地或坡地建设, 适当规划后, 实际上能够节约良田并改进自然-建筑人文景观, 这是环保的另一种体现。市场规律则表现为经济性与适用性, 这是很明确的: 不被接受的产品没有市场, 不经济的产品没有市场推广价值。如前所述, 轻型钢骨低层住宅具备一系列的优越的性能, 相信无论是房产开发商、 最终用户, 或者是生产厂家都会从中找到自己感兴趣的东西。基于同样的理由, 我们相信来自北美的住宅类钢结构低层建筑会和同样来自北美的非住宅类钢结构低层建筑一样, 在中国发展壮大, 并形成一个更大规模的新兴产业。参考文献: 1 Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing. Year Edition. North American Steel Framing Alliance (NASFA)2 Standard for Cold-Formed Steel Framing - Prescriptive Method for One or Two Family Dwellings. AISI/COM/PM .3 Residential Structural Design Guide Edition, U.S. Department of Housing and Urban Development, Washington, DC ( )