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鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展和技術(shù)研究

作者：王 明 貴    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文通過調(diào)查我國鋼結(jié)構(gòu)住宅開展情況，總結(jié)了我國鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)的經(jīng)驗，根據(jù)我國國情，提出了鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)的發(fā)展方向。并介紹了鋼結(jié)構(gòu)住宅相關(guān)技術(shù)研究。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅，住宅產(chǎn)業(yè)化，住宅建筑節(jié)能

    1、前言
    從建設部科技司于2001年開始對鋼結(jié)構(gòu)住宅科研立項，到現(xiàn)在已有5年多的時間，全國鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)工作現(xiàn)在進展的如何，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)的方向是什么，在此談一點個人看法，旨在交流鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗，較好地實踐鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)，促進我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
    2、鋼結(jié)構(gòu)住宅概念提出的背景和現(xiàn)實意義
    回顧當初提出鋼結(jié)構(gòu)住宅概念的背景，了解開展鋼結(jié)構(gòu)住宅的意義，對今后開展鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)工作的方向是有益的。
    早在1999年前后，我國住宅建筑飛速發(fā)展，強勁地拉動了國民經(jīng)濟的增長。但是，我國住宅建筑技術(shù)落后，處于粗放型生產(chǎn)階段，勞動生產(chǎn)率僅為發(fā)達國家的四分之一；建筑材料的水平和檔次低，仍以傳統(tǒng)的材料為主，新型墻體材料所占比例很低；住宅使用的多種設備、制品的模數(shù)協(xié)調(diào)體系尚未形成，各種產(chǎn)品的標準化、通用化差；建筑成本高、質(zhì)量差、生產(chǎn)周期長、住宅能耗大、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。這種狀況很難滿足居民對住宅數(shù)量與質(zhì)量的雙重要求，也不能滿足住宅產(chǎn)業(yè)成為經(jīng)濟增長點的要求。為加速住宅建設從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，國務院發(fā)布了《關(guān)于推進住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，提高住宅質(zhì)量的若干意見》（國辦發(fā)[1999]72號），從指導思想、主要目標、產(chǎn)業(yè)框架體系、組織實施等方面逐一闡明，構(gòu)畫出實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化系統(tǒng)工程遠大目標的工作思路和方法途徑。明確提出要開發(fā)和引進先進的住宅建筑體系和成套的工程技術(shù)，提高住宅建設的工業(yè)化水平和標準化水平、節(jié)能高效，全面提高住宅質(zhì)量，從而以此形成產(chǎn)業(yè)鏈，帶動相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，形成國民經(jīng)濟可持續(xù)的增長點。為貫徹實施72號文件，建設部等四個部、委、局于1999年12月6日聯(lián)合發(fā)出了《關(guān)于在住宅建設中淘汰落后產(chǎn)品的通知》，其中實心粘土磚被列為禁用的產(chǎn)品之一，人們開始尋求新的建筑替代材料。
