钢结构住宅的六个系统性问题及解决方案

　　赵钿刘冬贺潘磊
　　摘要钢结构住宅推广难的主要原因在于以下六个方面的难题：钢框架结构体系与现有住宅户型平面不匹配；露梁、露柱影响使用；存在大量的湿作业；防火、防腐、防水、隔声及保温等建筑性能问题未能得到很好解决；毛坯交房、二次装修造成大量问题；成本偏高。针对上述难题，通过某公租房项目的设计，提出一个系统性的设计解决方案。
　　关键词钢结构住宅问题解决方案
　　钢结构是一种非常成熟的、性能优良的结构形式，在公共建筑中得到了广泛应用，除了应用在厂房、多层房屋外，也在超高层、大跨建筑上充分发挥了其优势。而在住宅领域，钢结构的应用却十分艰难。我国最早的钢结构住宅是1994年上海北蔡的8层钢结构住宅，此后在北京、鞍山、上海、济南等多地陆续建成了一些钢结构住宅的试点工程。与公建相比，钢结构住宅的数量相差甚远。钢结构住宅推广难的原因是多方面的，主要症结不在于结构体系自身，而在于外围护、内装、设备三者与钢结构体系的连接关系与构造。简单来说，可以归纳为六个系统性问题。
　　1钢结构住宅的六个系统性问题
　　1。1钢框架结构体系与现有住宅户型平面的冲突
　　住宅的户型与采用的结构形式密切相关。我国早期的住宅大多为多层砖混结构，住宅平面适应砖混结构的力学性能要求（图1），平面较为规则。近二十年，随着现浇钢筋混凝土剪力墙结构的大量应用，住宅户型的变化丰富多样，许多住宅户型通过轮廓的凸凹变化，以满足自然通风和采光的要求（图2），剪力墙结构对建筑平面布置适应性好，能够支持建筑对户型平面变化的需求。
　　在钢结构住宅中应用得最成熟的结构类型是框架支撑体系，即以梁柱为主要受力构件的结构体系，可以形成开敞的大空间，便于户内灵活分隔，适应不同的使用需要，也具备施工安装速度快、占用施工场地小的优势。该体系要求结构柱网规则、连续。
　　近几年建成的钢结构住宅，大多是以现有混凝土剪力墙的户型为基础进行柱网布置，这种凸凹不平的户型平面轮廓造成很难形成连续的结构柱网，不能发挥出钢结构住宅的优势，直接后果是户内大量露梁露柱，同时也增加了成本。
　　图3是某高层钢结构住宅的平面，这是将一个典型的现浇混凝土剪力墙结构的平面直接套用在钢结构上，由于外墙凹凸较多，难以形成连续柱网（图4），柱子数量多，柱网与混凝土核心筒不对位，结构体系与单元平面的匹配度较低。
　　1。2露梁、露柱影响使用的问题
　　钢梁、钢柱的截面大于墙体厚度，凸出在室内空间，虽然可以通过室内装修进行隐藏，但对于大多数商品房来说，露梁、露柱将使得家具摆放和房间布置受到限制，对许多用户的使用心理也有影响。这种影响在保障性住房30～60m2的小户型中更加明显（图5）。住户普遍希望框架结构的住宅也能像剪力墙结构一样，房间内部平整光滑，整齐美观，但在实际项目中钢构件的尺寸通常以结构受力计算为依据，很少有兼顾套型的设计。
　　1。3存在大量的湿作业
　　钢结构是工业化程度很高的结构形式，通常在工厂制造、现场拼装，可有效缩短工期，提高施工效率，结构施工精度也远远高于现浇混凝土体系。但现有的钢结构住宅，仍然采用大量湿作业（图6），如内外墙体的砌筑，不但施工速度慢，养护时间长，而且施工精度低，钢结构精度高、质量好的优势完全被粗糙的湿作业掩盖了。此外，现场湿作业对钢结构易造成锈蚀，降低结构的安全性。
　　1。4防火、防腐、防水、隔声及保温等建筑性能问题
　　在防火性能方面，钢结构存在先天不足，钢构件在温度150以下时，钢材性质变化很小；温度达到300～400时，钢材强度和弹性模量均显著下降；温度达到600时，钢材的强度趋于零，故钢结构必须采用耐火材料加以包覆，以提高梁柱等结构构件的耐火等级。
　　由于钢材易锈蚀，耐腐蚀性差，一般都要做防腐处理，如除锈、镀锌或表面涂以防腐涂料，且要定期维护。对公共建筑来说，定期维护难度不大，但对于住宅来说，定期维护很难真正落实。
　　除了钢结构本身，钢结构住宅的外墙需要解决防水、保温的要求。现在用于钢结构住宅的外墙如砌体墙、条板墙等，均存在着不同方面的性能问题，还没有一种墙体方案能够较好地解决防水、防火和保温等性能的综合需要。
