高层钢结构住宅体系的适用性分析

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高层钢结构住宅体系的适用性分析

■ 殷惠君

【摘 要】 通过工程实例，对高层钢结构住宅进行全面的技术性能、经济性能以及环境性能分析，综合评价高层钢结构住宅的适用性。分析表明：尽管钢结构住宅的结构造价高于钢筋混凝土结构，但综合考虑基础造价、使用面积增加、工期缩短所带来的收益，钢结构住宅的综合经济效益明显，且随着楼层的增高其综合经济优势更加显著。

【关键词】钢结构住宅；技术性能；经济性能；综合评价

殷惠君，上海市房地产科学研究院高级工程师。

0　引言

钢结构住宅具有自重轻、强度高、抗震性能好、施工速度快、构件截面小、有效使用面积大、材料可回收利用等诸多优点，这对于我国一些人多、土地资源少的大中城市，特别是像上海等地，无疑是一种具有发展前景的住宅形式。

在欧美及日本等发达国家，钢结构住宅已经在住宅中占据绝对优势，如美国约有 70%的住宅采用钢结构住宅。反观我国，由于长期以来对钢结构特性认识不足，缺乏相应的政策支持，一些技术难题没有攻克，不能形成规模建造量而导致造价高等诸多原因，使得我国钢结构住宅发展缓慢。

1　高层钢结构技术体系及其技术性能分析

钢结构体系主要包括主体钢结构体系、围护结构体系、楼板结构体系等几大部分，其主要承重骨架由钢结构或钢管（圆管或矩形管）混凝土构件所组成。它具有钢结构建筑的一系列特性，同时又具备一般住宅建筑的共性。

1.1　主体结构体系

应用于高层住宅建筑的钢结构体系主要有钢框架-支撑体系、错列桁架体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、钢框架-核心筒体系等，不同的结构体系有不同的适用范围。

1.1.1　钢框架-支撑体系

钢框架-支撑体系是由纯框架体系变化而来，即在纯钢框架纵、横两个方向的适当部位沿柱高增设垂直支撑，以加强结构的抗侧移刚度。该体系竖向承载体系为钢框架，水平承载体系为钢框架和钢支撑共同形成的抗侧力体系。根据其支撑设置位置的不同，可分为钢框架-中心支撑体系、钢框架-偏心支撑体系。

1.1.1.1　钢框架-支撑体系的优缺点

钢框架-支撑体系具有以下优点：①由钢桁架组成的支撑，与剪力墙板相比在达到同样的刚度下重量要小很多；②用于多层特别是小高层住宅，经济性较好。

其缺点是：①结构层高较低，构件节间尺寸较小，导致支撑构件及节点数量均较多；②因为墙内要布置支撑，所以对建筑洞口布局有诸多限制；③传力路线较长，抗侧效果较差。

1.1.1.2　适用性评价

该体系比纯钢框架体系侧向刚度大，常用于多层及小高层住宅，应用较广。此外，当房屋层数较高时，该体系要比纯钢框架体系经济。

1.1.2　错列桁架体系

错列桁架体系的基本组成是高度等于层高、跨度等于房屋宽度的桁架，它的两端支承在房屋外围纵列钢柱上。在房屋横向的每列柱轴线上，这些桁架隔一层设置一个，而在相邻柱轴线则交错布置。在相邻桁架间，楼板一端支承在桁架上弦杆，另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦，再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系，在每层楼面形成两倍柱距的大开间。

1.1.2.1　错列桁架体系的优点

（1）桁架交替在各楼层的平面上错列，且中间无柱子，非常适合住宅单元灵活布置的需求。在建筑布置需要时，可在桁架上开洞，费用增加不多；在底层可安排没有内柱的公共空间。

（2）由于桁架高度有整层高，整个体系刚度较大，不需要再增加柱子刚度。该体系中的柱子主要承受轴力，可充分发挥高强钢材的作用，用钢量可较框架结构减少30%～40%，节约造价。

（3）楼板直接支承在相邻桁架的上下弦上，不需设楼面梁格；结构上可采用小柱距和短跨楼板，使楼板跨度和厚度减小，减轻自重。

（4）桁架在工厂预先预制，现场安装节点数少，焊接量小；桁架与柱节点可采用铰接，构造简单，传力明确，施工周期更短。

1.1.2.2　适用性评价

错列桁架体系具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻和造价低的特点，是一种经济、实用、高效的新型结构体系，适用于多层和小高层住宅。鉴于上述优点，该体系代替传统结构体系用于住宅建筑的发展前景良好。

