鋼結構建筑體系發展綜述

2016年，國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，《意見》提出，要以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為重點推進地區，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進地區，其余城市為鼓勵推進地區，因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑。力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。

近幾年，隨著一批PC項目的實踐，裝配式混凝土結構受到結構工程師越來越多的質疑，并一度風傳將會取消，究其原因，混凝土雖是現代建筑結構的主流，且早已形成一條完整的市場產業鏈，但其缺點是施工速度慢、施工現場亂、且經常伴隨資源浪費。這些缺點即使在大力倡導裝配式建筑的今天，想要完全解決也顯得任重而道遠，在大力倡導綠色建筑的今天，傳統意義上的建筑類型顯然不能滿足綠色、環保發展的需要。

鋼結構建筑相比較混凝土或者預制混凝土結構具有無與倫比的優勢：首先是我國鋼材產量豐富，鋼材質量可靠，這為鋼結構建筑提供了材料優勢。其次，鋼結構建筑標準化程度高，其自身的裝配式屬性使得其綜合造價低，設計周期短，施工速度快，回收利用率高。再次，鋼結構建筑能最大限度的滿足綠色環保的要求，鋼材本身就是一種環保材料，鋼結構建筑無論從構件生產、加工到后期的現場安裝都不會對自然環境造成損害。最后，鋼結構住宅可更好的實現私人訂制的要求，北美及歐洲地區的“住宅超市”現已相當成熟。

近年來，鋼結構建筑已被建設部列為重點推廣項目。建設部先后開展了30多項關于鋼結構建筑的課題研究項目，興建了許多試點工程。與此同時，許多高校和企業也紛紛加入到了鋼結構建筑體系及關鍵技術的研究行列。

傳統意義上的鋼結構建筑體系主要有五種：輕型冷彎薄壁型鋼體系、鋼框架體系、鋼框架剪力墻體系、鋼框架核心筒體系等。

冷彎薄壁型鋼住宅在北美應用較多，目前已經達到商品化生產的程度。該體系是以冷彎薄壁型鋼作為結構的受力骨架，以自攻螺釘連接節點的鉸接體系。其優點是自重輕、抗震性能好、施工速度快、綠色環保，但基本只限于低層住宅或聯排別墅，在多層和高層建筑中應用不多。

鋼框架體系受力骨架為傳統意義上的梁、柱等構件組成的鋼框架。該體系適合于建造多層住宅，在多層范圍內的經濟效益較好；但當層數較高時，則表現為側向剛度不足且稍顯浪費。其優點是構造簡單、梁柱剛接、安裝方便。

鋼框架支撐體系是鋼框架和支撐協同工作的體系，鋼框架主要提供結構的豎向承載力，而支撐體系主要提供結構的側向剛度。相比較鋼框架體系來說，由于支撐的作用，其抗側剛度更高，因此適用的建筑物層數較鋼框架體系更高，一般在6～12層之間；且其梁柱尺寸較鋼框架體系小得多，因此是一種較為經濟合理的結構體系。

鋼框架剪力墻體系是將鋼框架支撐體系中的支撐換成了抗側剛度更大的剪力墻，剪力墻承擔80%～85%的水平力。當前比較流行的鋼板混凝土組合剪力墻，可以同時發揮混凝土抗側剛度大和鋼板剪力墻的延性好、耗能能力強的特點。其適用的建筑層數比鋼框架支撐體系更高。

鋼框架核心筒結構與鋼框架剪力墻結構類似，只是將剪力墻做成封閉的核心內筒，而鋼框架在外圍。該體系能承擔的水平力更高，接近90%，適用的建筑物層數在理論上也更高，但更高的層數將降低其經濟性，因此一般認為還是12層以下最適宜。