　　钢结构住宅在隔声方面性能欠佳，除钢材是声音的良导体原因外，主要原因还是钢结构住宅的分户内隔墙选材和构造不当。现在的分户隔墙大多采取轻质墙体，未做加强处理，造成用户体验不及混凝土剪力墙结构。
　　1。5毛坯交房、二次装修的问题
　　现在市场上的住宅主要还是毛坯房，只做简单的初装修、预留水、暖、电、气等基本条件，住户入住之前必须进行重新装修，由于设计不精细，许多用户都要对水电管线进行改造。这种二次装修会造成很多问题。首先，传统的建造方法将机电管线埋设在结构墙体或楼板中，二次装修时改管线经常破坏墙体，给结构的安全带来重大隐患（图7）；其次，二次装修难免会破坏已经做好的防火、隔声构造，会降低住宅的安全性与舒适性，同时也会产生大量的建筑垃圾，造成环境污染。钢结构住宅也采用毛坯房交房方式，会带来比现浇混凝土结构更多的问题，钢结构住宅的环保性又大打折扣。
　　1。6成本偏高的问题
　　尽管从2013年起，钢铁行业由于产能利用率连年下降导致钢材价格一路下跌，但与现浇钢筋混凝土结构相比，钢结构的成本仍然偏高。除主体结构外，建筑外围护墙体、防火、防腐等一系列衍生成本的叠加，使钢结构住宅远远高于现浇混凝土住宅。这是导致房地产项目中基本见不到钢结构住宅的根本原因。
　　2一种解决钢结构住宅六个系统性问题的方案
　　针对钢结构住宅中存在的六个普遍性问题，以前的思路只从结构专业方面来寻找解决方案。如果要系统地解决以上问题，需要建筑、结构、机电、经济全专业一起协同，提出一套有效的综合解决方案。在北京市某公租房项目中，针对上述六个问题做了一些探索（图8）。
　　2。1户型设计适应钢结构的特性
　　在该公租房项目中，有两栋高度80m的公租房住宅，原结构形式为装配整体式混凝土（PC）结构，在改为钢结构的过程中发现：若仍采用原户型平面，使得整体用钢量增加，并且出现较多户内凸梁凸柱的情况（图9，10）。优化后的单元平面改变了户型组合方式，适应了钢结构体系力学特性（图11，12），主要设计原则如下：
　　（1）平面规则、减少凹凸：尽量避免出现剪力墙体系住宅设计中随意开深槽、核心筒偏置的单元平面。高层住宅因为自身刚度小、自重大，对于侧向力作用（地震力和风压）更为敏感，规则的结构在外力作用下产生的应力分布相对均匀合理，不容易出现局部应力集中，无论是结构性能还是经济性都更好。
　　（2）柱跨连续：柱子尽量沿X和Y轴方向连续布置，使水平力的传递直接、高效，避免由于梁柱斜交而导致的复杂节点处理；便于形成规则化的柱网，减少装配式住宅相关构件的种类，节约成本。
　　2。2通过柱外偏、梁内藏的设计，实现户内不露梁不露柱
　　该公租房住宅的主体结构采用钢框架支撑结构体系，钢柱大小400mm400mm～500mm500mm，通过结构优化设计，减少支撑数量，降低支撑对建筑空间分隔、外墙构造和立面开洞的影响。
　　钢柱外偏至室外或户外公共区域，实现户内不露柱；并采用下窄翼缘钢梁（单轴对称工字钢梁），钢梁可完全藏于分户墙内，做到户内不露梁（图13～15）。
　　采用钢筋桁架楼承板或预制混凝土叠合楼板，最大限度地降低现场湿作业量，其中钢筋桁架楼承板直接利用压型钢板做模板，省去现场支模的工序，对降低成本大有助益。
　　2。3外墙的防水、防火和保温性能设计
　　外墙是实现建筑性能最重要的部位，本项目的住宅外墙为三层复合构造方案，采用外板保温内板的形式，实现防火、保温、防水、气密性和装饰的要求。
　　（1）外板采用轻质挂板，每开间为一块大板，减少板缝数量，降低防水渗漏的几率。板缝采用构造防水做法，水平缝为企口缝，内高外低形成高差，防止雨水渗漏；水平缝与竖直缝都用泡沫棒和密封胶封堵密实，避免雨水因负压作用倒吸。外板采用工厂预制、现场安装的方式，设计使用年限与主体结构相同。外板自带门窗及立面装饰，无需二次立面处理。
　　（2）保温层与结构同平面，并将结构包覆起来，在斜撑部位使用VIP真空绝热板隔绝冷桥。
　　（3）内板采用装饰条板或轻钢龙骨防火装饰板，兼具内装基层墙板和钢构件的防火作用。内板为小板，与外墙大板错缝拼接，进一步减少通缝。
　　2。4分户隔墙的隔声、防火和藏梁设计
