【鋼結(jié)構(gòu)·動(dòng)態(tài)】國(guó)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(duì)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(kāi)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(lái)，世界鋼鐵總量的增加和國(guó)際軍需用鋼量的下降，一些鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)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(guó)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(kāi)始多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究和開(kāi)發(fā)。各國(guó)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(guó)、瑞典、日本等國(guó)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(duì)住宅需求非常大，為解決房荒問(wèn)題，歐洲一些國(guó)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(guó)等國(guó),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(guó)，生產(chǎn)供應(yīng)歐洲各國(guó)。

2．北美和澳洲

　　在美國(guó)、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(guó)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(lái)，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(wàn)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(zhǎng)度可視所需而決定。輕鋼構(gòu)件制作精確,在其制作過(guò)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(guò).雖然,一塊薄鋼板本身的承載力并不高,但通過(guò)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(jiǎn)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(jiàn)支撐形式是簡(jiǎn)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(shuō)來(lái)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(chǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅

　　美國(guó)像其他西歐國(guó)家一樣，輕鋼結(jié)構(gòu)主要用于低層住宅建筑，近些年來(lái)，美國(guó)也開(kāi)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(kāi)始設(shè)計(jì)，至目前總面積發(fā)展到約30萬(wàn)平方米。并取得許多成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

　　美國(guó)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(huì)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(wèn)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(guó)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(kāi)有大孔，這樣對(duì)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?jī)H為國(guó)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(kāi)口朝上的底槽梁，墻柱上端為U形開(kāi)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(guó)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(duì)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(duì)保溫節(jié)能技術(shù)十分重視，對(duì)于墻來(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)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(duì)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(duì)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(guó)的研發(fā)工作對(duì)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(guò)空氣傳播的音頻部分，而對(duì)于通過(guò)固體傳播的沖擊聲，在美國(guó)的多層輕鋼住宅中，作了如下構(gòu)造處理：對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)加工。

3．亞洲各國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)：

　　由于西歐發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張以及亞洲諸國(guó)的經(jīng)濟(jì)崛起，印度、日本、韓國(guó)等國(guó)也在二十世紀(jì)初開(kāi)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(guó)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(huì)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(kāi)，豎向墻體在結(jié)構(gòu)上無(wú)法構(gòu)成連續(xù)的墻體。因此技術(shù)上就要通過(guò)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(lái)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(zhǎng)墻體耐火時(shí)間，增強(qiáng)耐火完整性。

　　隔熱措施通過(guò)在復(fù)合外墻中增設(shè)反射層，提高墻體對(duì)輻射熱的反射作用，大大降低了輻射熱對(duì)建筑室內(nèi)的熱環(huán)境的影響，經(jīng)測(cè)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。