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1、Yl O 2 0 1 3申请同济大学工学硕士学位论文钢结构装配住宅墙板体系及相关技术研究培养单位一级学科二级学科研究生指导教师建筑与城市规划学院建筑学建筑技术科学潘翔韩建新二0 0 六年五月摘要摘要在我国经济持续高速发展和钢材产量相对过剩的大背景下，铜结构住宅将节约资源和可持续的发展观落实在建筑领域中并响应了建设“节约型”社会的要求因而迎来了大发展的契机，为使其技术体系逐渐成熟完善相应的研究势在必行。本文所作的课题研究便是在分析研究国内外钢结构装配建筑的现行技术的基础上，以工程项目为依托探讨钢结构装配住宅技术应用中的问题，力求找到一定的解决方法，以实际行动积极推动住宅产业化的进程。关键词：钢结
2、构，预制装配，墙板体系，标准化，模数化，产业化A b s t r a c tA B S T R A C TW i t ht h er a p i de c o n o m yd e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r ya n dt h er e a l i t yo f r e l a t i v e l ys u p e r f l u o u ss t e e lo u t p u t，s t e e ls t r u c t u r er e s i d e n c ei sf a c i n gag r e a tc h a n c et od
3、 e v e l o pr a p i d l y a sa na n s w e rt o p r o v i d e n t s o c i e t ya n dt h ei d e ao fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t A tt h es a l n et i m es t u d yi nt h i sf i e l dm u s tb ed o n et oi m p r o v ei t st e c h n o l o g y s y s t e m T h i sa r t i c l ei so nt h et o p
4、i co fs t e e ls t r u c t u r ea s s e m b l e dr e s i d e n c e，w h i c hi sb a s e do l lt h ea n a l y s i sa n ds t u d ya b o u tp r a c t i c a lt e c h n o l o g yi nt h i sf i e l dh o m ea n da b r o a da n dar e a lp r o j e C tt Of i n dt h ep r o b l e m si np r a c t i c ea n dt r yt
5、os o l v es o m e I nt h i sw a y，Ic a nt a k ep a di nt h ep r o c e e d i n go fp r o m o t i n gr e s i d e n c ei n d u s t r i a l i z a t i o na c t i v e l y K e yW o r d s：s t e e ls t r u c t u r e，a s s e m 垮e，w a l lb o a r ds y s t e m，s t a n d a r d i z a t i o n,i n d u s t r i a l i
6、z a t i o nI I I论文框架第l 章钢结构住宅成为我国住宅主要发展方向的原因第一部分钢结构装配建筑概述第1 章钢结构住宅成为我国住宅发展方向的原因1 1 钢结构住宅的特点与砖混结构、钢筋混凝土结构、木结构住宅一样，钢结构装配住宅是住宅建筑的重要类型，其特点在于以工厂机械化生产的钢梁、钢柱为结构受力骨架，同时配以新型轻质、保温、隔热、高强度的墙体材料作为围护结构建造而成。与传统结构住宅相比优点突出，不仅钢结构自身独特的表现力给住宅的形象设计带来新的可能性，更重要的是将明显影响建筑的设计工作方法及施工手段最终达到建筑产品的质量提高和推进建筑产业整体升级的根本目的。其将给建筑行业带来了一
