关于住宅的钢结构设计探讨

　　摘要：钢结构住宅将是未来的住宅发展新模式，也将是行内人士关注的新课题。本文主要从钢结构住宅的设计流程、设计时应注意的问题以及钢结构住宅的特点几方面来阐述住宅的钢结构设计问题.

　　关键词：住宅,钢结构设计,设计流程

　　一、前言

　　随着社会经济的飞速发展及人们日益提高的生活水平，钢结构住宅的出现是建筑业发展的必然趋势。钢结构是以钢材为材料做成受力构件的结构，广泛应用大跨重型工业厂房、大型公共建筑和高耸结构中。钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，同时配以轻质墙板等新型材料作为围护结构和内隔墙建造而成的，与其他结构相比在各方面都具有明显优势。所以，钢结构住宅将是未来建筑发展重要内容。以下就钢结构住宅的设计问题展开谈论。

　　二、钢结构设计的原则

　　钢结构设计的基本原则是：结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠;结构应符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性;结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量;尽可能缩短制造、安装时间，节约劳动工日;结构构件应便于运输、便于维护;在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求。按照上述原则，根据实际案例原建筑设计的布置和功能要求，综合考虑了结构的经济性、建筑设计的特点和施工合理性等因素，采用钢框架--支撑和钢框架--剪力墙结构体系，并分别进行了布置。

　　1、梁柱体系。平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接H形截面钢梁，柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构，竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计，现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为H形截面单跨简支梁，设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。

　　2、抗剪体系。分析计算表明，在全部水平风荷载和地震力作用下，上述结构体系局部刚度较弱，因此钢框架--支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架--剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙，来抵抗水平外力的冲击。

　　3、楼盖体系。一般各层楼盖均采用钢筋混凝土楼盖， 楼板厚度依结构计算定为110mm,140mm。在结构计算中，认为楼盖刚度足够大，符合平面内无限刚性的假定。

　　4、基础形式。钢框架--支撑采用柱下独基，钢框架--剪力墙采用柱下独基与筏板基础。

　　5、内外墙体系。框--剪采用蒸压轻质加气混凝土板材(简称ALC板材)，外墙板厚为200mm，内墙板厚100mm。框-支采用陶粒硂砌块。

　　三、钢结构住宅的设计流程

　　1、判断结构是否适合用钢结构

　　钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。在选用结构设计方案前应先判断是否适合使用钢结构设计，以免造成不必要的经济损失。

　　2、结构选型与结构布置

　　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是概念设计，它在结构选型与布置阶段尤其重要，对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。

　　3、预估截面

　　布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。这也是设计方案的重要环节。

　　4、结构分析

　　钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能，这为更精确的分析结构提供了条件。

　　5、构件设计

　　构件的设计首先是材料的选择。通常主结构单一钢种以便于工程管理，经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过。

　　6、节点设计

　　连接节点的设计是钢结构容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

　　7、除锈及防火设计

　　划内钢材表面处理直接影响整个涂装质量。高层钢结构宜采用机械除锈，等级常用SA2 1/2 级。钢结构耐火性差。温度升至500～700 时钢构件基本失去承载力，因此要作好防火处理。一般高层住宅钢结构耐火等级不低于二级。

　　7、图纸编制

　　钢结构设计出图分设计图和施工阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。

　　四、钢结构住宅设计中应注意的问题

　　1、钢结构住宅建筑的设计原则

　　(1)发挥钢结构的优势，并避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板。

　　(2)解决钢结构住宅建筑防火、防腐蚀问题。特别是在多雨的环境，防腐、防锈工作处理的好坏直接影响到钢结构住宅。

　　(3)注意设计深度，保证达到有关的规定要求。

　　2、住宅钢结构的平面布置应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布置不规则，主要是平面不规则。如平面形状不规则，L形等，特别是支撑剪力墙偏置，明显不对称等。

　　3、结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。结构布置不规则，地震时易损坏，而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。

　　4、钢结构要做到安全合理、节点构造方便可靠、并为构件制作、运输、吊装创造条件。

　　五、钢结构住宅的特点

　　1、钢结构住宅设计制造周期短,设计生产--体化

　　现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点,可以将前期设计和现场的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。根据统计，同样面积建筑物，钢结构比砼结构工期，可缩短三分之一，而且可节省支模材料。

　　2、钢结构住宅承载强度高，抗震性能优越

　　相同的荷载，钢结构截面最小;相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，6层轻钢住宅的重量仅相当于4层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小;而且，钢材具有高延性和较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。

　　3、钢结构住宅能够合理布置功能区间

　　在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨度无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点，采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔灵活，既为建筑师提供了设计的回旋余地，又给用户提供了根据不同用途改变结构的可能，可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，利用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小，可以增加使用面积，提高得房率。

　　4、钢结构住宅综合造价低

　　钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重较大，上部结构重量轻可以降低基础造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点,从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。

　　5、钢结构住宅在施工方面优势突出

　　现浇砼需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装,可全天候作业。施工现场作业量小,减少了施工临时用地,与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。由于钢结构施工时可以节省支模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。资金价值在施工中充分体现，减少资金成本，对开发商的销售和资金回笼极为有利。

　　6、钢结构住宅符合住宅产业化和可持续发展的要求

　　钢结构适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起，实现综合成套应用，将设计、生产、施工安装一体化，提高住宅的产业化水平。今后随着城市建设的发展，城市改造需要拆除大量的旧建筑，钢结构比传统结构的拆除更容易实施，钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小，符合可持续发展的要求。

　　六、结束语

　　随着社会的发展，人们的观念与生活方式也将不断更新与变化，对住宅总体质量的要求也将不断提高。而钢结构住宅符合国家住宅产业化的目标，符合可持续性发展的战略，并对保护耕地、提高城市建设水平有较大作用，是我国未来住宅建筑主要发展方向。相关技术人员应不断学习积累实践经验，为即将到来的钢结构体系时代做好准备。

　　参考文献：

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《关于住宅的钢结构设计探讨》

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