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刘志伟 申 琛 张琨培
（华通设计顾问工程有限公司，北京 100034）
摘 要 在国家大力发展钢结构和装配式建筑的政策背景下，我国钢结构发展十分迅速，钢结构住宅作为一
种绿环保建筑，已被住建部列为重点推广项目。本文通过研究装配式钢结构住宅的概念、国内外装配式住宅的发展情况，结合近年来本公司在装配式住宅，特别是钢结构住宅项目的实际经验进行分析对比，阐述了钢结构在住宅建筑中的应用优势。尽管目前装配式钢结构住宅建筑仍面临问题与挑战，但随着科技的不断进步，新型材料将越来越广泛地应用于住宅建筑中，相关技术难题也会被逐个解决，钢结构住宅仍然是未来住宅建筑发展的理想形式。
关键词 钢结构；装配式住宅；绿环保；标准体系；全生命周期
Abstract:In the context of the country’s vigorous development of steel structures and prefabricated buildi
ngs, steel structures in my country have developed rapidly. As a green and environmental-friendly building, steel structure housing has been listed as a key promotion project by the MOHURD. This paper analyzes the concept of prefabricated steel structure housing, elaborates its development at home and abroad, combines the actual experience in prefabricated housing, especially related housing projects in recent years and compares its advantages in the application. Although the current prefabricated steel structure residential buildings still face problems and challenges, with the continuous advancement of technology, new materials will be more and more widely used in residential buildings, and related technical problems will be solved one by one. Therefore, steel structure residential buildings are still the ideal form for future residential building development.
Keywords:steel structure, prefabricated housing, environmental protection, standard system, full life cycle
钢框架-剪力墙结构体系、钢框架-核心筒结构体系、钢框架-支撑结构体系、交错桁架结构体系、轻钢龙骨结构住宅体系。
典型的欧美装配式钢结构住宅最常采用的是轻钢龙骨体系，该体系由冷弯薄壁型钢及其组合件，通过螺栓及扣件进行连接，一般适用于3层以下的独立或联排住宅建筑，各个配件由工厂生产，精度高、速度快、质量好。
日本的装配式钢结构住宅多为轻钢结构或木结构的独栋别墅，城市高层住宅以钢结构和预制混凝土框架为主。日本住宅还发展形成了SI 内装工业化体系，使结构主体和内装设备完全分离，完善住宅内装部品的产业化发展，确立了住宅的发展方向是通过内装部品的可更换，实现住宅的长寿命化。
