首钢钢结构住宅

1. 综述

守能住宅（Passivhaus）及低耗能住宅是在德国和一些其他欧洲国家于80年代末发展起来的新型节能住宅体系，如今已成为德国新建住宅的主流类型。我们在德国的节能住宅领域有多年的研究和实践经验。1989年在德国建造了首个“低耗能”住宅群?:迪参巴赫的6栋别墅，当时“低耗能”住宅概念在德国还没有被推广, 迪参巴赫别墅在当时具有超前性。

以下是我们完成的部分节能住宅型住宅：

1990年 建成在达姆斯塔特城鹤石区的11栋节能住宅（中标实施方案）

1992年 最早的6栋守能住宅在达姆斯塔特城鹤石区的由范斯特博士Dr. Feist 领衔建成。

1994年 建成在福达－约汉内斯堡的12栋单体节能别墅（中标实施方案）

1996年 建成在戴溪－郭汉的单栋节能别墅

2002年 建成在达姆斯塔特城艾特斯特街的低层节能住宅群

2003年 为开发商迈豪森设计的30座单体节能别墅

2003年 在达姆斯塔特恩鹿公园的低层节能住宅群

2004年 为首钢开发节能型钢结构住宅

图1：建成节能绿色住宅系列

从宏观经济的角度来看，我们应该对以下两种投资进行比较：是继续增加对大型的输油管工程，发电工程和设备，市政电力和热力管道的铺设，大型的供电供热站以及每家每户必不可少的空调设备的投资；还是对守能建筑和低耗能建筑中的更好的保温系统，窗系统，遮阳系统，新风系统等进行有效和一劳永逸的投资，答案应当是不言而喻的。在能源价格不断飚升的今天，后者的投资也更能避免长期的风险。同时，守能建筑和低耗能建筑带给人们的是更高的室内舒适度和更健康的生活环境：新鲜的空气，适宜的温湿度，适宜的墙表温度...

目前北京，上海等地住宅节能的问题不仅在于冬季的保暖，而且在于夏季的制冷。夏季的阳光照在没有保温或很少保温的屋顶和外墙上，将不能阻止热能的进入，而只能通过时间差延缓其进入的时间。同时大量的热能通过玻璃窗直接进入室内，必须通过室内空调排放到室外，这个过程将带来巨大的能量损耗。

所以宜人室内气候必须以足够的墙和屋顶的保温系统以及外遮阳为建筑的基本前提。在这基础之上，通过新风系统等其他措施来调节室内气候，而且目前几乎所有的住宅建筑类型都可以采用上述的节能系统。一些附加的新技术设备，如太阳能电池板，管型或平板型的太阳能集能板，外遮阳系统都会使住宅的外观形成新的特征，从而发展了住宅建筑的形象。

目前守能建筑所需的材料和设备大多能在国内购买，其中包括德国与其他欧洲国家在国内的合资企业，有些设备如有热能回收功能的空调设备，择光玻璃等可能暂时还依靠进口。

(a) (b) (c)

(e) (f)

图2 (a) 外墙防水饱温板-达姆斯塔特节能住宅

(b) 太阳能电池板-达姆斯塔特节能住宅

(c) 太阳能集能管

(d) 节能型采暖系统

(e) 新风管道

每个项目的基础是建立在热能平衡基础上的节能计算。精确的热能计算应以当地的气候参数为基础，为守能建筑的建造和实施提供有效的依据。

接下来，我们将以首钢节能型钢结构住宅为例，对建筑的结构，材料的运用以及节能措施进行较为详细的论述。

2. 首钢钢结构节能住宅项目

钢结构住宅的设计与建造在国内外方兴未艾。自2003年以来, 受首钢总公司委托，德国XYP+E+W公司在首钢设计院的配合下承担设计任务，为首钢研发新一代节能型钢结构住宅体系。通过一年多的工作，基本完成了建筑及结构体系。本项目的目标是结合首钢目前的生产能力,研究适合于市场需要的新型钢结构住宅体系。应用新技术，新材料，完成系统化，整体化，标准化的目标，在住宅空间设计上有一定的创造性和超前性。

