如果您想用冷弯型钢 (CFS) 框架建造，您能建多高？
虽然有人说10层楼高已经是冷弯框架结构的极限，但是，如果要求结构工程师跳出“惯性思维”，他会怎么说呢？
钢结构建筑行业协会 (SFIA) 决定一探究竟。该协会委托威斯康星州沃基肖 Matsen Ford Design 的负责人兼 SFIA 技术总监 Patrick Ford 通过建造一座 CFS 框架高层建筑来一探究竟。它能建多高？2016 年 4 月，在美国钢铁协会会议上，Ford 揭开了 SFIA Matsen Tower 的面纱，这是一座 40 层高的住宅，以他的合伙人 John P. Matsen 的名字命名。
SFIA Matsen 大厦设计
SFIA Matsen Tower项目为冷弯框架结构在高层建筑中的应用开辟了一条新道路。
“现在是结构工程师和未来工程师们了解冷弯型钢结构用途的时候了，”SFIA 执行董事 Larry Williams 说道。“冷弯型钢结构可能比以前想象的更实用。”它可以建造比任何木结构都高的建筑。”
冷弯型钢结构高层建筑的意义
从2000年左右开始，冷弯薄壁轻钢开始引入国内，当时有日本KC体系、加拿大五笔钢体系，所用设备主要是Hayes、Summit（后来被framecad、Scottdales取代），国内新钢则被鸿华取代（你见过轻钢用来做椅子的吗？这家公司把这种结构发挥到了极致！）。虽然所用设备有变，但轻钢厂一直都是做3层以下的低层建筑。在建筑方面，除了零星的别墅地产项目、新农村建设项目外，很少有大型住宅项目，大部分都是自建房项目。低层轻钢住宅项目规模也较小，很多轻钢企业难以形成规模，处于寻找商业模式和市场方向的阶段。如果冷弯轻钢能用于高层建筑，会不会是一个突破？
高层住宅市场情况
据联合国统计，全球城市人口已从1950年的7.46亿迅速增长至2014年的39亿。目前，全球54%的人口居住在城市，预计到2050年这一比例将上升到66%。这意味着将有25亿人需要城市住房。
由于城市空间有限，未来业主的住房需求都是在垂直方向上得到满足，对于业主来说，垂直建筑体系越多越好。
然而，并非所有建筑师、工程师和承包商都意识到冷弯型钢结构框架的高强度和延展性。有些人可能认为冷弯型钢结构仅适用于内墙隔断和各种外部建筑轻质材料，由框架支撑以进行表面处理。
冷弯型钢适合作为40层建筑的承重支撑吗？答案是肯定的。冷弯型钢的重力和抗侧弯性能使其成为中高层建筑结构承重材料的绝佳选择。目前，冷弯型钢结构中C形龙骨和网格的高度有限制，但SFIA Matsen Tower项目证明事实并非如此。
福特表示：“虽然已经提出了几个非常好的技术审查问题，但我们现在可以正式确定 SFIA Matsen 大厦的施工设计了。”
接下来我们来看看SFIA Matsen Tower的设计。
海拔
SFIA Matsen Tower 采用传统冷弯型钢型材和厚度设计，是一栋 R3 级住宅公寓。从立面图可以看出，建筑物前后墙上的开口较宽，而两侧承重墙上的开口较窄。
设计严格限制在冷弯型钢立柱、托梁和 CFS 承重结构中常用的其他部件。中心间距限制为行业典型的 12 英寸（30.48 厘米）、16 英寸（40.64 厘米）和 24 英寸（60.96 厘米）。双立柱结构是可能的，但仅适用于系统的重复部分。SFIA Matsen Tower 设计为使用常见的冷弯型钢 (CFS) 截面和厚度，不需要开发任何专门的 CFS 框架产品。
该塔还适用其他基本规则：层高 10'-0" (3 米)，中心到中心隔墙间距 25'-6" (7.77 米)，形成约 25 英尺 (7.62 米) 的净跨度。
SFIA Matsen Tower 如何能够采用冷弯型钢结构框架建造出一座 40 层高的建筑？