    另一方面，我國鋼產(chǎn)量猛增，從1996年起，年產(chǎn)量超過億噸。由于鋼產(chǎn)量的增加，鼓勵建筑用鋼，原冶金局和建設部成立了“用鋼協(xié)調(diào)小組”，制定了國家建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)“十五”計劃和2015年發(fā)展規(guī)劃綱要，提出了鋼結(jié)構(gòu)住宅的概念。鋼結(jié)構(gòu)是易于產(chǎn)業(yè)化的，它容易實現(xiàn)設計的標準化、構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化、施工機械裝配化；能做到系列化開發(fā)、集約化生產(chǎn)、社會化供應；并且能提高工效、保證質(zhì)量。建設部科技司于2000年８月在北京召開全國第一屆鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)研討會，提出了“打基礎促發(fā)展，抓配套促應用，抓試點帶產(chǎn)業(yè)”的工作方針。
    2001至2002年間，建設部科技司科研立項４０多個支持研發(fā)鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)，并頒發(fā)了《鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化導則》，用以指導各地的鋼結(jié)構(gòu)住宅研發(fā)。2004年開始制定《鋼結(jié)構(gòu)住宅設計規(guī)程》等有關(guān)文件。所以，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的出現(xiàn)，除了社會經(jīng)濟發(fā)展這一主要因素外，還有政府部門的政策導向和積極推動作用。
    從以上記載可以看出，我國開展鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)，具有推行住宅產(chǎn)業(yè)化、提高住宅質(zhì)量的劃時代意義。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國已具備推行住宅產(chǎn)業(yè)化的條件，也是社會可持續(xù)發(fā)展的要求。而鋼結(jié)構(gòu)住宅只是住宅產(chǎn)業(yè)化的其中一種形式，它有利于我國建筑行業(yè)技術(shù)進步，有利于拉動冶金行業(yè)內(nèi)需和促進節(jié)能環(huán)保型建材的開發(fā)。
    當前，中央提出科學發(fā)展觀，建設節(jié)約型社會。在量大面廣的住宅建設中，要做到“節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)電和環(huán)境保護”（簡稱“四節(jié)一環(huán)保”）。因為，中國現(xiàn)有建筑400多億平方米，預計到2020年還將新建約300億平方米，建筑不僅需要用大量的土地，而且在建造和使用過程中直接消耗能源占全社會總能耗的30%，在建材生產(chǎn)中的能耗為16.7%，還有用水占城市用水的47%，等等。我國人口眾多，人均資源相對匱乏：煤炭、石油、天然氣、可耕地、水資源和森林資源的人均擁有量僅為世界平均值的約1/2、1/9、1/23、1/3、1/4和1/6。僅從能耗上分析，據(jù)專家預測，到2020年，如果城鎮(zhèn)建筑全部達到節(jié)能標準，每年可節(jié)省3.35億噸標準煤，空調(diào)高峰負荷可減少8000萬千瓦時，約相當1998年到2002年5年新增電力裝機容量的總和，相當于4.5個三峽大壩的發(fā)電量，相當于國家每年可減少電力建設投資約1萬億元。巨大的能耗行業(yè)，有著巨大的節(jié)能潛力和巨大的社會效益。出路在哪里？在于開發(fā)新的節(jié)能墻體建材和新的建筑體系。當粘土磚被禁用后，只剩下鋼筋混泥土一種結(jié)構(gòu)體系，而且砂石和水泥對資源和環(huán)境都不利，又不能回收再生，與其配套的維護體系基本上達不到節(jié)能50%的要求（包括各種幕墻建筑）。而開展鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)開發(fā)，可帶動節(jié)能環(huán)保、廢舊利用的新型墻體建材的開發(fā)和應用。
    近幾年強勁的市場需求，拉動了我國鋼鐵工業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)快速增長。2005年，我國鋼產(chǎn)量達到3.52億噸，2006年，我國鋼產(chǎn)量達到4.5億噸，建成了一大批鋼結(jié)構(gòu)建筑。隨著大型公共建筑高潮的回落，鋼材的價格在回落，鋼結(jié)構(gòu)用于住宅民用建筑是必然。開展鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)開發(fā)，能促進建筑用鋼和鋼鐵行業(yè)的發(fā)展、拉動經(jīng)濟內(nèi)需。鋼材可回收再利用，鋼結(jié)構(gòu)住宅符合新頒布的綠色建筑標準。
    3、鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)的現(xiàn)狀和存在的問題
    2005年12月份，有關(guān)門組織了全國鋼結(jié)構(gòu)住宅實施情況調(diào)查，所到城市有北京、上海、天津、南京、唐山、石家莊、青島、馬鞍山、紹興和昆明，參觀了12個鋼結(jié)構(gòu)住宅項目，與8個相關(guān)單位進行了座談。這次調(diào)研時間短、不夠全面，結(jié)合平時所了解的情況，現(xiàn)狀是：
