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冷弯薄壁型钢住宅体系及其在中国的应用和发展

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中国金属协会建筑中国建筑金属结构信息网委员会专家组成员 薛发 佳合集团节能住宅事业部 刘定荣）

    [摘 要] 本文主要介绍了国外冷弯薄壁型钢住宅体系，以及这些住宅体系在我国的应用状况，指出了应用和发展存在的一些问题。
    [关键词] 冷弯薄壁型钢住宅体系 密肋型结构体系 标准件 KC 体系
    一 、 概述
    随着经济的快速发展和技术的不断进步，人们对居住空间和住宅整体性能的要求也越来越高。因此，也推动着住宅设计和建造技术的不断发展。空间的形象表达、布局的灵活多变、起居生活的舒适性、室内外空间的整体性以及合理的经济性等要求以及建筑技术的进步、原材料的发展，决定了现代住宅在建筑结构体系上的改变。钢材性能优越以及使用的灵活性等特点，使得中国建筑金属结构信息网成为住宅建设新体系中的一部分。
    低层冷弯薄壁型钢住宅建筑技术正在广泛的应用和推广。目前许多国家，如美国、澳大利亚、日本，建造技术以及生产装配技术已经非常成熟和完善，工业化程度也相当高。美国由于技术、生产因素以及保护森林资源的必要性，钢骨架住宅逐渐成为传统木结构的替代品；澳大利亚中国建筑金属结构信息网住宅产品研发和应用也是许多国家无法相比的，目前其钢骨架住宅占全部住宅数量的30%；日本在引进和吸收别国技术和经验的基础上，对这种低层冷弯薄壁型钢住宅体系进行了全面系统的研究，并且开发出了具有自己特色的住宅产品。目前，日本有几十家企业在进行工业化住宅的研发、设计、构件加工、施工安装以及售后服务。
    80年代中期，随着我国改革开放的深入，国外轻钢住宅也进入我国，主要是一些建筑商从日本、美国以及澳大利亚等国引进一些两三层的别墅，但是当时中方实际上只负责基础施工以及一些部件的组装，住宅骨架、配套维护材料和设备全套从国外进口。最近几年，国内一些企业引进北美、日本和澳大利亚的整套低层冷弯薄壁型钢住宅体系，并且对其进行消化和推广，现在设计和制造这种住宅的企业有：
    也有一些企业从国外引进多层冷弯薄壁型钢住宅体系，如青岛迈华无比钢房屋从加拿大引进的“无比钢”体系。
    二、低层冷弯薄壁型钢住宅体系
    1、低层冷弯薄壁型钢住宅的特点
    冷弯薄壁型钢住宅，按照一定的模数间距布置钢龙骨，钢龙骨之间布置各种支撑体系，龙骨骨架两侧安装结构板材和保温隔热材料以及面层装饰材料，形成非常可靠的“密肋型结构体系”，这种体系具备如下优点：
    （1）自重轻，基础费用和运输安装费用省；
    （2）骨架构件和维护结构材料以及各种配件均可工厂化生产，精确度高、质量好；
    （3）建筑造型容易实现，个性化设计可满足客户的不同需求，房间空间大，布置灵活；
    （4）具有良好的 抗风和抗震性能；
    （5）施工安装简单，周期短，资金回收快，施工现场文明，基本上为干作业，建筑垃圾少，材料易于回收；
    （6）设备管线布置简便。
    （7）不需要二次装修。

    2、北美低层冷弯薄壁型钢住宅体系及其在我国的应用
    低层冷弯薄壁型钢住宅体系最早起源于北美，其前身为北美2x4木结构住宅体系。主要承重构件为热镀锌冷轧薄壁型钢，采用自攻自钻螺钉连接，墙体、楼面和屋面维护结构仍与木结构住宅体系相似。下面对北美低层冷弯薄壁型钢住宅作介绍。
    1） 建筑形式和结构体系
    北美冷弯薄壁型钢住宅多为二至三层的独立、联排以及庭院式别墅，一般都带地室，其建筑风格也沿袭了北美传统的风格，造型较为复杂，大都有弧型墙，弧型楼梯，拱型门洞及大悬臂烟囱等，室内空间布置也常常出现挑空、大开间和设置室内地面高差，C型钢梁柱按照模数（如两英尺）布置，组成密肋型骨架。其建造装配示意图如图3

