【鋼結(jié)構(gòu)·動態(tài)】國外鋼結(jié)構(gòu)及薄壁輕鋼住宅建筑的發(fā)展

鋼結(jié)構(gòu)尤其是輕鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑體系誕生于20世紀(jì)初，在二戰(zhàn)期間得到快速發(fā)展。其間多用于對施工速度要求很高的軍事建筑設(shè)施；40年代出現(xiàn)了門式剛架結(jié)構(gòu)；60年代開始大量應(yīng)用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼檀條組成的輕質(zhì)圍護(hù)體系。近些年來，世界鋼鐵總量的增加和國際軍需用鋼量的下降，一些鋼鐵生產(chǎn)大國和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，如歐洲、北美、日本和澳大利亞等，不斷拓展鋼結(jié)構(gòu)使用范圍，建設(shè)各種鋼結(jié)構(gòu)住宅，根據(jù)他們的生活習(xí)慣，主要建設(shè)以1-3層為主的低層獨(dú)立住宅，隨著各國土地資源的減少和人口數(shù)量的增加以北美、歐洲為代表，開始多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究和開發(fā)。各國建筑用鋼量在鋼材總耗量中的比例明顯提高，日本在50%左右。美國、瑞典、日本等國家鋼結(jié)構(gòu)用鋼量已占鋼材產(chǎn)量的30%以上，鋼結(jié)構(gòu)面積約占到總建筑面積40%以上。

1．歐洲

     20世紀(jì)50年代，歐洲由于受“二戰(zhàn)”的嚴(yán)重創(chuàng)傷影響，對住宅需求非常大，為解決房荒問題，歐洲一些國家采用了工業(yè)化程度較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，建造了大量住宅，形成了一批完整的、標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，并延續(xù)至今。在芬蘭、瑞典、丹麥、法國等國,各種鋼結(jié)構(gòu)建筑體系變得非常普及，其中瑞典的鋼結(jié)構(gòu)尤其是輕鋼結(jié)構(gòu)最為發(fā)達(dá)，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件達(dá)95％，同時(shí)也是當(dāng)今世界上最大的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅制造國，生產(chǎn)供應(yīng)歐洲各國。

2．北美和澳洲

　　在美國、加拿大以及澳大利亞，用鍍鋅輕鋼龍骨代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木結(jié)構(gòu)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系，發(fā)展至今已有30多年的歷史。1996年，美國的住宅建設(shè)中輕鋼結(jié)構(gòu)住宅達(dá)20％的比例；加拿大則有30％左右的比例；澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)住宅建造數(shù)量約占50％。但是，這種結(jié)構(gòu)形式主要應(yīng)用于低層的小住宅。90年代后期以來，多層輕鋼龍骨住宅在北美地區(qū)迅速發(fā)展，至今已建成約300萬平方米。除住宅外，這種體系也用于養(yǎng)老院、假日旅館、小學(xué)校等建筑。

　　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系是用鍍鋅冷彎薄壁型鋼制作的型材作為結(jié)構(gòu)承重部分，常用于建造2-3層的低層住宅。鍍鋅冷彎薄壁型鋼所使用材料的屈服強(qiáng)度為Q235或Q345。其墻體鋼龍骨按照一定的模數(shù)排列，一般中心距為400mm或600mm；冷彎薄壁型鋼截面在93-200mm之間，鋼板厚度在0.84-1.91mm之間。其樓層結(jié)構(gòu)的鋼龍骨截面一般在150-300mm之間，鋼板厚度在0.84-2.56mm之間，樓層最大跨度目前可達(dá)8-9m。屋架可采用輕鋼棱條直接搭接的方式。

　　輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻常采用節(jié)能、輕質(zhì)復(fù)合夾芯墻，內(nèi)墻可采用石膏板；廚房及衛(wèi)生間墻面采用防水石膏板或水泥加壓板；樓板采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)板材；屋面可采用多彩瓦、彩板瓦等屋面材料。

　?。?/span>1）加拿大輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

　　加拿大的輕鋼構(gòu)件通常由鍍鋅或鍍鋁鋅合金的薄鋼板冷彎滾壓成型,其截面形狀通常C型和槽型，鋼板的厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求而變化,其構(gòu)件長度可視所需而決定。輕鋼構(gòu)件制作精確,在其制作過程中通常在構(gòu)件上有規(guī)律地穿孔,以利于水電線路和管道及橫向加強(qiáng)構(gòu)件的通過.雖然,一塊薄鋼板本身的承載力并不高,但通過冷彎成不同形狀(如C型)后, 其抗彎抗壓的能力成倍提高。因此, 輕鋼構(gòu)件的承載力主要是取決于其截面形狀,而不是板材的厚度。這就構(gòu)成其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　低層住宅：

