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【鋼結構·動態】國外鋼結構及薄壁輕鋼住宅建筑的發展

【鋼結構·動態】國外鋼結構及薄壁輕鋼住宅建筑的發展

鋼結構尤其是輕鋼結構房屋建筑體系誕生于20世紀初,在二戰期間得到快速發展。其間多用于對施工速度要求很高的軍事建筑設施;40年代出現了門式剛架結構;60年代開始大量應用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼檀條組成的輕質圍護體系。近些年來,世界鋼鐵總量的增加和國際軍需用鋼量的下降,一些鋼鐵生產大國和經濟技術發達的國家,如歐洲、北美、日本和澳大利亞等,不斷拓展鋼結構使用范圍,建設各種鋼結構住宅,根據他們的生活習慣,主要建設以1-3層為主的低層獨立住宅,隨著各國土地資源的減少和人口數量的增加以北美、歐洲為代表,開始多層輕鋼結構住宅的研究和開發。各國建筑用鋼量在鋼材總耗量中的比例明顯提高,日本在50%左右。美國、瑞典、日本等國家鋼結構用鋼量已占鋼材產量的30%以上,鋼結構面積約占到總建筑面積40%以上。

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1.歐洲

     20世紀50年代,歐洲由于受二戰的嚴重創傷影響,對住宅需求非常大,為解決房荒問題,歐洲一些國家采用了工業化程度較高的鋼結構建筑體系,建造了大量住宅,形成了一批完整的、標準的鋼結構住宅體系,并延續至今。在芬蘭、瑞典、丹麥、法國等國,各種鋼結構建筑體系變得非常普及,其中瑞典的鋼結構尤其是輕鋼結構最為發達,輕鋼結構住宅預制構件達95%,同時也是當今世界上最大的輕鋼結構住宅制造國,生產供應歐洲各國。

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2.北美和澳洲

  在美國、加拿大以及澳大利亞,用鍍鋅輕鋼龍骨代替傳統的木結構的輕鋼結構住宅建筑體系,發展至今已有30多年的歷史。1996年,美國的住宅建設中輕鋼結構住宅達20%的比例;加拿大則有30%左右的比例;澳大利亞鋼結構住宅建造數量約占50%。但是,這種結構形式主要應用于低層的小住宅。90年代后期以來,多層輕鋼龍骨住宅在北美地區迅速發展,至今已建成約300萬平方米。除住宅外,這種體系也用于養老院、假日旅館、小學校等建筑。

  輕鋼結構住宅建筑體系是用鍍鋅冷彎薄壁型鋼制作的型材作為結構承重部分,常用于建造2-3層的低層住宅。鍍鋅冷彎薄壁型鋼所使用材料的屈服強度為Q235Q345。其墻體鋼龍骨按照一定的模數排列,一般中心距為400mm600mm;冷彎薄壁型鋼截面在93-200mm之間,鋼板厚度在0.84-1.91mm之間。其樓層結構的鋼龍骨截面一般在150-300mm之間,鋼板厚度在0.84-2.56mm之間,樓層最大跨度目前可達8-9m。屋架可采用輕鋼棱條直接搭接的方式。

  輕鋼結構住宅的外墻常采用節能、輕質復合夾芯墻,內墻可采用石膏板;廚房及衛生間墻面采用防水石膏板或水泥加壓板;樓板采用輕質結構板材;屋面可采用多彩瓦、彩板瓦等屋面材料。

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 ?。?/span>1)加拿大輕鋼結構住宅體系

  加拿大的輕鋼構件通常由鍍鋅或鍍鋁鋅合金的薄鋼板冷彎滾壓成型,其截面形狀通常C型和槽型,鋼板的厚度可根據結構的要求而變化,其構件長度可視所需而決定。輕鋼構件制作精確,在其制作過程中通常在構件上有規律地穿孔,以利于水電線路和管道及橫向加強構件的通過.雖然,一塊薄鋼板本身的承載力并不,但通過冷彎成不同形狀(C)其抗彎抗壓的能力成倍提高。因此鋼構件的承載力主要是取決于其截面形狀,而不是板材的厚度。這就構成其輕質高強的特點。

  低層住宅:

  結構體系

  住宅結構通常由樓面,墻體及房頂等體系組成。輕鋼住宅的結構形式通常采用線內支承的板肋體系,輕鋼構件可應用于不同的房屋構件,采用輕鋼構件可以大大簡化結構體系,同時又提供有效利用結構體系及構件的承載力,設計的靈活性及施工便利。

  樓面體系

  作為樓面托梁的輕鋼龍骨其截面高度通常為150300毫米之間,其鋼板厚度大約在0.842.56毫米之間,樓面托梁常見支撐形式是簡支或連續梁,多跨連續梁即可采用單一構件的形式,也可采取多構件搭接的形式。一般說來多構件搭接的形式較單一構件具有更大的靈活性,同時在運輸上也很方便。樓面托梁龍骨的腹板通常給予等間距的沖孔,以方便水電管線的穿越。