    各部分材料选用如下：
    （1） 钢材： 常用Q235和Q345
    （2） 截面： C型 主要作为梁柱构件
    U型 主要作为顶、底轨或者边梁（环梁），北美体系用T表示，即Track
    L型 主要作为过梁和转角连接件
    （3） 常用构件尺寸规格见图4及表1、表2：

    北美体系墙体柱龙骨一般采用350C20和550C20，对应的顶、底导轨为350T20和550T20，但是考虑到建筑设计对墙体的厚度要求，以及局部墙体结构需要加强，有时候也采用大截面的800C18、800T18，1000C18、1000T18。过梁采用12英寸和8英寸的C、T组合形成箱型或工字型过梁，或者L型过梁。楼面梁采用1200C16,阳台处由于建筑做法一般要求比室内结构面低４公分左右，所以阳台支撑梁通常采用800C16。由于北美体系基本沿袭了北美木结构体系，其屋架做法也仍采用天花梁加屋面斜梁的形式，天花梁和斜梁均采用800C18,在屋架计算时只考虑天花梁承力，因而其做法很不经济。国内一些企业引进北美体系之后，根据自主研发以及实际设计施工中得出的经验对屋架形式做出了一些改进，如采用小截面龙骨形成桁架整体受力，大大节约了钢材用量，屋架布置和做法也更加经济合理。
    2） 维护材料以及构造做法
    外墙构造做法
    STCOO墙面涂料（文化石）+玻纤网抹5厚抗裂沙浆+聚苯板+防潮纸+结构蒙皮板（0.75厚钢板或9-12厚OSB板或水泥木屑板）+钢龙骨（内部填充保温玻璃棉）+12厚石膏板
    (2) 楼面构造做法
    装饰面层（木地板或者地砖）+防潮层+38厚轻质混凝土层+18.3厚OSB板+C型钢梁+保温玻璃棉+吊顶石膏板
    （3） 屋面构造做法
    陶瓦（页岩瓦或平板瓦）+自粘防水卷材+12厚OSB板+钢屋架+保温玻璃棉+吊顶石膏板
    3） 连接件及连接方式
    北美低层冷弯薄壁型钢住宅体系不仅构件选型标准化程度很高，其连接件及连接方式也十分规范和完善。外墙用地脚螺栓通过压具和基础连接作为抗拔件，按照一定间距设置直径为10mm的膨胀螺栓作为抗剪件，内墙采用直径为3.6mm的射钉与基础连接。二层墙体采用ST5.5自攻螺钉与楼面板连接，按照构造施钉。 墙体组合柱和楼面组合梁可以采用自攻螺钉连接，拉接条连接或者焊接。
    北美体系连接标准件分类也十分完善，如：1)剪力加固板HD; 2)抗拔压具S/HD; 3)梁托HU; 4)屋架连接件TBE4、SH1；5）辛普森（Simpson Strong-Tie）系列五金件等等。
    正是由于北美体系在建筑风格、结构构造做法以及室内外装饰陈设等方面形成了完整的体系，而且其灵活多变的立面造型和大手笔的空间布置，得到了国内许多开发商和业主的偏爱。所以目前国内从事低层冷弯薄壁型钢住宅设计和施工的公司大多数是学习引进北美体系，其典型代表有北京居其美业西式房屋有限公司。其中纳帕溪谷即为北美体系在中国应用成功的例子之一。这种体系的特点和成功的设计开发，使得该企业很好的打开了冷弯薄壁型钢住宅市场，图5，图6为浙江某地产公司与居其合作开发的冷弯薄壁型钢别墅项目：

