钢结构住宅设计及其应用

【摘要】

本文作者结合自己的工作实践，对钢结构住宅设计作了简单的探讨，介绍了钢结构住宅的建筑设计特点及设计原则、设计中需要注意的问题等，最后具体分析了钢结构设计在卫生间、厨房及楼梯设计中的应用。

【关键词】

钢结构 住宅设计 应用

引言

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。

1、钢结构住宅的建筑设计特点

钢结构住宅建筑是工业化的集成产品，在《钢结构住宅建筑产业化技术导则》 中明确指出：钢结构住宅建筑除应满足居住生活行为需求，在设计、制作、运输、 安装、维修和管理等环节中还应遵从协调、配合及互动的原则。钢结构住宅建筑设计应充分体现标准化、定型化、多样化及通用化的原则。钢结构住宅建筑及部品、零配件的设计应执行模数协调的原则。平面布置必须体现系列化原则，充分适应结构构件标准化设计、工厂化生产、通用化应用、多样化组合的特点。柱网布置应满足规则性要求，宜以住宅单元或套型为单位实现模块化，以模块的平接、错接和对称凹( 凸) 接等多种拼接适应总平面布置的变化。

2、钢结构住宅设计的原则

（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。

3、钢结构住宅结构体系布置

目前国内钢结构建筑体系主要有纯框架体系、框架――支撑体系、框架――核心简体系等结构形式。钢结构住宅构件的截面形式分为：热轧H型钢截面，焊接H型钢截面、钢骨混凝土截面、焊接箱形截面、冷弯焊接方管或圆管截面等，各种形式的优缺点见表3.1.

表3.1：不同柱截面形式的性能比较

在设计过程中选用何种体系，应该综合考虑多方面的因素，例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间、易改变的布置因素。为了使结构经济合理，多层钢结构住宅对结构布置有些要求。当然，这些要求不是绝对的，而是在可能条件下这样做会更经济，更合理，主要是：采用矩形平面或由矩形平面单元组成的建筑平面；框架柱在房屋横向宜成列布置；将支撑或桁架腹杆设在无孔口的分户墙中；采用间隔桁架体系时，房屋纵向走廊宜在横向桁架的中部。

4、钢结构住宅设计中若干值得注意的问题讨论

在选择了合适的结构体系、柱网布置以后，在设计过程中还要有以下几个值得注意的问题。

4.1 构件设计

构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是q235(类似a3)和q345(类似16mn)。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。出于经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时,可选择q345；稳定控制时,宜使用q235。

构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是，至少应注意两点：

1、软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查。

2、当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

(1)强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

(2)变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。

4.2节点设计

钢结构体系当中，节点的没计和构件的设计具有同等的重要性，因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁――柱节点 、梁――梁节点、柱――柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠，并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工艺，减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类：铰节点、半刚性节点、刚性节点。目前刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟，因此在工程中取得了广泛的应用。

采用的几种梁――柱节点连接形式。由结构布置分析，考虑工程实际情况 ， 在设计时，多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面，由于焊接工字形截面腹板比较薄，故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接，而强轴方向则采用刚接形式。铰节点形式简单，施工方便，但它使得梁跨中弯矩加大，增加用钢量，不经济；刚性节点构造复杂，但其有效的降低了跨中弯矩，节约了用钢，有较好的经济效应；而半刚性节点应用比较少，主要是其受力特性比较复杂，往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式，哪一种更加经济可靠，还有待于在实际工程中比较、检验。

4.3墙体材料的选取

一般来说，为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点，钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其它自重较大的材料。通常采用轻质材料，比如：空心混凝土砌块、加气混凝土、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、OSB板、c s板等。目前使用的比较多的是蒸压轻质加气混凝土板 ( 简称 AL板块)。这种材料质地较轻，具有较好的防水，防渗透能力，保温性能好，隔声效果与一般混凝土空心砌块相当，自身的强度高，施工方便、快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。

在进行墙体的设计时，要求对连接件的强度、 质料和尺寸有准确的规定。 对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性，尽可能采用简捷、快速的连接方法 ， 以便于施工， 提高作业效率。

五、钢结构住宅设计的具体应用

主要介绍了钢结构住宅设计中的卫生间、厨房及楼梯的设计。

5.1 卫生间、厨房设计

卫生问和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料 的防腐能力相对较弱，而卫生问和厨房是住宅中用水最多的地方，所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中，防水有两种方法 ：结构防水和材料防水。在钢结构中，结构防水的效果比较好。正如前文指，框架――核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内，具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根 据工程实际情况而定，比如对于框架――支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时，通常在墙角处将混凝土上翻100～150mm。

5.2 楼梯

对其它类型钢结构建筑的楼梯大都采用钢楼梯，而住宅体系中则基本不用， 原因是钢楼梯的传音效果较好。故钢结构住宅中常常采用混凝土楼梯或者压型钢板混凝土组合楼梯。在设计时要注意楼梯梁的放置位置和处理，因为通常情况下， 这里会出现梁――梁连接，这种连接会使得被连接梁承受集中荷载，这样该梁比较容易发生局部失稳。如某钢楼梯采用6 mm钢折板做踏板，上面浇注混凝土，踏板两端用 L 50 x 6角钢与楼梯梁( 槽钢 ) 通过 M12螺栓连接。这种做法利用40mm混凝土克服了一般钢梯传音效果好的弱点，同时槽钢上翼缘可以焊接合金楼梯扶手，施工简便，值得推广。

结束语

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

[1]薛发，国内钢结构住宅的墙体发展状况[J].工程建设与设计;2004-09.

[2]蔡玉春;钢结构住宅产业化的现状与进展[J].钢结构.2005-01.

[3]王元清等.现代轻钢结构建筑及其在我国的应用.建筑结构学报.2002-2.

[4]姜学诗，钢结构房屋结构设计中常见问题分析 [J];建筑结构; 2003年06期.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。