由于钢结构建筑在抗震性能好、建筑周期短、结构材料可回收等方面同普通结构建筑有较为显著的优势，并且达到节能型住宅的要求，所以能很好地符合绿色住宅的发展方向。

图3 首钢局部鸟瞰图

2.1 钢结构体系

以6层及12层板楼为主要开发对象，是针对市场发展趋势做出的一个重要抉择，也是余安东,Lange,姜蔼如,赵家康等专家进行了一系列的研究和试算后，最终研发出了一个独立的有特色的新型钢结构体系。

从国内外钢结构体系来看，尽管有可借鉴之处，但与我们的要求都不尽相符。国内外的钢结构住宅体系可按钢材分为三大类：

- 轻型薄壁型钢

冷轧，冷弯，厚度小于3mm，较适于低层别墅建筑。

- 轻型热轧型钢

热轧型钢或热轧钢板焊接，较符合中高层(包括12-14层)住宅建筑的要求

- 重型热轧型钢

热轧特殊型钢或热轧厚钢板焊接，用于高层和超高层，大跨结构等，不属于我们讨论之列。

目前国内的轻型热轧型钢结构住宅体系也百花齐放，有许多可借鉴的案例，但我们不能照搬的原因是因为许多案例还存在各种问题，如建筑方案与结构配合还不够紧密，有的刚度配置对抗震不利；有些施工太复杂。

首钢对自己开发的钢结构体系的定义为：具有轻型热轧型钢梁柱和双柱斜撑抗侧力结构的工业化装配式”钢结构框架支撑体系” 。

在结构框架中，柱考虑焊接矩形管或焊接H型钢；梁考虑焊接H型钢或热轧H型钢；梁柱及支撑的节点可采用焊接、高强度螺栓及普通螺栓连接。梁柱截面也可采用钢-砼（SRC）组合防火结构。

图4 首钢14层节构体系

首钢钢结构专家组对这种结构在6层与12层(或14层)板楼上进行了一系列的优化研究，证实了这个体系的优越性。6层板楼每平米的主体结构用钢量约为40公斤左右，12层板楼主体结构每平米的用钢量为60公斤左右。比通常的相应层次的钢结构每平米用钢量节约20余公斤,已接近钢筋混凝土结构的用钢量.

当前大多数多高层钢结构房屋,多采用钢筋混凝土结构的抗侧力结构.分析表明,若为筒中筒之类的结构体系,有其优点.但在板楼中利用钢筋混凝土楼电梯间作为抗侧力结构,则有以下问题:A.扭转过大,B.在变形较大时,两种结构变形不协调,C.由于钢筋混凝土抗侧力结构的比重很大,不能形成真正的绿色建筑. 这正是我们提倡“钢结构框架支撑体系”的原因之一.

图5首钢14层节构体系受力分析

经过大量的分析比较,我们采用了大小跨柱网布置,大跨宜于开大窗,争取更多阳面.而小跨用于布置支撑.由于建筑师与结构工程师密切配合,使在标准化,系列化的结构体系中,能做到建筑设计的灵活多变.在简明规则的结构框架内,实现建筑设计的多样性,能适应各种户型的需要.

2.2 平面布局

为解决不同户型中不同的空间需要与钢结构标准化化之间的矛盾，我们提出了一个原则两种方法。一个原则就是沿着长边方向布置主梁，尽可能减少主梁对空间格局的影响。由于在住宅中间主梁下方可安排一系列的辅助用房，而采光的使用空间都不受主梁隔断的影响，大大加强了钢结构体系中平面布局的灵活性。

两种方法其一是内隔墙基本不动，通过房间的组合来完成各种户型的搭配；其二是通过减小跨距使次梁与楼板一体化的构造方法，完全“消灭”板下次梁，解放空间，原则上可按需求布置隔墙，保证了平面的灵活性和可变性。

