浅析钢结构住宅的设计原则及发展前景

摘要:建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但在很长时间里运用的都是石材与木材等。随着科技的发展，新型材料广泛运用于房屋建筑中。钢结构由于在高层建筑和大跨度高耸结构方面的优越性，使其在非居住建筑领域得到了广泛的应用。国家经济实力的增强和住宅商品化、产业化的要求，促进了住宅新技术和新材料的研究、应用，钢结构将成为建筑中最适合创新的住宅结构体系，也是住宅建筑行业二十一世纪的主导方向。

关键词:钢结构住宅;优越性;设计原则;发展

近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展十分迅速，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。特别是在我国大中城市中，人多、土地资源少，而人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大范围应用钢结构住宅，是我国生产发展到一定阶段的必然产物。

据资料显示：2002年3月，一座高达18层、采用H型钢建造的钢结构住宅楼在安徽省马鞍山市动工建设。它是我国住宅产业从钢筋混凝土跨进钢结构模式的重要标志。上海同时有6幢钢结构高层住宅在建设，最终他们将建到100米、34层，这在国内还是首次。北京住宅也启用了钢结构，位于朝阳区十里堡的晨光家园B区，全部采用H型钢钢梁、钢柱。2002年9月开盘的北京金宸公寓，填补了国内高层住宅钢结构体系建筑的空白，同时也标志着我国住宅的开发和建设已步入了全新的钢结构住宅体系时代。

一、钢结构住宅体系

住房的建筑形式和风格千差万别，但就结构体系（支撑骨架）而言，只有砖混结构，木结构、钢筋混凝土结构和钢结构等几种主要的结构形式。随着国家对环境保护意识的认识不断加深，对木材和粘土已经提出限制、限时使用，现阶段我国住宅建筑的主要结构形式主要以钢筋混凝土框架为主，但该结构施工烦琐、施工垃圾多且结构自重大，进深和开间相对较小，梁、柱粗大，空间利用率较低，这些缺点在一定程度上无法满足条件越来越高的住宅建筑的功能要求。因此，开发坚固耐久，建造迅速，空间布置灵活，易于改建的新型住宅结构体系，成为住宅建筑和结构发展的重要趋势。随着我国钢产量的快速增长及新型建材的发展和应用，符合上述要求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。

所谓的钢结构住宅体系就是指由维护墙体、隔断墙体、楼板与主体钢结构共同组成的住宅体系。住宅钢结构是指纯钢结构（钢框架或框架—支撑）体系，介于高层钢结构（钢框架或钢框架—混凝土剪力墙）体系与冷弯薄壁型钢结构（Z、C等轻型钢结构）体系之间的多层钢结构住宅体系。

二、现代钢结构的建筑特点

（一）预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短

钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40%以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。

（二）建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化

在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化并创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。北京2008年奥运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点。例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案，在体育场大屋面的中央设置两个半圆型的玻璃顶面，同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合；又如中国建设设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构，形象完美纯净，功能与结构达到了完美的统一；还有日本朱式会设建筑事务所设计的折叠式方案，屋顶由悬臂的钢架结构支撑，可在30分钟内完成开闭的动作，确保全年比赛及活动不受天气影响。

（三）能够满足超高度和超跨度的要求

钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这在型建筑成为樗性建筑，比如日本东京后园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构，面积达28000平方米，英国政府为迎接21世纪而兴建的樗性建筑伦敦千年穹顶大型综合性展览建筑也是索膜结构体系，其穹顶直径达到320m。

（四）原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展

发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。目前国际上引人瞩目的新型住宅品引入我国，其环保节能的特点主要体现在两个方面：

1、该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小，热损失低。不论冬夏，都具有舒适当居住环境。室外零摄氏度时，室内仍可以保持17摄氏度以上；以室外温度达到30摄氏度的情况下，室内温度仅为21摄氏度左右。

