现代轻钢结构建筑及其在我国的应用

    内容提要轻型钢结构是国内外目前应用和发展速度最快的新型结构型式，广泛用于各类工业、公共和居住建筑，具有施工速度快、建筑造形美观、用钢量少、造价低廉等优势。本文对国内外轻型钢结构的发展现状进行了回顾和总结，并对分析、设计和应用中存在的主要问题提出了建议。

　　另外，轻钢结构还可取代砖石或木结构，可回收，符合环保和可持续发展原则。但是作为一种科技含量高、技术新的应用，对设计和施工人员素质要求高，需要进行专门培训。加工和制作需建立专业生产线，先期投人大，结构的防腐、防火问题也需要专门处理。

　　国内常用的轻钢结构承重体系包括：焊接门式钢架结构体系、冷弯薄壁型钢结构体系、多层框架结构体系、薄壁折皱拱壳屋面体系。对于无吊车的工业和民用建筑，轻型钢结构的钢材用量一般为20~50kg/m2，主要取决于结构形式、跨度、柱距和活荷载的大小。

　　预制装配式轻钢房屋建筑体系诞生于本世纪初，主要用于车库，采用钢波纹板屋面和墙面，20年代出现了定型化生产的厂房。二战期间轻钢房屋建筑迅速发展，多用于快速建设战地飞机库，战后重建对工业厂房的大量需求，进一步刺激了轻钢房屋的发展。40年代出现门式刚架结构，60年代开始大量应用彩色压型板，Z型檩条、保温墙板和屋面板。目前轻钢结构已成为发达国家的主要建筑结构型式，例如，英国新建的非居住类房屋建筑中，90%的单层和60%的多层房屋都采用轻钢结构。

　　美国低层非居住类房屋建筑也以轻钢房屋为主，1995年单体面积15000m2以下的单、双层建筑中金属房屋占65%，新建总面积达3500万m2，主要用于各类厂房、商业建筑、公共建筑、农业建筑等。美国轻钢结构体系的主要形式是门式刚架，在分析、设计理论和方法及制造工艺上已经非常完善，并开发了多种专利产品，其专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价，在制造上也实现了高度标准化、工厂化生产。

　　尽管欧州建筑市场衰退，但钢结构建筑工程量却呈现逐年增加的势态，年工程量已超过700万t.我国大面积应用轻型钢结构从宝钢工程开始，引进了采用压型钢板围护结构、以热轧H型钢作为主要承重结构的新型工业厂房，80年代冶金建筑研究院等单位研究、开发了轻钢建筑成套技术，以及H型钢、檩条、墙梁、压型板、夹芯板、保温板等配套生产线。90年代国外的轻钢生产厂家将整套的结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家、设计单位也开始大面积推广应用轻钢结构。目前我国的钢产量已达1亿t，普通碳素钢质量可靠，价格平稳，供应充足，镀锌及彩色钢板性能优良，在轻钢结构的设计、制作和安装方面已积累了成功的经验，各类焊接、冷成型、压型板等轻钢生产线上100条，已经制定了门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：98）和相应的设计手册26，并开发了部分轻钢结构设计专业软件。国内应用最为广泛的轻钢结构是门式刚架体系建筑和拱型波纹屋面，已建成的北京西郊机库和大连储备粮库单层门式刚架跨度已达72m，芜湖汽车零件公司的另一号厂房单体覆盖面积超过7.5万m2.此外轻钢住宅已成为轻钢应用的另一个热点，国内外都在研究和开发轻钢住宅体系的成套技术。

　　轻型钢结构在国内的应用领域主要有：1、新技术开发区项目，特别是高新技术企业，为树立企业形象，多采用轻钢结构；2、仓储（粮棉库、车库、储备库），配送转运中心（工业、商业）；3、各类（小吨位吊车）轻型工业厂房；4、商场、展厅、体育馆、候车室、飞机库、摄影棚等大跨度公共建筑；5、多层住宅，多层工业厂房；6、学校、医院、办公、娱乐等多层公共建筑；7、超市、零售、百货等商业建筑；8、旧建筑物改扩建、翻修、加层。

