2008年5月12日我國(guó)四川省汶川發(fā)生里氏8.0級(jí)特大地震，受災(zāi)人數(shù)達(dá)到了4000多萬，無家可歸的群眾有百萬之多，直接經(jīng)濟(jì)損失8451億元人民幣。災(zāi)后有專家提出住宅建筑可以適當(dāng)考慮采用輕鋼結(jié)構(gòu)。在國(guó)外，輕鋼結(jié)構(gòu)已被許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用。但在國(guó)內(nèi)，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑還較少為人們所接受，設(shè)計(jì)和施工仍然存在不少問題。本文希望通過研究與探討，有助于推動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)住宅建筑中的應(yīng)用與發(fā)展。

1輕鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)住宅

1.1輕鋼結(jié)構(gòu)的含義

所謂輕鋼結(jié)構(gòu)是指承受相對(duì)較輕的荷載，構(gòu)件截面相對(duì)較小，自重相對(duì)較輕的全鋼結(jié)構(gòu)。其承重結(jié)構(gòu)主要采用冷彎薄壁型鋼、焊接薄壁型鋼、輕型熱軋型鋼構(gòu)件及由以上構(gòu)件拼接而成的組合構(gòu)件。維護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用各種輕質(zhì)高性能保溫隔熱板材。結(jié)構(gòu)的用鋼量指標(biāo)相對(duì)較低。它的配件均在工廠制作，在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝。

1.2輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是指以輕型冷彎薄壁型鋼、輕型焊接和高頻焊接型鋼、薄鋼板、薄壁鋼管、輕型熱軋型鋼及以上各構(gòu)件拼接、焊接而成的組合構(gòu)件為主要受力構(gòu)件，大量采用輕質(zhì)圍護(hù)隔離材料的單層和多層住宅。輕鋼住宅結(jié)構(gòu)體系主要由支撐骨架、圍護(hù)骨架、輕質(zhì)隔墻、裝飾外墻、樓層板、屋面板和門窗及樓梯組成。它與傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和普通鋼結(jié)構(gòu)房屋的差異主要表現(xiàn)在：

（1）結(jié)構(gòu)自重輕，節(jié)約鋼材。在外荷載、結(jié)構(gòu)形式、跨度相同的情況下，輕鋼結(jié)構(gòu)要比普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材40%以上。

（2）強(qiáng)度高，抗震性能好。輕鋼結(jié)構(gòu)采用材質(zhì)均勻，塑性、韌性好的鋼材，結(jié)構(gòu)安全可靠。

（3）施工速度快，建設(shè)工期短，工業(yè)化程度高。輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均在工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工周期短，并且主要為干作業(yè)，有利于現(xiàn)場(chǎng)文明施工。

（4）建筑造型簡(jiǎn)潔、美觀，空間靈活。輕鋼結(jié)構(gòu)房屋構(gòu)件截面遠(yuǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻多為非承重墻，用戶可以根據(jù)需要靈活劃分使用空間。

（5）生產(chǎn)和使用過程中能耗低，污染少。輕鋼結(jié)構(gòu)房屋拆除后可回收再利用，屬于“綠色建筑”，有利于環(huán)境保護(hù)，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)人與自然的和諧。

1.3常見的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅承重體系

（1）H型鋼骨架住宅。采用H型鋼梁、柱（加輕型支撐）的框架（框架支撐），簡(jiǎn)稱H+H型鋼骨架體系。H型鋼可采用熱軋型或高頻焊接型。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商眾多。

（2）C+C型鋼骨架住宅。采用C型鋼梁、柱加輕型支撐。C型鋼冷彎成型，厚度為1.6mm～8mm，高度50mm～452mm。相對(duì)于H型鋼而言，C型鋼優(yōu)點(diǎn)是鋼材消耗量小，缺點(diǎn)是截面不穩(wěn)定，需考慮時(shí)效變形。