  墻體系統

  用于墻體的輕鋼龍骨可分為承重和非承重兩種,承重的C型龍骨其截面高度一般在93200毫米之間,鋼板厚度通常界于0.801.91毫米之間;非承重龍骨的截面高度在41150毫米之間,其鋼板厚度為0.450.84毫米,作為一種非常經濟實用的墻體體系,這種由輕鋼龍骨與石膏板(若作外墻還需加結構板材)組成的板肋墻體也普遍地應用于高層住宅建筑。

  屋架

  不同截面形式及厚度的輕鋼構件,可為各式各樣的房頂形式及體系提供廣泛的用途。屋架即可由輕鋼椽梁直接構成,也可用輕鋼桁架構成。輕鋼桁架既可現場制作也適合于工廠大規模集成生產,跨度較大的情況下,采用輕鋼桁架尤為經濟。

  中低層住宅:

  輕鋼板肋結構體系通常適用于六層或六層以下的住宅建筑,但目前也有應用到八層的旅館建筑實例。中層住宅建筑,其底層輕鋼龍骨厚度可達2.6毫米,龍骨間距常為305毫米,上部樓層的龍骨材料厚度可隨荷載的減小而減少。樓面結構可根據其跨度的長短選擇下列體系:輕鋼樓面體系,由壓型鋼板和混凝土構成的鋼承復合樓板,鋼筋混凝土預制或現澆樓面。特大開間可采用輕型空腹鋼桁架,壓型鋼板和混凝土組成的復合樓面,抗側向荷載的體系常由輕鋼拉條構成X型斜向支撐體系,或由抗剪板材與輕鋼龍骨組成的剪力墻體系構成。屋架多由輕鋼椽梁或桁架構成。

  高層住宅 

  在加拿大,輕鋼結構已廣泛地應用于在包括住宅在內的各種高層建筑,其主要用于內外填充墻,隔墻,幕墻,外維護墻及屋架,屋頂體系.高層住宅的承載結構常由H型鋼或鋼筋混凝土的框架體系組成,由輕鋼構件構成的輕質內外墻體系非常便于與承重結構的框架體系融為一體。

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 ?。?/span>2)美國的輕鋼結構住宅

  美國像其他西歐國家一樣,輕鋼結構主要用于低層住宅建筑,近些年來,美國也開始進行多層輕鋼結構住宅體系的研發,最早一幢多層輕鋼住宅于1990年開始設計,至目前總面積發展到約30萬平方米。并取得許多成熟的技術和經驗。

  美國的多層輕鋼結構住宅技術是一項綜合的技術,集輕鋼結構、建筑節能保溫、建筑防火、建筑隔聲、新型建材、設計施工于一體的集成化技術,社會化分工明確,各種產品的生產商、施工方、設計方緊密合作,發展多層輕鋼結構住宅技術,最關鍵的問題是其結構本身的性能,樓蓋結構要具有適當的跨度并盡可能輕,并希望有較好的樓蓋平面內剛度,墻體結構在承擔豎向荷載(自重與樓面活荷載)的同時還要承擔橫向荷載(風荷載與水平地震作用)。

  美國多層輕鋼結構住宅的特點為:

  輕質樓蓋系統其樓蓋由C型的輕鋼擱柵與鋪于擱柵上的薄板組成。擱柵一般跨度為3.6米~4.8米,擱柵高為254毫米(擱柵的最大跨度可達11米),擱柵間距為 600毫米。擱柵在腹板上開有大孔,這樣對于管線的穿越與布置極為方便。樓面有三種做法,分別為:高密度木纖維水泥板;滿鋪壓型鋼板再澆筑20毫米的陶粒輕骨料混凝土;滿鋪定向木纖維板或高密度層壓膠合板。在這些輕質樓蓋上每平方米可承受316365公斤的荷載。該樓蓋結構體系重量僅為國內傳統的混凝土樓板體系的四分之一到六分之一,但其樓蓋的結構高度將比普通混凝土板高100120毫米。

  豎向墻體結構一般將內橫墻作為結構的承重墻,墻柱為C形輕鋼構件,其壁厚根據所受的荷載而定,通常為0.842毫米,墻柱間距一般為400600毫米,墻柱的下端為U形開口朝上的底槽梁,墻柱上端為U形開口向下的頂槽梁,擱柵固定于上槽梁側邊。為提高墻柱的穩定性,一般墻柱高度范圍內設三道輕鋼拉條。這種墻體結構布置方式,可有效承受并可靠傳遞豎向荷載,且布置方便,但該墻體結構不能承受水平荷載。為抵抗水平風荷載與地震作用,美國多層輕鋼結構住宅體系中有二種方式,分別為采用輕鋼剪力墻或采用帶十字交叉支撐的普鋼框架結構。輕鋼剪力墻一般布置在分戶墻,采用0.5毫米鍍鋅薄鋼板蒙于石膏板上,再固定于輕鋼墻柱上,形成類似于應力蒙皮結構的剪力墻,每層之間有一個特殊的構件對上下樓層剪力墻進行連接,以有效傳遞水平剪力與由于水平力作用在墻柱上而產生的拉力。在地震區,為保證結構安全,采用帶十字交叉支撐的普鋼框架作為抗側力結構,形成以輕鋼承受豎向荷載,以普鋼承受水平荷載的混合結構體系。

