高层钢结构住宅体系设计

高层钢结构住宅体系是我们提倡的绿色环保型住宅体系。本文在阐述多高层钢结构住宅特点的基础上，从不同方面分析了多高层钢结构的住宅体系构造，提出了钢结构住宅体系的设计方法，并对钢结构住宅体系的创新进行了思考。

1．多高层钢结构住宅的特点

多高层钢结构住宅由于其所采用的建筑材料、适用范围和产业化的特点，使其建筑设计方法与于普通意义上的钢筋混凝土和砌体结构建筑的设计有较大的不同。其自身的特点要求其建筑设计方法应该满足三个方面的要求。其一，以钢结构作为主要的结构材料，其建筑设计应充分发挥钢结构强度高、刚度大的特点，尽量采用大空间的布局方式，保持室内空间分隔的灵活性，在满足近期不同使用需求的情况下，还可满足远期改造的要求其二，由于其适用范围为多高层住宅，其建筑设计必须符合多高层住宅设计的特点，一方面必须满足住宅设计的相关规范要求，另一方面，必须满足当前和日后市场对住宅设计的舒适性和审美要求其三，钢结构住宅设计应该符合产业化的特点，建筑设计应执行标准化、多样化的特点，积极采用新技术、新材料，以促进住宅产业化的发展。

2．多高层钢结构住宅体系

我国目前多高层钢结构住宅常用结构选型及施工工艺我国目前所进行的多高层钢结构住宅设计和建设，虽然并不是完整意义上的产业化住宅，但其在结构系统选择，楼板及外墙围护系统的设计与具体施工工艺方面都是以国内成熟的技术经验为基础，同时对钢结构住宅具有较强的适用性。当前的建筑发展水平，是钢结构体系建构的基础。同样，建构合理适用的多高层钢结构住宅体系，必须对这些问题进行分析。

2.1常用结构系统

目前，国内进行多高层钢结构住宅建设所采用的结构体系主要分为四种：纯框架形式，框架支撑形式，型钢混凝土组合形式，钢框架一混凝土抗震墙形式。对于纯框架形式，梁柱材料采用型钢，通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装。框架支撑形式同纯框架形式类似，只是由于抗震需要，在主体结构两个主轴方向布置斜撑，钢斜撑与型钢柱和梁连接组成竖向抗侧力析架，从而取代传统的混凝土剪力墙，安装方式同样采用焊接或螺栓连接。型钢混凝土组合形式的特点是在钢骨架梁柱外侧另外浇筑一层混凝土，新浇筑的混凝土不仅起到结构作用，同时有助于解决主体结构的防腐、防火问题。钢框架一混凝土抗震墙形式，外部梁柱系统采用型钢，同样通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装，内部核心筒或剪力墙采用现浇方式施工，通过预埋构件同外围钢结构框架相连接，共同组成结构系统。

2.2常用楼板系统

钢结构住宅所采用的楼板系统主要分为两种叠合式和整体现浇式。叠合式楼板的具体施工工艺较多，可以采用轻型混凝土预应力板材，作为底部模板，现场再浇筑若干厚度的混凝土，形成叠合楼板也可以采用压型钢板衬底，现场再浇筑混凝土。这种施工工艺可减少现场部分湿作业，有利于产业化的生产和施工。整体现浇式楼板的施工方法与普通的非钢结构的住宅相同，设计与施工都非常成熟。

2.3常用外墙围护系统

相较于梁柱和楼板系统，外墙围护系统的设计与施工都更为复杂。从具体的施工工艺分为填充和外挂两大类。填充类常用的材料为砌块和轻质墙板，内嵌至梁底或楼板底部形成外围护系统。外挂类多采用轻质墙板，按尺寸的大小可分为大板和小板，安装在梁柱和楼板外侧，形成围护系统。砌块填充类的设计与施工较为简单，应用也很广泛，挂板类的围护系统则较为复杂，通常情况下，建设方往往会委托专业公司进行设计，同前期的建筑设计难以有效协调。