1.1.3　钢框架-混凝土剪力墙体系

钢框架-混凝土剪力墙结构体系以框架为基础，沿其柱网的两个主轴方向布置一定数量的剪力墙，以增强住宅的侧向刚度，防止侧向位移过大，常见的是把楼电梯间填充墙做成剪力墙。这种结构体系既具有钢框架结构平面布置灵活、增大使用面积的优点，又有较大的刚度，在多高层建筑中具有很大优势。

1.1.3.1　钢框架-混凝土剪力墙结构体系的优缺点

对于带缝剪力墙结构，墙体在通常的风载和小震时处于弹性阶段，可确保结构的正常使用；在大震时进入塑性阶段，能吸收大量地震能量，结构能保持足够承载力防止建筑物倒塌。钢框架-混凝土剪力墙结构体系将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机地结合起来：①钢筋混凝土剪力墙抗侧移刚度较大，可以减小钢柱的截面尺寸，降低用钢量；②该体系总体来说受力性能良好，结构构件相对较经济，且能与隔墙布置相结合。

其缺点是：①现场安装比较困难，制作比较复杂；②仍存在现场浇捣混凝土的工作量，减慢了施土速度。

1.1.3.2　适用性评价

钢框架-混凝土剪力墙结构体系同钢框架-支撑体系一样，常用于小高层及高层住宅；且从其受力特点可以看出，带缝剪力墙体抗震性能较好，较适用于地震区。

1.1.4　钢框架-核心筒体系

钢框架-核心筒体系是以楼梯间、电梯间组成四周封闭的现浇钢筋混凝土核心筒，与型钢框架结合成组合结构。它与钢框架-混凝土剪力墙体系的设计理念是一致的。该体系结构破坏主要集中在混凝土核心筒，特别是结构下部的混凝土筒体四角，可配置小钢柱以增加延性，并方便安装。

1.1.4.1　钢框架-核心筒体系的优缺点

钢框架-核心筒体系具有以下优点：①结构受力明确。核心筒抗侧移刚度极强，占结构抗侧移总刚度的90%以上，主要承受水平荷载；钢框架承担竖向荷载，可以减小柱截面尺寸。②由于是现浇核心筒，防水性能较好，可有效避免施工不当渗水所造成的钢构件锈蚀。③从建筑平面布置来看，柱子一般布置在阳台或转角部位，利于住户的装修处理。④多数构配件可工厂化生产，采用装配式施工，施工时间可缩短30%～40%。

其缺点是：①核心筒为混凝土，重量大；②现场浇捣混凝土的工作量较大。

1.1.4.2　适用性评价

由于钢框架-核心筒体系综合受力性能好，特别适合于地震区或地基土质较差的地区；但因其自重减少相对较少，更适用于高层、超高层住宅。总的来说，该体系比较经济，较适于我国大众消费水平，是相当值得推广的一种高层住宅结构形式。

1.2　配套围护结构及楼板体系

发展钢结构住宅，就要解决先进适用的配套构件和部品问题，主要是“三板”，即外墙板、内墙板和楼板。由于我国发展钢结构住宅的重点放在多层、高层住宅，与国外大量采用的低层住宅和别墅相比，建筑体型要大得多，对“三板”的性能要求与国外不尽相同，因而对“三板”的生产、运输、堆放、吊装应作综合研究，而不能机械照搬国外的做法。符合我国国情的“三板”研究发展及工厂化生产要有一个过程，产品性能的提高和价格的降低与标准化、批量化生产有关，也有一个过程[1]。

1.2.1　钢结构住宅的围护墙体材料特点

（1）从传统的既围护又承重体系变为纯围护体系。钢框架建筑的荷载由梁柱传递，墙体不起承重作用。这是钢结构住宅墙体与传统的砖混或内浇外砌剪力墙住宅的根本区别。这一特点使钢结构住宅墙体成为纯围护结构，不再受结构空间的限制，可以根据居住空间的要求灵活分隔。

（2）墙体材料应具有质轻高强等物理化学特性和良好的保温隔热性。钢结构的特征之一是轻质高强，钢结构建筑的墙体材料也应具备这一特质，否则重型墙体增加结构的荷载，丧失了钢结构的优势。此外，重型墙体对于负担其重量的结构体系要求也较高，必须有结构梁的支撑，无法达到灵活布置的要求。良好的保温隔热、防火防渗漏和隔声性能是满足居住环境健康舒适的必要条件。

（3）墙体类型适宜于工厂化生产，现场装配化建造。工业化生产是住宅产业化的重要标志。钢结构住宅可实现高度工业化生产制作和安装，通常一栋几千平方米的多层住宅，钢结构吊装只需1～2个月。墙体材料是住宅建筑的重要组成部分，数量多、作用大，只有采用工业化生产制作和现场装配式施工，才能真正发挥钢结构住宅的工业化优势。