  建筑保溫節能技術美方輕鋼住宅體系中,對保溫節能技術十分重視,對于墻來說為確保達到保溫效果,一般除了在墻的墻柱間填充玻璃纖維外,在墻外側再貼一層保溫材料,有效隔斷了通過墻柱至外墻板的熱橋;樓層之間擱柵內填充玻璃纖維,減少通過樓層的熱傳遞;所有內墻墻體的墻柱之間均填充玻璃纖維,減少戶墻之間的熱傳遞。

  建筑防火技術,對于輕鋼結構一個最關鍵的問題是防火技術的應用,在墻的兩側與樓蓋的天花處貼防火石膏板,對于普通防火墻和分戶墻用25.4 毫米厚(1吋)石膏板保護,以達到1個小時的防火要求,另外在墻體墻柱間與樓蓋擱柵間填充的玻璃纖維對于防火與熱傳遞也起了積極的保護作用。

  建筑隔聲技術輕鋼建筑中,美國的研發工作對于隔聲處理下了較大功夫,在內外墻及樓蓋擱柵間填充玻璃棉,有效阻止了通過空氣傳播的音頻部分,而對于通過固體傳播的沖擊聲,在美國的多層輕鋼住宅中,作了如下構造處理:對于分戶墻用二道墻柱構成帶有中間空隙的二道墻體;而對于吊頂用的固定石膏板的小龍骨,用帶有小切槽的彈性構造以有效減少樓層間的固體聲傳播。


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3)澳大利亞冷彎薄壁輕鋼結構住宅體系

  構造特點:

  承載結構采用冷彎薄壁輕鋼骨架,采用高強、防腐鋼卷板(屈服強度550Mpa,鋅鋁合金鍍層厚度270gm2),鋼材厚度為0.75mm,通過電腦輔助制造專用設備按設計要求,直接軋制成各種不同類型的結構構件。豎向承重構件采用密排柱,最大柱中距600mm。平面承重構件:屋面采用桁條網,網格尺寸為600X600mm,樓(地)面采用桁架式梁,最大中距1200mm,門窗過梁采用小桁梁。

  墻體圍護結構采用輕質高強圍護材料或纖維水泥板。

  屋面、樓面、內外墻采用防水、保溫材料。

  屋面樓面系統采用防水玻纖瓦、防水卷材、保溫材料棉、桁條、吊防火石膏板。

  施工特點:

  鋼結構的生產制作采用電腦輔助制造技術,生產制作的全過程是以電腦軟件控制的專業設備完成,保證構件制造的精確度誤差在人工難以達到的半毫米以內。除基礎施工外,其余全為干作業施工安裝。

  設計特點:

  冷彎薄壁輕鋼結構體系是澳大利亞的成熟技術。設計中使用了特殊的CAD技術-輕鋼結構建造設計軟件,由此生成的設計文件可以直接輸入到加工設備進行自動加工。

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3.亞洲各國輕鋼結構:

  由于西歐發達國家的經濟擴張以及亞洲諸國的經濟崛起,印度、日本、韓國等國也在二十世紀初開始研究和發展鋼結構住宅建筑,日本鋼結構建筑占建筑總量的50%左右,韓國鋼結構建筑占建筑總量的20%左右,并且鋼結構用鋼總量中H型鋼占50%60%左右。

  日本鋼結構建筑的歷史有100年左右。目前日本的各種建筑結構中,鋼結構的建筑數量最多,占住宅建筑總面積的20%左右,其中多數為低層獨立住宅。使用輕型鋼的低層小規模住宅已系統化,輕鋼結構住宅竣工的占住宅總數的25%28. %,主要生產企業有新日鐵、豐田、積水、大和、三澤住宅株式會社,其中新日鐵的KC住宅體系尤為突出。  

   KC結構體系強調的冷型鋼與結構用板材共同形成抵抗橫向荷載的整體墻板,類似于鋼筋混凝土結構中的剪力墻。每層樓板都擱置安裝在該層的墻板之上,墻板在豎向都被各層樓板隔開,豎向墻體在結構上無法構成連續的墻體。因此技術上就要通過貫通樓板的抗拔錨栓將上下層墻板連成整體,同時靠抗剪螺栓將墻板與樓板連接在一起。

  結構板材一般采用OSB(定向刨花板)、結構合成板、水泥纖維加壓板等。這種板材解決了原有純木質板材在防火、防水以及結構整體強度不足的缺陷,這種替代產品,解決了原來木質板材在防火、防水、以及結構整體強度方面的不足,提高建筑體系的整體性能。

  防火采用耐火性能較高的板材,如不燃水泥基結構用板材、耐火石膏板等作為基本材料。以延長墻體耐火時間,增強耐火完整性。

  隔熱措施通過在復合外墻中增設反射層,提高墻體對輻射熱的反射作用,大大降低了輻射熱對建筑室內的熱環境的影響,經測試比較和實踐證明,節能效果明顯,熱穩定性也有所提高。


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