    （1）、在認識上，都認為鋼結(jié)構(gòu)住宅是一種先進的建筑技術(shù)，是社會經(jīng)濟發(fā)展和科技進步在建筑業(yè)的產(chǎn)物，符合住宅產(chǎn)業(yè)化以及建筑資源可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、施工速度快、可循環(huán)再利用的優(yōu)點，屬技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，結(jié)合保溫隔熱、廢舊利用的新型墻體建材的開發(fā)，能夠做到“節(jié)能省地”和環(huán)保建筑的要求。在粘土磚被禁用以及每年數(shù)億噸鋼產(chǎn)量的國情下，鋼結(jié)構(gòu)和住宅的相關(guān)標準規(guī)范齊全，開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系是可行的和必要的。
    （2）、鋼結(jié)構(gòu)住宅工程不多，住宅產(chǎn)業(yè)化基本沒有形成。形式上有高層鋼結(jié)構(gòu)住宅（圖１），也有從國外引進的成套C型鋼技術(shù)建低層鋼結(jié)構(gòu)住宅的，如北京的納帕西谷和一千棟（圖２），也有用H型鋼建造的低層鋼結(jié)構(gòu)住宅，如昆明世博興云（圖３）。這次調(diào)查涉及到的工程有141.6萬平方米，以國產(chǎn)H型鋼結(jié)構(gòu)體系居多，用砌塊填充的造價與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本持平。據(jù)了解，近幾年來全國已建成的鋼結(jié)構(gòu)住宅竣工面積約在300～500萬平方米左右。


    （3）、企業(yè)綜合能力差別大。萊鋼建設公司一直在市場中做鋼結(jié)構(gòu)住宅工程，據(jù)介紹已經(jīng)做了鋼結(jié)構(gòu)住宅工程180多萬平方米，有低層建筑，也有多層和高層建筑。他們有自己的房地產(chǎn)公司、設計院、工程隊和高校參與的研發(fā)機構(gòu)等產(chǎn)業(yè)鏈，實踐了各種鋼結(jié)構(gòu)體系，如H型鋼的、鋼管的和鋼混組合的結(jié)構(gòu)體系。但對新型墻體建材開發(fā)及其建筑技術(shù)研究成果尚未走向應用階段。他們做的最多，但仍有許多技術(shù)和管理待完善；紹興地區(qū)有個寶業(yè)集團，他們產(chǎn)業(yè)鏈齊全，有房地產(chǎn)、建材、工程隊、研究院等公司，也有高等院校參與和國外技術(shù)合作，以寶業(yè)集團為創(chuàng)新主體，“產(chǎn)、學、研”結(jié)合，對住宅產(chǎn)業(yè)化理解較深刻和全面，投巨資搞住宅產(chǎn)業(yè)成套技術(shù)開發(fā)，雄心勃勃，他們的試點工程效果較好；馬鋼做了兩棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程，研究工作做得較細致，既注重技術(shù)的適用性，更注重企業(yè)的經(jīng)濟效益性，但他們只把此作為一種技術(shù)儲備。其它的企業(yè)或單位沒有綜合能力，他們或是搞建材的（墻板、砌塊、鋼材等）或是搞設計的或是搞研究的，技術(shù)或產(chǎn)品單一，形成不了產(chǎn)業(yè)鏈，找不到合作單位或工程項目，依賴性強，不能成為創(chuàng)新主體。
    另外，據(jù)了解杭蕭投資10億元開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)住宅成套技術(shù)和產(chǎn)品，投產(chǎn)了高頻焊接矩形鋼管生產(chǎn)線、德國“漢德邦”板、用于樓板的鋼筋桁架自動生產(chǎn)線等硬件設施，并多次請專家會商發(fā)展大計和具體研究，有自己的研發(fā)機構(gòu)、專家顧問和科研合作伙伴。他們產(chǎn)業(yè)鏈齊全，資金雄厚，技術(shù)力量強，領導層決心大。2003年杭蕭鋼構(gòu)取得國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的首張上市通行證，2500萬A股在上證所掛牌上市，他們將所募集的資金全部投入于鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的實施開發(fā)工程。現(xiàn)正在建設武漢世紀家園鋼結(jié)構(gòu)住宅項目，這個項目總占地7.26萬平米，總建筑面積22.97萬平米，其中3棟樓為點式住宅，7棟樓為22—24層板式住宅，均為一類高層建筑，該項目除了全部以鋼結(jié)構(gòu)作為主體外，還將采用由杭蕭鋼構(gòu)自主開發(fā)的自承式樓層板和CCA隔音、保溫、防火、防水內(nèi)外墻板。還有，精工、寶鋼、首鋼等各自的某個下屬企業(yè)也在進軍鋼結(jié)構(gòu)住宅領域。