（3）方鋼骨架住宅。框架柱采用方形和矩形鋼管，框架梁采用H型或U型鋼梁加輕型支撐。方鋼冷彎成型，高頻焊接，厚度為1.5mm～200mm，邊長(zhǎng)為20mm～200mm，在日本使用廣泛。優(yōu)點(diǎn)是截面穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)布置方便，缺點(diǎn)是鋼材消耗量大，因此國(guó)內(nèi)使用較少。

（4）冷軋輕鋼骨架住宅。冷彎成型，作為承重龍骨，其厚度一般為0.84mm～2.46mm，邊長(zhǎng)為60mm～305mm。冷軋輕鋼骨架體系住宅在歐美國(guó)家使用極為廣泛。國(guó)內(nèi)非承重輕鋼龍骨生產(chǎn)能力很大，但能生產(chǎn)承重輕鋼龍骨的廠家不多。

2輕鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外住宅建筑中的應(yīng)用狀況

2.1輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在國(guó)外的應(yīng)用狀況

由于環(huán)保意識(shí)強(qiáng)和木材短缺，許多國(guó)家如美國(guó)、日本、英國(guó)、澳大利亞，正積極地推動(dòng)中低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用與發(fā)展。

澳大利亞早在20世紀(jì)60年代就提出了“快速安裝預(yù)制住宅”的概念，但由于市場(chǎng)尚未成熟，并未得到很好發(fā)展。1987年，高強(qiáng)度冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。1996年，澳大利亞與新西蘭的聯(lián)合規(guī)范AS/NZS4600冷彎成型結(jié)構(gòu)鋼規(guī)范發(fā)布實(shí)施。這種鋼材承載力高，與相同承載力的木材相比，重量只有木材的1/3，表面經(jīng)鍍鋅處理后其耐久性可達(dá)75年。

輕鋼結(jié)構(gòu)在美國(guó)發(fā)展最快。1965年輕鋼結(jié)構(gòu)在美國(guó)僅占建筑市場(chǎng)的15%，1990年上升到53%，到2000年該比例高達(dá)75%。住宅用構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、專業(yè)化、商品化、社會(huì)化程度很高，幾乎達(dá)到100%。各種施工機(jī)械、設(shè)備、儀器等租賃化非常發(fā)達(dá)，商品化程度達(dá)到40%。輕鋼結(jié)構(gòu)公司業(yè)務(wù)范圍包含設(shè)計(jì)、加工、安裝和售后服務(wù)等眾多環(huán)節(jié)?？梢娫跉W美發(fā)達(dá)國(guó)家，輕鋼結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的應(yīng)用已十分廣泛和深入。

2.2輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的應(yīng)用狀況

過去，我國(guó)民用鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢，主要是因?yàn)殇摦a(chǎn)量不高。盡管現(xiàn)在我國(guó)鋼年產(chǎn)量已達(dá)3億多噸，但是傳統(tǒng)意識(shí)認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)比較高，使得鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了一定的限制。我國(guó)在輕鋼住宅方面也進(jìn)行了一些大膽的嘗試。20世紀(jì)80年代我國(guó)從日本引進(jìn)幾百棟輕鋼結(jié)構(gòu)低層別墅，90年代國(guó)外某些公司為推廣其產(chǎn)品在北京、上海等地建造了多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅樓，但是大規(guī)模的研究開發(fā)、設(shè)計(jì)制造、施工安裝還是在近幾年才逐步發(fā)展起來的。目前北京、天津、上海、廣州和深圳等地開始并建成了一批低層、多層和高層輕鋼結(jié)構(gòu)樣板住宅。很多科研單位和鋼結(jié)構(gòu)公司也在輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的理論研究方面進(jìn)行了有益的探索。

