钢结构住宅建筑设计

摘 要：目前钢结构已是发达国家的主导建筑结构.钢结构住宅以其巨大的优势引起了广泛的关注.主要介绍了钢结构建筑平面设计,常用钢结构住宅体系以及钢结构住宅的关键技术要求及保证措施.

关 键 词：钢结构；住宅；建筑设计；

1现代钢结构建筑的特点

1.1提高了预工程化程度,建设成本降低

钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产,提高了建筑预工程化,使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性.同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化,大大降低了建设成本.

1.2建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更具功能化

在钢结构建筑中,结构成为形象构成的重要因素,结构的形体,构件,节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象.建筑与结构的设计与功能只有做到一体化,才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去,创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑.北京2008年奥运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点.例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案,在体育场大屋面的设置两个半圆型的玻璃顶面,同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合；又如中国建筑设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构,形象完美纯净,功能与结构达到了完美的统一.

1.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求

钢材组织均匀,接近于各向同性匀质体,强度高,弹性模量亦高.其密度与强度的比值远小于砖石,混凝土,木材,在同样受力情况下钢结构自重小,从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体.现在人类已具有建造跨度超过1000m的超大穹顶与高度超过1000m最高至4000m的超高层建筑的能力.并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求,使这类型建筑成为标志性建筑,英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑伦敦千年穹顶——大型综合性展览建筑也是索膜结构体系,其穹顶直径达到320m.

2常用钢结构住宅体系

钢结构体系形式有多种,但应用于住宅建筑的钢结构体系主要可分为轻钢龙骨体系、纯钢框架体系、钢支撑框架体系、钢框架一混凝土剪力墙体系、错列析架体系、钢框架一核心筒体系等.不同的结构体系有不同的适用范围,虽然有些结构体系应用范围较广,但通常会受到经济等因素的限制.轻钢龙骨结构体系较适用于1～3层的低层住宅,不适用于强震区的高层住宅.纯钢框架体系一般适用于6层以下的多层住宅,不适用于强震区的高层住宅,并且用于高层住宅经济性相对较差.钢支撑框架体系比纯钢框架体系侧向刚度大,常用于多层及小高层住宅,应用较广；而且当房屋层数较高时,该体系要比纯钢框架体系经济.钢框架—混凝土剪力墙体系常用于小高层及高层住宅；而且从受力特点看出,带缝剪力墙体抗震性能较好,较适用于地震区.错列析架结构体系具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻和造价低的特点,是一种经济、实用、高效的新型结构体系,适用于多层及小高层住宅.为了体现钢结构住宅的优越性,减轻结构自重,外墙体一般采用轻质复合板,与梁柱的连接方式,主要采用外挂式,也可采用内嵌式.内墙材料一般可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充材料,也可采用纸面石膏板,纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、纸面稻草板.楼板体系作为房屋的水平构件,起着支撑竖向荷载和传递水平荷载作用.因此楼板必须有足够的强度、刚度和整体稳定性,还要具有较好的隔音、防水和防火性能,同时宜尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重,并提高施工速度.国外钢结构住宅普遍采用木版为楼层板,我国由于木材资源短缺,现阶段主要采用压型钢板—现浇混凝土组合楼板、预制混凝土叠合板、现浇钢筋混凝土楼板、密排托架—现浇混凝土组合楼板、轻骨料或加气混凝土楼板.钢结构建筑的屋顶依据屋面材料和屋面的结构布置,可以做成平屋顶或是坡屋顶.平屋顶即在钢楼板层的基础上只需将面层换做防水层材料或是彩色涂层牙型钢板,并按要求设置一定的排水坡度和排水天沟.坡屋顶的构造一般是在钢屋架上设置檩条,上铺彩色涂层压型钢板或彩钢板夹芯板,采用彩钢夹芯板,色彩美观,还具有一定的保温隔热效果,施工简便,可以做到不渗水.

