冷弯薄壁型钢结构体系及其在民用建筑的应用.docx

冷弯薄壁型钢结构体系及其在民用建筑的应用摘要：本文着重介绍冷弯薄壁型钢结构体系及其特点，并结合轻钢结构住宅，阐述了冷弯薄壁型钢结构体系在住宅设计上的特点，同时分析了其在建筑和结构上现存的局限性和发展中存在的问题，从而展望冷弯薄壁型钢结构体系必将称为中国住宅建筑业一个重要的发展方向。关键词：冷弯薄壁型钢结构体系 住宅设计1 冷弯薄壁型钢结构体系及其特点冷弯薄壁型钢是一种公认的经济断面型材，建筑业是冷弯薄壁型钢应用潜力最大的行业。它主要由0.53.5mm厚普通钢板或镀锌钢板经冷弯而成，基本形状为C形、Z形和方管（矩形），并可形成各种折皱和卷边、拼成I型或者T型，以提高截面刚度和承载力。我国冷弯薄壁型钢始于50年代。60年代中期，部分地区兴建了10余万冷弯薄壁型钢结构试点工程。1970年前后，在第二汽车建造厂的建设中，又集中采用了25万的冷弯薄壁型钢建筑，以方管屋架为主，形成一定规模。是一种很有发展潜力的结构形式。冷弯薄壁型钢过去多用作屋面、隔断和维护结构的单体构件，如檩条、墙梁、山墙架、钢屋架、桁架等，只有少量作为结构构件在中、小跨度门式钢架（无吊车）、货架中。而今在很多国家和地区采用冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构被越来越多地用到单、多层住宅、别墅建筑中，形成了冷弯薄壁型钢新型结构体系。冷弯薄壁型钢结构体系作为轻型钢结构形式的一种，具有维护结构自重轻，恒荷载轻;承重结构截面小，构件自重轻；标准化、自动化、机械化快速制作安装，劳动强度轻；新结构体系，用钢量轻；大、中、小跨度，单、多层，工业、民用，建筑造形轻的现代概念。其结构特点是可现场干作业、全螺栓拼装，同时安装简便，搬运重量轻、仅需小型起重设备。但是其连接设计复杂，防腐问题突出，大截面型刚加工困难。2冷弯薄壁型钢结构在住宅中的应用世界各地的住宅建筑体系因各地不同的建材文化、传统而异。历史上，住宅建筑体系的发展源于人们对住宅的功能好质量而不断提出的高要求。今天，住宅设计体系反映了各国的生活方式、社会认同感，同时还反映了各人的不同个性。冷弯薄壁型钢结构体系住宅在欧美的开发和应用较早，近年在日本的发展也比较快。我国的这种结构体系的住宅尚处于起步阶段。上海、长沙、北京、天津等城市已建成或在建设低层、多层冷弯薄壁型钢结构体系试点工程。作为工业化住宅，冷弯薄壁型钢结构体系住宅有以下优点：（1） 房屋自重轻，可减轻建筑结构自重的30%；（2） 住宅的抗震性能好；（3） 可增大约3%的的使用面积、户内空间分割较为灵活；（4） 钢构件、维护结构板材及各种配件可以工厂化生产，精度高，质量好；（5） 施工安装简单，周期短，轻钢别墅从基础到竣工两个月可以建成；（6） 建筑造型美观，由于房间空间大，布置灵活，管道和各种线路布置简便；（7） 基础以上千式工法没有湿作业，现场施工文明，建筑垃圾少；（8） 钢材可以回收再利用，属环保建筑；（9） 真正的交钥匙工程，室内装修、热水系统、中央空调及家电的安装调试可以一次完工，不需要二次装修，用户可及时入住。3 冷弯薄壁型钢结构住宅的健康设计3.1建筑设计:轻钢结构住宅具有安全、健康。舒适、节能环保等优良能。冷弯薄壁型钢结构住宅的施工简单，运输方便，工厂化生产，有利于改善劳动条件，缩短建设周期。