2.3我國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅存在的一些問題

目前輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的應(yīng)用僅局限于極少數(shù)的高檔別墅和多層住宅建筑，還沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。在農(nóng)村市場(chǎng)和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面幾乎是一片空白。探究其原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）缺乏相關(guān)規(guī)范。盡管《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018—2002》是一本用于指導(dǎo)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工與質(zhì)量驗(yàn)收的綜合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但其主要是針對(duì)工業(yè)廠房屋面體系的檁條設(shè)計(jì)，在其構(gòu)造條文中，明文規(guī)定“冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壁厚不宜小于1.5mm，主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm”。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中也涉及到一些有關(guān)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的條文。同樣，在其有關(guān)構(gòu)造條文中，也規(guī)定“用于凜條和墻梁的冷彎薄壁型鋼，壁厚不宜小于1.5mm”。這主要是由于我國(guó)過去極少將2mm以下的薄鋼板用作主要承重結(jié)構(gòu)的構(gòu)件， 對(duì)于國(guó)外大量采用的壁厚0.8mm～1.6mm的鍍鋅輕鋼龍骨承重體系，既缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，也缺少相應(yīng)的理論研究。

（2）材料供應(yīng)不足。能生產(chǎn)承重冷軋輕鋼骨架的廠商總體較少。冷彎薄壁型輕鋼住宅的梁柱均采用壁厚1mm左右的C型鋼和U型鋼，目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)此種構(gòu)件的廠家仍然不多，產(chǎn)量不足，從而導(dǎo)致造價(jià)過高，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比優(yōu)勢(shì)不明顯。

（3）缺乏相應(yīng)工程技術(shù)人員。由于國(guó)內(nèi)高校的建筑工程類專業(yè)教學(xué)內(nèi)容中未涉及或者很少涉及輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，因此我國(guó)工程技術(shù)人員對(duì)這一結(jié)構(gòu)體系了解不多，相應(yīng)的熟練技術(shù)工人也比較缺乏。

（4）受傳統(tǒng)觀念影響較深。由于大量采用輕型屋面材料和墻體材料，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的突出特點(diǎn)就是“輕”。面對(duì)一個(gè)很“輕”的建筑，由于缺乏相應(yīng)的建筑理論知識(shí)，我國(guó)的普通購(gòu)房者可能首先會(huì)關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全性，即房屋是否堅(jiān)固。另外鋼材容易銹蝕且耐火性差，也是人們長(zhǎng)期以來對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的固有認(rèn)識(shí)。

3工程實(shí)例

以筆者工作單位大門傳達(dá)室為例。以下為該工程主要技術(shù)參數(shù)：建筑面積34.53m2，建筑高度5.0m，總長(zhǎng)12.9m，總寬4.2m，地上1層。原設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，梁、柱、屋面板混凝土強(qiáng)度為C25，柱基混凝土強(qiáng)度為C30，墻體材料采用加氣混凝土砌塊，土建和水電安裝總造價(jià)約為20萬元。

后經(jīng)實(shí)地考察調(diào)研，決定采用輕鋼結(jié)構(gòu)（見圖1）。結(jié)構(gòu)龍骨使用截面為89×41×11×0.75的鍍鋅C型輕鋼（見圖2），其厚度僅為0.75mm，但強(qiáng)度卻高達(dá)550MPa。墻體圍護(hù)材料為0.22mm厚雙層彩鋼板內(nèi)填40mm厚496型A級(jí)防火水泥發(fā)泡板（見圖3）。屋面采用89×41×11×0.75（mm）C型輕鋼龍骨 + 12mm厚OSB板（定向刨花板）+3mm厚防水卷材+ 2mm厚瀝青瓦。室內(nèi)除衛(wèi)生間外吊頂為1220×2440×12mm石膏板，衛(wèi)生間吊頂為910×1820×6mm水泥纖維板。墻體圍護(hù)材料通過螺釘或螺栓、膨脹螺栓與地面連接，墻體之間通過自攻螺釘或者螺栓連成整體形成支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于房屋自重較輕，基礎(chǔ)無需采用鋼筋混凝土柱基，只需在簡(jiǎn)單處理后的地基上澆筑一層15cm厚的C15素混凝土墊層即可。工程完工后，經(jīng)測(cè)算總造價(jià)約為12萬元，取得了一定的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

此外，同原設(shè)計(jì)相比，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅還顯示出如下特點(diǎn)：