    2003年北京市建委委托市節(jié)能墻改辦組織專家進行了一次全國性鋼結(jié)構(gòu)住宅情況調(diào)研，圍繞三個問題：要不要在北京發(fā)展推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅體系？存在什么問題？如何解決？歷時半年，走訪了北京、上海、天津、山東、安徽和福建等地，考察了20個工程項目。結(jié)論是：鋼結(jié)構(gòu)住宅是先進的生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展原則在建筑業(yè)的重要體現(xiàn)，北京市發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅具有良好的前景。并建議重點應放在多層和小高層住宅上，采用節(jié)能65%的設計標準。并且在初期階段不能一味強調(diào)“全裝配”，一概排斥“濕作業(yè)”。產(chǎn)業(yè)化和市場化是一個互動的過程。這些結(jié)論今天仍然有效。當時存在的主要問題是技術(shù)（缺乏）和價格（鋼材漲價）。
    2005年的調(diào)查情況表明，鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)和價格不是主要問題，隨著市場的發(fā)展這些問題會逐漸解決的，主要是經(jīng)營問題，是市場培育問題，也就是發(fā)展方向問題。因為多數(shù)單位沒有繼續(xù)做下去，存在的主要問題是：１）沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈。“產(chǎn)、學、研”脫節(jié)，“技、工、貿(mào)”不統(tǒng)一。搞技術(shù)開發(fā)的在市場中找不到工程實踐，拿著“金飯碗”討飯，使技術(shù)得不到市場檢驗和完善，搞不下去。２）產(chǎn)品（或部品）不配套。片面地理解鋼結(jié)構(gòu)住宅就是鋼結(jié)構(gòu)，忽視了住宅建筑功能，解決不了與鋼結(jié)構(gòu)配套的、滿足住宅功能的、具有安全性耐久性和實用性的維護結(jié)構(gòu)和技術(shù)，其結(jié)果還是搞不下去。具體原因還可分析出很多條，但歸根結(jié)底是上述兩條。解決好這兩條，就是鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展方向。
    4、鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展方向
    通過幾年來的實踐，人們清醒地認識到，鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)要做一些應用性基礎研究，不能片面地理解鋼結(jié)構(gòu)住宅就是鋼結(jié)構(gòu)。配套部品的開發(fā)要跟上，是一個系統(tǒng)工程，具有產(chǎn)業(yè)化的性質(zhì)，要逐步發(fā)展完善。
    企業(yè)是創(chuàng)新主體，他們是向望新技術(shù)、向望產(chǎn)業(yè)化的。科研部門搞技術(shù)開發(fā)一定要與企業(yè)結(jié)合，融入到企業(yè)中去，成為企業(yè)的技術(shù)支持，這樣的技術(shù)開發(fā)才有生命力。企業(yè)自己做研發(fā)，不一定有專業(yè)齊全的人才，與科研院所、高等學校結(jié)合是最現(xiàn)實的道路。搞鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)的企業(yè)一定要是房屋公司，其產(chǎn)品是房屋，具有企業(yè)品牌。技術(shù)研發(fā)、建材研制、房屋建設各環(huán)節(jié)不能間斷，從而形成產(chǎn)業(yè)鏈。也就是要搞產(chǎn)業(yè)化。
    要以房地產(chǎn)企業(yè)為龍頭、以項目為平臺，把住宅相關(guān)企業(yè)（研發(fā)、建材、加工等）鏈接起來，形成產(chǎn)業(yè)鏈，在項目平臺上完成住宅產(chǎn)業(yè)化配套集成，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)間、企業(yè)間的有序生產(chǎn)和多贏的利益共同體，在項目上發(fā)展和完善，最終以房屋為產(chǎn)品，形成企業(yè)品牌。
    鋼結(jié)構(gòu)只占鋼結(jié)構(gòu)住宅的２０－３０％的造價，而且技術(shù)成熟，單純的鋼結(jié)構(gòu)公司搞鋼結(jié)構(gòu)住宅是不現(xiàn)實的。鋼結(jié)構(gòu)住宅的關(guān)鍵技術(shù)是維護結(jié)構(gòu)，主要是墻體建材及其建筑技術(shù)。目前也有用砌塊填充的，這當然是一種很好方式，技術(shù)成熟，有規(guī)范可依，易于竣工驗收，在鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)初級階段，是可行的、有經(jīng)濟效益的。研制單塊墻板材料容易滿足要求，但拼裝成墻體后的建筑功能滿足是關(guān)鍵。要求它質(zhì)量輕、強度高、保溫隔熱性能好、安裝可靠、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟合理，這是有一定難度的集“建材、生產(chǎn)、應用”于一體的綜合技術(shù)。雖然也有較好墻板建材，但目前由于市場開發(fā)不好，呈現(xiàn)出生產(chǎn)線落后、安裝應用不可靠或粗制亂造，裂縫處理不好。
