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鋼結構住宅的發展和技術研究

作者：王 明 貴    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：本文通過調查我國鋼結構住宅開展情況，總結了我國鋼結構住宅技術開發的經驗，根據我國國情，提出了鋼結構住宅技術開發的發展方向。并介紹了鋼結構住宅相關技術研究。關鍵詞：鋼結構住宅，住宅產業化，住宅建筑節能

    1、前言
    從建設部科技司于2001年開始對鋼結構住宅科研立項，到現在已有5年多的時間，全國鋼結構住宅技術開發工作現在進展的如何，我國鋼結構住宅技術開發的方向是什么，在此談一點個人看法，旨在交流鋼結構住宅技術開發經驗，較好地實踐鋼結構住宅建筑技術，促進我國住宅產業化的發展。
    2、鋼結構住宅概念提出的背景和現實意義
    回顧當初提出鋼結構住宅概念的背景，了解開展鋼結構住宅的意義，對今后開展鋼結構住宅技術工作的方向是有益的。
    早在1999年前后，我國住宅建筑飛速發展，強勁地拉動了國民經濟的增長。但是，我國住宅建筑技術落后，處于粗放型生產階段，勞動生產率僅為發達國家的四分之一；建筑材料的水平和檔次低，仍以傳統的材料為主，新型墻體材料所占比例很低；住宅使用的多種設備、制品的模數協調體系尚未形成，各種產品的標準化、通用化差；建筑成本高、質量差、生產周期長、住宅能耗大、生態環境質量惡化。這種狀況很難滿足居民對住宅數量與質量的雙重要求，也不能滿足住宅產業成為經濟增長點的要求。為加速住宅建設從粗放型向集約型轉變，國務院發布了《關于推進住宅產業現代化，提高住宅質量的若干意見》（國辦發[1999]72號），從指導思想、主要目標、產業框架體系、組織實施等方面逐一闡明，構畫出實現住宅產業化系統工程遠大目標的工作思路和方法途徑。明確提出要開發和引進先進的住宅建筑體系和成套的工程技術，提高住宅建設的工業化水平和標準化水平、節能高效，全面提高住宅質量，從而以此形成產業鏈，帶動相關行業的發展，形成國民經濟可持續的增長點。為貫徹實施72號文件，建設部等四個部、委、局于1999年12月6日聯合發出了《關于在住宅建設中淘汰落后產品的通知》，其中實心粘土磚被列為禁用的產品之一，人們開始尋求新的建筑替代材料。
    另一方面，我國鋼產量猛增，從1996年起，年產量超過億噸。由于鋼產量的增加，鼓勵建筑用鋼，原冶金局和建設部成立了“用鋼協調小組”，制定了國家建筑鋼結構產業“十五”計劃和2015年發展規劃綱要，提出了鋼結構住宅的概念。鋼結構是易于產業化的，它容易實現設計的標準化、構配件生產的工廠化、施工機械裝配化；能做到系列化開發、集約化生產、社會化供應；并且能提高工效、保證質量。建設部科技司于2000年８月在北京召開全國第一屆鋼結構住宅技術開發研討會，提出了“打基礎促發展，抓配套促應用，抓試點帶產業”的工作方針。
    2001至2002年間，建設部科技司科研立項４０多個支持研發鋼結構住宅技術，并頒發了《鋼結構住宅建筑產業化導則》，用以指導各地的鋼結構住宅研發。2004年開始制定《鋼結構住宅設計規程》等有關文件。所以，我國鋼結構住宅的出現，除了社會經濟發展這一主要因素外，還有政府部門的政策導向和積極推動作用。
    從以上記載可以看出，我國開展鋼結構住宅技術開發，具有推行住宅產業化、提高住宅質量的劃時代意義。隨著國民經濟的發展，我國已具備推行住宅產業化的條件，也是社會可持續發展的要求。而鋼結構住宅只是住宅產業化的其中一種形式，它有利于我國建筑行業技術進步，有利于拉動冶金行業內需和促進節能環保型建材的開發。
