■ 殷惠君
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高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的適用性分析
■ 殷惠君
【摘 要】通過工程實例,對高層鋼結(jié)構(gòu)住宅進行全面的技術(shù)性能、經(jīng)濟性能以及環(huán)境性能分析,綜合評價高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的適用性。分析表明:盡管鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)造價高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但綜合考慮基礎(chǔ)造價、使用面積增加、工期縮短所帶來的收益,鋼結(jié)構(gòu)住宅的綜合經(jīng)濟效益明顯,且隨著樓層的增高其綜合經(jīng)濟優(yōu)勢更加顯著。
【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)住宅;技術(shù)性能;經(jīng)濟性能;綜合評價
殷惠君,上海市房地產(chǎn)科學研究院高級工程師。
鋼結(jié)構(gòu)住宅具有自重輕、強度高、抗震性能好、施工速度快、構(gòu)件截面小、有效使用面積大、材料可回收利用等諸多優(yōu)點,這對于我國一些人多、土地資源少的大中城市,特別是像上海等地,無疑是一種具有發(fā)展前景的住宅形式。
在歐美及日本等發(fā)達國家,鋼結(jié)構(gòu)住宅已經(jīng)在住宅中占據(jù)絕對優(yōu)勢,如美國約有 70%的住宅采用鋼結(jié)構(gòu)住宅。反觀我國,由于長期以來對鋼結(jié)構(gòu)特性認識不足,缺乏相應(yīng)的政策支持,一些技術(shù)難題沒有攻克,不能形成規(guī)模建造量而導致造價高等諸多原因,使得我國鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展緩慢。
鋼結(jié)構(gòu)體系主要包括主體鋼結(jié)構(gòu)體系、圍護結(jié)構(gòu)體系、樓板結(jié)構(gòu)體系等幾大部分,其主要承重骨架由鋼結(jié)構(gòu)或鋼管(圓管或矩形管)混凝土構(gòu)件所組成。它具有鋼結(jié)構(gòu)建筑的一系列特性,同時又具備一般住宅建筑的共性。
1.1主體結(jié)構(gòu)體系
應(yīng)用于高層住宅建筑的鋼結(jié)構(gòu)體系主要有鋼框架-支撐體系、錯列桁架體系、鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-核心筒體系等,不同的結(jié)構(gòu)體系有不同的適用范圍。
1.1.1鋼框架-支撐體系
鋼框架-支撐體系是由純框架體系變化而來,即在純鋼框架縱、橫兩個方向的適當部位沿柱高增設(shè)垂直支撐,以加強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。該體系豎向承載體系為鋼框架,水平承載體系為鋼框架和鋼支撐共同形成的抗側(cè)力體系。根據(jù)其支撐設(shè)置位置的不同,可分為鋼框架-中心支撐體系、鋼框架-偏心支撐體系。
1.1.1.1鋼框架-支撐體系的優(yōu)缺點
鋼框架-支撐體系具有以下優(yōu)點:①由鋼桁架組成的支撐,與剪力墻板相比在達到同樣的剛度下重量要小很多;②用于多層特別是小高層住宅,經(jīng)濟性較好。
其缺點是:①結(jié)構(gòu)層高較低,構(gòu)件節(jié)間尺寸較小,導致支撐構(gòu)件及節(jié)點數(shù)量均較多;②因為墻內(nèi)要布置支撐,所以對建筑洞口布局有諸多限制;③傳力路線較長,抗側(cè)效果較差。
1.1.1.2適用性評價
該體系比純鋼框架體系側(cè)向剛度大,常用于多層及小高層住宅,應(yīng)用較廣。此外,當房屋層數(shù)較高時,該體系要比純鋼框架體系經(jīng)濟。
1.1.2錯列桁架體系
錯列桁架體系的基本組成是高度等于層高、跨度等于房屋寬度的桁架,它的兩端支承在房屋外圍縱列鋼柱上。在房屋橫向的每列柱軸線上,這些桁架隔一層設(shè)置一個,而在相鄰柱軸線則交錯布置。在相鄰桁架間,樓板一端支承在桁架上弦桿,另一端支承在相鄰桁架的下弦桿。垂直荷載則由樓板傳到桁架的上下弦,再傳到外圍的柱子。該體系利用柱子、平面桁架和樓面板組成空間抗側(cè)力體系,在每層樓面形成兩倍柱距的大開間。
1.1.2.1錯列桁架體系的優(yōu)點
(1)桁架交替在各樓層的平面上錯列,且中間無柱子,非常適合住宅單元靈活布置的需求。在建筑布置需要時,可在桁架上開洞,費用增加不多;在底層可安排沒有內(nèi)柱的公共空間。
(2)由于桁架高度有整層高,整個體系剛度較大,不需要再增加柱子剛度。該體系中的柱子主要承受軸力,可充分發(fā)揮高強鋼材的作用,用鋼量可較框架結(jié)構(gòu)減少30%~40%,節(jié)約造價。
