钢结构住宅的建筑设计理念探究

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　　摘要：伴随人们对人体健康、居住环境以及经济观念之间关系认识的不断提高，人类居住健康问题引起了全世界居住者和舆论的关注，人们越来越迫切地追求拥有健康的人居环境。近年来，建设者们纷纷将钢结构技术运用到住宅制造模式中。钢结构住宅采用高强度的钢柱、钢梁作为承重框架，配以标准化的内外墙板、楼板、屋顶和水、电等设施，构成一种新型住宅建筑体系。本文主要阐述钢结构住宅的特点及钢结构住宅的建筑设计理念。
　　关键词：钢结构，住宅，建筑设计，理念
　　
　　现代钢结构的设计理论日益精确成熟，施工过程及施工技术日益复杂化，传统的施工技术和施工过程验算方法已不能满足现代大型复杂建筑施工的需要，现代工程施工中事故时有发生，直接影响人民生命财产安全及工程建设速度。据统计，全国近十年来的357起结构物倒塌事故中有78％是在施工过程中发生的，其中由于设计中未考虑施工过程中的诸多影响因素或由于对施工过程中出现的复杂与突发情况未进行应有的计算分析是主因。因此强化钢结构住宅的建筑设计理念是建筑施工安全的保障。
　　1钢结构体系住宅在平面及空间设计上的特点
　　1.1优点
　　钢结构住宅通常为框架体系，结构体系与围护体系完全分开，两者相互独立，围护墙体可以根据需要灵活设置，建筑空间处理的任意性大大高于以墙体承重为主的传统住宅。同时，钢框架由于刚度较大，结构构件均较为纤细，可以节约出更大的有效空间。
　　1.2不足
　　框架体系在空间处理上也会有一定障碍。钢柱截面通常会大于墙体宽度，且形状(H型、箱型、圆形)无法做成混凝土框架结构中的异型柱，因而会突出墙面之外，对空间形状的完整性及家具摆放造成一定影响。纯钢框架结构考虑抗震而设置的侧向支撑，使房间墙体上门窗洞口的开设受到限制。
　　1.3建筑钢结构施工技术的发展
　　传统上人为地将结构设计和施工分为两个相互独立的过程，设计人员通常不参与结构的施工验算，也不考虑施工过程对结构受力和变形的影响。已经是紧密关联、相互影响的，不同的施工方法将对结构的内力和变形产生不同的影响，有时甚至可能会导致原结构设计的改变。因而，设计必须同时考虑施工过程中结构的力学性态。
　　2钢结构住宅的主要特点及结构体系
　　2.1钢结构住宅的主要特点
　　钢结构住宅产业化技术，具有高科技、高性能、高效率、大规模、资源消耗低、环境污染少、现场占用施工面少、安装简单方便、节能省地、利废环保、造价适宜的诸多优势。钢结构住宅的主要特点表现在：
　　（1）钢结构的突出优点是延性好，抗震性能优越，对于我国这样多地震灾害的国家来说，可以明显减轻地震发生时的损失。
　　（2）钢结构的隔热保温性能好，有利于建筑节能，同时钢材可回收利用。
　　（3）钢结构的柱、梁、墙、楼层板的截面积小，可增加实用面积8%～12%，墙体材料多以粉煤灰、废矿渣、农作物杆等利废环保可重复、可再生、可循环的保温材料，有效的节约土地和能源。
　　(4)钢结构的自重轻，是传统建筑的三分之一到五分之一，安全性和抗震性好，制造安装工期短，可节省原材料资源消耗，提升住宅的性能价格比。
　　2.2钢结构住宅的结构体系
　　钢结构住宅根据高度或层数的不同，采用不同的结构体系。三层及三层以下钢结构住宅宜采用轻钢结构体系；4～6层的多层住宅，一般可采用：钢框架体系、钢框架――剪力墙体系、钢框架支撑体系；7～12层中高层住宅可采用钢框架――混凝土核心筒(剪力墙)体系及钢框架――支撑体系，也可采用钢管混凝土柱组合框架――混凝土核心简体系；但框架体系抗侧移刚度小，在风荷载、地震作用下，其层间侧移和总位移较大，故需设置各种抗侧向应力体系。
　　（1）低层轻钢结构住宅体系