7、场从设计、施工、到一系列新材料的使用的革命性变化，作为面广量大的住宅采用钢结构后产生的综合效益将尤其明显。钢结构住宅与传统结构相比，在使用功能、设计、旖工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下方面：1 1 1 有利于更灵活地布置功能分区，给设计带来新气象在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够创造大跨度空间，减少竖向构件的数量，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于结构形势及所用材料的性质，限制了平面空间布置的自由如果开间过大，就会造成楼板厚度加厚，梁柱截面过大，不但影响室内美观，而且加大结构重量，增加土建投资居民在二次装修时经常自行改变墙体布置，既增加了经济负担，又
8、因破坏承重墙而增加了危险隐患。因钢材强度高，钢结构住宅便于采用较大的柱距的结构柱网，构件的断面尺寸也相对较小，这使建筑平面分隔灵活，既让建筑师的设计回旋余地较大，又给用户提供了根据不同用途而改变布局的可能，可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，利用钢结构连接简单的特点。在垂直方向内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢第1 章钢结构住宅成为我国住宅主要发展方向的原因结构住宅的构件尺寸较小，可以增加使用面积，提高得房率。此外钢结构的断面形式多种多样，在解决了防火、防蚀等问题后，其本身的造型特点将有可能得到更充分的展现，如H 型钢的断面，内部空间不仅可以结合窗帘盒等室内构
9、件进行一体化设计，还可以作为设备管线的通路，更加节约宝贵的使用空间，减少开洞对墙体的影响。梁宽通常比柱径小。因此有可能隐藏于墙内，即使露在室图1 1 裸露在房屋内部的钢结构【l】内也可在墙顶结合灯具，吊顶等做成多种装饰造型，可见钢结构给建筑细部设计带来许多可能性。1 1 2 设计制造周期短，设计生产一体化现代钢结构住宅设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，前期设计和现场的生产手段结合紧密，便于各工种之间的协调一致，提高整体效率。通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的
10、生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。例1 1 3 重量减轻，承载强度高抗震性能优越由于钢结构的材料强度高、用料省、体形小，与混凝土结构相比相同的荷载，钢结构截面积较小，相同的截面，钢结构承载力较大。另外它所使用的墙体和屋顶材料均较轻。这使得钢结构住宅的重量较混凝土和砖混结构明显减轻，从而节省运输费用、基础造价等，在地耐力不佳的区域这种优势尤为明显。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，受地震时作用时自身负担较小：而且。钢材延展性高，设计恰当可避免薄弱处应力集中，有较好的吸收变形能的能力，因此
11、，抗震性能好，结构安全度高。2第1 章钢结构住宅成为我国住宅主要发展方向的原因1 1 4 产品质量可靠、稳定，施工方面优势突出由于采用现代机械化大生产的制造方式，其产品的性能更有保证钢结构除基础外，构件主要由专业工厂标准化生产，由于便于使用较先进的工艺，建筑构件质量容易保证，工业化程度高，然后运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，更容易实现全天候图1 2 日本积水工厂内对钢结构的自动焊接w作业。阳相比之下，传统施工的露天现场制造受客观、条件如施工人员素质、地形、水源、运输等的影响，控制建筑产品的质量就比较困难，也给建筑的验收带来很大的工作量。此外，钢结构住宅易于将节能、防水、隔热的门窗等先进成品
12、集合于一体，成套运用，设计、生产、施工一体化，提高住宅产业化的水平。现浇砼需要连续施工，其结构产生强度需要一定的时间，在我国北方严寒地区冬季气候寒冷，全年能进行湿作业的施工季节有限，以致影响施工的整体效率。而钢结构构件出厂时，已达到使用强度，其不存在强度滞后性，建筑物的建造更多的具有“平行施工”的特点(在造船业已广泛使用)，其整体施工速度是同时进行的数个相关工种的速度和，而不像传统建造方式受串联工序的制约，建造速度是由单一工序决定的。另外，其能够承受较大的吊装荷载，使用强度与运输安装强度容易协调，施工现场作业量小，减少了施工I 临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化