    當前，中央提出科學發展觀，建設節約型社會。在量大面廣的住宅建設中，要做到“節能、節地、節材、節水、節電和環境保護”（簡稱“四節一環保”）。因為，中國現有建筑400多億平方米，預計到2020年還將新建約300億平方米，建筑不僅需要用大量的土地，而且在建造和使用過程中直接消耗能源占全社會總能耗的30%，在建材生產中的能耗為16.7%，還有用水占城市用水的47%，等等。我國人口眾多，人均資源相對匱乏：煤炭、石油、天然氣、可耕地、水資源和森林資源的人均擁有量僅為世界平均值的約1/2、1/9、1/23、1/3、1/4和1/6。僅從能耗上分析，據專家預測，到2020年，如果城鎮建筑全部達到節能標準，每年可節省3.35億噸標準煤，空調高峰負荷可減少8000萬千瓦時，約相當1998年到2002年5年新增電力裝機容量的總和，相當于4.5個三峽大壩的發電量，相當于國家每年可減少電力建設投資約1萬億元。巨大的能耗行業，有著巨大的節能潛力和巨大的社會效益。出路在哪里？在于開發新的節能墻體建材和新的建筑體系。當粘土磚被禁用后，只剩下鋼筋混泥土一種結構體系，而且砂石和水泥對資源和環境都不利，又不能回收再生，與其配套的維護體系基本上達不到節能50%的要求（包括各種幕墻建筑）。而開展鋼結構住宅建筑技術開發，可帶動節能環保、廢舊利用的新型墻體建材的開發和應用。
    近幾年強勁的市場需求，拉動了我國鋼鐵工業和鋼結構建筑行業快速增長。2005年，我國鋼產量達到3.52億噸，2006年，我國鋼產量達到4.5億噸，建成了一大批鋼結構建筑。隨著大型公共建筑高潮的回落，鋼材的價格在回落，鋼結構用于住宅民用建筑是必然。開展鋼結構住宅建筑技術開發，能促進建筑用鋼和鋼鐵行業的發展、拉動經濟內需。鋼材可回收再利用，鋼結構住宅符合新頒布的綠色建筑標準。
    3、鋼結構住宅開發的現狀和存在的問題
    2005年12月份，有關門組織了全國鋼結構住宅實施情況調查，所到城市有北京、上海、天津、南京、唐山、石家莊、青島、馬鞍山、紹興和昆明，參觀了12個鋼結構住宅項目，與8個相關單位進行了座談。這次調研時間短、不夠全面，結合平時所了解的情況，現狀是：
    （1）、在認識上，都認為鋼結構住宅是一種先進的建筑技術，是社會經濟發展和科技進步在建筑業的產物，符合住宅產業化以及建筑資源可持續發展的要求。鋼結構具有抗震性能好、施工速度快、可循環再利用的優點，屬技術密集型產業，結合保溫隔熱、廢舊利用的新型墻體建材的開發，能夠做到“節能省地”和環保建筑的要求。在粘土磚被禁用以及每年數億噸鋼產量的國情下，鋼結構和住宅的相關標準規范齊全，開發鋼結構住宅建筑體系是可行的和必要的。
    （2）、鋼結構住宅工程不多，住宅產業化基本沒有形成。形式上有高層鋼結構住宅（圖１），也有從國外引進的成套C型鋼技術建低層鋼結構住宅的，如北京的納帕西谷和一千棟（圖２），也有用H型鋼建造的低層鋼結構住宅，如昆明世博興云（圖３）。這次調查涉及到的工程有141.6萬平方米，以國產H型鋼結構體系居多，用砌塊填充的造價與鋼筋混凝土結構基本持平。據了解，近幾年來全國已建成的鋼結構住宅竣工面積約在300～500萬平方米左右。


    （3）、企業綜合能力差別大。萊鋼建設公司一直在市場中做鋼結構住宅工程，據介紹已經做了鋼結構住宅工程180多萬平方米，有低層建筑，也有多層和高層建筑。他們有自己的房地產公司、設計院、工程隊和高校參與的研發機構等產業鏈，實踐了各種鋼結構體系，如H型鋼的、鋼管的和鋼混組合的結構體系。但對新型墻體建材開發及其建筑技術研究成果尚未走向應用階段。他們做的最多，但仍有許多技術和管理待完善；紹興地區有個寶業集團，他們產業鏈齊全，有房地產、建材、工程隊、研究院等公司，也有高等院校參與和國外技術合作，以寶業集團為創新主體，“產、學、研”結合，對住宅產業化理解較深刻和全面，投巨資搞住宅產業成套技術開發，雄心勃勃，他們的試點工程效果較好；馬鋼做了兩棟高層鋼結構住宅試點工程，研究工作做得較細致，既注重技術的適用性，更注重企業的經濟效益性，但他們只把此作為一種技術儲備。其它的企業或單位沒有綜合能力，他們或是搞建材的（墻板、砌塊、鋼材等）或是搞設計的或是搞研究的，技術或產品單一，形成不了產業鏈，找不到合作單位或工程項目，依賴性強，不能成為創新主體。