    3、日本低层冷弯薄壁型钢住宅体系及其在我国的应用
    日本冷弯薄壁型钢住宅起步可追溯到20世纪三十年代的。当时日本发生阪神淡路大地震，美国以国际援助的形式支援了日本300套轻钢住宅，从此这种住宅体系在日本迅速发展起来。
    日本冷弯薄壁型钢住宅的起步虽然比美国晚，但是其发展和推广速度却是许多国家远远不及的，并且形成了有自己特色的新型体系，其工业化程度甚至要高于美国以及其他国家 。 由于日本冷弯薄壁型钢住宅体系源于美国，所以其基本结构形式和北美体系大体相似，值得强调的是，日本体系在工厂化、模数化、标准化以及材料等方面都做了很多研究和创新，而且根据自己国内多地震台风的情况，通过多年的实验和理论计算，形成了一套适合其国情的跨度荷载选型表，包括剪力墙墙量计算表、楼面梁跨度荷载选型表、过梁跨度荷载选型表、屋架跨度荷载选型表，实际上已经将冷弯薄壁型钢住宅作为完整的产品来推广。
    以日本KC体系为例，其轻钢龙骨采用400 N/mm2 级钢材（屈服强度≥295 N/mm2 ，抗拉强度≥400 N/mm2 ），钢材表面镀层形式有三种：热镀锌 Z27, 5%锌铝镀层 Y18, 55%锌铝镀层 AZ150。构件截面形式也为C型和U型（相当于北美体系中的T,即Track）,常用截面为：89LC□，89C□，140LC□，140C□等。其中89和140表示构件截面腹板高度，LC表示带卷边的C形截面，C表示不带卷边的U形截面，□代表N、M、W表示翼缘外宽度代号，对应的尺寸为40mm, 44.5mm, 50mm。
    KC体系中梁截面一般采用235LCN10, 250LCN10, 300LCN10，其翼缘宽度和截面厚度如同上述墙龙骨截面形式，仍有多种组合方式。
    KC体系最大的特点是模块化，即盒子结构，其模数一般采用400mm或600mm,将整个住宅划分为多个盒子单元，每个单元的墙体，楼盖均在设计时候划分为板块，设计尺寸精度非常高，工厂按照设计版图来加工和预制，结构板材和结构骨架在工厂就组装完成，所以现场施工更加简单，快捷。图7，图8分为国内企业引进KC体系（薄板钢骨体系）施工现场墙体安装和屋面系统。

    日本低层冷弯薄壁型钢住宅体系工厂化程度以及施工装配工艺比北美体系更加完善，国内北新建材旗下的北新房屋引进的即日本KC体系。
    4、 其他国家低层冷弯薄壁型钢住宅体系介绍
    除了北美和日式体系，澳大利亚和新西兰的住宅体系也享有盛名，特别是这两国冷弯薄壁型钢构件加工设备和住宅设计软件开发与应用方面都非常先进，如新西兰的海斯系列和FrameMaster系列等，澳大利亚住宅体系结构钢材为G550高强度镀铝锌钢板，板厚可至0.55MM。
    新西兰早已经实现整个住宅骨架构件采用同一种规格的C型截面，即墙体骨架，楼面梁到屋架都采用了由同一种C型截面组成的桁架。这种高标准化的体系大大优化了整个住宅体系，从材料采购到图纸设计，从结构布置到构件加工以及现场安装都变的更为简单。这些设备和设计软件，国内已经有住宅设计公司引进，并在实际工程中进行了很好的实践应用，如高雅（深圳）建材有限公司在新疆建立的四个样板房。

    另外，欧洲的一些国家和地区住宅产业化进程也不容忽视。芬兰、法国、瑞典及丹麦钢骨架住宅正越来越普及，已经建造了大量钢骨架体系的低层住宅。
    三、多层冷弯薄壁型钢住宅体系
    加拿大“无比钢”建筑体系（web steel），主体小桁架是由方、矩形管和V型、I型、H型连接件构成。无比钢建筑体系梁
    柱龙骨按照400-600mm模数排列，龙骨截面在90-200mm之间。无比钢建筑制造工艺流程是先在工厂预制：镀锌卷板?槽钢、方型钢管及连接件?结构件组装；然后现场安装：基础?无比中国建筑金属结构信息网构件安装?外墙处理?内墙及吊顶（石膏板）。无比中国建筑金属结构信息网体系构造做法为：
    外 墙： 钢网抹灰 即聚合物无水泥砂浆+钢网+OSB或胶合板
    承重墙： 密肋格构网架，空间填充保温隔热材料
    内 墙： 钢骨+石膏板
    楼 层： 无比钢小桁架+压型钢楼板+轻质混凝土或无比钢骨架+镀锌平板+竹胶合板+木地板
    屋 顶： 无比钢专用骨架+轻钢彩瓦或普通水泥瓦