图6 首钢6层方案1平面图

2.3 钢结构体系的三种板件

钢结构体系的三种板件指的是楼板（楼面板属于承重构件、屋面板属于承重及围护构件），外墙板（围护构件）和内墙板（隔断构件）。虽然这“三种板件”的构造方法很多，但在新型钢结构体系的开发中，我们的目标是追求尽可能通过“干作业”的形式来完成各种“板件”的施工。

楼板上我们采用装配式整体楼面，将预应力预制板（单向板）在现场安装后浇成砼整体，最后可形成单向板或双向板。预制板将安放在H型钢梁的下缘，使板底与梁底齐平（适于次梁），保证了平面的灵活度。在楼板节构层上我们运用了悬浮式整平层的作法，保证了楼板的隔音。

(a)

(b)

图 7 (a) 首钢预制楼板钢梁节点 (b) 悬浮式整平层

(1)悬浮水泥层，薄膜层；(2)隔声垫层；(3)走电；(4)暖气上水，暖气回水；(5)现浇水泥；(6)钢梁260mm/195mm/120mm/130mm；(7) 2×上加固筋；(8)连结筋 ；(9)穿洞每25cm,?30mm;(10) 2×下加固筋；(11)钢筋板；(12)铝型材；(13)找平抹灰；(14)2层12.5石膏板；(15)粉刷；(16)2层12.5石膏板;(17)分户墙15.5mm；(18)内隔墙10.0cm

外墙板的选择将有一些特别的要求，如抗风抗雨和接缝的密闭性，地震变形时的弹性，隔音保温等。考虑到砌块和板材的弹性小，有接缝等问题我们选择了干作业轻钢龙骨体系加外部的保温粉刷结合层作为外墙板。它的优点是施工方便，具有较好的隔声保温防火性能。由于保温粉刷结合外墙的技术已十分成熟，这样的外墙结构也极具耐久性。

内隔墙也选用了轻钢龙骨石膏板的体系，关键是这种体系与四周结构的接口，必须完全按照防火和隔声需要设计。

(a)

(b)

图8 (a) 首钢外墙大样图 (b) 分户墙垂直剖面

表1 内墙比较

2.4 井管布置

钢结构系统 的特点需要我们对管线和设备在设计阶段就进行精细的统筹规划。在管线设计中，垂直的管井都被布置在梁以外楼板适于开口处，目的是尽量不影响结构系统。我们尽量避免水平管线，合理布置共用管井综，并在墙体内进行了短距离水平管道的铺设。在整平层下面的隔音垫层中可以水平铺设管道和管线。

图9 隔声管道井

2.5 建筑物理

防火

钢结构防火有很多方式，如钢-砼混合结构，防火涂料等。但在住宅建筑中，人们不会接受外露钢材或不平整表面，所以我们在选择防火方式中倾向于采用防火围护板，这样既能有效地满足钢结构的防火要求，又能保护墙体表面的美观。多层防火石膏板对梁柱可进行有效保护，其耐火极限可达3小时。

2.6 隔声

钢结构住宅的隔声是另一个重要的技术特征。我们把隔声构造分为内墙, 外墙（包括门窗），管井，楼板，楼梯。通过对于各种材料与构造特征的比较，我们选择了轻钢龙骨结构，作用内墙与外墙的主要构造。通过计算,一般75mm厚内隔墙的耐火极限为0.5小时，隔声值约55分贝；户间墙厚155mm，耐火极限达到2小时。外墙构造由内侧的轻钢龙骨（内充隔音棉）及外侧的保温粉刷结合层组成，隔声性能可达到47分贝。管道将布置在特制的轻钢龙骨管井内，并利用了弹性挂件将管道固定，可以最大限度地减少噪音。楼板的隔声主要是通过结构层上的悬浮整平层的构造来达到，其隔音垫层的材料为软木纤维板。楼梯的防噪措施在6层板楼内显得格外重要，因为在低层楼房中，楼梯是交通的主要元素。楼梯将通过弹性挂件与主体结构相连，其他部分将与其相邻的墙之间留有5-10mm的缝隙，并有弹性材料填充，从而完全隔断了脚步对相邻构件的直接影响。

