美国钢结构建筑体系及技术趋势
SI概念是将住宅建筑划分为“Skeleton”和“Infill”两大装配式部分。S涵盖所有主体结构，包括梁、柱、楼板及承重墙、共用设备管网等；I包括室内设备管网、室内装修、非承重外墙及隔墙等。基于SI概念的钢结构建筑体系具有工业化程度高、施工质量高、建筑布局灵活、抗逆性好、住宅宜居、绿色环保等优势，在美国建筑界备受推崇。
钢结构建筑形式是美国装配式建筑的主要建筑类型，负责编撰钢结构国家设计规范、标准和手册的机构是美国钢结构协会（AISC），成立于1921年，其最新钢结构规范《AISC-LRFD99标准》在公共建筑、高层建筑等方面均有指导性应用；《AISC-LRFD99标准》所推广的钢结构建筑形式主要有：
（1）高层钢结构建筑：指6层以上（或30米以上）的建筑，主要采用型钢、钢板连接或焊接成钢框架构件，再经连接、焊接形成结构体系。
（2）轻钢结构建筑：主要用于低层、多层住宅建筑。
（3）钢-混凝土混合结构建筑：主要有钢管混凝土、钢混凝土、钢混凝土组合梁、波形钢板-混凝土组合楼板四种组合结构。
（4）模块化集成钢结构建筑：强调结构的装配化，向着结构预制化（SPM）和室内装修系统化（IDS）的“SPM/IDS”集成方向发展。
以下是可以实现SI概念的美国轻钢结构体系列表。
CTLS结构系统
美国冷弯薄壁轻钢住宅结构体系（CTLS）是在2in.×4in.（50.8mm×101.6mm）木结构住宅体系基础上发展起来的轻钢结构建筑体系。主要采用厚度0.55~2.00mm的C型冷弯薄壁型钢作为柱、梁、支撑等钢构件，与结构面板组成板架结构；此结构体系一般在4层以内，也可建造6~7层的房屋。轻型木结构的主要特点基本都体现在CTLS结构体系中。冷弯薄壁型钢结构还具有环保、防火、防虫、不开裂等轻型木结构所不具备的诸多优点。 1990年以后，美国各界（政府、建筑、钢结构、制造业、消费者）通力合作，迅速推广CTLS结构体系，使得住宅工业化、工厂化住宅制造技术得到快速进步。目前，美国轻钢结构住宅的建设量约占全部新建住宅的95%左右。
下面介绍美国CTLS结构体系的应用发展和技术趋势：
（1）冷弯型钢结构体系主要材料标准：冷弯型钢在住宅建筑中主要用于框架、刚架、桁架、网架、梁、柱等主要承重构件，也用作檩条、墙梁、柱、屋面板、墙板、龙骨、门窗等次要承重构件及围护结构。其构件一般采用Q235型钢或Q345型钢，厚度约为0.45~2.50mm，但各类承重构件厚度一般不小于0.85mm，只有在有可靠依据的情况下，才可选用厚度较小的构件。非承重构件可使用厚度最小为0.45mm的钢材。采用低碳钢时，结构用钢量一般为30kg/㎡。 在国外，由于采用强度为550MPa的高强度钢，其钢材消耗量最低约为10kg/㎡。
（2）CTLS结构龙骨的技术指标：美国标准规定冷弯薄壁钢构件应采用屈服强度为230N/m2、抗拉强度为310N/m2的钢材。加工冷弯薄壁钢构件所用的双面镀锌钢板及钢带的重量为：承重钢构件不小于185g/m2，非承重钢构件不小于125g/m2，恶劣环境下使用的钢构件不小于185g/m2。作为承重龙骨，镀锌钢板的厚度一般为0.89~2.58mm。美国标准中，镀锌钢板按厚度分为十几个等级，从12~25gage（2.58~0.46mm）不等。 另一重量指标为G-40、G-60、G-90（折算成公制，镀锌量分别为95~126g/m2、157~189g/m2、252~283g/m2）。其中G-40用于非承重墙体部位（如隔墙、天花板等），G-60用于普通承重墙体部位，G-90用于沿海地区或亚热带地区。
