蘆 巖, 付曉東, 龔 潔

(中國建筑科學(xué)研究院西南分院，四川成都 610041)

淺析黔東南州綠色新型城鎮(zhèn)化建筑低層住宅結(jié)構(gòu)體系及目前應(yīng)用和前景

蘆 巖, 付曉東, 龔 潔

(中國建筑科學(xué)研究院西南分院，四川成都 610041)

黔東南州房屋大多為木質(zhì)房屋，相當陳舊腐朽，依山而建，連成一片，一旦發(fā)生火災(zāi)，就會造成火燒連營的慘狀。這種火災(zāi)每年都會發(fā)生數(shù)起，為當?shù)鼐用窈驼畮砹藷o法挽回的損失。所以，急需探索出一種新型結(jié)構(gòu)體系來代替，研究認為，低層住宅超輕鋼結(jié)構(gòu)體系(包含輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)房屋體系及低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋體系)能滿足要求，文章對這種新型體系進行了介紹，及在黔東南州推廣應(yīng)用進行研究。

綠色； 防火； 新型城鎮(zhèn)化； 低層住宅超輕鋼結(jié)構(gòu)

黔東南苗族侗族自治州位于貴州省東南部，下轄17個縣市(區(qū))，首府凱里。黔東南州包含大量少數(shù)民族，分布范圍廣，且主要從事種田為主的農(nóng)業(yè)人口，目前該地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)形式按使用范圍及應(yīng)用程度由高到低依次為：木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-抗震墻結(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)。其中框架及抗震墻結(jié)構(gòu)集中分布在縣市城區(qū)及新建較高房屋，而3層以下低層住宅多為木結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，并且現(xiàn)有的木結(jié)構(gòu)房屋已相當陳舊腐朽，所有房屋連成一片，布滿整個山寨，此種布置對抗震及防火極其不利，火災(zāi)頻發(fā)，一旦著火，就會造成火燒連營的慘狀，給當?shù)鼐用裨斐刹豢赏旎氐木窦敖?jīng)濟損失。

為推動黔東南州綠色新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，從智能、綠色、低碳環(huán)保、抗震減災(zāi)及房屋建造周期等因素考慮，必須探索出適合當?shù)匕l(fā)展且符合當?shù)鬲氂刑厣牡蛯幼≌Y(jié)構(gòu)形式，并能夠在當?shù)赝茝V應(yīng)用。

1 幾種新型結(jié)構(gòu)體系特點及其在黔東南州新型城鎮(zhèn)建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，黔東南州在綠色新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的推動中，對3層以下低層住宅的結(jié)構(gòu)體系在原有木結(jié)構(gòu)房屋的基礎(chǔ)上引

進了幾種新型結(jié)構(gòu)體系。

1.1 裝配式木結(jié)構(gòu)體系

裝配式木結(jié)構(gòu)建筑，是預(yù)先在專業(yè)的工廠生產(chǎn)出部分或全部木質(zhì)構(gòu)配件，外墻體與樓板由預(yù)制板材構(gòu)成，然后將其全部運到施工現(xiàn)場予以組裝的一種低碳環(huán)保、利于住宅產(chǎn)業(yè)化的新型木結(jié)構(gòu)建筑。

1.1.1 裝配式木結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)特點

裝配式木結(jié)構(gòu)由木骨架墻面板、木樓蓋、木屋蓋共同受力形成盒子型結(jié)構(gòu)體系，適用于三層及以下民用建筑[1]，具有良好的結(jié)構(gòu)整體性。裝配式木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，上部木結(jié)構(gòu)通過預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的連接構(gòu)件將上下部分連為一體。正因如此，使得裝配式木結(jié)構(gòu)具有以下特點。

1.1.1.1 建造周期短

由于裝配式木結(jié)構(gòu)的建筑構(gòu)配件由輕便的木質(zhì)規(guī)格材組裝而成(圖1)，而且大多構(gòu)配件都在工廠提前預(yù)制，這樣大大縮短施工過程，只有3～4個月(含裝修)，是傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1/2或1/4，節(jié)省人工成本，提高了生產(chǎn)效率。這種裝配化施工除了有利于提高建造進度，減少了濕作業(yè)工序，同時每道工序如同設(shè)備安裝那樣方便有序，更確保了工程質(zhì)量。