3．钢结构住宅体系的设计

3.1结构分段优化设计

按照体系化的设计方法，钢结构住宅使用的结构构件尺寸，是应该在相关的适用结构材料列表中选用。举例而言，需要建造一栋六层高的钢结构住宅，那么通过查表就可以得到它所需要的结构构件的具体尺寸，而不是再通过单体的结构计算得到结果。而这样的适用结构材料列表的建立则是建立在整个体系的结构优化的基础上。体系的结构优化同一般意义上的结构优化最大的区别在于其需要适用于大批量建造的建筑，而不是针对某一个单体建筑，因此，其结构优化的目的也不能用单一的经济指标来衡量，而需要考虑整个体系的综合效益。对钢结构住宅体系结构优化影响较大的因素有以下两点体系的整个经济性因素并不仅仅是建造一栋建筑的成本，它还包括工业生产的成本，运输的成本等因素。体系所需要的结构构件是由工业化生产的，其产品种类只有尽可能的减少以达到标准化的要求，这样才能发挥工业化的优势，降低生产的成本。

钢结构住宅的构件是通过现场安装，过多的构件种类会导致施工过程繁琐，增大施工难度，使得钢结构建筑节约工期的优势无法发挥。由此，钢结构住宅的体系结构优化不能以用钢量作为衡量优化的单一指标，而应该优先考虑建筑部、构件的通用化应用和多样化组合，从而使体系的综合效益有效发挥。举例而言，为保证整个体系的简便易行，将一层的住宅所需要的结构构件归为同一种类，为满足结构的安全性要求，结构构件的尺寸是按照层住宅的要求进行结构设计，同样的构件在体系中会应用于层的住宅。

对于高层钢结构住宅而言，其结构优化则较为复杂一点，高层住宅底层的结构柱和梁，以及楼梯核心筒剪力墙的厚度均会和上层的相应构件结构要求不同，在垂直方向上进行优化是必要的，如某层钢结构住宅，可以在垂直方向分段进行优化，以四层为一个标准单元，承重构件逐次减小，上部的结构构件优先选用在多层住宅中应用的结构构件，住宅的结构相对简单，这样的优化还是可行的。

3.2模块化设计

在体系化的建筑设计中采用模块化的设计，即尽可能的将建筑中的不同构、部件进行优化组合，形成相同的单元，以利于工业化的生产和安装。在普通的住宅设计中，通常情况下最小的模块化单元是以套型为最小单位，体系化的要求不仅仅需要套型的简单一致，同时模块的外部尺寸应尽量满足模块间平接、错接、对称连接、凹凸连接等多种拼接的可能性拼接处构件的定位应有利于模块间的衔接，并满足拼接后结构的合理性和建筑平面变动的可能性。

如图套型所示住宅房型模块化设计与模块拼接示意，仍是以套型作为最小的模块，但中的标准单元模块通过设计的优化，不仅仅考虑了对称拼接的可能，同时在凹凸拼接，错接等不同的拼接方式上，都具备较强的可行性。从而在套型拼接上，突破了以往单元式呆板的组合方式，具有较强的灵活性，为建筑造型及空间构成提供了多重的选择。模块化的设计作为一种设计方法，其目的是将体系的灵活性得以充分的发挥。在具体的项目设计中，在建构模块的同时，需要根据具体的项目情况，因地制宜的灵活应用。

4．钢结构住宅体系的创新思考

任何的建筑体系都具有自身独特的特点，其适用性也会根据具体的情况而发生改变。在前面所述的多高层钢结构住宅体系的阐述中，此类的多高层钢结构是一种重型的钢结构体系，采用的结构系统为框架结构或者框架一抗震墙布置方式，从建筑空间的角度来分析，虽然它便于创造大开间的空间模式，但却难以处理较为复杂的空间细部。由于采光、通风的规范要求，住宅平面往往会出现较多的凹槽，采用重型的钢结构体系来处理这样的问题，其代价较高。如果采取另一种结构形式，即剪力墙的结构布置方式，则可以突破框架结构的缺点，更加灵活的进行空间划分。同时，由于重型钢结构的运输成本较高，对于交通状况不佳的基地，工厂化生产的便利就会给运输的困难所抵消，无法发挥整个建筑体系的优越性。

总之，住宅产业化是社会发展的大势所趋，多高层钢结构住宅的发展也必然会产生巨大的经济和社会效益。虽然在其成长过程中出现较多理论和实践问题，相信最终会得以解决。具有时代特色的多高层钢结构住宅体系必然会走向成熟。