　　低层轻钢结构住宅一般指平面较小、三层及三层以下住宅(可带一层地下室)。在风荷载和地震作用较大的地区常需设置必要的支撑。低层轻钢结构住宅可为独立式或联排式小住宅。
　　（2）钢框架――核心筒结构体系
　　钢框架――核心筒结构对于多高层住宅而言是一种较好的结构形式。其优点是结构受力分工明确，核心筒抗侧移刚度强。可有效避免其他结构形式因施工不当容易渗水造成的钢构件锈蚀，而且可采用滑模施工，进度快。
　　（3）主体钢结构体系
　　住宅建筑结构体系的确定，对于住宅结构需要满足的安全性、耐久性、舒适性、经济性和成套性的要求是非常重要的。但是当结构高度或层高较大时，需设置各种侧向支撑，可以结合电梯井、楼梯间的布置，采用框架支撑、框架-剪力墙、空间错列桁架结构体系等新体系，以确保对结构水平位移的严格控制。
　　3钢结构对材料性能的要求
　　国民经济建设的各行各业几乎都需要钢材，但由于各自用途不同，对钢材性能的要求也各异。用作建筑钢结构的钢材必须具有以下性能：
　　2.1抗拉强度和屈服点达到设计要求
　　屈服点高可以减小构件截面，减轻结构自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高可以增加结构的安全储备，提高结构的可靠性。
　　2.2钢材的塑性、韧性及耐疲劳性能
　　较好的塑性可以使结构在破坏前产生较大变形，给人以明显的破坏预兆，从而可以使人们及时发现和采取补救措施，减少损失。较好的韧性可以使结构在动力冲击荷载作用下破坏时吸收较多的能量，降低脆性破坏的危险程度。较好的耐疲劳性能可以使结构具有较强的抵抗重复荷载的能力。
　　2.3良好的加工性能
　　良好的加工性能包括冷加工性能、热加工性能和可焊性。建筑钢结构所采用的钢材不但要易于加工成各种形式的结构和构件，而且不致因加工而对结构或构件的强度、塑性、韧性以及耐疲劳性能造成过大的不利影响。
　　当然，在符合上述性能的条件下，同其他建材一样，建筑钢结构用钢还应该易于生产，价格便宜，以降低造价。可供建筑钢结构用钢的品种包括普通大型材、普通中型材、普通小型材、冷弯型钢材、线材、各种厚度钢板、无缝钢管、焊接钢管等。
　　4钢结构住宅的建筑设计理念
　　4.1合理调整梁、柱与围护分隔墙体的位置，以保证主要空间的完整性
　　通常居住者都希望房间规矩平整，没有梁、柱等突出物，但框架体系的梁柱截面不可避免地会宽于墙体厚度，建筑设计中常采用将隔墙置于框架梁柱一侧的方法，以保证主要空间(如起居室、卧室)的平整性，而将梁、柱尽量突出于次要空间中(如储藏室、卫生间、厨房等)。另一种做法是将柱子与墙体脱开，独立在外墙外侧，避免了结构柱对外墙内表面的干扰，同时还可行成别具一格的立面风格。
　　4.2隐梁式结构体系
　　从结构体系人手，以改变结构构造方式来达到室内空间无梁，保证使用空间的完整连续性。具体做法是：将楼板搁置在结构钢梁的下翼缘，楼板的厚度等同于梁高。首先为控制楼板的整体厚度，必须尽量减小梁高，以普通住宅2.8m层高为例，楼板厚度不应大于200mm，根据钢结构框架梁高跨比约1：20，柱网跨度尺寸只能达到约4m×4m，这一柱网尺寸在开间方向上尚可，而进深方向上则无法满足使用需要，直接结果是要增加柱子。其次，钢梁打断了楼板的连续性，对抗震不利，也妨碍地面设备走线。钢梁腹板开孔的大小需经结构确认(洞口直径大于1/3梁高，需做局部加固)，对楼板埋设管线的数量和管径会有限制。
　　4.3利用框架梁柱设置管线夹墙
　　这是一种逆向思维的设计方式。采用加厚墙体，做双层夹墙的方法来隐藏结构构件。这种方式对于外墙和分户墙较为合适，用于户内隔墙，则会降低住宅使用率，同时还增加造价。
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