圖1 裝配式木結(jié)構(gòu)房屋建造過程

1.1.1.2 抗震性能高

結(jié)構(gòu)的抗震阻尼小時，建筑物的地震反應(yīng)就強烈。阻尼的大小主要取決于建筑物的用料、連接的形式(在連接表面產(chǎn)生滑移或摩擦)、連接變形(黏滯阻尼)以及其他的一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。能量耗散與阻尼有關(guān)，地震時大量地震能量作用在結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)能夠吸收及耗散地震輸入能量的大小反映了結(jié)構(gòu)的抗震性能。在木結(jié)構(gòu)建筑中，其延性及能量耗散是通過五金件連接以及不同構(gòu)件之間的摩擦來實現(xiàn)的。裝配式木結(jié)構(gòu)本身材料有較強韌性，對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力，在所有結(jié)構(gòu)中具較佳的抗震性。

1.1.1.3 空間設(shè)計靈活多樣

對于裝配式木結(jié)構(gòu)，不僅房屋設(shè)計可以隨心所欲，若在施工過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或者設(shè)計有變動時，可即時改造，這些都是混凝土住宅所難以企及的。

1.1.1.4 綠色環(huán)保

裝配式木結(jié)構(gòu)住宅大量采用安全無毒害、防水、防潮、防白蟻處理過的現(xiàn)代木質(zhì)規(guī)格材，自重輕，荷載分布合理，以及外墻設(shè)有隔熱、保溫材料，具有吸聲功能、降低外界噪聲干擾的同時，還能提高墻體和門窗的密封功能，節(jié)能效果明顯，在各種結(jié)構(gòu)體原材料的采掘、生產(chǎn)、運輸，建筑過程中，木結(jié)構(gòu)對水、空氣、土壤、人的污染和破壞最小。

1.1.2 裝配式木結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用現(xiàn)狀

綜上所述，裝配式木結(jié)構(gòu)體系不失為一種理想的低層住宅結(jié)構(gòu)體系，正因如此，黔東南州地區(qū)對該結(jié)構(gòu)形式進行了幾處試點，研究發(fā)現(xiàn)，效果并不理想，原因有以下幾個方面。

首先，黔東南州地區(qū)氣候差異明顯，雨量充沛，濕度較大，裝配式木結(jié)構(gòu)體系房屋在當?shù)貧夂蚣竟?jié)變化后，較易開裂，從試點的幾處來看，經(jīng)歷了2個春秋季節(jié)的變化，房屋外墻多處開裂，這與當?shù)氐膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候有關(guān)。此外木材受拉和受剪皆是脆性破壞，其強度受木節(jié)、斜紋及裂縫等天然缺陷的影響很大，而裝配式木結(jié)構(gòu)體系房屋的連接形式又多以釘連接，釘與木結(jié)構(gòu)連接處經(jīng)過春夏這種冷熱交替的季節(jié)變化之后，木質(zhì)材料自身的應(yīng)力得不到釋放，因此造成連接處外墻大面積裂縫，影響了房屋結(jié)構(gòu)體系的安全和使用要求。

其次，木結(jié)構(gòu)的防火防腐防蟲問題難以解決，特別是防火問題一直以來困擾著當?shù)鼐用瘢磕臧l(fā)生火災(zāi)少則幾起，多則幾十起，令人觸目驚心。雖然裝配式木結(jié)構(gòu)體系房屋本身所使用的木材都經(jīng)過防火防腐防蟲處理，但要達到規(guī)范規(guī)定的合格要求，經(jīng)處理后的木材價格大幅提升，和當?shù)氐淖越ǚ績r格出入較大，居民難以接受。再者，這些少數(shù)民族羌寨大多連成一片，火勢蔓延，就會火燒連營，后果不堪設(shè)想。

因此，在該地區(qū)使用裝配式木結(jié)構(gòu)房屋仍需在降低成本，改進聯(lián)接形式及木材的防腐、防火等方面做進一步的研究。

1.2 輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)體系

輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)源于傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)房屋，是以壁厚1.0～2.5 mm的輕鋼和輕混凝土(泡沫混凝土和聚苯顆?；炷?為主要材料為主的結(jié)構(gòu)體系。中國建筑技術(shù)集團有限公司正在編制《輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，總體來講，該種結(jié)構(gòu)體系在我國尚處于起步及發(fā)展階段。

1.2.1 輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)特點

《輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(征求意見稿)》中這樣規(guī)定：輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)是以薄壁輕鋼和輕混凝土為主要材料，以快速搭建的輕鋼構(gòu)架為基礎(chǔ)，集成墻體模板裝飾一體化技術(shù)、免拆模板混凝土樓蓋技術(shù)，充分發(fā)揮輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點，將工廠制品裝配施工與輕質(zhì)混凝土現(xiàn)澆整體相結(jié)合的一種新型結(jié)構(gòu)體系。