（3）CTLS结构材料的截面优势：CTLS结构材料经冷压后，截面成型灵活，截面材料分布合理，具有较高的截面惯性矩、抗弯矩等截面特性系数。美国建筑业用于CTLS基础构件的成型截面主要有U型（普通槽钢形状）和C型（卷边槽钢形状），即U型槽钢和C型龙骨。槽钢和龙骨的宽度范围可为60～305mm。U型截面一般置于C型截面的端部，作为顶梁、底梁或边梁等非承重构件使用。C型截面一般作为梁、柱的承重构件使用。有时L型截面也用作角钢连接件或过梁。U型截面常见型号有8种，C型截面常见型号有5种。 可以看出，无论是设计、生产还是安装，钢架之间、结构板与结构板或装饰板与钢架之间的连接，都采用自攻螺钉或普通铁钉，结构安装十分方便。由于冷弯型钢主要通过优化截面形状来提高构件的承载能力，而不是增加材料的用量，所以冷弯型钢又被称为用钢量少、利用率高的高效型材。
(4)CTLS结构体系设计规范的制定：负责编制CTLS结构体系国家设计规范、标准和手册的组织是美国钢铁协会（AISI）。为了推动CTLS结构体系在土木工程各个领域的应用，AISI成立了专门的规范委员会（SCAISS），负责编制和修订设计规范并组织研究项目。多年来，随着美国对冷弯型钢结构研究的不断深入，其设计规范和标准也不断得到修订和完善。自1946年AISI冷弯型钢结构设计规范CDCSSM-1946第一版发布以来，SCAISS已进行了七次修订和补充。 最新版本是1996年出版的AISI冷弯型钢结构设计规范CDCSSM-1996。在AISI的指导下，SCAISS也于1996年出版了AISI轻型钢结构设计手册HDLSS-1996，该手册经过了九次修订和补充。AISI的《CDCSSM-1996》和《HDLSS-1996》是目前世界上冷弯型钢结构设计最全面、最全面的规范之一。该版规范将传统的允许应力设计法（ASD）和荷载抗力系数设计法（LRFD）整合为一个规范。为了让工程设计人员熟悉和掌握新规范，AISI在新规范颁布后立即在美国各地组织短期讲座，并不时发表专题报告、组织专题讲座和国际学术会议，对促进和推动CTLS结构体系在美国各地的应用和发展起到了良好的推动作用。
（5）美国CTLS结构体系最新研究动态：AISI也十分重视CTLS结构体系的研究工作。AISI从美国各大钢铁公司筹集研究经费，并赞助和组织大专院校和科研机构开展CTLS结构体系研究。AISI还在密苏里大学罗拉分校建立了冷弯轻型钢结构中心（CCFSS）。该中心不定期出版CTLS结构研究简报，及时交流各学术（协会）协会的研究活动，报道国际上与CTLS结构体系有关的学术信息和研究成果。多年来，随着美国CTLS结构体系研究的不断开展，AISI编制的设计规范和标准也不断修订完善。
根据AISI的《规范简报》：自《CDCSSM-1996》和《HDLSS-1996》发布实施以来，CCFSS已公布了1996年至1999年10月期间美国（及部分欧洲国家）开展的关于CTLS结构性能研究的21个课题、共计55个研究项目，全面反映了美国最新的研究动态，其课题和项目包括：CTLS结构材料性能、薄壁板性能、受弯构件性能、受压构件性能、梁柱构件性能、墙柱性能、板结构性能、组合结构性能、动力与抗震性能、截面性能和疲劳强度性能等； 如槽钢、A型钢的弯曲/扭曲屈曲性能、冷弯梁、波形板的弹塑性弯曲性能、波形钢板在压弯综合作用下的腹板性能、带孔C型钢截面的剪切和压弯性能、A653-80级钢材和A611-E级钢材受弯构件的强度、冷弯∑檩条的承载力等试验研究成果。
DBS结构体系
美国多层轻钢住宅体系（DBS）是迪特里希建筑体系的简称，是美国迪特里希公司研发并取得专利的多层轻钢结构住宅建筑体系。近几年来，美国各地修建了许多4-6层高的住宅楼、老年公寓和多层酒店。在非地震区，最高建筑可建至12层。其抗震性能和耐火性能均符合美国权威UL实验室的检测认证。
下面介绍美国DBS结构体系的技术特点和应用优势：