13、水平。由于钢结构本身可承担结构荷载和施工荷载，施工时可以一定程度上省去支模、拆模的繁琐工序大大加快施工速度。1 1 5 综合造价低钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与钢砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理较容易。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面也减少了人工费用和模板等其它辅助材3第1 章钢结构住宅成为我国住宅主要发展方向的原因料费用由此降低成本，使资金价值在施工中充分体现，这对开发商的销售和资金回笼极为有利。钢结构住宅的工程造价是个很敏锐的问题，从目前的情况看，钢结构住
14、宅的造价要略高于钢筋砼剪力墙住宅。有专家测算，小高层住宅钢结构用钢量可控制在每平方米5 0 公斤以下，工程造价增幅即可控制在1 0 左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高，性能价格比也会提高，成本将会有所降低。1 1 6 建筑建成后改建更灵活，也使将来的拆除工作更为便利这是一个容易被忽视的优点。钢结构构件相对较轻，其连接构造相较钢筋砼结构更具有再次拆解的可能性，即使是增加一个焊接连接处，其短时间就能产生强度，无需像钢筋砼结构框架那样“伤筋动骨”，并需大量的模板等施工辅助构件占用现场许多空间，非常影响建筑物的正常使用。现代定向
15、爆破技术使混凝土结构的建筑的拆解成为一大奇观，其本质是将工人的“零敲碎打”改进为建筑自身的“粉身碎骨”，其结果同样都是“一片狼藉”大量不可回收建筑垃圾永远是令人图1 3 爆破拆除旧建筑H头痛的的问题。而钢结构建筑的拆解过程相对是一个较精细的工作，最理想的状况是沿建造时的结构缝解体，这样拆除的构件就有可能再次利用，即使受损后不能使用的构件也可以作为钢铁工业的优质原料回炉得到循环利用。由于其建筑垃圾容易实现“变废为宝”，综合来看其对城市环境的影响和后续工作的难度都小得多。1 2 钢结构住宅适合我国的国情1 2 1 现实的物质基础和技术条件是发展钢结构住宅的有力保障4第1 章钢结构住宅成为我国住宅主
16、要发展方向的原因钢产品和建筑钢材品种的增加为钢结构的发展打下了良好的基础。我国从1 9 9 6 年钢产量突破1 亿吨，已成为世界钢铁大国二十一世纪国家狠抓冶金科技进步，提高钢铁工业的技术水平和装配水平，到2 0 2 0 年前后我国有望成为世界的钢铁强国。H 型钢现在已可以在“马钢”、“莱钢”和鞍山第一轧钢厂生产了。H 型钢的最大截面已达7 0 0 m m，年产能力可达1 4 0 万吨，轻钢结构用的彩色钢板目前年生产能力已达7 0 _ 9 0 万吨，冷弯型钢年生产能力约1 2 0 万吨。这为钢结构建筑的发展奠定了基础。由此可见，我国建筑钢结构的发展将有广阔的前景。此外，高效的焊接工艺和新的焊接、
17、切割设备的应用，如各种反面衬垫方法的双面成型单丝和多丝埋弧焊、龙门架工字梁双侧双丝快速焊接生产线、各种数控火焰机和激光切割机，为钢结构高效制作和生产高质量产品创造了良好条件。高效焊接材料的使用，如气体保护焊和自保焊药芯焊丝以及各种高效焊条，摩擦型强力螺栓和采用扭力自动控制方法以及防腐、防火等新工艺、新材料的开发等都为深入发展钢结构工程创造了良好的条件。1 2 2 我国钢材产能增加，价格回落为发展钢结构建筑提供了良好的机遇全国发展和改革工作会议披露钢铁行业目前1 7 亿吨的生产能力已达大于市场需求1 2 亿吨，还有在建能力7 0 0 0 万吨、拟建能力8 0 0 0 万吨。如此巨大的产能压力，直
18、接导致国内钢价成为全球市场最低，前1 0 个月，钢铁行业利润增幅为1 1 2，已经同比回落5 2 2 个百分点。对此，冶金工业信息中心钢铁专家赵刚认为，虽然产能只是潜在的产量，但花巨资建成新生产能力后，不可能不投产发挥出来。事实上，前两年大量投资给今年带来了新增产能约7 0 0 0 万吨，虽然宏观调控后钢铁投资增速趋缓，但明年可能还会有5 0 0 0 万到6 0 0 0 万吨的增量，产能过剩问题将比今年更加突出。我国年钢产量超过亿吨后，钢材价格从1 9 9 5 年的价格上降下来了，如钢结构制作、安装费(包括材料、制作、运输、安装)从1 9 9 5 年的9 0 0 0-1 0 0 0 0 元吨到
19、2 0 0 0 年末为5 0 0 0-6 0 0 0 元吨。l Z!进入2 1 世纪，随着我国城市进程的加快和人民生活水平的提高，住宅己成为第一位消费需求，国家也把发展住宅建设作拉动国民经济增长的重要环节中国的钢结构住宅目前还只是刚起步，而在美国、英国等国家发展和应用钢结构建筑已有几十年历史，如日本的钢结构建筑占建筑总面积的5 0 左右，韩国约占2 0。美国等国家建筑业用钢材占国家钢材产量的比例高达5 0，而我国5第1 章钢结构住宅成为我国住宅主要发展方向的原因建筑用钢仅占钢材产量比例的2 0。钢结构建筑在整个建筑中所占比重，发达国家达到5 0 以上，但在我国却不到5，差距巨大，同时也说明我国
