指南 NO.47
中国住宅建设已经进入装配式时代，作为装配式住宅家族的后起之秀，钢结构住宅在中国新建住宅中的比重不断提高。为了让大家对钢结构住宅有一个初步的了解，本文从结构专业的角度对这种住宅系统做了简单的介绍，并回答了房地产人普遍关心的几个问题。（由 Design Company Consulting Center 提供）。
钢结构房屋的现状及发展前景
第二次世界大战后，随着人口的大幅增长和由此产生的能源危机，各国都在寻找既节能又环保且可以快速、大批量建造的建筑。钢结构不仅符合绿色环保的理念钢结构建筑产业化现状，而且具有模块化、标准化的特点，满足了建筑工业化的需要，因此在欧美国家取得了长足的进步。虽然中国人口众多，但鉴于工业基础薄弱，钢结构住宅起步较晚，直到近几年才开始进行系统的研究和设计施工。以下是从建设规模和发展阶段两个方面对国内外钢结构住宅现状的比较：
1. 建设规模
据统计，1965 年，美国钢结构房屋的比例还不到 15%，现在已经增加到 50% 以上;日本的钢结构房屋比例也接近 40%。相比之下，虽然中国的粗钢产量约占世界总产量的 50%，是名副其实的钢铁强国，但钢结构建筑的发展水平较低，钢结构房屋所占比例不到 5%（图 1）。每年，美国 35% 的新房是钢结构房屋，日本约为 20%。中国年竣工住宅面积为 12~14 亿平方米，其中钢结构住宅不到 1%。
▲ 图 1 各国民用建筑结构系统比较
2 个开发阶段
按照岳庆瑞院士的观点，钢结构建筑工业化必然会经历四个发展阶段
■ 初级阶段 - 建立工业生产体系，实现工厂化生产;
■ 专项系统——形成建筑工业化专项系统，实现装配式施工;
■ 通用系统——建立产业链，形成大型通用系统，实现产业化;
■ 绿色发展 - 节能降耗，融合先进技术，实现可持续发展。
目前，我国正处于特种系统发展的初级阶段，其特点是实现了钢结构的工厂化生产。欧、美、日等发达国家正在将通用系统推进到绿色发展阶段，其特点是大规模通用系统已成为主流，以绿色节能环保为目标，最终实现可持续发展。总体来看，中国正处于赶超阶段，与世界先进水平还有较大差距。
▲ 图 2 全球建筑工业化的发展历程
通过对比可以看出，我国钢结构住宅无论发展规模或程度如何，与世界第一钢结构生产国的地位十分不相称，我国钢结构住宅具有巨大的市场潜力，广阔的发展前景。近年来，随着建筑业劳动力短缺带动劳动力成本不断上升，钢材价格持续低迷，钢结构住宅将进入快速发展期。
对于钢结构房屋的市场定位，目前在国内，仍以灾后重建房、定向安置房等政府主导的项目为主。相信随着装配式概念的普及和公众意识的提高，越来越多的商品房项目将采用钢结构。
欧洲、美国、日本等国家的钢结构住宅以低层轻钢结构为主（图 3）。在我国，考虑到人口密度、居住习惯等因素，建造的钢结构房屋以高层建筑为主，主体结构为钢框架+支撑（或剪力墙），称为普通钢结构（图4）。本文主要介绍普通钢结构房屋。
▲ 图 3 轻钢结构房屋
▲ 图 4 普通钢结构房屋
普通钢结构房屋的分类
普通钢结构房屋按侧向力抵抗系统可分为纯框架、框架-支撑、框架-剪力墙等类型，各种类型简单表示如下：
▲ 图 5 纯框架系统
▲ 图 6 框架支撑系统
▲ 图 7.框架剪力墙系统
1. 纯框架系统
该系统的受力构件仅为钢梁和钢柱，在钢梁和钢柱之间设置刚性节点，以抵抗垂直和水平载荷。
优点是平面图灵活，可以为建筑设计提供较大的内部空间，并且相对容易与建筑立面协调。缺点是侧向承载力和侧向刚度相对较差，只适用于低层和多层住宅，不能用于高层住宅，因此纯框架的住宅项目较少，具有代表性的是获得中国建筑钢结构金奖的济南埃菲尔铁塔花园。
▲ 图 8 钢架结构房屋 - 济南埃菲尔花园
2. 框架 - 支撑系统
为了提高框架的横向刚度，可以在钢框架上增加柱间斜支撑，形成框架支撑系统。
框架支撑结构的抗震性能优于纯框架结构，但平面布置不灵活，斜支撑将占据室内空间的一部分。
常用的支座形式根据是否有耗能梁截面可分为中心支座和偏心支护，根据形状又可分为“X”形支座、“人”形支座、“K”形支座等。
▲ 图 9 Center 支持
▲ 图 10 偏心支座（红色部分为耗能梁截面）。
虽然偏心支护的侧向刚度不如中心支护，但在强震作用下的延性较好。中央支架多用于多层和小型高层建筑，偏心支架多用于高层和超高层建筑。钢架支撑系统的使用更具有代表性，例如北京市朝阳区黑庄户定向安置房项目和宝钢都江堰幸福家园项目。
黑庄湖项目是北京市首个采用中心支撑和偏心支撑混合侧向力阻力系统的超高层钢结构住宅项目。
▲ 图 11 钢结构支架 - 黑村项目
▲ 图 12 钢结构支撑布局 - 黑村项目
▲ 图 13 钢结构施工 - 黑庄家居项目