对建筑师而言，为他们的个性化设计带来了更丰富的想象空间，不仅是在住宅的结构形式，而且在质感、颜色、功能和空间划分各方面都突破了传统建材对建筑师的制约。它改变建筑业那种肥梁，胖柱，深基，重盖的面貌，同时还使得建筑物外形轻巧别致，色彩斑斓，富有时代气息。3.1.1平面功能：（1）冷弯型钢受力性能很好，结构轻，多为梁柱体系，可以自由而又灵活的布置内部空间，满足了用户对整体大空间（如客厅）的要求。房间布置灵活，做为空间分割的内墙，可以按用户的要求做个性化布置，从而最大限度地适应使用要求。（2）厨房、浴室、卫生间等设计及设备的选用需经过试验研究，在方便使用上下功夫，满足客户将来居住生活的变化，从“生涯住宅”的设想派生出“完美的设计”。对将来所需配置的安全性和日常生活中的有效性，都通过住宅研究确认。（3）在使用频率高的走廊、楼梯和洗手间等处采用m制模数。（4）考虑有利用健康的隔音对策，不仅考虑防外部噪音，也要考虑居室间的隔音。提供舒适的生活空间，充分考虑环保，选择天然的无污染的内装修材料。门窗选用防老化，防变形产品的。3.1.2建筑立面新材料，新技术，必然在设计上要富于创新的新时代的思维。钢铁的易弯曲成型，给建筑师许多新奇大胆的设计，创造出精美细部，轻盈的结构形式。加上玻璃与刚的结合，都是现代设计的基本元素，也是时代发展的潮流。鲜艳的色彩，轻巧的外形，别致的造型，让建筑形体具有灵活性，富有时代的气息。住宅设计上，色彩、风格、造型要多注重自然。3.2建筑构造：（1）屋面板：有波纹板和槽形板两种，波纹板的波幅1826mm，板长0.612m，槽形板槽深17.542.5mm,板厚0.51.0mm，板长0.615m,这种板长分别有7种规格和7中面色供设计选用，此外还有一种城中的槽形板，板的支撑跨度有3.511m，板厚0.51.5mm，而槽深42.5153mm，它直接制成在屋架上，从而减少了檩条这一构件。（2）墙板：有波纹板和槽形板两种，还有由双层板中间夹填聚氨酯或聚氯乙烯泡沫组成夹芯板，它具有隔热，隔音多功能，板面有多种颜色，设计者可以设计撑各种色彩斑斓，造型美观的墙面。（3）承重构建：常用有开口截面的角钢，槽钢，卷边槽钢，Z型钢等，闭口截面有口型，圆型及组合型等。（4）外墙及外墙饰面：承重与非承重多都采用轻型钢龙骨墙体。一般可用工厂预制和现场制作的，分有预制的墙体连外墙饰面和墙体外挂两种形式。对于外墙饰面，常见的有砖，木和抹灰。而轻钢龙骨外墙的使用，不仅不会制约饰面的材料选择，反而给建筑师们更大的发挥空间。4冷弯薄壁型钢结构住宅的结构设计冷弯薄壁型钢结构体系主承重结构是将工厂预制的冷弯薄壁型钢（C型或Z型）在施工现场用螺栓连接形成结构骨架，再封上墙面、楼板、屋面板形成整体住宅。其中又分Balloon式Platform式格构体系。两者的区别是Balloon式中的墙支柱在楼板连接处不间断，而Platform式中的墙支柱在楼板连接处断开，上一层的墙支柱支承在下一层的楼板上。这种结构形式适用与造型多变的别墅及低层住宅。其框（刚）架梁和柱一般采用双C或四C槽钢组成I、形截面，必要时采用热轧角加强。承重结构为平面框架，需要布置柱间支撑证整体稳定性。楼层采用主次梁体系及组合楼盖。不上人屋面采用檩条和压型钢板。内墙为轻质隔断，外墙采用轻钢龙骨保温板。