20、建筑业用钢量的潜力较大。例在钢铁业这一关系到国计民生的战略性支柱产业生产过剩的大背景下，建筑业大力发展钢结构却迎来了历史性的机遇：一方面，我国的钢材虽然产量巨大，但钢材品种相对比较单一，且整体上仍以材性一般的普通钢材为主，特种钢材的生产能力并不强。另一方面，住宅建筑用钢虽然型号规格多样，但钢材材性比较一致，要求并不很高，因为对建筑业而言，大量推广应用钢结构技术本身，已经是很大的进步了。建筑采用钢结构后，对普通钢材的需求是很可观的。严重供过于求的状况迫使钢铁企业另辟蹊径，发展钢结构建筑同时为建筑业和钢铁业找到了出路，因此得到国家政策的大力支持，建设部已发文并委托某些大型钢铁企业进行此类课题的研究
21、。1 2 3 发展钢结构住宅响应了建设。节约型”社会的要求，在建筑领域中落实节约资源，可持续的发展观建筑业是大型物质产品生产部门，其有形资源和能源的消耗都十分巨大，建筑业节约物质资源，最直接的方式就是结构材料和相关围护构件选材的改进，钢结构的采用，减少了对水泥，砂石等无机材料的用量，从而减少了建筑业的运输量，也就间接减少了对能源的消耗。虽然钢材也是不可再生资源，但其可以1 0 0 7 6 回收循环再利用，这一特点使其能满足可持续发展的要求。相比之下，混凝土的原料生产也需要大量的能源，而终产品很难循环再利用的。建筑要节约能源的观念虽然已逐渐深入人心，但更多关注的是建筑使用过程中的节能问题，钢结构
22、建筑使节能成为施工建造领域中的重要目标，从而实现真正的建筑业“全寿命周期”节能。此外，钢结构住宅所用构配件大都是新型的技术含量高，性能好，质量稳定的工业产品，各种材料大多可以回收再利用，其良好的保温隔热性能可以节省大量的能耗；在施工方面，其占用的施工现场，建筑垃圾，噪音等都可以减小到最低的程度，可称之为环保建筑的典范。6第2 章发展钢结构装配住宅现阶段的主要困难第2 章发展钢结构装配住宅现阶段的主要困难2 1 钢结构本身就是便于装配的结构形式装配建筑并不是什么新鲜概念，中国古代的木结构建筑就已成功应用了装配施工方法，以宋营造法式为代表的著作已对装配化的木构件的尺寸标准体系，构件样式等有了系统化
23、的阐述，促进了木结构建筑技术的成熟和广泛应用。由此可见，现场装配程度的提高，有赖于尺寸标准化建筑构件的采用，使建筑物的宏观尺寸与微观构件尺寸密切联系，相互协调。除此之外，现场装配的施工方法对构件尺寸的精确度必然提出一定的要求，否则构件误差累计过大，将给装配校正工作带来很大的不便，其现场露天作业快捷的优点便不能得到充分发挥。现代钢铁制造业是大机器工业的产物，机器制造的产品虽比不上手工制作的多样灵活，但其进行简单重复劳作却很有优势，而且产品稳定性更是人工所无法比拟的。现今建筑钢结构构件大量使用的型钢在业内已形成完善的标准，这为其进行装配施工带来很大的便利，而且与之配套的连接方法无论栓结或焊接工艺都
24、很快捷，其充分体现出装配施工方法的特点一连接迅速，且连接处基本上可以立即产生强度，无需大量辅助构件的支持可见，由于钢结构构件生产加工工艺很容易使其同时满足预制构件尺寸标准化，精确度高和构件易于现场快捷高强连接的要求，使其成为理想的装配式结构体系。2 2 应用与钢结构配套的高质量装配化建筑构件体系是其发展的内在要求钢结构作为建筑主体结构使结构施工真正实现装配化，消除了混凝土结构的强度滞后现象，极大的提高了结构旆工的速度，突破了限制建筑主体施工速度的主要瓶颈，必然对原来与混凝土结构配合的墙体材料，楼板，楼梯等配套构件提出新的要求。传统的砖混结构和混凝土结构建筑的结构材料和围护材料7第2 章发展钢结
25、构装配住宅现阶段的主要困难材性接近，甚至有时使用的使同一种材料，其相互间的连接由于材料的“相似相融”方便地进行粘结，当然为了提高连接可靠性，提高整体强度局部配一些拉接钢筋作为构造上的强化措施。混凝士的现浇湿作业，更是可以将结构与围护培体或楼板楼梯等一起浇筑，确实具有整体性好，防水性好等优点。而钢材与混凝土的传力不能依靠两种材料之间的粘结力，更多的图2 1 钢结构与砌块配合应用是过渡方案吲是依赖钢筋的纹理与混凝土的结构咬合、摩擦等物理性连接，所以其使用的钢筋等钢构件只能包裹在混凝土之中。而钢结构中钢材独立作为结构构件，传统的块材加砂浆粘结工艺应用于钢结构时就出现了问题：砖或砌块不能直接与钢材可靠