(3)樓板直接支承在相鄰桁架的上下弦上,不需設(shè)樓面梁格;結(jié)構(gòu)上可采用小柱距和短跨樓板,使樓板跨度和厚度減小,減輕自重。
(4)桁架在工廠預先預制,現(xiàn)場安裝節(jié)點數(shù)少,焊接量小;桁架與柱節(jié)點可采用鉸接,構(gòu)造簡單,傳力明確,施工周期更短。
1.1.2.2適用性評價
錯列桁架體系具有住宅布置靈活、樓板跨度小、結(jié)構(gòu)自重輕和造價低的特點,是一種經(jīng)濟、實用、高效的新型結(jié)構(gòu)體系,適用于多層和小高層住宅。鑒于上述優(yōu)點,該體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)體系用于住宅建筑的發(fā)展前景良好。
1.1.3鋼框架-混凝土剪力墻體系
鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系以框架為基礎(chǔ),沿其柱網(wǎng)的兩個主軸方向布置一定數(shù)量的剪力墻,以增強住宅的側(cè)向剛度,防止側(cè)向位移過大,常見的是把樓電梯間填充墻做成剪力墻。這種結(jié)構(gòu)體系既具有鋼框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、增大使用面積的優(yōu)點,又有較大的剛度,在多高層建筑中具有很大優(yōu)勢。
1.1.3.1鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點
對于帶縫剪力墻結(jié)構(gòu),墻體在通常的風載和小震時處于彈性階段,可確保結(jié)構(gòu)的正常使用;在大震時進入塑性階段,能吸收大量地震能量,結(jié)構(gòu)能保持足夠承載力防止建筑物倒塌。鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系將鋼材的強度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強度高、防火性能好、抗側(cè)剛度大的特點有機地結(jié)合起來:①鋼筋混凝土剪力墻抗側(cè)移剛度較大,可以減小鋼柱的截面尺寸,降低用鋼量;②該體系總體來說受力性能良好,結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對較經(jīng)濟,且能與隔墻布置相結(jié)合。
其缺點是:①現(xiàn)場安裝比較困難,制作比較復雜;②仍存在現(xiàn)場澆搗混凝土的工作量,減慢了施土速度。
1.1.3.2適用性評價
鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系同鋼框架-支撐體系一樣,常用于小高層及高層住宅;且從其受力特點可以看出,帶縫剪力墻體抗震性能較好,較適用于地震區(qū)。
1.1.4鋼框架-核心筒體系
鋼框架-核心筒體系是以樓梯間、電梯間組成四周封閉的現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒,與型鋼框架結(jié)合成組合結(jié)構(gòu)。它與鋼框架-混凝土剪力墻體系的設(shè)計理念是一致的。該體系結(jié)構(gòu)破壞主要集中在混凝土核心筒,特別是結(jié)構(gòu)下部的混凝土筒體四角,可配置小鋼柱以增加延性,并方便安裝。
1.1.4.1鋼框架-核心筒體系的優(yōu)缺點
鋼框架-核心筒體系具有以下優(yōu)點:①結(jié)構(gòu)受力明確。核心筒抗側(cè)移剛度極強,占結(jié)構(gòu)抗側(cè)移總剛度的90%以上,主要承受水平荷載;鋼框架承擔豎向荷載,可以減小柱截面尺寸。②由于是現(xiàn)澆核心筒,防水性能較好,可有效避免施工不當滲水所造成的鋼構(gòu)件銹蝕。③從建筑平面布置來看,柱子一般布置在陽臺或轉(zhuǎn)角部位,利于住戶的裝修處理。④多數(shù)構(gòu)配件可工廠化生產(chǎn),采用裝配式施工,施工時間可縮短30%~40%。
其缺點是:①核心筒為混凝土,重量大;②現(xiàn)場澆搗混凝土的工作量較大。
1.1.4.2適用性評價
由于鋼框架-核心筒體系綜合受力性能好,特別適合于地震區(qū)或地基土質(zhì)較差的地區(qū);但因其自重減少相對較少,更適用于高層、超高層住宅??偟膩碚f,該體系比較經(jīng)濟,較適于我國大眾消費水平,是相當值得推廣的一種高層住宅結(jié)構(gòu)形式。
1.2配套圍護結(jié)構(gòu)及樓板體系
發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅,就要解決先進適用的配套構(gòu)件和部品問題,主要是“三板”,即外墻板、內(nèi)墻板和樓板。由于我國發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的重點放在多層、高層住宅,與國外大量采用的低層住宅和別墅相比,建筑體型要大得多,對“三板”的性能要求與國外不盡相同,因而對“三板”的生產(chǎn)、運輸、堆放、吊裝應(yīng)作綜合研究,而不能機械照搬國外的做法。符合我國國情的“三板”研究發(fā)展及工廠化生產(chǎn)要有一個過程,產(chǎn)品性能的提高和價格的降低與標準化、批量化生產(chǎn)有關(guān),也有一個過程[1]。