冷弯薄壁型钢结构体系在我国的发展刚刚起步，现阶段的主要设计为冷弯薄壁型钢结构技术规范（GBJI8-87）。设计中按平面或空间框架结构分析，弹性设计。在门式钢架中多采用铰接柱脚；对于框架梁柱多位铰接或半刚接；次梁多为单China或Z型钢。目前我国有关单位采用镀锌C型钢，建造了一批冷弯薄壁型钢结构样品房，并进行了各种荷载条件下的结构试验。对楼（屋）盖和墙板的振动与隔声、保温与结露等性能进行了综合测试。5冷弯薄壁型钢结构应用的实列介绍冷弯壁型钢在建筑业的应用的已蓬勃发展起来，仅美国的统计，它已为世界各地建造了18万栋厂房，近两年广东省已采用美国华普顿公司提供的型钢建造了12万平方米的厂房，香港已建成多栋全部采用镀锌冷弯型钢住宅（四六层），自重极轻、安装简便；英国的冷弯薄壁型钢别墅，批量生产，完全手工安装，一星期即可完工，将替代木结构。牛津建成三层示范房进行保温、隔声、温湿度、耗能等建筑理性能长期观测。总之，冷弯薄壁型钢结构体系在民用建筑中的应用在发展，并且与各种先进的设计理念结合，形成了各具特色的建筑。（1）英国Milton Keynex为来世界样板别墅（Platform）其建筑外形是典型的英国乡村别墅，可顺应使用者对传统文化的认同感。由于新建筑技术的应用，使这一外表传统的建筑有了十分现代的使用功能。轻质保温隔热墙体及屋面的应用使该住宅在保温隔热上与传统结构住宅相比有很大进步。由于该住宅选用冷弯薄壁型钢结构体系，建筑物的使用面积也大大增加，结构面积大大减少。另一方面，由于刚结构材料强度高，该住宅的空间分割可以选用大跨度、大空间，从而使住宅使用者享受到大空间的舒适使用功能。（2）杭州，某轻钢龙骨体系，南京旭建AOC板和砌块做墙体，二层采用进口纤维水泥板，技术为澳大利亚引进，有些标准也是沿用澳大利亚的，主体结构所用钢材为G550高强度镀铝锌钢板，所用板厚仅为0.55mm,测试中最低屈服强度为670MPa。优点是材料新颖、环保耐用；整个建筑自重极轻，对基础构造要求简单；抗震性较好，产品工厂化高，安装速度快等；另外由于钢龙骨最大截面高度只有63mm，故在净使用面积上要比传统结构或者相应结构体系高出7%16%，具有加大的经济优越性。还有一些个具特色的建筑，如表1所示。表1工程名称特点加拿大Onario别墅成功地采用钢材替换了传统算的木材，增加了结构算的永久性。英国Marytand环保样板别墅钢骨架中有50%的材料是回收的再生钢铁材料。德国Koblenz太阳生态别墅结合了刚结构和太阳能系统的优点，是Balloon式冷弯薄壁型钢结构。上海MST轻钢住宅样板房自重35公斤/平方米，整体建筑结构结实，造型灵巧，立面丰富。6存在的技术问题(1)建筑方面：1） 设计观念的转变：在沿袭多年的混凝土结构设计过程中，建设设计和结构设计基本上是分开的，先建筑设计，再结构设计。而作为轻钢结构建筑由于特殊的材料和先进的设计软件，使得建筑设计和结构设计得以实现一体化。若遵循传统的先建筑后结构的设计方式，就不能充分利用轻钢结构优良的受力性能和截面形式之间的有机结合。轻钢结构的设计过程中还要注意配件与建筑设计的一体化。2） 表现形式的不同：轻钢结构建筑主要通过线条、色彩的变化来表达美观目的，维护材料的疏密，横竖的线条，体现了工业化的现代气息，带给建筑金属的质感。为最大限度的表现这种流畅的线条，建筑师就要注意开窗的大小，开启的方向和位置。