（1）構(gòu)件截面小，從而增加了房屋室內(nèi)凈高和實(shí)際使用面積。

（2）由于自重較經(jīng)，房屋在相同設(shè)防烈度和場(chǎng)地條件下承受的地震作用較小，地震災(zāi)害也隨之減輕。該房屋生產(chǎn)廠家采用新西蘭FRAMECAD PRO軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。該軟件專門用于別墅設(shè)計(jì)。新西蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者們做過實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明此類房屋抗震等級(jí)能夠達(dá)到8級(jí)以上。

（3）梁柱構(gòu)件便于開孔或者孔洞較多，容易形成“空腔”，大大方便了水電管網(wǎng)線路的布置。

（4）現(xiàn)場(chǎng)施工速度快，周期短，無需搭設(shè)腳手架和模板，并且可輕易拆卸、易地安裝。

圖1 圖2 圖3

4輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的不足與發(fā)展前景

4.1輕鋼結(jié)構(gòu)住宅不足之處

（1）防火性能有待進(jìn)一步提高。國(guó)內(nèi)有學(xué)者通過有限元軟件ANSYS對(duì)火災(zāi)下低層輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行了分析，研究了有樓板連接并由C型鋼柱和梁組成的框架的溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明隨著溫度的升高，C型鋼柱會(huì)產(chǎn)生明顯的彎扭屈曲，而且柱靠近節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生明顯的局部變形。

（2）防水性能有待改進(jìn)。與其他結(jié)構(gòu)形式的房屋類似，有些輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在使用過程中會(huì)不同程度的出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

（3）容易銹蝕。若沒有對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)材料采取一定的防銹措施，在使用過程中會(huì)很容易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。所以在施工及后期維護(hù)階段都應(yīng)重視防銹處理，例如在材料表面涂抹防銹油漆或者合成油脂。

4.2輕鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展前景

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅盡管存在一些不足之處，但是在我國(guó)還是擁有廣闊的發(fā)展前景。目前我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)鋼大國(guó)，發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)住宅有很大的潛力。隨著我國(guó)鋼鐵企業(yè)冶煉技術(shù)的不斷提高，適合市場(chǎng)需求的特種鋼必將不斷的涌現(xiàn)。廣大科研人員和工程技術(shù)人員可以通過技術(shù)改進(jìn)，使鋼材的表觀結(jié)構(gòu)及金相組織發(fā)生變化，從而提高鋼材本身的耐火性和耐候性。多種新型建筑用鋼的出現(xiàn)將大力推動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。此外，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化制作。與之配套的墻體材料可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型材料。因此它屬于綠色環(huán)保建筑，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

5建議

5.1科研單位、高校和企業(yè)要積極開展輕鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件的理論和試驗(yàn)研究，特別是在防火性能和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性方面加大研究力度，大力研發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造軟件，對(duì)國(guó)外已經(jīng)成熟的技術(shù)進(jìn)行吸收、改進(jìn)和創(chuàng)新，并將研究成果最終以規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的形式確定下來，作為工程師設(shè)計(jì)此類房屋的依據(jù)。

5.2政府部門要積極倡導(dǎo)有實(shí)力的企業(yè)開發(fā)建設(shè)輕鋼住宅，并給予企業(yè)和購(gòu)房者政策優(yōu)惠和價(jià)格補(bǔ)貼。通過建立樣板房，讓民眾親身接觸體驗(yàn)，從根本上改變?nèi)藗儗?duì)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的傳統(tǒng)觀念。

5.3以輕鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為本，結(jié)合我國(guó)傳統(tǒng)民居建造工藝和地域資源特點(diǎn)，創(chuàng)造富有地方特色的現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)生態(tài)墻體，例如采用改性后的竹編墻、毛石墻、木板墻等，這樣可以降低生產(chǎn)設(shè)備成本，讓非專業(yè)者都能參與施工，有利于在我國(guó)廣大農(nóng)村和小城鎮(zhèn)推廣使用輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。

6結(jié)語(yǔ)

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約型社會(huì)的要求。隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)必將與其他結(jié)構(gòu)形式一道在建筑體系中百花齊放、百家爭(zhēng)鳴。