1.2.1鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護墻體材料特點
(1)從傳統(tǒng)的既圍護又承重體系變?yōu)榧儑o體系。鋼框架建筑的荷載由梁柱傳遞,墻體不起承重作用。這是鋼結(jié)構(gòu)住宅墻體與傳統(tǒng)的磚混或內(nèi)澆外砌剪力墻住宅的根本區(qū)別。這一特點使鋼結(jié)構(gòu)住宅墻體成為純圍護結(jié)構(gòu),不再受結(jié)構(gòu)空間的限制,可以根據(jù)居住空間的要求靈活分隔。
(2)墻體材料應(yīng)具有質(zhì)輕高強等物理化學特性和良好的保溫隔熱性。鋼結(jié)構(gòu)的特征之一是輕質(zhì)高強,鋼結(jié)構(gòu)建筑的墻體材料也應(yīng)具備這一特質(zhì),否則重型墻體增加結(jié)構(gòu)的荷載,喪失了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。此外,重型墻體對于負擔其重量的結(jié)構(gòu)體系要求也較高,必須有結(jié)構(gòu)梁的支撐,無法達到靈活布置的要求。良好的保溫隔熱、防火防滲漏和隔聲性能是滿足居住環(huán)境健康舒適的必要條件。
(3)墻體類型適宜于工廠化生產(chǎn),現(xiàn)場裝配化建造。工業(yè)化生產(chǎn)是住宅產(chǎn)業(yè)化的重要標志。鋼結(jié)構(gòu)住宅可實現(xiàn)高度工業(yè)化生產(chǎn)制作和安裝,通常一棟幾千平方米的多層住宅,鋼結(jié)構(gòu)吊裝只需1~2個月。墻體材料是住宅建筑的重要組成部分,數(shù)量多、作用大,只有采用工業(yè)化生產(chǎn)制作和現(xiàn)場裝配式施工,才能真正發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)住宅的工業(yè)化優(yōu)勢。
(4)連接部位的構(gòu)造節(jié)點處理變得尤為重要。工業(yè)化定型生產(chǎn)的墻體材料,在施工安裝過程中的節(jié)點構(gòu)造比傳統(tǒng)砌筑式墻體復雜得多。居住建筑對于墻體材料物理性能方面的較高要求使得節(jié)點構(gòu)造的妥善處理成為解決問題的關(guān)鍵。
1.2.2外墻板
作為鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護結(jié)構(gòu),外墻應(yīng)輕質(zhì)、有自承重和抗沖擊能力,并應(yīng)具備保溫、隔熱、隔聲、防火、防滲漏等多種功能。外墻材料主要采用混凝土小型砌塊、蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板、鋼絲網(wǎng)架聚苯夾心板、纖維水泥外墻掛板、聚氨酯復合外墻板、金屬面壓花復合板等。作為預制外墻板,還要考慮運輸、堆放和吊裝的方便,以及與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接。預制外墻板既有按住宅開間做一塊整體吊裝的,也有分小塊吊裝組合的,各有利弊。下面介紹國內(nèi)幾種主要墻板的做法[1]。
1.2.2.1整間預制外墻板
天津彩麗苑1#樓和萊鋼櫻花園1#樓采用預制復合保溫外墻板,其構(gòu)造是:以70~80mm聚苯板作保溫層,嵌入鋼絲網(wǎng)架,兩側(cè)澆注C25細石混凝土,板厚140~150mm。天津彩麗苑2#樓等工程采用節(jié)能型預制復合外墻板,其構(gòu)造是:飾面磚面層+50mm陶?;炷?輕鋼龍骨+巖棉或聚苯板+增強纖維石膏板。這兩類預制外墻板的板縫都采取了防滲漏、防熱橋措施。
1.2.2.2蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板(ALC板)
蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板(ALC板)由南京從日本引進生產(chǎn)線及安裝技術(shù),是一種高性能的加氣混凝土板,具有重量輕、保溫、隔熱、防水、防火等功能,可組拼成外墻,墻面有裝飾效果,可直接噴刷涂料,已用于上海中福城、北京金寰公寓、濟南百花園1#樓等(圖1)。
1.2.2.3加氣混凝土條板和加氣混凝土砌塊
此類輕質(zhì)產(chǎn)品在北京、上海、濟南等地均有生產(chǎn),用作鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻,經(jīng)濟實惠,保溫、隔熱效果好。盡管現(xiàn)場抹灰濕作業(yè)量較大,但在鋼結(jié)構(gòu)住宅起步階段仍是切實可行的做法。
圖1 上海中福城3期
1.2.3內(nèi)墻板
關(guān)于墻板,各地從實際出發(fā),采用了多種材料和做法,如:輕鋼龍骨石膏板,增強纖維混凝土圓孔板(GRC板),增強石膏空心條板、加氣混凝土條板和砌塊等。天津從德國引進了3E空心墻板生產(chǎn)線;武漢以紙質(zhì)三棱柱筒集合體為基材,經(jīng)固化處理和表面抹灰后做成的昊角板,可用作非承重墻體[1]。