　　結(jié)構(gòu)體系

　　住宅結(jié)構(gòu)通常由樓面,墻體及房頂?shù)润w系組成。輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)形式通常采用線內(nèi)支承的板肋體系，輕鋼構(gòu)件可應(yīng)用于不同的房屋構(gòu)件，采用輕鋼構(gòu)件可以大大簡化結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)又提供有效利用結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件的承載力，設(shè)計(jì)的靈活性及施工便利。

　　樓面體系

　　作為樓面托梁的輕鋼龍骨其截面高度通常為150至300毫米之間,其鋼板厚度大約在0.84至2.56毫米之間，樓面托梁常見支撐形式是簡支或連續(xù)梁，多跨連續(xù)梁即可采用單一構(gòu)件的形式，也可采取多構(gòu)件搭接的形式。一般說來多構(gòu)件搭接的形式較單一構(gòu)件具有更大的靈活性,同時(shí)在運(yùn)輸上也很方便。樓面托梁龍骨的腹板通常給予等間距的沖孔,以方便水電管線的穿越。

　　墻體系統(tǒng)

　　用于墻體的輕鋼龍骨可分為承重和非承重兩種，承重的C型龍骨其截面高度一般在93至200毫米之間，鋼板厚度通常界于0.80至1.91毫米之間；非承重龍骨的截面高度在41至150毫米之間，其鋼板厚度為0.45至0.84毫米，作為一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的墻體體系,這種由輕鋼龍骨與石膏板(若作外墻還需加結(jié)構(gòu)板材)組成的板肋墻體也普遍地應(yīng)用于高層住宅建筑。

　　屋架

　　不同截面形式及厚度的輕鋼構(gòu)件，可為各式各樣的房頂形式及體系提供廣泛的用途。屋架即可由輕鋼椽梁直接構(gòu)成，也可用輕鋼桁架構(gòu)成。輕鋼桁架既可現(xiàn)場制作也適合于工廠大規(guī)模集成生產(chǎn)，跨度較大的情況下，采用輕鋼桁架尤為經(jīng)濟(jì)。

　　中低層住宅：

　　輕鋼板肋結(jié)構(gòu)體系通常適用于六層或六層以下的住宅建筑，但目前也有應(yīng)用到八層的旅館建筑實(shí)例。中層住宅建筑,其底層輕鋼龍骨厚度可達(dá)2.6毫米，龍骨間距常為305毫米，上部樓層的龍骨材料厚度可隨荷載的減小而減少。樓面結(jié)構(gòu)可根據(jù)其跨度的長短選擇下列體系：輕鋼樓面體系，由壓型鋼板和混凝土構(gòu)成的鋼承復(fù)合樓板,鋼筋混凝土預(yù)制或現(xiàn)澆樓面。特大開間可采用輕型空腹鋼桁架，壓型鋼板和混凝土組成的復(fù)合樓面，抗側(cè)向荷載的體系常由輕鋼拉條構(gòu)成X型斜向支撐體系，或由抗剪板材與輕鋼龍骨組成的剪力墻體系構(gòu)成。屋架多由輕鋼椽梁或桁架構(gòu)成。

　　高層住宅 ：

　　在加拿大,輕鋼結(jié)構(gòu)已廣泛地應(yīng)用于在包括住宅在內(nèi)的各種高層建筑,其主要用于內(nèi)外填充墻,隔墻,幕墻,外維護(hù)墻及屋架,屋頂體系.高層住宅的承載結(jié)構(gòu)常由H型鋼或鋼筋混凝土的框架體系組成,由輕鋼構(gòu)件構(gòu)成的輕質(zhì)內(nèi)外墻體系非常便于與承重結(jié)構(gòu)的框架體系融為一體。

　?。?/span>2）美國的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅

　　美國像其他西歐國家一樣，輕鋼結(jié)構(gòu)主要用于低層住宅建筑，近些年來，美國也開始進(jìn)行多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研發(fā)，最早一幢多層輕鋼住宅于1990年開始設(shè)計(jì)，至目前總面積發(fā)展到約30萬平方米。并取得許多成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

