2008年5月12日我國四川省汶川發(fā)生里氏8.0級特大地震，受災人數(shù)達到了4000多萬，無家可歸的群眾有百萬之多，直接經(jīng)濟損失8451億元人民幣。災后有專家提出住宅建筑可以適當考慮采用輕鋼結構。在國外，輕鋼結構已被許多歐美發(fā)達國家廣泛采用。但在國內(nèi)，輕鋼結構住宅建筑還較少為人們所接受，設計和施工仍然存在不少問題。本文希望通過研究與探討，有助于推動輕鋼結構在我國住宅建筑中的應用與發(fā)展。

1輕鋼結構和輕鋼結構住宅

1.1輕鋼結構的含義

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

1.2輕鋼結構住宅的特點

輕鋼結構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件拼接、焊接而成的組合構件為主要受力構件，大量采用輕質(zhì)圍護隔離材料的單層和多層住宅。輕鋼住宅結構體系主要由支撐骨架、圍護骨架、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)的砌體結構、混凝土結構和普通鋼結構房屋的差異主要表現(xiàn)在：

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

（2）強度高，抗震性能好。輕鋼結構采用材質(zhì)均勻，塑性、韌性好的鋼材，結構安全可靠。

（3）施工速度快，建設工期短，工業(yè)化程度高。輕鋼結構的構件均在工廠制作，現(xiàn)場安裝，施工周期短，并且主要為干作業(yè)，有利于現(xiàn)場文明施工。

（4）建筑造型簡潔、美觀，空間靈活。輕鋼結構房屋構件截面遠小于混凝土結構，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。輕鋼結構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，符合科學發(fā)展觀的要求，能夠實現(xiàn)人與自然的和諧。

1.3常見的輕鋼結構住宅承重體系

（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。相對于H型鋼而言，C型鋼優(yōu)點是鋼材消耗量小，缺點是截面不穩(wěn)定，需考慮時效變形。

（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，邊長為20mm～200mm，在日本使用廣泛。優(yōu)點是截面穩(wěn)定，節(jié)點布置方便，缺點是鋼材消耗量大，因此國內(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，邊長為60mm～305mm。冷軋輕鋼骨架體系住宅在歐美國家使用極為廣泛。國內(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輕鋼結構在國內(nèi)外住宅建筑中的應用狀況

2.1輕鋼結構住宅在國外的應用狀況

由于環(huán)保意識強和木材短缺，許多國家如美國、日本、英國、澳大利亞，正積極地推動中低層輕鋼結構住宅的應用與發(fā)展。

澳大利亞早在20世紀60年代就提出了“快速安裝預制住宅”的概念，但由于市場尚未成熟，并未得到很好發(fā)展。1987年，高強度冷彎薄壁鋼結構出現(xiàn)。1996年，澳大利亞與新西蘭的聯(lián)合規(guī)范AS/NZS4600冷彎成型結構鋼規(guī)范發(fā)布實施。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75年。

輕鋼結構在美國發(fā)展最快。1965年輕鋼結構在美國僅占建筑市場的15%，1990年上升到53%，到2000年該比例高達75%。住宅用構件標準化、系列化、專業(yè)化、商品化、社會化程度很高，幾乎達到100%。各種施工機械、設備、儀器等租賃化非常發(fā)達，商品化程度達到40%。輕鋼結構公司業(yè)務范圍包含設計、加工、安裝和售后服務等眾多環(huán)節(jié)?？梢娫跉W美發(fā)達國家，輕鋼結構在住宅建筑中的應用已十分廣泛和深入。

2.2輕鋼結構住宅在我國的應用狀況

過去，我國民用鋼結構發(fā)展緩慢，主要是因為鋼產(chǎn)量不高。盡管現(xiàn)在我國鋼年產(chǎn)量已達3億多噸，但是傳統(tǒng)意識認為鋼結構造價比較高，使得鋼結構的發(fā)展受到了一定的限制。我國在輕鋼住宅方面也進行了一些大膽的嘗試。20世紀80年代我國從日本引進幾百棟輕鋼結構低層別墅，90年代國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構住宅樓，但是大規(guī)模的研究開發(fā)、設計制造、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、多層和高層輕鋼結構樣板住宅。很多科研單位和鋼結構公司也在輕鋼結構住宅的理論研究方面進行了有益的探索。

2.3我國輕鋼結構住宅存在的一些問題

目前輕鋼結構住宅在我國的應用僅局限于極少數(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用。在農(nóng)村市場和小城鎮(zhèn)建設等方面幾乎是一片空白。探究其原因主要有以下幾個方面：