　　户间隔墙位于钢梁位置，钢梁的上翼缘宽300mm，下翼缘宽度仅为150mm（图16），墙体采用实心轻质条板隔墙，板缝为企口，避免通缝，有利于户间隔声。两侧各复合50mm厚龙骨型快装轻质墙，龙骨空腔内安装开关线盒及走线，空腔内也可以填充岩棉或其他保温材料，进一步增强防火和隔声性能。分户墙厚度大约220mm，基本与普通混凝土剪力墙厚度相当（图17）。
　　2。5装配式内装
　　本项目内装修采用装配式内装。采用管线与主体结构分离的设计，户内空间除顶棚外，所有建筑面层均与结构脱离，地面采用架空地面，墙面与结构之间的龙骨空间，成为管线的通道。具体做法如下：
　　（1）竖向管井出户。集中布置在住户外公共走道内，横向的管线与竖向管井中的竖管结合，自成系统，户内看不到各种管线穿过楼板的现象，并且厨房和卫生间无需上下层对应设置。独立管井的最大好处在于为后续维修和更新提供便利，节省了居住空间，也为住户灵活划分空间以及提升住宅功能提供了方便。
　　（2）户内设置架空地面。以地脚螺栓架空找平，高度控制在50mm以内，在地脚螺栓上铺设以轻质地暖模块作为集支撑、找平、结合等功能为一体的复合功能模块，然后在模块上附加地面面材，整体形成一体的架空地面系统，整个系统高度为130mm（图18）。这种做法既规避了传统以湿作业找平结合的工艺中的诸多问题，又满足了部品工厂化生产的需求，构建了装配式装修的地面体系。
　　（3）卫生间地面采用整体防水底盘。高度同为130mm，与户内地面平齐，结合整体给排水系统、快装地面系统、快装轻质隔墙系统、快装龙骨吊顶系统，组成整体卫生间系统（图19）。
　　（4）户内隔墙和采暖地面采用快装模块。快装隔墙主要用于户内隔墙（图20，21），是以轻钢龙骨隔墙体系为基础，饰面板为硅酸钙板，饰面材料可以是UV涂层也可以是传统的墙面壁纸等装饰材料，在工厂加工成型。针对有防水要求的卫生间墙面，在龙骨内侧加装PE防水层，面层板使用防水涂装板，保证空间的防水要求。快装轻质隔墙满足了空间分隔的灵活性，也替代了传统的墙面湿作业，实现了隔墙系统的装配式安装（图22）。
　　2。6成本控制
　　钢结构住宅的直接成本构成可以分为钢结构、围护结构、内装修和机电设备四个部分。与混凝土剪力墙结构相比，内装修和机电设备的差别不大，主要的差别在于结构本身、外围护墙体和分户隔墙三方面。据测算，钢结构成本与装配式混凝土剪力墙结构的住宅成本略高或相当；但分户墙和外围护墙是钢结构体系必须增加的部分。因此，增量成本主要在分户墙和外围护墙上，约占总成本的10～15。
　　同时，也应看到钢结构住宅具有施工速度快的优势，每层建筑的工期比混凝土结构大约可以节约13，这在资金成本、人力成本在项目成本中的比重越来越高的情况下，钢结构的综合成本优势会日益显现。
　　另外，在钢结构住宅项目中实行工程总承包的建设模式对控制成本十分必要，由设计单位牵头的工程总承包企业，对项目的设计、采购、施工全面负责，能够将工艺设计与设备材料的采购、安装紧密地结合起来，有利于缩短工程工期，降低项目投资，提升项目的质量，实现综合效益的提升。同时，简化了合同关系，利于业主对项目进行管理。
　　3结语
　　钢结构住宅所面临的六大问题无一是钢结构本身的问题，也不是钢结构本身所能解决的，只有采用系统的方法，以建筑专业为龙头，与结构、机电、室内、经济各专业共同协同工作，才有可能解决传统钢结构住宅中出现的问题，并充分发挥钢结构的优势。
　　钢结构住宅的推广是大势所趋，其应用有赖于设计技术的完善、社会化供应体系的建立和成熟，以及施工安装技术和工程管理模式的创新。如果在未来的十年内装配式建筑占到新建建筑的比例能够达到30，钢结构住宅将会在其中占到相当部分的份额。
　　赵钿
　　中国建筑设计院有限公司居住建筑事业部（暨装配式混凝土建筑产业化研究中心）主任；高级建筑师，清华大学建筑学硕士。主持设计了龙湖滟澜新宸、电建泷悦长安、北京万科蓝山、顶秀美泉小镇、远洋一方、郭公庄一期公租房等住宅工程30多项，以及新疆和田京和大厦、成都邮政生产指挥调度中心等公共建筑项目。负责国家十二五课题《保障性住宅工业化设计方法与全寿命周期设计技术研究》子课题等。