（4）连接部位的构造节点处理变得尤为重要。工业化定型生产的墙体材料，在施工安装过程中的节点构造比传统砌筑式墙体复杂得多。居住建筑对于墙体材料物理性能方面的较高要求使得节点构造的妥善处理成为解决问题的关键。

1.2.2　外墙板

作为钢结构住宅的围护结构，外墙应轻质、有自承重和抗冲击能力，并应具备保温、隔热、隔声、防火、防渗漏等多种功能。外墙材料主要采用混凝土小型砌块、蒸压轻质加气混凝土条板、钢丝网架聚苯夹心板、纤维水泥外墙挂板、聚氨酯复合外墙板、金属面压花复合板等。作为预制外墙板，还要考虑运输、堆放和吊装的方便，以及与主体结构的可靠连接。预制外墙板既有按住宅开间做一块整体吊装的，也有分小块吊装组合的，各有利弊。下面介绍国内几种主要墙板的做法[1]。

1.2.2.1　整间预制外墙板

天津彩丽苑1#楼和莱钢樱花园1#楼采用预制复合保温外墙板，其构造是：以70～80mm聚苯板作保温层，嵌入钢丝网架，两侧浇注C25细石混凝土，板厚140～150mm。天津彩丽苑2#楼等工程采用节能型预制复合外墙板，其构造是：饰面砖面层+50mm陶粒混凝土+轻钢龙骨+岩棉或聚苯板+增强纤维石膏板。这两类预制外墙板的板缝都采取了防渗漏、防热桥措施。

1.2.2.2　蒸压轻质加气混凝土条板(ALC板)

蒸压轻质加气混凝土条板(ALC板)由南京从日本引进生产线及安装技术，是一种高性能的加气混凝土板，具有重量轻、保温、隔热、防水、防火等功能，可组拼成外墙，墙面有装饰效果，可直接喷刷涂料，已用于上海中福城、北京金寰公寓、济南百花园1#楼等（图1）。

1.2.2.3　加气混凝土条板和加气混凝土砌块

此类轻质产品在北京、上海、济南等地均有生产，用作钢结构住宅外墙，经济实惠，保温、隔热效果好。尽管现场抹灰湿作业量较大，但在钢结构住宅起步阶段仍是切实可行的做法。

图1　上海中福城3期

1.2.3　内墙板

关于墙板，各地从实际出发，采用了多种材料和做法，如：轻钢龙骨石膏板，增强纤维混凝土圆孔板(GRC板)，增强石膏空心条板、加气混凝土条板和砌块等。天津从德国引进了3E空心墙板生产线；武汉以纸质三棱柱筒集合体为基材，经固化处理和表面抹灰后做成的昊角板，可用作非承重墙体[1]。

1.2.4　楼板结构体系

楼板必须有足够的承载力和刚度，并与钢框架实现可靠连接，确保结构体系的整体刚度和稳定性，还要满足防颤动、隔声、隔热等住宅功能的要求。在钢结构住宅建筑体系中，楼板主要有现浇混凝土楼板、压型钢板混凝土组合楼板、预应力叠合楼板、双向轻钢密肋组合楼板等，不同类型的楼板形式各有优缺点[1]。

1.2.4.1　现浇混凝土楼板

现浇混凝土楼板以钢框架为支撑，在钢梁上按一定间距焊接栓钉，然后支模板、绑钢筋，现浇混凝土。如北京金寰公寓3#楼和莱钢樱花园#1楼等，均采用现浇混凝土楼板。这种楼板造价低、整体性好，但混凝土硬化需要时间，影响钢结构施工速度。

1.2.4.2　预应力叠合楼板

天津彩丽苑#1楼采用预制的预应力底板，板长5.1m、厚80mm，板端与钢梁焊接，板缝设锚固筋，上浇C25混凝土60mm。这种混凝土楼板把预制与现浇结合起来，无需支模板，施工速度较快。

1.2.4.3　压型钢板混凝土组合楼板

这种楼板在国外应用普遍，最适用于钢结构，施工速度快，但造价较高。以压型钢板作底模或代替部分钢筋，在其上浇混凝土，与钢梁上的栓钉固接，形成整体连续板。上海中福城采用这种楼板，压型钢板下面作吊顶，其空间用作管道层，并提高楼板的隔声效果。

1.2.4.4　双向轻钢密肋组合楼板

天津彩丽苑2#楼采用双向轻钢密肋组合楼板，在预制模壳内放置双向轻钢桁架，吊装就位后布设面钢筋网，然后现浇混凝土，总高250mm。该组合楼板刚度大，板下做吊顶，其空间同样可用作管道层，同时提高楼板的隔声效果。