    另外，據了解杭蕭投資10億元開發鋼結構住宅成套技術和產品，投產了高頻焊接矩形鋼管生產線、德國“漢德邦”板、用于樓板的鋼筋桁架自動生產線等硬件設施，并多次請專家會商發展大計和具體研究，有自己的研發機構、專家顧問和科研合作伙伴。他們產業鏈齊全，資金雄厚，技術力量強，領導層決心大。2003年杭蕭鋼構取得國內鋼結構行業的首張上市通行證，2500萬A股在上證所掛牌上市，他們將所募集的資金全部投入于鋼結構住宅建筑的實施開發工程。現正在建設武漢世紀家園鋼結構住宅項目，這個項目總占地7.26萬平米，總建筑面積22.97萬平米，其中3棟樓為點式住宅，7棟樓為22—24層板式住宅，均為一類高層建筑，該項目除了全部以鋼結構作為主體外，還將采用由杭蕭鋼構自主開發的自承式樓層板和CCA隔音、保溫、防火、防水內外墻板。還有，精工、寶鋼、首鋼等各自的某個下屬企業也在進軍鋼結構住宅領域。
    2003年北京市建委委托市節能墻改辦組織專家進行了一次全國性鋼結構住宅情況調研，圍繞三個問題：要不要在北京發展推廣鋼結構住宅體系？存在什么問題？如何解決？歷時半年，走訪了北京、上海、天津、山東、安徽和福建等地，考察了20個工程項目。結論是：鋼結構住宅是先進的生產力和可持續發展原則在建筑業的重要體現，北京市發展鋼結構住宅具有良好的前景。并建議重點應放在多層和小高層住宅上，采用節能65%的設計標準。并且在初期階段不能一味強調“全裝配”，一概排斥“濕作業”。產業化和市場化是一個互動的過程。這些結論今天仍然有效。當時存在的主要問題是技術（缺乏）和價格（鋼材漲價）。
    2005年的調查情況表明，鋼結構住宅的技術和價格不是主要問題，隨著市場的發展這些問題會逐漸解決的，主要是經營問題，是市場培育問題，也就是發展方向問題。因為多數單位沒有繼續做下去，存在的主要問題是：１）沒有形成產業鏈。“產、學、研”脫節，“技、工、貿”不統一。搞技術開發的在市場中找不到工程實踐，拿著“金飯碗”討飯，使技術得不到市場檢驗和完善，搞不下去。２）產品（或部品）不配套。片面地理解鋼結構住宅就是鋼結構，忽視了住宅建筑功能，解決不了與鋼結構配套的、滿足住宅功能的、具有安全性耐久性和實用性的維護結構和技術，其結果還是搞不下去。具體原因還可分析出很多條，但歸根結底是上述兩條。解決好這兩條，就是鋼結構住宅的發展方向。
    4、鋼結構住宅的發展方向
    通過幾年來的實踐，人們清醒地認識到，鋼結構住宅技術開發要做一些應用性基礎研究，不能片面地理解鋼結構住宅就是鋼結構。配套部品的開發要跟上，是一個系統工程，具有產業化的性質，要逐步發展完善。
    企業是創新主體，他們是向望新技術、向望產業化的。科研部門搞技術開發一定要與企業結合，融入到企業中去，成為企業的技術支持，這樣的技術開發才有生命力。企業自己做研發，不一定有專業齊全的人才，與科研院所、高等學校結合是最現實的道路。搞鋼結構住宅技術開發的企業一定要是房屋公司，其產品是房屋，具有企業品牌。技術研發、建材研制、房屋建設各環節不能間斷，從而形成產業鏈。也就是要搞產業化。
    要以房地產企業為龍頭、以項目為平臺，把住宅相關企業（研發、建材、加工等）鏈接起來，形成產業鏈，在項目平臺上完成住宅產業化配套集成，實現產業間、企業間的有序生產和多贏的利益共同體，在項目上發展和完善，最終以房屋為產品，形成企業品牌。