    鋼結(jié)構(gòu)住宅既然與住宅產(chǎn)業(yè)化有關(guān)，就要解決一個認識問題：產(chǎn)業(yè)化是一個過程，是一個系統(tǒng)工程，要循序漸進。在研發(fā)初級階段，不要完全排除濕作業(yè)，不要追求全裝配化。把產(chǎn)業(yè)化理解為裝配化也是片面的。企業(yè)要講經(jīng)濟效益。循序漸進、滾動發(fā)展、有利可圖才能持久。
    當前要關(guān)注國家產(chǎn)業(yè)政策，要響應節(jié)能省地、綠色建筑、廢舊利用、循環(huán)經(jīng)濟等科學發(fā)展觀的號召，才能得到政府的政策支持。在我國，宜開發(fā)多層和高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，用H型鋼或鋼管建造，使承重結(jié)構(gòu)與維護結(jié)構(gòu)分開，各司其職，具有中國特色的鋼結(jié)構(gòu)住宅。
    開展鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)開發(fā)，將促進我國住宅建筑材料創(chuàng)新和建筑技術(shù)科技含量以及建筑方式的轉(zhuǎn)變，盡管它在市場中占有量少，但標志著國家建筑科學技術(shù)的進步，標志著建筑從工地走向工廠，是我國實現(xiàn)工業(yè)化乃至現(xiàn)代化的組成部分，使建筑節(jié)能新技術(shù)應用的載體。目前的狀況不是市場不接受鋼結(jié)構(gòu)住宅，而是我們的研發(fā)工作沒有做好，滿足不了市場的要求。
    5、鋼結(jié)構(gòu)住宅相關(guān)技術(shù)研究簡介
    鋼結(jié)構(gòu)住宅相關(guān)技術(shù)研究內(nèi)容很多，在這里僅介紹一種我們在鋼異型柱的研究成果。
    5.1概述
    在鋼結(jié)構(gòu)住宅設計中，結(jié)構(gòu)體系主要是用熱軋H型鋼建造多層（4~6層）或小高層（7~18層）的框架結(jié)構(gòu)，H型鋼柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保護層和飾面，柱子在室內(nèi)凸出，影響建筑美觀，使用不方便。其實，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)也存在類似的問題，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為此研究了一種異形柱（肢長和肢寬比為2～4，區(qū)別于短肢剪力墻─肢長和肢寬比為5～8），應用于住宅建筑中，較好地解決了室內(nèi)柱角凸出的問題。由此設想，在鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑室內(nèi)柱角凸出問題。例如中柱用十字形截面、邊柱用T形截面、角柱用L型截面，它們都由H型鋼和T型鋼組合而成，我們稱它們?yōu)殇摦愋沃鐖D1所示。我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第5.2
    條對十字形柱和T形柱給出了設計計算公式，但沒有圖4（c）所示L形柱的設計計算方法，有關(guān)資料查閱也未見這方面的研究報導文獻。因此，本文將研究L形鋼異形柱承載力，為鋼結(jié)構(gòu)住宅應用做理論研究。
    用彈性薄壁柱理論，可推導出任意開口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程，并由此簡化到單軸對稱截面、雙軸對稱截面的柱壓彎屈曲經(jīng)典方程。進而研究了L形截面柱軸向受壓的承載力及其φ-λ曲線，以便工程設計應用。

    5.2、任意開口截面柱彎扭屈曲相關(guān)方程



    5.3、缺陷分析










    參考文獻
    [1] 王明貴，張莉若，“住宅產(chǎn)業(yè)化與鋼結(jié)構(gòu)住宅”，《鋼結(jié)構(gòu)》，2001.12。
    [2] 建設部，“鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導則”，2001。
    [3] 汪光燾，“建設節(jié)約型社會，必須抓好建筑‘四節(jié)’”，《住宅產(chǎn)業(yè)》，2005.06。
    [4] 王明貴等，“鋼異型柱彎扭相關(guān)屈曲研究”，《鋼結(jié)構(gòu)》，2006.4。
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