（1）缺乏相關規(guī)范。盡管《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范GB50018—2002》是一本用于指導冷彎薄壁型鋼結構設計、施工與質(zhì)量驗收的綜合技術標準，但其主要是針對工業(yè)廠房屋面體系的檁條設計，在其構造條文中，明文規(guī)定“冷彎薄壁型鋼結構構件的壁厚不宜小于1.5mm，主要承重結構構件的壁厚不宜小于2mm”。行業(yè)標準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》中也涉及到一些有關冷彎薄壁型鋼結構的條文。同樣，在其有關構造條文中，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”。這主要是由于我國過去極少將2mm以下的薄鋼板用作主要承重結構的構件， 對于國外大量采用的壁厚0.8mm～1.6mm的鍍鋅輕鋼龍骨承重體系，既缺乏使用經(jīng)驗，也缺少相應的理論研究。

（2）材料供應不足。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，目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)此種構件的廠家仍然不多，產(chǎn)量不足，從而導致造價過高，與傳統(tǒng)結構形式相比優(yōu)勢不明顯。

（3）缺乏相應工程技術人員。由于國內(nèi)高校的建筑工程類專業(yè)教學內(nèi)容中未涉及或者很少涉及輕鋼結構住宅體系，因此我國工程技術人員對這一結構體系了解不多，相應的熟練技術工人也比較缺乏。

（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，輕鋼結構住宅的突出特點就是“輕”。面對一個很“輕”的建筑，由于缺乏相應的建筑理論知識，我國的普通購房者可能首先會關注結構的安全性，即房屋是否堅固。另外鋼材容易銹蝕且耐火性差，也是人們長期以來對鋼結構的固有認識。

3工程實例

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

后經(jīng)實地考察調(diào)研，決定采用輕鋼結構（見圖1）。結構龍骨使用截面為89×41×11×0.75的鍍鋅C型輕鋼（見圖2），其厚度僅為0.75mm，但強度卻高達550MPa。墻體圍護材料為0.22mm厚雙層彩鋼板內(nèi)填40mm厚496型A級防火水泥發(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構系統(tǒng)。由于房屋自重較輕，基礎無需采用鋼筋混凝土柱基，只需在簡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)測算總造價約為12萬元，取得了一定的綜合經(jīng)濟效益。

此外，同原設計相比，輕鋼結構住宅還顯示出如下特點：

（1）構件截面小，從而增加了房屋室內(nèi)凈高和實際使用面積。

（2）由于自重較經(jīng)，房屋在相同設防烈度和場地條件下承受的地震作用較小，地震災害也隨之減輕。該房屋生產(chǎn)廠家采用新西蘭FRAMECAD PRO軟件進行結構受力計算。該軟件專門用于別墅設計。新西蘭的結構設計者們做過實驗研究，結果表明此類房屋抗震等級能夠達到8級以上。

（3）梁柱構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)場施工速度快，周期短，無需搭設腳手架和模板，并且可輕易拆卸、易地安裝。

圖1 圖2 圖3

4輕鋼結構住宅的不足與發(fā)展前景

4.1輕鋼結構住宅不足之處

（1）防火性能有待進一步提高。國內(nèi)有學者通過有限元軟件ANSYS對火災下低層輕型鋼結構住宅進行了分析，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分布，結果表明隨著溫度的升高，C型鋼柱會產(chǎn)生明顯的彎扭屈曲，而且柱靠近節(jié)點處會產(chǎn)生明顯的局部變形。

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

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

4.2輕鋼結構住宅發(fā)展前景

輕鋼結構住宅盡管存在一些不足之處，但是在我國還是擁有廣闊的發(fā)展前景。目前我國是一個產(chǎn)鋼大國，發(fā)展輕鋼結構住宅有很大的潛力。隨著我國鋼鐵企業(yè)冶煉技術的不斷提高，適合市場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人員可以通過技術改進，使鋼材的表觀結構及金相組織發(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)將大力推動輕鋼結構住宅的發(fā)展。此外，輕鋼結構住宅容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標準化制作。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)要積極開展輕鋼結構住宅結構體系及構件的理論和試驗研究，特別是在防火性能和結構動力特性方面加大研究力度，大力研發(fā)計算機輔助設計、制造軟件，對國外已經(jīng)成熟的技術進行吸收、改進和創(chuàng)新，并將研究成果最終以規(guī)范、標準的形式確定下來，作為工程師設計此類房屋的依據(jù)。

5.2政府部門要積極倡導有實力的企業(yè)開發(fā)建設輕鋼住宅，并給予企業(yè)和購房者政策優(yōu)惠和價格補貼。通過建立樣板房，讓民眾親身接觸體驗，從根本上改變?nèi)藗儗p鋼結構住宅的傳統(tǒng)觀念。

5.3以輕鋼結構特點為本，結合我國傳統(tǒng)民居建造工藝和地域資源特點，創(chuàng)造富有地方特色的現(xiàn)代輕鋼結構生態(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)設備成本，讓非專業(yè)者都能參與施工，有利于在我國廣大農(nóng)村和小城鎮(zhèn)推廣使用輕鋼結構住宅。

6結語

輕鋼結構住宅滿足經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約型社會的要求。隨著我國鋼結構建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，輕鋼結構必將與其他結構形式一道在建筑體系中百花齊放、百家爭鳴。