    鋼結構只占鋼結構住宅的２０－３０％的造價，而且技術成熟，單純的鋼結構公司搞鋼結構住宅是不現實的。鋼結構住宅的關鍵技術是維護結構，主要是墻體建材及其建筑技術。目前也有用砌塊填充的，這當然是一種很好方式，技術成熟，有規范可依，易于竣工驗收，在鋼結構住宅開發初級階段，是可行的、有經濟效益的。研制單塊墻板材料容易滿足要求，但拼裝成墻體后的建筑功能滿足是關鍵。要求它質量輕、強度高、保溫隔熱性能好、安裝可靠、經久耐用、經濟合理，這是有一定難度的集“建材、生產、應用”于一體的綜合技術。雖然也有較好墻板建材，但目前由于市場開發不好，呈現出生產線落后、安裝應用不可靠或粗制亂造，裂縫處理不好。
    鋼結構住宅既然與住宅產業化有關，就要解決一個認識問題：產業化是一個過程，是一個系統工程，要循序漸進。在研發初級階段，不要完全排除濕作業，不要追求全裝配化。把產業化理解為裝配化也是片面的。企業要講經濟效益。循序漸進、滾動發展、有利可圖才能持久。
    當前要關注國家產業政策，要響應節能省地、綠色建筑、廢舊利用、循環經濟等科學發展觀的號召，才能得到政府的政策支持。在我國，宜開發多層和高層鋼結構住宅，用H型鋼或鋼管建造，使承重結構與維護結構分開，各司其職，具有中國特色的鋼結構住宅。
    開展鋼結構住宅技術開發，將促進我國住宅建筑材料創新和建筑技術科技含量以及建筑方式的轉變，盡管它在市場中占有量少，但標志著國家建筑科學技術的進步，標志著建筑從工地走向工廠，是我國實現工業化乃至現代化的組成部分，使建筑節能新技術應用的載體。目前的狀況不是市場不接受鋼結構住宅，而是我們的研發工作沒有做好，滿足不了市場的要求。
    5、鋼結構住宅相關技術研究簡介
    鋼結構住宅相關技術研究內容很多，在這里僅介紹一種我們在鋼異型柱的研究成果。
    5.1概述
    在鋼結構住宅設計中，結構體系主要是用熱軋H型鋼建造多層（4~6層）或小高層（7~18層）的框架結構，H型鋼柱截面尺寸一般在200mm×200mm至400mm×400mm，再加上保護層和飾面，柱子在室內凸出，影響建筑美觀，使用不方便。其實，鋼筋混凝土框架結構也存在類似的問題，但鋼筋混凝土結構為此研究了一種異形柱（肢長和肢寬比為2～4，區別于短肢剪力墻─肢長和肢寬比為5～8），應用于住宅建筑中，較好地解決了室內柱角凸出的問題。由此設想，在鋼結構住宅建筑中若能使用鋼異形柱，就能解決鋼結構住宅建筑室內柱角凸出問題。例如中柱用十字形截面、邊柱用T形截面、角柱用L型截面，它們都由H型鋼和T型鋼組合而成，我們稱它們為鋼異形柱，如圖1所示。我國現行《鋼結構設計規范》第5.2
    條對十字形柱和T形柱給出了設計計算公式，但沒有圖4（c）所示L形柱的設計計算方法，有關資料查閱也未見這方面的研究報導文獻。因此，本文將研究L形鋼異形柱承載力，為鋼結構住宅應用做理論研究。
    用彈性薄壁柱理論，可推導出任意開口截面柱彎扭屈曲相關方程，并由此簡化到單軸對稱截面、雙軸對稱截面的柱壓彎屈曲經典方程。進而研究了L形截面柱軸向受壓的承載力及其φ-λ曲線，以便工程設計應用。

    5.2、任意開口截面柱彎扭屈曲相關方程



    5.3、缺陷分析










    參考文獻
    [1] 王明貴，張莉若，“住宅產業化與鋼結構住宅”，《鋼結構》，2001.12。
    [2] 建設部，“鋼結構住宅建筑產業化技術導則”，2001。
    [3] 汪光燾，“建設節約型社會，必須抓好建筑‘四節’”，《住宅產業》，2005.06。
    [4] 王明貴等，“鋼異型柱彎扭相關屈曲研究”，《鋼結構》，2006.4。
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