表面涂料要防火和防腐，还可以哟、用其丰富鲜艳的色彩来美化整个建筑。在复杂的形式组合和不同的色彩之间，后者是一种更为方便，廉价，多变的建筑造型表达方式。(2)结构方面：主要包括一下几点：1） 合理有效的承重结构体系的选择: 冷弯薄壁型钢结构体系的承重结构一般为平面框架，设计中选择有侧移框架或者无侧移框架、柱脚选择刚接或者铰接、主次梁如何布置，这些都是很重要的问题。2） 组合构件的承载性能分析：当构件承载力不足的时候，常常使用组合构件，例如框架柱常用双China或四C槽钢组成的I及T型截面。分析对这种组合构件的承载性能是十分必要的。3） 连接节点的设计及其抗震性能：冷弯薄壁型钢结构体系算的连接节点既不是纯刚性节点，也不是铰接节点，而是介于这两者之间的半刚性节点，所以其节点的设计与抗震性能是一个十分复杂的。4） 组合楼盖对侧向刚度的影响及其应用研究：新型压型钢板密肋组合楼盖会对结构的侧向刚度产生很大的影响，但是目前对这方面问题研究还很不充分。5） 支撑、剪力墙等抗侧立体系的性能研究：由于轻钢结构较柔，所以常使用支撑、剪力墙的抗侧力体系以提高机构的刚度。对这些抗侧力体系的性能也要做深入的研究。6） 高效算的内外围护系统开发研制：合理有效的内外围护结构不仅要体现干作业、施工快的特点，还要具有优良的保温隔声性能，满足室内外装修的方便与灵活要求等。（3）设备方面:建筑设备与钢结构住宅配套，是住宅首先遇到的问题。要选用和开发适合钢结构住宅的各项配套设备、采用先进的技术和设备用于钢结构住宅是一个重要的问题。（4）施工方面：冷弯薄壁型钢结构的制作安装是专业形很强的技术工作，不仅需要专业的生产线，而且对从业人员的教育程度、专业水平和操作技能有相当高的要求，这不是普通工人经过简单培训就能胜任的。而且目前我国大多数钢结构企业的生产线工艺落后、加工精度低，施工单位技术水平良莠不齐，缺少必要的专用设备和技术培训，这使得安装工期和质量难以保证，对冷弯薄壁型钢结构体系的发展造成了很大影响。7结论与展望:正如惠特尼在自由的背脊-赋予钢结构和建筑材料及其应用的调查序中所说，“现代的建筑是自由的建筑，而钢铁是它的脊梁，自由在这种历史背景下意味这什么？当世界大同和建筑变得全球化的时候，这个词代表了一个新的开端，一个新的时代。”随着我国现代建设迅速发展，我国刚产量，品种已迅速增加，冷弯型钢在我国的应用也必将进入一个更高的发展阶段，必将成为21世纪全球化住宅主流商品。冷弯薄壁型钢结构体系与传统的结构体系相比，具有入下几点优点：（1） 可以营造出十分丰富的建筑形式，还可在室内形成开敞的空间便于在分割和更新用途；（2） 无收缩和徐变的现象，而且各部分尺寸精确，便于整体设备连接；（3） 施工方便快捷，周期短。而且施工现场文明，建筑垃圾少；（4） 大部分材料可回收再利用，符合可持续发展战略。同时它适应房地产业的需求，建设周期短，见效快，可以加快建设资金流动，增加资金效益，尤其可以加快旧城改造，减低回迁费用，也实现了住宅产业话、现代化，提高住宅经济效益和社会效益。作为建筑工作人员，应该专注这个发展的趋势，了解我国冷弯薄壁型钢结构使用情况，总结经验，吸取国外的先进技术成果，努力开创我国冷弯薄壁型钢住宅建筑的新天地。参考文献1、黄真，李木谦，国外钢结构别墅住宅体系探讨，钢结构，2001年第4期2