▲ 图 14 偏心支撑 - 宝钢都江堰 Happy Home
3. 框架剪力墙系统
为了进一步提高结构的侧向刚度，可采用剪力墙代替钢框架中的斜支撑，形成框架-剪力墙系统。
适用于钢结构的剪力墙形式是钢板剪力墙。钢板剪力墙分为纯钢板剪力墙和钢板-混凝土复合剪力墙
纯钢板剪力墙——为了防止钢板过早屈曲，可以在钢板内打开竖向接缝，使墙板的变形由剪切转化为弯曲，从而提高墙板的延展性。这种剪力墙形式已成功应用于多个住宅项目（图 16）。
▲ 图 15 垂直接缝钢板剪力墙结构
▲ 图16 垂直接缝的钢板剪力墙 - 河南新天丰公寓
提高钢板剪力墙延性性的另一种方法是用混凝土来抑制钢板的屈曲变形，即钢板-混凝土复合剪力墙。
▲ 图 17 双层钢板填充混凝土组合剪力墙
钢板剪力墙使用钢材量大，一般用于公共建筑。出于成本原因，住宅钢结构通常采用框架支撑系统。但是，与钢支撑相比，钢板剪力墙刚度大，延展性好，易于与建筑设计相协调，因此在抗震设防烈度较高的地区，一些住宅项目已经开始尝试使用钢板剪力墙作为抗侧构件钢结构建筑产业化现状，如丰台区成寿寺B5地块定向安置房项目， 北京，于 2017 年封顶，采用钢板复合剪力墙。
▲ 图 18 北京市丰台区城寿寺 B5 地块定向安置房项目效果图
▲ 图19 钢框架-剪力墙结构-成寿寺B5项目
普通钢结构房屋的组成
作为钢结构金牌项目和北京市首个装配式钢结构住宅示范项目，城首司B5项目采用了许多新技术，如：钢板剪力墙、墙板阻尼器、加气PC外墙板、基于BIM的虚拟施工技术等。以下内容将与项目相结合，对钢结构房屋的各个组成部分进行系统展示。
1、钢板剪力墙
城首庙B5工程2#、3#建筑采用双层钢板复合剪力墙作为抗侧力构件，主要设计参数如下：
壁厚：150mm
钢板厚度：6~12mm
钢材质：Q345B
填充材料：C50 自密实混凝土
▲ 图 20 钢板剪力墙准备吊装——成寿寺 B5 项目
▲ 图21 钢板剪力墙垂直定位——成寿寺B5项目
2 结构框架
为了增加可用面积，高层住宅建筑的框架柱常采用混凝土填充的钢管柱来减少柱的截面，框架梁的跨度一般为6~9米，应采用热轧H型钢或焊接H型钢。成居寺 B5 项目采用以下结构框架：
地上部分
钢柱：□400 或 □350 箱形柱，填充 C50 自密实混凝土;
钢梁：主要采用H350X150焊接H型钢。
地下部分
根据结构设计规范，应在地上钢结构和混凝土基础之间设置一个刚性混凝土结构层作为过渡。城首寺B5项目地下室采用刚性混凝土框架柱，满足规范要求。
梁柱节点
矩形混凝土填充钢管结构技术规程 （CECS159） 推荐了四种梁柱节点形式。从力的合理性和成本上看，城首庙B5项目采用了内外隔板的刚性连接。
▲ 图 22 延长内隔板式梁柱连接
▲ 图 23 梁柱节点 - 成寿寺 B5 项目
柱基
城寿寺B5工程采用埋柱式地基。
将钢柱或钢骨架嵌入钢筋混凝土独立基础或基础梁或筏板基础中，构成埋地柱基础。中国钢结构设计规范建议在地震烈度高的区域使用预埋柱基础。
▲ 图 24 嵌入式柱座
3. 墙板阻尼器
经过示范，城寿寺B5项目采用了墙板阻尼器技术。该技术主要用于减震设计，在日本已得到广泛应用。上海宝钢于 2014 年从日本引进，其工作原理是通过垂直钢管束之间的摩擦来增加阻尼并减少地震作用。该产品具有以下特点：
减震效果更明显
经过对比计算，如果采用该技术，城首寺3#建筑（16层，高49米，抗震8度，属III.级遗址）的最大水平位移可降低20%左右。
体积小，易于施工和安装
由于宽度小，如果应用于住宅建筑，更容易与建筑立面协调。
缺点是有些材料需要从国外进口，价格较高。
▲ 图 25 墙板阻尼器 - 成寿寺 B5 项目
整体来看，这款产品要想在中国未来的高层建筑市场占有一席之地，还需要做好以下三个方面：
■ 应尽快改进设计理论和计算软件;
■ 生产标准与施工验收规范应尽快匹配;
■ 实现完全本地化并降低成本。
4 个楼板
Chengshousi B5 项目同时使用钢桁架楼板和混凝土层压板，以便于进行比较分析。
▲ 图 26 钢桁架地板承重板
▲ 图 27 钢筋桁架混凝土层压板
▲ 图28 钢桁架层压板施工-成寿寺B5项目
5. 预制外墙板
城寿寺B5项目采用轻质混凝土外墙板作为外墙围护结构，并在外墙挂板内侧制作轻钢龙骨内装饰系统。外墙挂板及主体结构采用旋转滑节点，消除地震应力对外墙挂板的影响，确保建筑围护系统不受破坏。
▲ 图 29 PC 外墙挂牌——成寿寺 B5 项目
▲ 图30 PC外墙挂板与钢梁上翼缘连接节点——成寿寺B5项目
▲ 图31 PC外墙挂板与钢梁下翼缘连接节点
（泡沫聚氨酯绝缘材料已喷涂）。
▲ 图 32 外墙挂板吊装后的现场结构立面——成寿寺 B5 项目