26、粘接，必须在其砌筑的墙体中埋设钢筋加强其整体性，并将钢筋与钢结构焊接才能保证连接牢固。这样做使钢结构与围护墙等的连接繁琐，也很影响美观。由于钢结构的制造是建立在大机器工业的基础上，其固有精度明显优于手工图2 2 砌块内配钢筋焊接于钢柱1 3】业基础的块材砌筑，而且其使用大尺寸装配构件旌工速度也较砌墙和浇楼梯楼板快得多，这样就造成了围护构件赶不上进度拖施工速度后腿的尴尬局面。基于砖混和混凝土技术的砌筑墙体外也要现场“涂抹粘贴”作复杂的保温防水等构造层次，工程质量受现场条件和人员素质的影响大，稳定性差，这也使高精度的钢结构技术对提高建筑质量的贡献被其他落后工艺抵消了，显示不出其优越性和生命力。由此
27、可见，影响钢结构住宅推广应用的主要问题不在钢结构本身，而在于与之配套使用的建筑构件性能差，连接工艺不成熟，不合理。钢结构住宅的相关构件次体系主要有：外围护墙体系，屋面体系，内隔墙体系，楼板，楼梯体系和整体厨房卫生间立体模块体系等。8第2 章发展钢结构装配住宅现阶段的主要困难对楼板和楼梯体系而言只要厨房卫生间处能达到好的防水效果，其强度不成问题，但由于它是人们活动的主要承载平台，加之钢材弹性大而结构重量相对较小使隔音减振问题显得比较突出。内隔墙体系主要是进行室内空间的分割，其无需承重，本身强度也无需过高因此经常使用较轻的材料制作，关键是要具有较好的隔声能力，一定的耐火性，及局部有防潮性能。屋面体
28、系和外培体系同为外围护体系，由于处于建筑室内外的分界处，其要解决的问题最多：保温、隔热、隔声、防潮、阻燃、防腐蚀、风化、冻融破坏，有一定强度能承受机械冲击，耐久性好等。其中因外墙的砸积较大易受外界环境影响，成为诸多问题的重中之重。外墙体系的问题解决不好，整个钢结构住宅体系必然是不成功的。9第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析第二部分对钢结构装配住宅体系的分析第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析3 1 北美轻钢结构住宅体系图3,1 典型的北美小别墅【4 l在北美，冷弯型钢框架由于价格稳定，质量可靠，与传统的木构架有相似的性能，而较之在防火，防腐，防蛀等等方面就有明显的优势，加之成功的市场
29、营销很快得到许多建筑商和设计人员的关注和认可。一些相关机构，如美国住宅和城市发展部(H U D)，国家制造者联盟(N A H B)，北美钢框架联盟(N A s F A)，等共同对此进行了深入持久的研究，编制了相关的设计规范和应用指南，进一步提高了以市场接受度，推广了它的应用。【4】北美的钢结构小住宅与其木构住宅有一定的继承性，使用的材料都比较轻，较少使用重型施工机械，感觉上似乎仍有临时快速住宅的色彩。钢结构住宅体系相对于传统的木结构住宅，主要是钢承力构件取代了木承力构件，维护和装修材料并没有太大的差异，室内居住空间处理和传统住宅类似，比较容易被居住者接受，因而其推广速度也比较快。3 1 1 结
30、构形式典型的北美钢结构小住宅结构采用的是轻钢龙骨体系，一般在4 层以内，也可建造6 7 层的房屋。承重墙体内钢骨间距通常为4 0 0 咖或6 0 0 哪，墙体的厚度一般仅为1 0 0-1 5 0 m m；楼面钢骨的断面高一般为1 5 0-3 0 0 r a m。此种住宅大都采用各种坡度的坡屋面，屋面的结构基本上是由钢骨构成的三角形屋架或三角形l O第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析刚架体系，楼面和屋面的钢骨间距与墙体钢骨间距一般相同。以冷弯型钢组成的不同断面的梁和柱，布置灵活，通常，此结构形式住宅的最大长度和宽度可以做到l l x l 8 m 以上，房间的分隔也很灵活。图3 2 轻钢龙骨
31、结构施工【3】图3 3 轻钢龙骨结构施工【3】从局部看，此结构形式采用的单个结构构件尺寸小、重量轻，搬运就位容易。钢骨架的相关配件如螺丝钉等容易制造，采用自攻螺丝为主的连接节点，简单易行，便于施工但从整体看，构件小就意味着数量多且连接繁琐，连接点出问题的可能也多，结构表面积大，材料薄，防火，防锈处理相对比较困难，如用于住宅的G 6 0 镀锌钢板的表面锌层虽然力理论上可保证5 0 年的设计基准期内的耐腐蚀要求 4 1，但钢骨安装搬运时要特别小心，以避免对镀锌层造成损害，而众多钢骨要想万无一失也不容易。相比之下，重型钢框架，可在架构完成后喷涂防火防锈漆，性能更有保证。不过，对小住宅而言，其这些缺点