　　二、轻型钢结构体系及特点门式钢架轻型房屋钢结构体系采用门式刚架为主承重结构，压型钢板围护结构，分析设计和制作安装技术成熟，应用广泛，已有多种定型成套体系。应用范围包括各类轻型工业厂房，体育场馆、娱乐场所、公共建筑，仓库及储运设施，超市、零售和商业服务等，其合理跨度一般在18~36m之间。

　　门式刚架结构型式多样，可以是单脊、多脊，单跨、多跨、高低跨，或单坡、双坡、陡坡、缓坡、平坡、曲面屋面，跨内也可设单个或多个摇摆柱。构件多为工形截面，可采用等截面、变截面、加腋、实腹、空腹、格构梁柱构件。典型的结构体系主要由基础、主刚架、墙梁、檩条、屋面板、墙面板、抗风柱、屋面支撑、柱间支撑等组成。

　　门式刚架结构设计的主要依据为钢结构设计规范（GB17-88）、冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB17-87）和门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：98）。梁柱构件多采用焊接工形实腹截面，板厚一般在16mm以下，腹板高度较大，通过改变腹板高度实现变截面，可利用腹板的屈曲后强度，按有效截面特性计算构件的强度和稳定性。梁柱构件形状简单，便于采用工厂化加工技术。

　　门式刚架结构的梁柱节点和斜梁的现场拼接节点常采用篼强度螺栓端板连接，可以是外伸式或平齐式，考虑到平齐式端板连接刚度较小，鉴于半刚性连接在我国还没有合适的计算方法，建议采用外伸式端板连接，而且应有足够的端板厚度（20mm以上），以保证节点的刚度21，22门式刚架可以是刚接或铰接柱脚，有吊车厂房宜采用刚接柱脚。

　　檩条或墙梁采用C或Z形冷弯薄壁型钢镀锌檩条或黑檩条，檩（梁）距1.5~2.5m，多采用普通螺栓与主刚架连接，可采用简支或连续体系，檩条（墙梁）端部可加隅撑，既可提高檩条（墙梁）的承载力，加大檩条（墙梁）的跨度，也可加强横梁（立柱）的侧向稳定性。对风荷载较大地区的开敞（半开敞）式建筑，也可加强横梁（立柱）的侧向稳定性。对风荷载较大地区的开敞（半开敞）式建筑，应考虑檩条及墙梁的负风压（反弯曲）工况计算=支撑的布置原则与普钢厂房（屋架）类似，屋面和柱间支撑常采用圆钢拉杆，有吊车厂房的下柱支撑应按压杆设计。墙板、屋面板可采用单层或双层夹心板，复合或单层板加保温层，采用自攻螺栓或扣件连接。

　　多层房屋钢结构体系多层轻塑房屋钢结构体系采用焊接或热轧H型钢为主要承重框架结构、压型钢板组合楼盖、轻质围护结构和内隔断，必要时应设置支撑提高侧向稳定性。欧美日等国二至八层办公、公共或居住建筑的主要结构形式为轻钢框架、压型钢板组合楼盖体系，用钢量在40~50kg/m2左右，主要采用热轧或焊接H型钢梁柱或方、圆管构件M.轻钢结构框架具有比钢筋混凝土施工速度快的优越性，而且采用组合楼盖可保证钢梁的整体稳定性，提篼梁的刚度和承载力，但施工和安装技术要求高，支撑可能会对使用有一定影响。

　　多层轻型房屋钢结构主要应用于住宅，多层工业厂房，学校'、医院、办公、娱乐等公共建筑，以及超市、零售、百货等商业建筑，旧建筑加层、改扩建等。柱距在6~ 12m之间，典型的多层轻型房屋钢结构体系由基础、框架梁柱、墙梁、檩条、屋面板、墙面板、屋面支撑、柱间支撑、楼层次梁、压型钢板楼盖等组成。承重结构按平面框架或空间框架设计，必要时布置柱间支撑保证整体稳定性，减小侧向位移，楼层采用主次梁体系，压型钢板组合楼盖或预制板加现浇板叠合楼盖，不上人屋面可采用檩条和压型钢板，内墙为轻质隔断，外墙采用压型钢板或其它轻质墙体结构。目前国内的一些多层厂房开始采用上述结构，而多层住宅体系的发展为多层轻型房屋钢结构应用提供了巨大潜在市场。采用组合梁可实现提篼结构刚度，减小结构尺寸，增加建筑使用空间。腹板开洞梁可为设备管道提供通行空间，但在孔洞周围要设加劲肋，提高抗剪能力。楼屋盖次梁采用圆形或六边形蜂窝梁，在不增加用钢量的前提下可使梁高增加70%，组合桁架可使跨度进一步加大。