钢结构结构体系应尽量采用装配化的生产施工方式，避免大量现场湿作业，以更有效地体现出钢结构住宅的特征。国内已建的钢结构住宅楼板体系大多为预应力叠合板，是介于装配式和现浇式中间的一种类型，反映了目前我国钢结构住宅正处在从传统建造方式向工业化生产方式过渡的时期。

2　钢结构住宅体系综合经济性能分析

对于钢结构住宅的经济性分析，除考虑造价以外，还应从建筑有效使用面积、结构抗震及地基处理、建筑布置灵活性、施工工期及施工对周围环境影响等综合因素作全面、系统的分析，并以其综合经济效益为依据[2]。

2.1　小高层钢结构住宅的经济性能分析

选择2幢15层的分别采用钢结构和钢筋混凝土结构的住宅为研究对象，主体结构地上15层为住宅，地下1层为设备用房，建筑面积9 986m2。

钢结构住宅的含钢量一般为85kg/m2，同类钢筋混凝土结构建筑平均含钢量一般为79kg/m2，钢结构住宅用钢量约增加9.7%，增加造价5%。表1为综合考虑了基础造价、围护结构造价及其它维护费用后两种结构体系的主要经济指标分析，由此可以看出，钢结构住宅的平均造价比钢筋混凝土结构约高8.8%，钢结构住宅围护结构的造价是导致差异的主要原因。

表2为两种结构体系中，结构构件占有效面积的分析比较。由于钢材强度高，钢构件承载面积小，因此钢结构体系结构占有效面积的比例相比钢筋混凝土结构降低了3.29%，即住宅有效面积增加了3.29%。

2.2　高层钢结构住宅的经济性能分析

选择一幢23层钢结构住宅和一幢20层钢筋混凝土结构住宅为研究对象。钢结构住宅总建筑面积为23 700m2，钢筋混凝土住宅总建筑面积17900m2。两种结构体系的结构总造价、结构占用面积、施工工期、因工期提前带来的利息节约对比见表3。其中，结构造价包括地基基础处理费用、地下室和上部结构的造价。

由表3可以看出，如果综合考虑结构造价、工期提前及有效面积增加带来的利息收益、基础处理及租金带来的收益，23层钢结构住宅的单位面积成本可降至698元/m2，远低于20层的钢筋混凝土结构住宅单位面积成本。

此外，抗震性能也是住宅体系的一项重要技术指标。中高层住宅采用钢结构体系，可使结构自重减轻约1/3，地震作用减少30%～40%。若发生相同烈度的地震，由于钢结构住宅抗震性能良好，钢构件可有效吸收地震能量，赢得逃生时间。另外，即使钢结构住宅倒塌，因其基本为可回收材料，可二次利用，不污染环境，具有良好的环境效益。

表1　主要经济技术指标分析

项目　基础造价/万元主体造价/万元围护结构造价/万元其它造价/万元平均造价/万元钢结构　89.3　 663.8　 157.8　 279.3　 1 192钢混凝土结构　106.7　 557.3　 79.3　 351.6　 1 096

表2　结构占有效面积比较

项目　标准层总面积/m2柱面积/m2墙体面积/m2结构占有效面积比例/%钢结构　586.6　5.4　29　5.86钢混凝土结构　586.6　 11.7　42　9.15

表3　结构总造价比较

结构类型　钢结构　钢筋混凝土结构结构造价/万元　2 117　1 340工期提前节约利息/万元　129　0有效使用面积增加经济效益/万元　118　0租金收益/万元　215　0整体成本/万元　1 655　1 340单位成本/元m-2　698　749

3　结语

高层钢结构住宅的市场优势体现在具有较高的性能价格比，从综合效益和全寿命成本上，开发商和购房者都可从高层钢结构住宅获得较大收益，且此收益是持续的。可以预计，虽然消费者逐步接受钢结构住宅需要一个渐进的过程，但只要重视市场推广，随着劳动力成本逐步提高和市场发育成熟，高层钢结构住宅最终会成为住宅产业重要类型之一。

高层钢结构住宅推广应该从经济发达地区开始。上海作为我国经济发展、城镇化建设的排头兵，各类钢结构建筑特别是高层建筑和公用建筑，在数量、规模、高度以及设计施工水平方面，皆名列前茅。正因为有这样的基础，有如此雄厚的技术实力和物质条件，在钢结构住宅研究和发展方面，上海也应走在全国前列[3]。

参考文献：

[1]舒畅.钢结构住宅技术经济分析及其产业化研究[J].武汉理工大学,2005.

[2]李国强,张洁.上海地区高层建筑采用钢结构与混凝土结构的综合经济比较分析[J].建筑结构学报,2000(4):75-79.

[3]郑道宏.上海高层建筑与首个钢结构住宅群[J].四川建筑科学研究,2002(9):1-3.

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）