32、并不很明显，也得到了广泛应用。3 1 2 墙板体系北美轻钢结构住宅使用的外墙体系是在这种4 0 0 或6 0 0 m m 间距的钢骨间图3 4 结构连接以自攻螺丝为主【4 l布置了各种支撑体系后，在两侧安装上结构板材或饰面石膏板，以形成一种非常可靠有效的“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”，可以比较好地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。显然这种墙板体系的整体受力特性使传力路径比较模糊。钢骨架与板材各自发挥出自身的受力优势，两种构件使用上相辅相成，有机组合：骨1 l第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析架承受水平竖向荷载并最终传给基础，并保证房
33、屋的整体稳定性；结构板利用其受拉性能好的特点加强局部墙体的刚度，在地震时分担钢龙骨的形变荷载，但结构板材本身由于厚度有限，在板厚方向的刚度必然较小，而背衬的钢龙骨问距不大能对整块结构板材的形状进行有效的定位控制，以保证结构板的平整度。北美地区广泛使用的结构板材是经过防腐放水处理的厚度不小于1l n n n 的定向刨花板和1 2 m 胶合板。钢骨与结构板材间或饰面板材的连接，全部采用自攻螺钉或普通钢钉，安装很方便。图3 5 墙体钢骨构件【4 J图3 6 室内的施工照1 3 J内隔墙，外墙内侧或吊项铺设的板材通常是防火石膏板，厚度采用9-1 5 r a m,合理选用防火石膏板的厚度和铺设的层数，可
34、以达到1 小时以上等不同耐火极限的要求。此外石膏板还有一个优良特性一呼吸功能，可在多雨季节吸收空气内大量的水，使室内的空气保持干燥，而在秋冬季节比较干燥的时候可把储存的大量水分释放出来以调节室内的空气湿度，住在石膏板的房子里比砖石水泥砌图3 7 墙体和基础连接方式抗拔连接件【3 J(一般用直径1 6 r a m的地脚螺栓)第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析筑的房子舒适是显而易见的。轻钢钢骨结构的住宅所采用的保温隔热材料以玻璃纤维棉为主，当墙面作外保温时，比较多的采用刚性挤塑成型发泡材料。这些保温材料通常也是良好的隔音材料，隔声效果一般可达4 0 分贝，大大减小了房屋的环境噪音污染。外墙体
35、通常采用单向透水的建筑纸或其他优质防水卷材或涂料，并辅以防水外挂装饰材料。由于轻钢龙骨的断面比较小，结构构件可完全隐藏于墙体中，无论从室内外都感觉不到钢铁的存在：这使其在空间效果与传统住宅相似，使用者容易接受。总体来看，轻钢结构低层住宅的耐久性与适用性是完全有保障的，丝毫不逊于传统的木结构或砖混结构房屋。3 1 3 性能特点与优势1)灵活适用轻钢龙骨小住宅可布置为大开间，自由分隔；无梁柱外露，室内空间完整；室内水电管线可全部暗藏在墙体中，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；经合理设计，墙体和天花板可以吊挂各种家用电器设备；房屋建筑设计灵活，可以设计成不同风格的立面造型，表现
36、力远超传统材料的建筑，可以兼顾不同用户的特别喜好，有较好的适用性。2)自重轻由于此种墙板体系中采用的材料都有轻质高强的特点，其在承受同样有效荷载的情况下，自身重量便大大减轻了，仅为砖混结构的1 4 至l 6，因此其基础的处理就很简单。并且此龙骨一结构板墙板体系由于钢龙骨既是建筑结构构件，又同时起到围护板材的构造龙骨作用，其用钢量比较节省，一般为3 0-4 5 k g m 2 平米此外，由于轻钢龙骨构件重量较小，在仅有简单机械的情况下，也可以方便地施工，应用的灵活性好。3)施工快由于建筑材料大量采用工厂生产的制成品和半制成品，现场装配以干作业为主，这种房屋的施工安装速度很快，通常一幢3 5 0
37、平米左右的住宅，包括精装修和设备安装，整个建造过程约只需4 5 天，大批量小区的开发，更能体现出施工的快捷性。此外，主要用材制造机械化程度高，施工管理先进，容易保证第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析施工质量，现场风险小也是其明显优点。4)经济合理虽然轻钢结构的小住宅的用材和施工工艺与传统建筑有很大区别，但主要材料仍为目前工业可大量提供的成熟通用产品，如C 型钢，o s b 板，石膏板等材料都是多用途的，不是建筑业的专用产品，既易获得，价格也合理，连接方法也多为常用的自攻螺钉、螺栓一螺母等，方便实用，这些都有利于其技术的推广应用。因为很多材料具备结构与装修双重功能，钢结构低层住宅通常是结构