　　多层轻型房屋钢结构设计的依据为钢结构设计规范（GB17-88），中国工程建筑标准化协会组织编制的轻型房屋钢结构设计规程正在报批中，按空间刚架分析设计，无柱间支撑按有侧移框架设计，柱截面采用H形或箱形，梁为工形实腹梁，主梁和柱间刚接或铰接，主次梁间宜铰接；组合楼盖可采用压型钢板或预制板叠合楼盖。楼层梁宜按组合梁设计，栓钉等抗剪件的数量和大小应按受力要求布置，如不考虑组合作用，可按构造要求由置栓钉等抗剪件。采用蜂窝梁既能提篼截面利用率，也为设备管道提供通过空间，关于蜂窝梁的设计和计算，国内尚无明确规定，但有国内外试验研究资料可供设计。柱间支撑、墙面支撑和屋面支撑传递吊车纵向力及应按抗风、抗震和构造要求设计。新型压型钢板肋组合楼盖支承在梁的加宽下翼缘（Slimdek），梁肋之间可布置设备管道，梁板总体结构高度仅300mm，也改善了梁的防火性能，但需要解决梁的抗扭设计问题。

　　冷弯薄壁型钢过去多用做屋面、隔断和围护结构的单体构件，如檩条、墙梁、山墙架，钢屋架、桁架等，只有少量作为结构构件在中、小跨门式刚架（无吊车），单、多层住宅，别墅，货架等建筑中推广应用。由于冷弯薄壁型钢结构体系多采用组合楼盖，轻质围护和隔断，现场施工干作业、全螺栓拼装，具有安装简便，搬运重量轻、仅需小型起重设备等优势，在低层住宅方面具有很大的发展潜力。香港已建成多栋全部采用高强镀锌冷弯薄壁型钢的四~六层住宅，自重极轻、安装简便⑵。英国生产的镀锌冷弯薄壁型钢别墅，完全手工安装，施工仅需一星期，并在牛津建成的三层住宅示范房中进行了保温、隔声、温湿度、耗能等建筑物理性能的长期观测，以证明它的优越性。冷弯薄壁型钢住宅建设研究已列入欧洲的重点研究项目，并陆续开发了各类样品房，目前已进人批量化商业生产阶段。

　　钢板或镀锌钢板经冷压或冷弯而成，基本形状为C形、Z形和方（矩）管型，并可形成各种折皱和卷边、拼成I形或T形提高截面刚度和承载力。框（刚）架梁和柱可采用双C或四C槽钢组成I、T形截面。承重结构为平面框架，布置柱间支撑保证整体稳定性，楼层采用主次梁体系，组合楼盖。不上人屋面采用檩条和压型钢板，内墙为轻质隔断，外墙采用轻质保温板。

　　冷弯薄壁型钢结构的设计依据为冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB18-87），按平面或空间框架结构分析，门式刚架多采用铰接柱脚，框架梁柱连接多为铰接或半刚接，次梁多为C型或Z型钢。

　　冷弯薄壁型钢在轻钢住宅建筑中应用在国内外发展很快，主要采用镀锌C型钢，并进行了各种荷载条件下的结构试验，通过建造样品房，对楼（屋）盖和墙板的振动与隔声、保温与结露等建筑物理性能进行了综合测试。