2、与砖混结构住宅相比，可节能60%以上，冬夏季空调设备可节约耗电30%以上，结构的废旧利用为100%，与砖混结构比较， 同样楼层净高条件下，钢结构维护墙体面积小，节约空调所需能源，减小维护费用。

三、钢结构住宅设计的原则及问题对策

（一）钢结构稳定设计的探讨

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故。在我国1988年曾发生13.2×17.99m网架因腹面杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。因此稳定性钢结构设计中的主要问题，一旦出现钢结构的失稳事故，不但会造成经济严重损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中一定要把握好稳定设计这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中存在稳定设计的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架，网壳结构等，设计者对其如何设计还没完全的了解。

（二）钢结构建筑设计的原则

针对钢结构建筑稳定问题，在实际设计中，我们必须遵循以下三个原则：

1、结构整体布局必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。为保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布局相一致。

2、结构计算简图和计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效力框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。

3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，对框架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

（三）钢结构住宅设计中应注意的问题及对策

1、钢结构住宅建筑要以建设计为主导，其他专业紧密互动配合。钢结构住宅建筑除要遵循住宅建筑设计一般原则外、要注重解决：

（1）如何发挥钢结构的优势？梁跨度可增大、开间更灵活、为住户创造更大的空间。但又如何避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板。

（2）要解决钢结构住宅建筑防火、防腐蚀问题。特别是在多雨的地区，防腐、防锈工作处理的好坏直接影响到钢结构住宅的推广。

2、选择和开发外墙板，是钢结构住宅建筑推广中的关键问题之一。除满足外墙板的各项技术要求外，还要做到墙板原材料因地之宜、工作化生产、运输、安装连接方便。

3、钢结构要做到安全合理、节点构造方便可靠、并为构件制作、运输、吊装创造条件。

结构抗震性能与结构布局规则性有很大关系。结构布局不规则，地震时易损坏，而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。

住宅钢结构的平面布局应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布局不规则，主要是平面不规则。如平面形状不规则，L形等，特别是支撑剪力墙偏置，明显不对称等。若楼层的最大弹性水平位移超过质心水平位移的1.2倍，就属于平面不规则，此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。

4、建筑设备与钢结构住宅配合，是住户首先遇到的问题。因此如何采用先进的技术来开发适合于钢结构住宅的各项设备是我们必须要解决的问题。

5、钢结构住宅的造价是房地产开发商最关心的问题。钢结构住宅应定位于中、高档住宅，钢结构住宅建筑是一项系统工程，应从设计、制造、运输、安装、维修和管理等环节着手加强管理和协调，从而达到降低成本，提高综合经济效益的目的。

四、钢结构住宅发展前景

住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，因为这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

钢结构建筑的科技含量很高，结构本身往往就是建筑表现，钢结构的表现与工艺不仅是实现形象构思的必要手段，而且对建筑形象的影响极为显著，这就决定了结构构思是形象构思成功与否的关键所在。科学技术的进步，审美观的改变必然使得钢结构建筑不断地去扩展自身的表达语汇而寻求发展。我们所提倡的是：抛开风格要素，从结构理性主义出发，从现代的和传统的从多风格流派中吸取精华，创造出技术和艺术有机融合的钢结构精品建筑。

目前国内的建筑业生产效率较低，尚属劳动密集型产业，而钢结构住宅属于高技术高效率的产业，加快对钢结构住宅的研究，将促进建筑业向技术密集型产业转化，并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。

应该看到，我国钢结构住宅正得到大力地发展，但从建筑、结构设计到制作安装，各个环节我们都与国外先进水平有很大的差距。作为设计人员，应在工作中应该脚踏实地的积极创新；专业研究人员则应对钢结构设计理论和设计方法进行深入系统的研究；技术主管要加强对从业人员的技术培训及市场的管理力度。只有这样才能使我国钢结构住宅产业化得到更加健康的发展，成为真正具有国际竞争力的产业。

参考文献

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