38、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。但有些数据可以说明一些问题：若不刻意地强调装修效果，这种低层房屋的结构综合造价大约在1 4 0 0-1 8 0 0 元平米，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。在装修品位不同及设备定位不同的情况下，装修房的总造价通常在2 5 0 )-3 5 0 0 元平米之间，但与目前市场上的装修成本相比，仍具备较强的竞争力。尤其当考虑到这种房屋的节能效益，以及9 0 以上的得房率，其综合经济效益是十分明显的。”。3 2 欧洲的钢结构住宅体系3 2 1 芬兰钢结构住宅体系1 芬兰钢结构住宅体系技术介绍与分析1)结构体系芬兰的
39、钢结构小住宅也采用轻钢龙骨框架结构体系，并以达到很高的工业化程度。在轻钢龙骨结构体系中所用的T e r m o 龙骨用热浸镀锌薄壁钢板制成，壁厚通常为1 0 至2 O m,截面形式通常有c 型(主要用于垂直构件)，和U 型(主要用于地梁和和顶部的水平横梁)，门窗洞口过梁采用两个C 型构件组合成工字形截面。与普通型钢的主要区别是，T e r m o 龙骨的腹板上图3 8 龙骨杆件的连接【6】打了不同形状的槽孔开槽孔的目的是削弱冷桥的1 4第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析作用，改善钢龙骨的隔热性能。众所周知，钢结构的导热性能比较好，但会形成“冷热桥”芬兰T e r m o 龙骨的钻孔可使热
40、传导的路径变长，也更为曲折，而且局部断面的减小也给热传导造成困难。打孔钢框架的具体传热能力取决于所钻孔的形状，大小，比例以及填充空洞的材料T e r m o 孔可使钻孔的钢框架的隔热能力相对于实心的钢框架可提高9 0，同时T e r m o 孔对钢框架的承载能力的影响仅为1 0，所以它对横断面的影响不是很显著。同由图3 1 3 可见，建筑的龙骨框架除主要受力大粱外，几乎全部采用了有较图3 9 T e r m 龙骨样式嘲图3 1 0 屋架处的连接【5 J图3 1 1R o s e t t e 节点嗍图3 1 2 墙基处n 脚龙骨框架用高单向热阻的T e r m o 龙骨，使整个建筑结构框架能够在
41、水平向大大减弱热量的传导，从而实现抑制冷热桥的效果，但以T e r m o 龙骨做柱顶连接由于受力断面不理想(图3 1 0)，其更多的起结构联系的作用而较大荷载则由u 型梁承担。薄壁型钢的连接方法对结构功能及其传力性能有很大的影响，特别对于屋面结构的连接尤为重要。钢框架现场安装时，节点采用自攻螺栓，在预制构件厂安装时部分采用铆钉。此外，芬兰针对薄壁型钢开发了一种R o s e t t e 节点连接方法。(图3 1 1)第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析这种连接通过在两块钢板间施压形成摩擦连接。在两块钢板上各开一个2 0 m 的洞，在其中一块钢板上开孔的钢材被做成“衣领”型。一块钢板的卡环
42、被压入另一块钢板的洞口圆周内，形成紧密连接的节点。与传统的钢结构节点相比，这种节点节点加工速度快，只需一个工序；不需其他连接材料；最后固定前不需卡具等设备；简洁且品质量良好。图3 1 3 结构体系组成嘲2)外墙体系钢框架结构中的承重及非承重外墙都采用轻型钢框架结构，外墙既可以现场拼装也可以用做好外装饰板的预制墙板单元。外墙板是一种夹心构造，中间是受力龙骨，骨架中填充保温材料外侧装9 咖的防腐蚀的石膏抗风板，最外层是薄金属建筑装饰板，可以是平板，也可以是压型板。内侧是防潮层和室内包覆面板。塑料防潮面层在接缝和节点处要延伸一定的长度，以保证足够的连接，使接缝处密封性更好。室内面板往往也采用防潮及防
43、火性能较好的1 3 m 石膏板，也可以选用其他材料的面板，如硬石膏板，多层板，中硬的木纤维板等。(见图3 1 4)外墙板对外装饰板的使用没有限制，砖砌体，木板，薄灰泥板，以及各种金属装饰板皆可。第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析图3 1 4 外墙体系构造组成H外墙体系有两种旌工安装方式：a 完全现场安装此施工方法在基础施工完毕后即可安装轻钢框架，且安装时所需的工具简单。除了顶部连梁，所有T e r m o 龙骨均按设计尺寸在工厂下料并运至现场，连梁一般以6 8 米的固定长度运至现场，并在现场根据需要截断。这种体系对每幢住宅都要进行详尽的设计，以便使龙骨能按正确的尺寸下料并就位。框架拼装好
44、，就可以安装防风板，隔热层，防潮层及内层墙板。在安装的过程中，节点要预先定位并用夹子加紧。垂直骨架的安装顺序和支撑工作都很重要，安装时要求核准支撑定位和框架的支撑，先安装两边的角部支撑，随后才是角支撑间的垂直支撑。地梁和框架杆件中的任何弯折部位，都要求必须在安装龙骨前放置保温隔热层。为减少吊装工作量，还可以预先在地面上将T e r m o 龙骨组装成一个水平框架再吊装就位(图3 1 8)，进一步安装成整体结构，这样做大大减少了繁重的脚手架工程，从结构性能的角度上讲它与完全现场安装的体系类似，且两种体系保温隔热材料的安装方式相同。1 7图3 1 5 墙角处龙骨施工时要支撑1 6】图3 1 6 用