    无比钢建筑的传力路径为：板?密柱?基础。由各种构件巧妙地组成3维空间受力体系。经实验研究，用国产材料做构件及节点，6层住宅设计计算合理，可满足抗震设防要求。建造一栋六层的住宅，从工厂生产钢板，现场拼装，到最后竣工入住，仅需要两个月左右。另外，优化的结构布置，使得其综合造价比混凝土框架低10%左右，还大大降低了能耗。
    美国 DBS多层轻钢住宅建造体系
    从经济及综合利用角度来看，比较理想的结构体系是将一些结构构件，如楼板、墙板等参与受力，或者将一些受力构件埋覆
    在墙体或楼板中。这样就可以降低层高，发挥构件的双重作用，像低层中国建筑金属结构信息网住宅那样将墙板与中间密布的结构龙骨一起考虑受力，作为蒙皮效应来分析，应用于多层中国建筑金属结构信息网住宅。
    美国迪特瑞驰公司研发的DBS（PIETRICH BUILDING SISTYM）多层轻钢住宅体系（图13，图14）取得了专利权，并在美国建造了许多4-6层的住宅、旅馆及公寓。DBS体系一般开间取4.88m，楼层净高为2.44m。墙体C型镀锌钢龙骨腹板高约为101.6mm，模数一般采用610mm。从底层到上部各层，龙骨的厚度逐渐减少。DBS体系的楼盖也用钢龙骨，楼盖梁可根据设计多处开孔，方便管线通过。楼板做法是在轻钢龙骨上面铺20mm厚纤维水泥板作为承重结构，上面可以做不同的地板面层。龙骨间填充玻璃棉，起到保温、隔音作用。

    DBS系统具有以下特点：
    结构自重轻，以某多层住宅为例，结构自重为161kg/m2 ,结构用镀锌中国建筑金属结构信息网为31 kg/m2。这样基础可以大大减少，节约了材料，降低了造价，施工速度也快。楼层横梁开孔可以布置水电管线、降低层高；具有良好的抗震性能；建筑材料的可再利用，有利于可持续发展。DBS系统在非地震区可建立达12层的轻钢住宅。
    六、推广冷弯薄壁型钢住宅体系需要注意的问题
    从总体上看，我国中国建筑金属结构信息网住宅仍处于起步阶段，目前低层冷弯薄壁型钢住宅体系中配套部件尤其是维护结构板材等可选性少，而且价格较高，使得冷弯薄壁型钢住宅建造成本偏高。许多企业都着力于别墅的发展，一些书刊杂志在介绍住宅技术时也都以别墅为主，这实际上是一种误区。另外，国内与这种新型住宅体系有关的标准、规范、施工工法等也不健全，国内一些试点项目还处于低水平的重复着国外十多年前的工作，缺泛技术创新和突破。国内一些致力于住宅建造的企业很大程度上照搬照抄国外的东西，技术人员相互之间缺少良性的交流。专家学者对这种体系的研究还不够深入，相关的实验和理论研究也没完全跟上，这些问题的存在必将制约着冷弯薄壁型钢住宅在中国的推广。
    我国毕竟是一个人口众多、土地资源相当缺泛的国家，解决广大人民群众的住房问题，还是以占有土地相对少，满足更多人居住需要的住宅为主。现在有一些企业着力于低层别墅的发展，一些书刊及杂志在介绍中国建筑金属结构信息网住宅技术时也以别墅为住，似乎中国建筑金属结构信息网住宅的发展，重点再于这种方向上，这其实是值得研究的。当然，低层住宅（别墅）也不是不可发展的，但是也应该以适合广大偏僻山区的低价位的独立、联体式住宅为主。
    另外，对于低层冷弯薄壁型钢住宅，可系统的引进、吸收、消化、研究及改进。无论是结构体系，还是配套材料，都应进行国产化。有些企业已经开始将这种住宅向欧洲、非洲等一些国家和地区出口，这应当是很好的发展方向。
    参考文献：
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    2 薛发. 我国中国建筑金属结构信息网住宅发展的几点建议. 建设科技，2005.9
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    4 Dietrich TradeReady Steel Joist System
    5 薄板钢骨建筑体系技术规程. 北新房屋 2004
    6 童悦仲. 住宅产业化与中国建筑金属结构信息网住宅的发展 . 建设科技 2005.9
    7 弓晓芸. 低层住宅轻纲结构体系 2005.4
    8 童悦重等：美国的多层轻中国建筑金属结构信息网住宅。住宅产业 2004年11期
    9 桥本仲一郎：薄板钢管建筑在日本的研发和普及。住宅产业2004年11期
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