1.2.4樓板結(jié)構(gòu)體系
樓板必須有足夠的承載力和剛度,并與鋼框架實現(xiàn)可靠連接,確保結(jié)構(gòu)體系的整體剛度和穩(wěn)定性,還要滿足防顫動、隔聲、隔熱等住宅功能的要求。在鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系中,樓板主要有現(xiàn)澆混凝土樓板、壓型鋼板混凝土組合樓板、預應(yīng)力疊合樓板、雙向輕鋼密肋組合樓板等,不同類型的樓板形式各有優(yōu)缺點[1]。
1.2.4.1現(xiàn)澆混凝土樓板
現(xiàn)澆混凝土樓板以鋼框架為支撐,在鋼梁上按一定間距焊接栓釘,然后支模板、綁鋼筋,現(xiàn)澆混凝土。如北京金寰公寓3#樓和萊鋼櫻花園#1樓等,均采用現(xiàn)澆混凝土樓板。這種樓板造價低、整體性好,但混凝土硬化需要時間,影響鋼結(jié)構(gòu)施工速度。
1.2.4.2預應(yīng)力疊合樓板
天津彩麗苑#1樓采用預制的預應(yīng)力底板,板長5.1m、厚80mm,板端與鋼梁焊接,板縫設(shè)錨固筋,上澆C25混凝土60mm。這種混凝土樓板把預制與現(xiàn)澆結(jié)合起來,無需支模板,施工速度較快。
1.2.4.3壓型鋼板混凝土組合樓板
這種樓板在國外應(yīng)用普遍,最適用于鋼結(jié)構(gòu),施工速度快,但造價較高。以壓型鋼板作底?;虼娌糠咒摻?,在其上澆混凝土,與鋼梁上的栓釘固接,形成整體連續(xù)板。上海中福城采用這種樓板,壓型鋼板下面作吊頂,其空間用作管道層,并提高樓板的隔聲效果。
1.2.4.4雙向輕鋼密肋組合樓板
天津彩麗苑2#樓采用雙向輕鋼密肋組合樓板,在預制模殼內(nèi)放置雙向輕鋼桁架,吊裝就位后布設(shè)面鋼筋網(wǎng),然后現(xiàn)澆混凝土,總高250mm。該組合樓板剛度大,板下做吊頂,其空間同樣可用作管道層,同時提高樓板的隔聲效果。
鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)盡量采用裝配化的生產(chǎn)施工方式,避免大量現(xiàn)場濕作業(yè),以更有效地體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)住宅的特征。國內(nèi)已建的鋼結(jié)構(gòu)住宅樓板體系大多為預應(yīng)力疊合板,是介于裝配式和現(xiàn)澆式中間的一種類型,反映了目前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅正處在從傳統(tǒng)建造方式向工業(yè)化生產(chǎn)方式過渡的時期。
對于鋼結(jié)構(gòu)住宅的經(jīng)濟性分析,除考慮造價以外,還應(yīng)從建筑有效使用面積、結(jié)構(gòu)抗震及地基處理、建筑布置靈活性、施工工期及施工對周圍環(huán)境影響等綜合因素作全面、系統(tǒng)的分析,并以其綜合經(jīng)濟效益為依據(jù)[2]。
2.1小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的經(jīng)濟性能分析
選擇2幢15層的分別采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅為研究對象,主體結(jié)構(gòu)地上15層為住宅,地下1層為設(shè)備用房,建筑面積9 986m2。
鋼結(jié)構(gòu)住宅的含鋼量一般為85kg/m2,同類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑平均含鋼量一般為79kg/m2,鋼結(jié)構(gòu)住宅用鋼量約增加9.7%,增加造價5%。表1為綜合考慮了基礎(chǔ)造價、圍護結(jié)構(gòu)造價及其它維護費用后兩種結(jié)構(gòu)體系的主要經(jīng)濟指標分析,由此可以看出,鋼結(jié)構(gòu)住宅的平均造價比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約高8.8%,鋼結(jié)構(gòu)住宅圍護結(jié)構(gòu)的造價是導致差異的主要原因。
表2為兩種結(jié)構(gòu)體系中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件占有效面積的分析比較。由于鋼材強度高,鋼構(gòu)件承載面積小,因此鋼結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)占有效面積的比例相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)降低了3.29%,即住宅有效面積增加了3.29%。
2.2高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的經(jīng)濟性能分析