（1）迪特里希的产业优势：迪特里希在美国建有19家镀锌轻钢龙骨加工厂，每个工厂都有几条至几十条轻钢型材生产线，年产镀锌轻钢构件450万吨。公司所有生产线均由销售部电脑控制，生产线加工速度约107m/min，每条生产线由一名工人管理，加工、包装一次性完成，产品运至施工现场后在现场组装施工。其轻钢结构产品占美国市场份额50%以上，不仅用于建造低层和多层住宅，还通过全美各地的建材超市作为隔墙、吊顶龙骨等建筑材料供应给居民。
（2）DBS结构技术指标：DBS多层轻钢结构住宅体系一般采用美国住宅常用的空间尺度，跨度为4.88m，每层净高为2.44m。墙体的C型镀锌轻钢龙骨根据荷载大小采用0.5~1.5mm镀锌钢板，截面高度为100mm，间距为610mm。例如，6层住宅楼的墙体龙骨厚度，顶层为1.0mm，底层为1.5mm。本体系楼面梁也采用轻钢龙骨，截面高度为150~250mm，间距为610mm。DBS体系墙体为纸面石膏板，固定在轻钢龙骨两侧。 剪力墙还加设一层镀锌钢板，用自攻螺钉固定在轻钢龙骨上。
（3）DBS系统结构特点：DBS系统拥有多项专利技术，为了布置管线，在墙龙骨和楼面梁上按一定间隔开设孔洞，孔洞周围变形处理保证了薄弱段的局部稳定，可使楼面开孔直径达到截面高度的80%。楼板采用20mm厚纤维水泥板，在墙龙骨与楼面梁之间填充玻璃棉，兼顾保温和吸声、隔音。
（4）DBS体系应用优势：施工进度比混凝土结构体系快，其结构构件开孔专利技术，更便于布置水、电、气等管线。结构为绿色多层轻钢框架结构，节点采用高强度螺栓（或焊接）连接。DBS结构自重轻，如多层住宅建筑，结构所用镀锌轻钢构件3lkg/m，结构自重161kg/m，由于节省材料，成本也随之降低。DBS体系轻钢结构依靠专利技术支撑，抗震性能好，在非地震易发地区，建筑高度可达12层。DBS结构体系特别有利于循环经济的发展。 例如在美国，一座面积为4645平方米的酒店采用DBS结构体系建造，可利用168辆旧汽车的回收钢材。
Conxtech结构系统
Conxtech钢框架体系是美国Conxtech公司开发的一种新型装配式钢结构，为2010版美国钢结构抗震设计规范（ANSI/AISC 341-10）推荐。该体系适用于多层建筑，由框架梁、框架柱、梁柱连接构件、波形钢板组合楼板组成。采用方钢管混凝土柱和宽缘H型钢梁的纯钢框架结构体系。
下面介绍一下美国Conxtech结构体系的技术特点和应用优势：
（1）Conxtech的产业优势：Conxtech钢架结构体系最早由美国设计师Robert J. Simmons于2000年末构思，以满足当时高密度住宅和综合市场的建筑需求。该体系在2001年至2004年间经过开发、评审、测试和改进，并在美国特拉华州成立了Conxtech公司，建成了120,000平方英尺（11,100平方米）的海沃德钢架工厂。Conxtech采用Motoman机器人技术，是全球第一家也是唯一一家利用机器人成功完成建筑结构钢多道全熔透焊接的公司。同时，它还利用建筑信息模型（BIM）和最先进的制造设备，实现了其ConX系统在现场安全快速组装所需的尺寸精度，确保了准确性、质量和成本效益。Conxtech每年可生产600万平方米的结构钢架，其产品占美国纯钢架市场份额的45%以上。
（2）Conxtech结构体系：Conxtech结构为纯钢框架结构，由框架梁、框架柱、梁柱连接构件、波形钢板组合楼板及基础组成，为纯钢框架结构体系。框架柱为方钢管混凝土柱；框架梁为宽翼缘H型钢截面梁，通常在梁端加工成狗骨形式（RBC）与柱连接。
（3）Conxtech结构体系核心技术：Conxtech结构体系独创的专利板拼连接，采用了ConXR、ConXL两种梁柱连接方式，是体系的核心技术。