　　薄壁钢板拱壳屋面结构体系大跨度金属折皱拱形屋面是90年代初从美国引进的一种新型建筑结构形式，是一种采用彩色钢板现场滚压成型的屋面结构体系，具有无梁、无柱、无铆钉螺栓，施工速度快，用钢量省，集承重与围护结构于一体的优势，广泛用于厂房、仓储、商业、农业和机库建设，最大跨度可超过40m.在构造处理方面也还存在着彩色压型钢板耐久性、钢结构防火和节点连接方面的问题。国外在公共建筑中大量采用钢结构，应用外露弧形构件、蜂窝梁和钢管结构来表现建筑艺术，大面积采用保温型玻璃围护结构加强建筑物的通透性和自然采光率，符合节能和环保原则。

　　轻型钢结构由主、次结构，屋面、墙面维护结构等组合而，在建筑构造处理、建筑配件选用等方面目前大￥由各生产厂家自行处理，其工程质量往往难以保证。建筑构造处理问题，不仅牵扯建筑使用功能，而且如果处理不当，还会影响建筑物的结构安全，曾经发生过柱间支撑设置不当，而导致结构在台风中倒塌的事故，应尽快组织编制通用的轻型钢结构标准图集，以规范轻型钢结构的构造处理。

　　在加工、制作和安装方面，除个别新建生产线外，大多数生产线工艺落后、加工精度低，施工单位良莠不齐，半路出家，缺少必要专用设备和技术培训，安装工期和质量都难以保证，工程事故时有发生，也无fe体现轻钢结构速度快的优势。欧洲国家已起动钢结构教育计划，面向高等教育和职业教育，组织了20多个国家的400多位钢结构专家进行编著，历时六载，目前已有40多个国家引进了这套教学资料。

　　轻钢结构的设计、制作和安装是专业性很强的技术工作，对从业人员的教育程度、专业水平和操作技能要求相当高，并非普通工人经过简单培训就能胜任，需要经过多年的工程实践和经验积累才能胜任。我国的钢结构施工与验收规范不仅对制作和安装工艺及质量控制做出了明确规定，而且严格规定了对焊接人员的考核和资格认证的要求。从事轻钢结构设计、制作和安装的人员和单位必须具备国家技术监督部门和资质认证机构颁发的资质证明，才能保证工程质量，避免工程事故。

　　减少轻钢结构设计、制作和安装的中间环节是提高工程质量，保证工期的重要措施，国外的轻钢公司为客户提供从工程可行性研究到项目后期维修的全方位服务。轻钢结构工程涉及的部门很多，一个项目的管理效率直接影响着工程的质量和效益。

　　因此各部门间的信息交流、工艺配合和技术协调是保证项目质量的关键，应根据客户的要求提供轻钢结构的规划、设计、制作、安装和维修实行工程总承包一条龙服务，根据工程的实际情况合理配备人力和设备资源，合理调配资金投人和利益收人，实行项目统一管理，在保证质量和工期的前题下也可为公司带来最佳的经济效益。

　　四、国内轻型钢结构的研究和发展趋势我国曾在70年代提倡过门式刚架钢结构，但受钢材限制和传统设计理论约束，并未得到推广。改革开放以后，深圳上海等地率先引进国外设计和制造的门式刚架轻型钢结构，发现其十分轻巧，比按我们传统的做法用钢量少得多，从而逐渐摈弃了钢结构贵的观念。

　　由于历史的原因，我国钢结构大多应用于重型冶金厂房、大跨度桥梁和大跨度公共建筑，归口管理部门也由原冶金工业部负责。随着钢结构，特别是轻钢结构在民用建筑中的大量应用，作为主管的建设部也意识到必须规范建筑钢结构市场和发展民用建筑钢结构，1996年在中国建筑金属结构协会下设立了建筑钢结构委员会，鼓励和推动钢结构的应用，组织制定了轻钢结构设计规程，2000年又成立了建设部与冶金局的钢材应用协调组，以指导、协调工程中钢结构及钢材的应用。

　　我国钢产量已超过1亿吨，建筑钢材供应充足。国家在政策方面鼓励建筑行业积极采用钢结构。以促进建筑市场的健康发展，缓解钢材积压，为冶金工业提供产品市场。在国外建筑行业以成为钢材的主要消耗市场（20%近年来我国粮食和棉花大丰收，急需储藏空间，兴建钢结构仓库是一个有效途径。新建的高新技术生产企业，如现代化食品加工、轻纺、电子产品、制药和高科技农业项目，对生产工作环境要求高，基本上都倾向于采用轻钢结构。另外港口和海关仓库，铁路沿线的货运仓库，也逐步采用了轻型钢结构。