建筑材料清单包括用于金属屋顶的轻质 EPDM、0.6 厚 C 形结构地板上的轻质 1-1/2" 石膏混凝土、建筑金属的轻质外墙饰面、EIFS 或成品外墙水泥板。
以下是一些详细信息：
典型的楼板组装：0.6 厚 C 型楼板上的轻质 LWGC 和 RCB 天花板悬挂。
走廊墙：这也是一面承重墙，支撑浅走廊框架。
外墙：冷弯型钢立柱、GWB 和带刚性绝缘的建筑金属板、EIFS 或水泥板。除自重和阳台外，前后墙不承重。
铝合金阳台：采用翼墙支撑，安装在各单元内。但也可安装在外墙双龙骨或角柱上。
视野区域：前部和后部均设有开口，端部承重墙上的开口较小。承重墙上的开口宽度限制为 4'-0" (1.22 m)，非承重墙上的开口宽度限制为 6'-0" (1.83 m)。
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强度因素：重复C型龙骨
这座 40 层高的大楼为何如此坚固？从结构上讲，它采用重复的 C 形托梁和横梁作为主要承重框架。
冷弯型钢结构的主要例外是 MWFR 主要支撑。这是由电梯和楼梯处的钢筋混凝土剪力芯提供的。电梯和楼梯处的钢筋混凝土剪力芯必须是高强度 (7,000 psi) 混凝土，厚度范围从顶层的 8 英寸 (20.32 厘米) 到底层的 20 英寸 (50.8 厘米)。
该塔的设计可承受高达 115 英里/小时的风速。
“这种建筑可以在美国绝大多数城市建造，”福特说。“在飓风多发的沿海地区，这种建筑可能会有问题。在地震多发地区，这种建筑也可能有问题，但我不这么认为。”
C 型龙骨专为应对最坏的风荷载和托梁偏心轴向荷载情况而设计。挠度标准考虑了极限情况，包括墙体构件的 L/360 和地板构件的活荷载的 L/480。
龙骨组件是针对最坏情况设计的，具有均匀的横向和偏心活载荷以及由托梁承载的总载荷
立柱间距和预制墙
如果 SFIA Matsen 大厦真的建成，有两个要素至关重要：第一个要素是冷弯型钢立柱的间距。负载将从上层楼的承重立柱分配到下层间距不同的立柱。
间距变化时的龙骨偏移始终相同
这些龙骨偏移基本上发生在两个位置。一个是 34 楼的 24"oc 到 16"oc。另一个是 30 楼的 16"oc 到 12"oc 的减小。在 30 楼，更坚固的管道 - HSS 6" x 3 x 1/4" 和 HSS 6 x 4 x 5/16" 连续且独立 - 带有顶部和底部面板。
塔楼的第二个关键要求是预制墙体。在焊接墙体框架之前，需要将龙骨实际组装在底座上并固定。强烈建议使用焊接连接。
桥接力会在墙上积聚。但是，这些力将通过冷弯型钢结构和角件的交叉和扭转来吸收。T 形支架偶尔会用到，但只能用在最高层。
即使每个构件的轴向力超过 60 千磅，双龙骨在较低位置也可以完全不受支撑。
48层冷弯型钢结构框架结构？
综上所述，SFIA Matsen 塔的设计比较保守。在计算冷弯型钢结构构件的要求时，几乎没有降低承载力。例如，风荷载会显著影响每个冷弯型钢龙骨的弯矩。但是，没有计算风荷载的减少量，从而设计出更经济的框架结构。
此外，墙体的活荷载减少仅基于墙体构件上每个托梁的传入支流荷载面积。由于为每个支撑构件计算的支流面积是传入跨度的三分之一钢结构载荷计算软件，并且墙体充当单独的 SFIA Matsen 塔的高度将为 48 层，这要归功于支撑结构 - 在某些地区这是一种完全可以接受的方法。
建筑业主会接受建造 40 层高的冷弯型钢建筑吗？如果这种设计被证明具有经济效益，那么未来也许会。
福特表示：“我们并不认为这是建造 40 层高楼最有效的方式。”
尽管如此，SFIA Matsen 大厦证明冷弯型钢结构能够提供比许多建筑师、工程师和承包商所能意识到的更多的优势。
福特表示：“冷弯型钢结构的市场比现在大得多。”
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