图 10首钢平面细部

2.7 保温节能

除了外墙保温和使用保温外窗以外，我们特别注意在设计中运用外遮阳，以减少夏季制冷能量的损耗。在设计中采用了以下几种遮阳模式:

所有南窗前设外挑阳台，并且不设完全封闭式的阳光屋

用铝合金的外卷帘作为防盗和遮阳的双重设施

推拉式外百叶窗

通过整体的能量计算，我们设计的节能型钢结构住宅能量需求将是目前普通住宅的三分之一。我们还可以通过引入具有能量回收功能的通风系统，进一步减少能耗。

表2 耗能比较

2．8 室内舒适度

除了平时所说的温度和湿度以外，影响室内舒适度的因素还有通风换气和墙体表面温度。特别是墙体表面温度与建筑构造有着直接的联系。如果外墙保温不够或产生冷桥，就会导致墙体发霉从而损害健康，所以我们在所有的节点构造中都充分关注了墙体保温性能和避免冷桥。

通过对钢结构体系的研究、设计、计算，我们和首钢结构专家小组一起开发了一套在结构、建筑、构造及节能等方面都切实可行的钢结构系统。这个系统可对首钢的结构钢产业化产生有利的推动，并为市场提供一种较为先进的新型节能钢结构住宅系统。

表3 首钢节能措施分析

项目 首钢钢结构节能住宅

中国北京

采暖体积: 31 989 m3

采暖体积: 10 236 m2

形体系数 0,24

储热性能 (C wirk)= 18

内部余热回收 = 5 W/m2

首钢节能住宅保温标准比较 　 　 　 　 　

　 　 　 　 　 　 　 　

档次 A 档次 B

单位: 北京目前住宅标准 低能耗住宅标准 节能百分比 % 占总能耗百分比 节能技术措施

1 墙体, 屋顶和地基的热能损耗 kWh/ 每平米套内面积 每年 kWh/m2 a 39.7 10.4 -74% 13% 用20公分厚导热值为 0,040 W/m2 K的外墙保温改善保温性能

2 窗的热能损耗 kWh/m2 a 57.9 24.0 -58% 30% 用开合窗代替推拉窗并采用保温玻璃 Ug= 1,1 W/m2 K

3 冷桥的热能损耗 kWh/m2 a 6.3 3.1 -50% 4% 按德国工业标准DIN4108-10避免冷桥

4 由不密闭引起的的气体散热 kWh/m2 a 50.0 42.8 -14% 53% Sehr luftdichte Bauweise mit Blower-Door-Test n50

5 通过窗所得到的可利用及室内热源产生的可回收热能 kWh/m2 a -54.0 -49.7 8% 用开合窗代替推拉窗并采用保温玻璃 Ug= 1,1 W/m2 K

6 年采暖能耗 Qh/An kWh/m2 a 100.1 33.3 67% 　 节能技术措施成果

7 暖气的采暖效率 ep 1.66 1.15 -31% 用节能锅炉带替普通燃气锅炉并进行余热回收

　 　 　 　 　 　 　 　

8 年采暖原生能量损耗 Qp （包括热水） kWh/ m2 a 187.0 52.6 -72% 　 节能技术措施成果

9 采用太阳能采集系统（包括提供热水） kWh/m2 a -14.5 -10.1 采用太阳能采集系统（包括提供热水）

Shougang green house in steel structure

Xun Yu, Eckstein, Weisensee, Andong Yu

XYP Design & Technology Ltd.

Keyword: Shougang green house in steel structure, Passivhaus

Abstract:

“Passivhaus” and low energy house was developed in Germany and some other European countries. The technology and design principle can also be use for reference in developing new residential buildings in China.

By studying, designing and calculating about Shougang steel structure system, we have developed an innovative steel structure system feasible in architectural, structural, constructional and energy-saving aspects. It is economic and has best seismic behavior. This system could positively drive the industrialization of construction steel structure and provide market with an innovative and advanced energy saving steel structure residential building system.

Due to the seminal economic level and seismic condition, the system will have large potential market not only in China but also in the other countries.