不管是哪种形式的装配式主体结构，其共同的发展经验是标准化、通用化构件体系的建立，例如法国的“建筑通用体系”，德国的“不同类型装配式建筑技术体系”，优先在政策机制、装配方式、标准建立、信息化应用等方面做出探索，这些都对
一、装配式钢结构住宅建筑的概念
装配式钢结构住宅是指建筑结构系统由钢（构件）构成的，且钢（构件）在工厂中生产，施工现场通过组装连接而成的建筑形式。装配式钢结构住宅建筑是钢结构构件为主体承重骨架，多种新型轻质、保温、隔热等建筑复合墙体材料为围护结构，与功能相配套的水、暖、电、厨、卫、智能网络、通信设备等内装系统和谐统一，最终形成安全、健康、适用、节能的住宅产品。符合住宅建筑发展的需求，已经在国内外住宅建筑领域得到认可和应用。
二、国内外装配式住宅发展概况
1.国外装配式住宅建造体系发展情况
装配式住宅体系源于欧美，经过近几十年的发展已经形成一整套十分成熟的技术，目前欧美、日本等发达国家住宅建筑工业化处于领先水平。国外钢结构住宅主体结构体系分为：钢框架结构体系、
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我国装配式住宅建筑的发展具有重要的借鉴意义。
2.我国装配式住宅建造体系发展情况
自上世纪80年代起，现浇混凝土剪力墙结构一直作为我国城市建筑的主要结构形式。但是进入21世纪，随着房地产市场壮大，建筑业技术人员供不应求、人工成本逐渐增大，我国住宅产业化发展也随之加快了进程。2006年住房和城乡建设部正式下发《国家住宅产业化基地试行办法》。
目前，我国装配式住宅以预制混凝土剪力墙结构为主，利用PC 预制技术，采用竖向和水平两种结构连接方式，在设计阶段将各种构件拆分成标准部件，通过工厂预制加工生产、现场吊装装配、构件之间的节点现场浇筑，形成完整的主体结构。这种体系机械化、标准化程度都较高，大大提高了住宅产品的质量和建造效率，同时节约资源，推动绿可持续建筑的发展。
以国家产业政策为导向，以政策房为工业化住宅的突破口，华通国际近年来也在装配式住宅领域深耕，设计完成了多个高品质装配式住宅项目。以丰台区的万科云庐为例，实施装配式建造面积共
计177846.26㎡，采用低多层装配式墙板结构体系，针对低多层结构特点，创新采用了预制墙板顶部出筋为单排大间距插筋，从而有利于预制墙板安装时的误差调整和钢筋对位；同时，保证安全性的前提下，墙体厚度由通常的200 mm 优化成180mm ，节约10%的预制混凝土墙体体积，控制了增量成本。项目整体预制率达到40%，装配率达到50%，实现高品质工业化建造目标。
我国现阶段装配式钢结构住宅体系的主要发展
方向可分为低层轻钢装配式住宅和多、高层装配式钢结构住宅两类，主体结构体系主要有轻钢龙骨（冷弯薄壁型钢）体系、框架体系、框架—支撑体系、桁架体系、钢框架—混凝土核心筒（剪力墙）体系等。目前随着钢结构技术体系不断完善，建设规模不断加大，全国各地已相继建成一批钢结构住宅试点工程，如上海现代集团在新疆库尔勒建造的8层钢结构住宅，北京埃姆斯特开发的冷弯超薄型钢住宅体系，以及华通国际参与设计的上海市北高新技术服务业园区项目，力争打造钢结构租赁住宅的典范。钢构房屋造价
从世界范围来看，在装配式住宅领域，发达国家
装配式钢结构住宅已占市场65%以上，而我国钢结构住宅仍不足5%。可喜的是，目前钢结构住宅已经成为国家重点推广项目，受到了社会各界的广泛关注。
三、钢结构在住宅建筑中的应用优势
由于钢结构的材料特性，其连接方式不论是采用焊接还是螺栓连接，都可认为其结构本身是装配式的，所以称其为天然的装配式结构。当然除了结构主体本身的优势，与其配套的外围护结构、设备管线系统和内装系统也更容易达到高标准化、高效率、易安装、易维修的要求，从而形成一个完整的建筑体系，充分发挥装配式建筑的功能和优势。
1.材料及抗震优势
钢结构本身有着自重轻、承载力高、抗震性能优越的特点。装配式钢结构住宅的主要承重构件大多采用薄壁钢管和轻型热轧型钢，截面受力更加合理，单位质量较轻。同时，墙体和楼面均采用轻质材料，在相同荷载作用下，可减轻建筑结构自重30％，质量是钢筋混凝土住宅的1 /2左右。这使得装配式钢结构住宅在地震中承受的地震作用较小，能充分发挥钢材强度高、延性好、塑性变形能力强