在傳統鋼結構體系研究的基礎上，國內的研究機構和眾多學者開始嘗試開發集成化程度更高、設計周期更短、可操作性更強的新型裝配式鋼結構體系。具有代表性的是以下五種：

（1）遠大可建集團研發的多高層裝配式鋼結構體系

該體系主要由鋼結構立柱和一體化樓板組成，鋼結構立柱與一體化樓板之間采用套筒+螺栓連接，立柱帶有斜撐與樓板相連。其主要特色在于一體化樓板，樓板預先在工廠做好，在結構上將桁架梁融合在內，桁架梁很高，這樣就保證了一體化樓板內有足夠的空間可以將管道、電線等預先埋設其中。同時遠大在設計時充分考慮車輛的運輸寬度，樓板都是寬度不大而長度很長的細長條形。該體系不僅在傳統鋼結構體系基礎上作了很大創新，最重要的是它大大提升了房屋營造速度，現場只需少量人力即可完成房屋建造，集成化程度相當高。

（2）山東萊鋼采用的盒子型——集裝箱式方案

盒子型的優點：整體性強，可以最大限度的集成，甚至可以在房子中集成家具等物品，實現真正的拎包入??；其工業化程度高，結構密封性能好。缺點是運輸較為困難；限于運輸尺寸，不可能做的過大；適合三層以下，保證三層以上的多高層結構的安全性，有很多問題需要解決。

（3）萬科等企業的墻板組裝型鋼結構體系

萬科的裝配式房屋的研究主要集中在混凝土結構中，他們提出了“主體和填充部品分離體系”，即所謂的“VSI體系”。萬科完成的項目中多為裝配式剪力墻結構，采用外墻預制，內墻現澆，連接部位現澆的模式。雖然萬科開發的是裝配式混凝土結構，但其體系的營造方式、施工現場管理方式等方面對于裝配式鋼結構體系的研發具有很好的借鑒意義。

（4）同濟大學陳以一教授等開發的分層裝配式支撐鋼結構建筑體系

該體系將房屋拆分成鋼框架支撐系統和樓面系統兩部分，其主要特點是密柱、梁貫通、柱梁鉸接，水平力主要由柱間支撐承擔，實現了標準化設計和高度裝配化施工。該體系雖然還需要進一步的研究，但其新穎的形式或將成為我國裝配式鋼結構體系的一個重要分支，對研究裝配式鋼結構體系及其連接構造具有很好的借鑒意義。

（5）交錯桁架結構體系

交錯桁架體系是20世紀60年代麻省理工學院開發的一種新型結構體系，主要應用于酒店、公寓等房間劃分比較規則的建筑中，在美國和澳大利亞等國家已有很多應用。將其歸為新型鋼結構體系是因為這種體系在我國的應用還極少，還有很大的發展潛力。

雖然該體系在我國的應用很少，但很多學者都對其進行了研究并取得了豐富成果。目前我國已先后于2012年和2015年制定了兩本相關的行業標準和技術規程。

交錯桁架體系的優點很多，它是一種環保型綠色建筑，可工廠制作，現場安裝，濕作業少。與普通鋼結構相比，施工速度更快、工期短、綜合效益好；且該體系抗側性能優異，能夠滿足多、高層建筑的受力需求。

綜上，國內很多鋼結構企業和學者都紛紛加入到鋼結構體系的研究中，鋼結構在建筑產業化、綠色建筑等方面較混凝土結構具有得天獨厚的優勢。然而，當前我國鋼結構建筑的發展還很不充分，鋼結構建筑自身不好解決的防腐、防火、隔音等問題導致一些優異的鋼結構體系沒能與時俱進地發展起來。盡管如此，以筆者愚見，鋼結構建筑因其自身強大的裝配屬性而不應被社會和時代遺忘，與其大力發展一直令結構工程師們詬病的裝配式混凝土結構，不如充分發揮鋼結構建筑自身的技術優點，揚長避短，開發出更多符合當下發展需要的裝配式鋼結構建筑體系及其相應的節點連接形式。

筆者水平有限，本文是筆者對于當前我國裝配式建筑及鋼結構建筑發展的一絲感悟與感嘆，不足之處歡迎指正。

未完待續。。。。。。

參考文獻：

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