　　美國的多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)是一項(xiàng)綜合的技術(shù)，集輕鋼結(jié)構(gòu)、建筑節(jié)能保溫、建筑防火、建筑隔聲、新型建材、設(shè)計(jì)施工于一體的集成化技術(shù)，社會化分工明確，各種產(chǎn)品的生產(chǎn)商、施工方、設(shè)計(jì)方緊密合作，發(fā)展多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)，最關(guān)鍵的問題是其結(jié)構(gòu)本身的性能，樓蓋結(jié)構(gòu)要具有適當(dāng)?shù)目缍炔⒈M可能輕，并希望有較好的樓蓋平面內(nèi)剛度，墻體結(jié)構(gòu)在承擔(dān)豎向荷載（自重與樓面活荷載）的同時(shí)還要承擔(dān)橫向荷載（風(fēng)荷載與水平地震作用）。

　　美國多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)為：

　　輕質(zhì)樓蓋系統(tǒng)其樓蓋由C型的輕鋼擱柵與鋪于擱柵上的薄板組成。擱柵一般跨度為3.6米～4.8米，擱柵高為254毫米（擱柵的最大跨度可達(dá)11米），擱柵間距為 600毫米。擱柵在腹板上開有大孔，這樣對于管線的穿越與布置極為方便。樓面有三種做法，分別為：高密度木纖維水泥板；滿鋪壓型鋼板再澆筑20毫米的陶粒輕骨料混凝土；滿鋪定向木纖維板或高密度層壓膠合板。在這些輕質(zhì)樓蓋上每平方米可承受316～365公斤的荷載。該樓蓋結(jié)構(gòu)體系重量僅為國內(nèi)傳統(tǒng)的混凝土樓板體系的四分之一到六分之一，但其樓蓋的結(jié)構(gòu)高度將比普通混凝土板高100～120毫米。

　　豎向墻體結(jié)構(gòu)一般將內(nèi)橫墻作為結(jié)構(gòu)的承重墻，墻柱為C形輕鋼構(gòu)件，其壁厚根據(jù)所受的荷載而定，通常為0.84～2毫米，墻柱間距一般為400～600毫米，墻柱的下端為U形開口朝上的底槽梁，墻柱上端為U形開口向下的頂槽梁，擱柵固定于上槽梁側(cè)邊。為提高墻柱的穩(wěn)定性，一般墻柱高度范圍內(nèi)設(shè)三道輕鋼拉條。這種墻體結(jié)構(gòu)布置方式，可有效承受并可靠傳遞豎向荷載，且布置方便，但該墻體結(jié)構(gòu)不能承受水平荷載。為抵抗水平風(fēng)荷載與地震作用，美國多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中有二種方式，分別為采用輕鋼剪力墻或采用帶十字交叉支撐的普鋼框架結(jié)構(gòu)。輕鋼剪力墻一般布置在分戶墻，采用0.5毫米鍍鋅薄鋼板蒙于石膏板上，再固定于輕鋼墻柱上，形成類似于應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)的剪力墻，每層之間有一個(gè)特殊的構(gòu)件對上下樓層剪力墻進(jìn)行連接，以有效傳遞水平剪力與由于水平力作用在墻柱上而產(chǎn)生的拉力。在地震區(qū)，為保證結(jié)構(gòu)安全，采用帶十字交叉支撐的普鋼框架作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，形成以輕鋼承受豎向荷載，以普鋼承受水平荷載的混合結(jié)構(gòu)體系。

　　建筑保溫節(jié)能技術(shù)美方輕鋼住宅體系中，對保溫節(jié)能技術(shù)十分重視，對于墻來說為確保達(dá)到保溫效果，一般除了在墻的墻柱間填充玻璃纖維外，在墻外側(cè)再貼一層保溫材料，有效隔斷了通過墻柱至外墻板的熱橋；樓層之間擱柵內(nèi)填充玻璃纖維，減少通過樓層的熱傳遞；所有內(nèi)墻墻體的墻柱之間均填充玻璃纖維，減少戶墻之間的熱傳遞。

　　建筑防火技術(shù)，對于輕鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)最關(guān)鍵的問題是防火技術(shù)的應(yīng)用，在墻的兩側(cè)與樓蓋的天花處貼防火石膏板，對于普通防火墻和分戶墻用25.4 毫米厚（1吋）石膏板保護(hù)，以達(dá)到1個(gè)小時(shí)的防火要求，另外在墻體墻柱間與樓蓋擱柵間填充的玻璃纖維對于防火與熱傳遞也起了積極的保護(hù)作用。

　　建筑隔聲技術(shù)輕鋼建筑中，美國的研發(fā)工作對于隔聲處理下了較大功夫，在內(nèi)外墻及樓蓋擱柵間填充玻璃棉，有效阻止了通過空氣傳播的音頻部分，而對于通過固體傳播的沖擊聲，在美國的多層輕鋼住宅中，作了如下構(gòu)造處理：對于分戶墻用二道墻柱構(gòu)成帶有中間空隙的二道墻體；而對于吊頂用的固定石膏板的小龍骨，用帶有小切槽的彈性構(gòu)造以有效減少樓層間的固體聲傳播。