選擇一幢23層鋼結(jié)構(gòu)住宅和一幢20層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅為研究對象。鋼結(jié)構(gòu)住宅總建筑面積為23 700m2,鋼筋混凝土住宅總建筑面積17900m2。兩種結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)總造價、結(jié)構(gòu)占用面積、施工工期、因工期提前帶來的利息節(jié)約對比見表3。其中,結(jié)構(gòu)造價包括地基基礎(chǔ)處理費用、地下室和上部結(jié)構(gòu)的造價。
由表3可以看出,如果綜合考慮結(jié)構(gòu)造價、工期提前及有效面積增加帶來的利息收益、基礎(chǔ)處理及租金帶來的收益,23層鋼結(jié)構(gòu)住宅的單位面積成本可降至698元/m2,遠低于20層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅單位面積成本。
此外,抗震性能也是住宅體系的一項重要技術(shù)指標。中高層住宅采用鋼結(jié)構(gòu)體系,可使結(jié)構(gòu)自重減輕約1/3,地震作用減少30%~40%。若發(fā)生相同烈度的地震,由于鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能良好,鋼構(gòu)件可有效吸收地震能量,贏得逃生時間。另外,即使鋼結(jié)構(gòu)住宅倒塌,因其基本為可回收材料,可二次利用,不污染環(huán)境,具有良好的環(huán)境效益。
表1 主要經(jīng)濟技術(shù)指標分析
表2 結(jié)構(gòu)占有效面積比較
表3 結(jié)構(gòu)總造價比較
高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場優(yōu)勢體現(xiàn)在具有較高的性能價格比,從綜合效益和全壽命成本上,開發(fā)商和購房者都可從高層鋼結(jié)構(gòu)住宅獲得較大收益,且此收益是持續(xù)的??梢灶A計,雖然消費者逐步接受鋼結(jié)構(gòu)住宅需要一個漸進的過程,但只要重視市場推廣,隨著勞動力成本逐步提高和市場發(fā)育成熟,高層鋼結(jié)構(gòu)住宅最終會成為住宅產(chǎn)業(yè)重要類型之一。
高層鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣應(yīng)該從經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)開始。上海作為我國經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)的排頭兵,各類鋼結(jié)構(gòu)建筑特別是高層建筑和公用建筑,在數(shù)量、規(guī)模、高度以及設(shè)計施工水平方面,皆名列前茅。正因為有這樣的基礎(chǔ),有如此雄厚的技術(shù)實力和物質(zhì)條件,在鋼結(jié)構(gòu)住宅研究和發(fā)展方面,上海也應(yīng)走在全國前列[3]。
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Analysis of Applicability of High Rise Steel Structure Residential System
Yin Huijun
【Abstract】All-around analysis of technical performance, economic performance and environment performance is carried out to high rise steel structure residence through practical engineering cases for comprehensively evaluating the applicability of high rise steel structure residence. Analysis shows that though the cost of steel structure residence is higher than that of reinforced concrete structure, its comprehensive economic benefi t is remarkable considering the return brought by basic cost, increase of usable area and shortening of construction period and such comprehensive advantage is more signifi cant with rising of fl oors.
【Keywords】steel structure residence, technical performance, economic performance, comprehensive evaluation
收稿日期:(2015-06-16)