ConXR连接形式：ConXR适用于中弯钢框架（IMF）钢结构加工厂安全组织机构框架图，在梁柱连接处，柱四边采用楔形插座锁紧连接，采用高强螺栓固定梁柱节点。连接节点处框架柱自上而下连接，内部灌注混凝土，形成钢管混凝土柱与刚性连接节点。
ConXL连接形式：适用于中等抗弯刚度钢框架（IMF）和特殊抗弯刚度钢框架（SMF）。楼盖体系为普通波形钢板组合楼盖，通过剪力螺栓与框架梁连接。在梁柱节点处，柱对角位置采用柱T型套筒连接，梁端套筒插入两柱套筒之间。锁紧到位后，梁柱节点采用高强螺栓拼接。与ConRL形式类似，ConXL节点区也是刚性连接节点。
（4）Conxtech子系统连接技术指标：在Conxtech结构体系中，ConXL和ConXR两种梁柱连接形式是实现结构现场装配的核心技术。根据节点形式和梁柱截面尺寸的差异，体系分为以下四个子系统，以适应不同的使用情况：
①ConXRTM100子系统：该系统采用ConXR梁柱连接，柱采用100mm×100mm方钢管，钢梁采用W6宽翼缘钢梁，跨度1.2~4.8m，主要用于小型管道结构、钢平台结构等。
②ConXRTM200子系统：该系统采用ConXR梁柱连接，柱采用200mm×200mm方钢管，钢梁采用W12宽翼缘钢梁，跨度2.4~6.0m，主要应用于多层钢结构住宅及管道结构。
③ConXLTM300子系统：该系统采用ConXL梁柱连接，柱采用300mm×300mm方钢管或焊接方钢型材，钢梁为W14~W24宽翼缘钢梁，跨度范围为3.6~9.0m，主要用于多层钢结构住宅及管道结构。
④ConXLTM400子系统：该系统采用ConXL梁柱连接，柱采用400mm×400mm方钢管或焊接方钢管，钢梁为W18~W30宽翼缘钢梁，钢梁跨度大于5.5m，最大跨度可达19.8m，主要用于医疗、军事、数据中心、商业办公、停车场及大型工业建筑的主体结构。
以上四个子系统中，ConXR结构体系的框架层数不超过12层，ConXL结构体系的框架层数不超过15层。
（5）Conxtech钢框架楼板系统
康士泰钢架楼盖体系为普通波形钢板组合楼盖，通过剪力螺栓与框架梁连接。从梁柱连接的结构方式分析可知，康士泰钢架体系与一般钢架结构的区别在于其特殊的梁柱套筒连接方式。其楼盖体系与一般钢架结构楼盖相同，均为主次梁结构布置，波形钢板组合楼盖。波形钢板安装、楼盖钢筋绑扎、混凝土浇筑均需在现场完成，具有平面布置自由、整体刚度好的特点。
（6）Conxtech结构体系的装配式优势：总结Conxtech结构体系的技术特点及钢框架结构的共同规律钢结构加工厂安全组织机构框架图，Conxtech结构体系在住宅建筑中的装配式优势有三点。
①装配式钢结构体系中，构件连接节点的构造及受力性能是影响结构体系性能的关键因素，康士泰结构体系的梁柱连接结构形式简单，安装方便，传力性能满足体系对梁、柱间传力性能的要求，对同类型结构体系的研究有很好的参考价值。
②Conxtech结构体系根据不同的使用情况开发了四个子系统，以适应不同的使用需求，使得梁柱连接具有自锁功能，整个体系的装配效率较高。同时采用现浇楼板工法，建筑空间布置相对灵活，适用范围广。
③Conxtech结构体系为2010年版美国钢结构抗震设计规范推荐使用，该规范对Conxtech钢框架体系的结构分析和节点设计有明确的规定，是一套具有成熟设计方法的结构体系。
本文译自《美国ASTM标准简报》2019年1月刊；《ICBO实验室标准化报告》2018年度；《产业投资杂志》2019年3月刊；《IDOMC发展报告》2019年第2期。
原文作者：美国ICBO实验室首席顾问Patrick McCarron、美国商务部工业投资局首席顾问John Kay Smith、全国制造商联盟主任Bob Broughton等