（3）澳大利亞冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

　　構(gòu)造特點(diǎn):

　　承載結(jié)構(gòu)采用冷彎薄壁輕鋼骨架，采用高強(qiáng)、防腐鋼卷板（屈服強(qiáng)度550Mpa，鋅鋁合金鍍層厚度270g／m2），鋼材厚度為0.75mm，通過電腦輔助制造專用設(shè)備按設(shè)計(jì)要求，直接軋制成各種不同類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。豎向承重構(gòu)件采用密排柱，最大柱中距600mm。平面承重構(gòu)件：屋面采用桁條網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為600X600mm，樓（地）面采用桁架式梁，最大中距1200mm，門窗過梁采用小桁梁。

　　墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)高強(qiáng)圍護(hù)材料或纖維水泥板。

　　屋面、樓面、內(nèi)外墻采用防水、保溫材料。

　　屋面樓面系統(tǒng)采用防水玻纖瓦、防水卷材、保溫材料棉、桁條、吊防火石膏板。

　　施工特點(diǎn):

　　鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制作采用電腦輔助制造技術(shù)，生產(chǎn)制作的全過程是以電腦軟件控制的專業(yè)設(shè)備完成，保證構(gòu)件制造的精確度誤差在人工難以達(dá)到的半毫米以內(nèi)。除基礎(chǔ)施工外，其余全為干作業(yè)施工安裝。

　　設(shè)計(jì)特點(diǎn):

　　冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系是澳大利亞的成熟技術(shù)。設(shè)計(jì)中使用了特殊的CAD技術(shù)-輕鋼結(jié)構(gòu)建造設(shè)計(jì)軟件，由此生成的設(shè)計(jì)文件可以直接輸入到加工設(shè)備進(jìn)行自動加工。

3．亞洲各國輕鋼結(jié)構(gòu)：

　　由于西歐發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張以及亞洲諸國的經(jīng)濟(jì)崛起，印度、日本、韓國等國也在二十世紀(jì)初開始研究和發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑，日本鋼結(jié)構(gòu)建筑占建筑總量的50%左右，韓國鋼結(jié)構(gòu)建筑占建筑總量的20%左右，并且鋼結(jié)構(gòu)用鋼總量中H型鋼占50%～60%左右。

　　日本鋼結(jié)構(gòu)建筑的歷史有100年左右。目前日本的各種建筑結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)的建筑數(shù)量最多，占住宅建筑總面積的20％左右，其中多數(shù)為低層獨(dú)立住宅。使用輕型鋼的低層小規(guī)模住宅已系統(tǒng)化，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅竣工的占住宅總數(shù)的25%～28. %，主要生產(chǎn)企業(yè)有新日鐵、豐田、積水、大和、三澤住宅株式會社，其中新日鐵的KC住宅體系尤為突出。　　

   KC結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)調(diào)的冷型鋼與結(jié)構(gòu)用板材共同形成抵抗橫向荷載的整體墻板，類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的剪力墻。每層樓板都擱置安裝在該層的墻板之上，墻板在豎向都被各層樓板隔開，豎向墻體在結(jié)構(gòu)上無法構(gòu)成連續(xù)的墻體。因此技術(shù)上就要通過貫通樓板的抗拔錨栓將上下層墻板連成整體，同時(shí)靠抗剪螺栓將墻板與樓板連接在一起。

　　結(jié)構(gòu)板材一般采用OSB（定向刨花板）、結(jié)構(gòu)合成板、水泥纖維加壓板等。這種板材解決了原有純木質(zhì)板材在防火、防水以及結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度不足的缺陷，這種替代產(chǎn)品，解決了原來木質(zhì)板材在防火、防水、以及結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度方面的不足，提高建筑體系的整體性能。

　　防火采用耐火性能較高的板材，如不燃水泥基結(jié)構(gòu)用板材、耐火石膏板等作為基本材料。以延長墻體耐火時(shí)間，增強(qiáng)耐火完整性。

　　隔熱措施通過在復(fù)合外墻中增設(shè)反射層，提高墻體對輻射熱的反射作用，大大降低了輻射熱對建筑室內(nèi)的熱環(huán)境的影響，經(jīng)測試比較和實(shí)踐證明，節(jié)能效果明顯，熱穩(wěn)定性也有所提高。