3钢结构住宅的设计原则

户型单元是住宅楼组合中的基本单位,它的方案设计优化在整个住宅建筑设计方案优化中占有极其重要的位置,因此,钢结构住宅建筑设计首先要从研究住宅单元平面入手.钢结构住宅与其它传统结构住宅相比最大的优势是,可以设计成开间较大的房间,不用受主要结构构件的影响,充分满足适应性要求.从我国已建的钢结构住宅来看,由于开间尺寸较灵活,开发商可根据自己的经济和建筑要求,采用不同的开间形式.但目前我国钢结构建筑的平面布局还比较单一,需要进一步优化.钢结构住宅户型单元设计方案优化首先要优化设计步骤.在进行钢结构住宅户型单元设计之前,必须对户型单元的建筑内容进行综合详尽的剖析,即从不同角度并用多种方法去展示它的内容因素.对钢结构住宅居住功能进行剖析,一般是以人的居住需要为中心,沿着住户家庭成员的生理、心理、物质、精神等需求的线索,罗列出居住生活对建筑空间构成的要求因素.在对户型单元设计内容因素进行全面的,深入的剖析以后,着手进行户型单元设计构思.建筑师按传统方式、凭经验进行方按构思的同时,应运用电脑调配各种设计因素的组合关系,获得更科学的适宜工业化方案形式.其次要进行方案的排列和组合.任何住宅建筑设计都是在一定的约束条件下进行的.因此,在钢结构住宅户型单元方案的排列与组合中,首先应对制约因素进行分析.钢结构住宅建筑设计约束因素除应遵守国家建筑法规和技术规范外,还应注意以下方面：第一,柱网布置应满足规则性要求,宜以住宅单元或套型为单位实现模块化,以模块的平接、错接和对称凹接、凸接等多种拼接适应总平面布置的变化.第二,柱网比大柱网好.柱网大,需要梁构件大,为满足强柱弱梁的抗震要求的柱截面也会增大,总用钢量也会随之增加,从而影响住宅建筑造价.

4钢结构住宅保证措施

4.1防火

钢材本身是不燃烧的建筑材料.但是,钢材作为建筑材料在防火方面又存在一些难以避免的缺陷,它的机械性能,如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降.钢结构通常在450～650℃温度中就会失去承载能力,发生很大的形变,导致钢柱、钢梁弯曲,结果因大的形变而不能继续使用.因此,防火对于钢结构住宅的设计是非常重要的.按照我国防火规范要求,一般建筑钢结构必须涂刷防火涂料或采取其他措施.由于住宅对防火的要求更高,因此主体钢结构就必须有更加可靠的防火措施：一般可用满足消防要求的防火涂料喷涂主体钢结构,再在钢结构外包石膏板,也可用混凝土外包主钢结构.然而各种方法均有其天然缺陷：防火涂料耐久性远远低于建筑物本身,其后期维护非常重要.而且,传统防火涂料质量较差,这些将会增加工程造价；外包混凝土虽简单实用,但浇捣混凝土施工时间增加,使钢结构失去优势.另外,采用耐火耐候钢是近年来提出的新思路,但尚属理论研究,无法大量应用于工程实践.

4.2防锈

钢结构经过温度的不断变化及水汽、电解质的影响,生锈老化的可能性在任何部位都可能发生,而由此导致强度、稳定性降低而最终坍塌的工程事例时有发生.长期以来,我国基本采用油漆（涂料）防锈或石油沥青防锈,但这些防锈措施有效期不长,频繁的维修还需要大量维修费.目前国内行之有效的中长期表面防锈处理方法有：防锈油漆层；热浸锌；玻璃钢防锈层；热喷涂长效防锈；无机涂层.但是要注意的是,这些防腐措施对于钢结构住宅来说是远远不够的,还需要经过不断的研究,发现更好的,更科学的防腐措施,保护钢结构,延长钢结构的适用年限.