的特点，提高了住宅的安全可靠性。
图1
住博会上的钢结构住宅模型
图2 万科·云庐项目（北京）
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图3 国门商务区科研配套集体职工宿舍项目
2.户型设计优势
随着住宅“全生命周期”概念的引进，每个家庭甚至每个人在不同时期都对住宅有不同的需求。对于住宅空间的可变性、功能的转化性有了前所未有的期待。
钢结构住宅，开间尺寸较大，维护墙体多为非承重墙，平面空间布置自由，相较于传统住宅，其住宅空间布置灵活、集成化程度高，用户可根据需求进行个性化布置而不受结构的影响。
在国门商务区科研配套集体职工宿舍项目中，华通国际在设计中采用了钢框架—混凝土核心筒结构体系。作为服务于国门商务区的集体宿舍，其使用者关注的不再仅仅是居住空间，对社区景观、配套设施等也有了更高的要求。当公共服务需要的大而可变的空间与小且灵活分隔的居住空间同时存在一栋建筑中时，
相较于传统结构体系及传统材料会限制空间布置，开间过大会造成板厚、梁高、柱大的情况，不但影响美观，而且自重增大、增加造价。而利用钢材强度高的特点，设计可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便，创造开放式住宅形式。
3.外围护设计优势
装配式钢结构的框架结构形式决定了钢结构住宅的所有围护墙体几乎都是非承重墙体，大大丰富了住宅建筑外墙形式和材料的多样性。
目前传统混凝土剪力墙住宅立面采用涂料、面砖等较为主流，材料易污染、易开裂、寿命较短，整体形式上较为单一。钢结构住宅可以打破传统的立面装饰形式，公共建筑立面的表现手法，积极采用各类玻璃、金属、石材幕墙，增强住宅表现力。外围护的多选择提升设计人员的创造力，大大丰富城市住宅立面，提高环保节能效率，提升城市居住活力。
4.内装工业化优势
装配式钢结构的框架结构形式决定建筑内墙是非承重轻质墙体，各种新型轻质内墙不仅有着更丰富的饰面、更环保的品质、更高效的施工速度，更重要的是经过合理的设计后，可将室内水电管线、各种设备管线融合于墙体和吊顶中，便于安装、检修，实现SI 内装工业发展、智能化综合布线系统，保证空间完整性，大大提高住宅功能品质。
5.标准化优势
装配式钢结构住宅以钢结构作为骨架，与多种复合材料装配而成，在这种建筑当中使用的材料，理论上都能够进行标准化、批量化以及系列化的生产。易于建立标准化体系，优化控制构件种类，提高生产效率，实现构件技术集成化、住宅建设的工业化和产业化，提升住宅的科技含量和使用功能。
6.绿节能优势
装配式钢结构住宅建筑有着绿、环保、节能与
可持续发展的优点。与传统混凝土结构不同，装配式
图4 涂料饰面
图5 玻璃幕墙图6 金属幕墙
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钢结构住宅在生产、建造过程中不会产生大量的废料污染环境，取而代之的是工厂加工、现场装配，在降低能耗的同时，减少了现场工作量与施工噪声。
此外，装配式钢结构住宅改建和拆迁较为容易，材料的回收和再生利用率高，可轻松实现建筑异地再生，是真正意义上的绿建筑，符合国家对住宅绿可持续发展的要求。
四、装配式钢结构住宅建筑面临的问题与挑战
我国对装配式钢结构住宅体系的研究起步较晚，实际建造项目较少。近年来，随着大众对钢材优势的逐渐了解、国家钢产量的迅速提高，钢结构住宅已经开始被越来越多人认可，蓬勃发展，但目前仍处于刚刚开始的阶段，面临诸多问题与挑战。
1.缺少标准模数体制和住宅规范体系
钢结构住宅建筑设计应以集成化住宅建筑为目标，应按模数协调的原则实现构配件标准化，目前我国在钢结构住宅领域，配套体系的研究还远远不够，各类钢结构住宅的设计和构件加工由于缺少型材构件标准，导致构件尺寸不统一，现场焊接工作量大。同时，建筑部品标准化和通用化程度低、预制部件的集成化程度低，不利于装配式钢结构住宅建筑的发展，还没有形成完整的装配式钢结构体系。
2.需要建立钢结构住宅户型设计思维
在户型设计阶段，要注重钢结构特性对户型设计的影响，将混凝土结构的户型生硬地改成钢结构，会导致用钢量增加，使用功能降低等多方面问题。钢结构住宅要注重柱网、开间、进深与功能的结合，