45、龙骨现场拼装形成洞D i e图3 1 7 吊装屋架【6】第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析现场安装施工的工序流程有规定，虽然构件定位的辅助支撑较多，并要经常校准，露天操作仍显不便，但构件在运输时可按材性分类，不宜损坏，效率较高。b 工厂预组装墙板单元墙板单元由墙板钢骨架，隔热层，防潮层以及内外面板组成。成品墙板单元可带有门窗洞口及装饰面层。无论承重还是非承重墙板都制成预制单元。墙板龙骨在工厂用短铆钉连接，挂板(通常为石膏板)用螺栓固定在龙骨上，拴图3 1 8 现场水平预拼装f 6】图3 1 9 预制墙板施工时要支撑嘲钉必需有锌包裹层。当采用T e n 呻檩条作龙骨时，不再需要水平板条，外
46、墙板单元施-r f p 方便。当在住宅建筑中采用预制单元体系作为承重外墙时，框架的安装速度更快，填充保温材料及挂板的工序被取消，甚至安装本身也会更省时，单元安装时需要一台吊车。安装工作开始前，要确定每个单元的安装顺序。预制墙单元直接安装在基础上，安装位置已经经过检查并做出标记，安装时一定要在单元上部加设斜向支撑。墙板接缝处及角部要检查塑性隔汽封条是否正确搭接，以及接缝处的密封处理是否正确。预制单元之间的节点连接件通过自攻图3 2 0 检查墙角处防潮层搭接【6 l图3 2 1 外墙转角部处理【6 l1 8第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析螺栓相连，当墙板单元安装并固定后，角部要封保温材料和
47、防风板条。单元连接的节点位置，底座位置及角部接缝处都要挂腻子密封，单元接缝处还要封密封带来保证单元连接处的气密性和水密性。预制墙板单元的在工厂制作，质量更有保证，现场操作快捷，但搬运就位工作就比较繁重，运输时也要更加小心，以防由于门窗、内墙面等脆弱部件损坏使整个墙板单元不能使用。2 对芬兰钢结构住宅体系的总体评价钢屋架和墙板单元可在一条生产线上生产出来，从切割薄壁钢板卷材开始，最终的产品为可供安装的龙骨单元。从设计到成品生产已经一体化，其优点突出：无需中间的存储和额外的运输；人工劳动量少且不需要专业技术；材料浪费最小；生产速度快且产品质量高。其两种施工方式使工厂制造的程度可灵活控制，以满足产业
48、发展不同阶段的需求。芬兰体系与前述北美体系技术的关注点主要在结构形式上，围护其的板面保温层等构造层次相对而言采用比较就手的成熟材料和做法。尤其是芬兰体系使用的T e r m o 龙骨及R o s e t t e 节点等是经专门设计的建筑构件，性能提高的同时若要在其他领域通用就比较困难，因此要有一定建设量才能控制造价显示出其优势。在依模数制进行标准化设计方面，其考虑并不多，使用的材料本身有虽然有生产规格，但制成的构件要根据每栋建筑的具体尺寸定制，这对不同房型间的部件通用不利。3 2 2 英国的钢结构住宅体系1 传统的产业化住宅体系传统钢结构住宅结构体系中的主要构件包括：墙面立柱，楼面梁，屋面结构
49、，椽子和抗风支撑。根据预制单元大小的不同，该体系又可分为S T I C K 结构，P A N E L 结构，即完全模块体系(M o D u L A R)S T I C K 结构中所有的杆件按设计尺寸切割，主要开洞也在工厂完成，并以单根杆件的形式运至现场，采用螺栓或自攻螺栓连接，均在现场完成。优点是：1)现场可以进行一定的修改；2)对工厂设备的要求低；3)可用集装箱运输，经济性好：4)适用于体形复杂的建筑。缺点是现场劳动量大P A N E L 结构中带骨架的墙板，屋面板，及屋架都在工厂内用专用的模具预第3 章国外钢结构装配住宅的应用现状分析制成型。这种体系的优点是建造速度快，质量易于控制，自动化
50、程度高，现场工作量小；但相对运输费高，现场需要提升设备。图3 2 2 钢结构体系组成【6 l模块体系(M o L D u L A R)的特点是以整个一个房间为一个模块，均在工厂预制，运至现场的将是一个包括地毯，家具及各种设备的完整的房间单元。三种体系的结构组成示意见图3 2 3。另外，根据竖向承重结构在楼板处是否断开，又可将体系分为B A L L 0 0 N式和P L A T F O R M 式框架。前者的墙立柱在楼板连接处不间断连续通过，因此，用于P A N E L 结构时，承重外墙板通常要高于一层。P L A T F O R M 式框架体系中墙立柱在每层楼板处均断开，结构一层层地旄工，下面