　　现在钢材供应充足，价格较低，轻钢结构已不再是造价比混凝土贵的结构型式。其用钢量一般在20~50kg/m2，综合造价已和混凝土结构持平，且多数情况下还低于传统的钢筋混凝土结构，并且有施工快、建筑美观的竞争优势。越来越多的建设单位已开始认识到轻钢结构的优越性，逐渐成为工业建筑首选结构型式，在多层民用建筑也已得到了认同。

　　轻钢住宅包括承重结构体系、施工和安装技术研究、新型围护结构体系研究、承重结构和围护结构的连接方法和相互作用研究。

　　轻钢住宅体系研究的主要问题是合理楼盖和墙板体系研究应用。有效的连接方式应能体现于作业、施工速度快的优势，还要考虑外墙和屋面保温隔声，内部装修的方便与灵活等因素，需要开发新型墙体材料以及篼效、节能环保的新型装配式楼盖体系。多层轻型钢结构住宅建筑中，最常用的为混凝土预制板与现浇楼盖相结合的组合楼盖结构体系，由于工业建筑一般无需精装修，外露压型钢板不妨碍使用功能要求，公共建筑可以通过吊顶和外包把压型钢板隐藏在内部，但是压型钢板作为住宅建筑的墙板和屋面板就不是一种合适的选择。在平面布置上要求提供大开间，便于住户灵活分割，如何提高整体刚度，在不影响使用的前提下合理布置支撑体系也是需要解决的问题。

　　此外为推动我国轻钢住宅体系的发展，发展形成专业化的轻型钢结构工程大型企业，完善硬件与软件，建立品牌轻钢房屋体系，形成商品化和规模化，以占领市场。

　　轻钢结构屋面和墙面围护结构在风力作用下的整体稳定性，已成为人们日渐关注的技术难题。屋面板和檩条、墙板和墙梁相互作用分析，以及构件整体稳定性分析的实用设计方法、节点半刚性的理论与试验研究，也是需要进一步关注的课题。

　　多层建筑采用何种结构体系以保证结构整体刚度和抗震性能，如何考虑空间整体作用，也是尚未完全解决的难题。

　　随着轻钢结构应用的日益广泛，计算机辅助设计技术发挥了越来越重的作用，国内许多单位和设计部门都开发了专用和通用的钢结构设计软件。这些软件具有三维建模、结构静动力分析、非线性稳定分析、构件的优化设计、典型节点构造等功能，有些还可自动生成结构平立面图和构件施工图、零件大样和材料表等。国外的软件公司也看好中国工程设计的潜在市场，大举推销各种汉化版的分析和设计软件，各种软件都配有型钢截面库、节点构造库，能与AutoCad自动连接对施工图进行修改。

　　年目前的发展趋势是使软件的适用性更强、应用范围更广，以便分析设计出更复杂的结构型式。焊接和热轧钢结构、冷弯薄壁钢结构、组合结构的混合应用对设计软件提出了更高的要求。现代化钢结构制作加工厂开始采用计算机辅助集成制造技术，新的设计软件应实现设计和制作一体化，软件开发应从建筑结构设计领域扩展到工程的制作安装，开发人员不仅要熟悉钢结构的设计方法，也要精通制作安装的操作和运行，开发高效控制加工过程的软件。

　　五、结束语轻型钢结构在我国已进入了快速发展时期，已在工业建筑中得到了广泛的应用，轻钢住宅已成为轻型钢结构应用的新领域和增长点，但与国外的发展水平相比，无论是在建筑、结构设计，还是在制作安装技术方面，我们都有很大差距，需要对结构设计理论和设计方法进行深人研究，需要对从业人员进行技术培训，需要开发新型围护结构和承重结构体系，使轻型钢结构真正成为综合经济效益高、具有竞争优势的结构体系。