在标准化功能模块的基础上，进行设计与组合，完成标准化套型、标准化单元、标准化楼栋的设计。同时，尽量注意美观，特别是外露结构，需要满足一定建筑美学要求。
3.防火、防腐蚀问题不容忽视
钢材料本身耐热不耐火、耐腐蚀性较差。当温度在150℃以下时，钢材性质变化较小，但当结构表面受150℃左右的热辐射时，就需要采用隔热板加以保护，当结构表面温度在300℃—400℃时，钢
材的强度和弹性模量均显著下降，当结构表面温度在600℃时，钢材的强度趋于零。很多国内外钢结构建筑物的火灾案例都证明，发生火灾后20分钟左右，钢结构就会因为高温失效而倒塌。所以相较
于传统混凝土住宅，钢结构住宅的防火问题需格外引起我们的关注。
此外，钢结构在潮湿和腐蚀性介质的环境中容易锈蚀，所以，钢结构构件还需要做镀锌等防腐蚀措施，且在使用过程中也需要定期维护。
4.外围护系统不够成熟
目前，钢结构建筑常见的外围护做法有混凝土外墙、各种幕墙、多种复合功能墙体。随着钢结构在住宅建筑中的应用，由于经济性及传统观念等原因幕墙体系难得开发商及业主的满意。近年来，一些新型预制多功能复合墙体迅速发展，例如保温复合墙体，已经有了大量尝试应用，但新技术尚不完备，在与装配式钢结构住宅配套的连接节点和构件匹配上还不完善，在已建项目中出现漏水、噪音等诸多问题。
5.与传统住宅相比成本造价缺乏优势
由于钢结构构件标准化程度低，再加上施工安
装、防腐防火，目前，钢结构住宅相较于传统混凝
图7
图8
管线分离
图9 钢结构生产厂家（天津）
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土住宅在建造成本上不具有优势。以7度区常见30层左右高层为例，只有梁柱用钢结构，楼板现浇，比现浇混凝土每平方米成本贵100元左右，如果楼板用钢筋桁架楼承板，比现浇贵200-400元左右，钢结构主体结构的材料成本价格约为每平方米500元左右。
6.使用维护困难
房屋的全生命周期定义了住宅建筑在整个生命周期内的消耗，其中除了住宅建设外，使用中维护问题也很重要。钢结构安装完成后定期的维护与保养不可或缺而且是一项很大的成本。无论是日常检查还是发现问题后的处理，对于住宅建筑都更加困难，对后期物业维护提出了巨大挑战。
五、钢结构住宅适应未来住宅发展趋势
1.我国政策导向
2019年12月23日在北京召开的全国住房和城乡建设工作会议部署了2020年工作重点任务，其中把推广装配式钢结构住宅列为2020年的重点任务之一，提出总结推广钢结构装配式等新型农房建
设试点经验，促进建筑产业转型升级。其实早在2019年3月，住房和城乡建设部建筑市场监督管理司就要求开展钢结构装配式住宅试点，这也是首次提出“钢结构+住宅”。
住房和城乡建设部还发布了关于装配式钢结构住宅的行业标准——《装配式钢结构住宅建筑技术标准》，为行业有序发展提供了保证。
多个政策导向表明，装配式钢结构住宅建筑代
表了当今世界先进住宅房屋的主流趋势，是我国未来住宅建筑发展的必然趋势。
2.居家品质的更高要求
今天的社会发展、科技进步给我们带来了更好的生活条件，相应地人们对于居所的品质要求也更高、更多样，加上互联网急速发展带来未来居家网络办公的可能性，对居家品质的要求也将是未来居住建筑发展的重要趋势。
六、结语
综上所述，装配式钢结构住宅易于实现工业化、标准化，与之匹配的部品材料易于达到舒适安全绿可持续的标准，符合我国住宅市场发展要求，是未来住宅建筑发展的理想形式，必将大大促进住宅工业化的快速发展。但是，我国在钢结构建筑领域起步较晚，体系相对不完整，技术条件尚且不足，还需要整个行业不断学习摸索提高技术与管理水平、国家政策大力支撑扶持、相关从业者不断努力，以保证装配式钢结构住宅建筑能发挥其优势，达到多样化、绿健康的高品质住宅建筑要求。
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图11
成寿寺B
地块回迁安置房项目
图10
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