本規(guī)程所指的“輕鋼”指鍍鋅或鍍鋁鋅薄壁矩形鋼管和B形鋼管，“輕混凝土”指泡沫混凝土和聚苯顆?；炷?。

輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)具有以下特點：

(1)輕鋼與鋼筋相比，具有較高的剛度，自穩(wěn)性能好，可連續(xù)安裝多層，并能夠獨立承擔施工荷載。

(2)輕混凝土現(xiàn)場澆筑，提高結(jié)構(gòu)整體性，同時形成實心墻體，具有良好的保溫隔熱、隔音和防火性能，提高房屋品質(zhì)。

(3)輕鋼輕混凝土剪力墻的受力性能和破壞模式與鋼筋混凝土墻體類似，比輕鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材。

(4)輕混凝土材料具有良好的熱工性能，墻體保溫隔熱性優(yōu)于普通混凝土和砌體墻體，在某些氣候區(qū)可以實現(xiàn)墻體結(jié)構(gòu)自保溫。

1.2.2 輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)體系

輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)體系為一種新興起的結(jié)構(gòu)體系，在黔東南州新型城鎮(zhèn)建設(shè)中進行了幾處試點，通過幾處試點來看，效果顯著，居民普遍認可度較高。這種結(jié)構(gòu)體系自重輕，整個建筑物的自重非常輕，因此地基及基礎(chǔ)的處理就簡單，一般的基礎(chǔ)是采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)(只需構(gòu)造配筋即可)，光在這一項就可以節(jié)省不少造價。

1.3 低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是由木結(jié)構(gòu)演變而來的一種輕型鋼結(jié)構(gòu)體系[2]，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)一般適用于二層或局部三層以下的獨立或聯(lián)排住宅。

圖2 低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造1—鋼帶斜拉條；2—二層墻體立柱；3—頂導(dǎo)梁；4—墻結(jié)構(gòu)面板；5—底導(dǎo)梁；6—過梁；7—洞口柱；8—鋼帶水平拉條；9—剛性撐桿；10—角柱

1.3.1 低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)特點

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)特點和輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)體系具有很多相似之處，總的來講，具有以下特點：

(1)結(jié)構(gòu)自重輕，基礎(chǔ)負載小，在地質(zhì)條件較差的地區(qū)可以大大減少基礎(chǔ)造價；

(2)施工周期短，大大縮短投資資金的占用周期，提高資金的投資效益；

(3)工業(yè)化程度高，作業(yè)和現(xiàn)場干凈，廢料少，其材料可再生利用，符合綠色環(huán)保建筑的要求；

(4)可以更好地滿足建筑大開間，靈活分隔的要求。墻體薄，有效使用面積大，管線穿越方便并封在墻體內(nèi)部，避免穿墻打洞對結(jié)構(gòu)的破壞；

(5)墻體采用高效節(jié)能體系，在保溫、隔熱性能方面比傳統(tǒng)砌體要優(yōu)越得多，屬于新型節(jié)能建筑；

(6)輕鋼墻體由于其龍骨完全封閉在隔水層與石膏板之間，不銹蝕，不腐蝕，不生霉菌，防潮性能好[3]。

1.3.2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用現(xiàn)狀

通過同濟大學(xué)在黔東南州進行的試點研究看來，這種結(jié)構(gòu)體系有很多好處，再加上低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系成本控制較低，在這些少數(shù)民族聚集的山寨，人均收入都普遍偏低的情況下，再加上政府的扶持和補貼，居民能夠接受，可以大范圍的推廣應(yīng)用。

針對黔東南州這種特有的少數(shù)名族聚集地，所有一個山寨的房屋都是連成一片的情況下，防火效果更為理想，它比木質(zhì)材料高很多，在當?shù)卣{(diào)查發(fā)現(xiàn)，老百姓都極力支持。

在這種少數(shù)民族風(fēng)情保護要求極高的情況下，尤其是不對環(huán)境造成破壞，對這些非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護也非常有利。

它能融入黔東南州當?shù)氐慕ㄖ幕?，對外觀進行簡單改造處理，能和當?shù)亟ㄖ跒橐惑w，協(xié)調(diào)一致，對原有風(fēng)貌幾乎無改變，符合國家及當?shù)卣目傮w戰(zhàn)略部署。

2 低層住宅輕鋼結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)

我國是一個地震多發(fā)國家，考慮到冷彎薄壁型鋼板材高強度、低延性的特點，在黔東南州進一步推廣應(yīng)用時整體結(jié)構(gòu)的抗震性能是個關(guān)鍵性問題[4]。目前國內(nèi)外對冷彎薄壁型鋼龍式結(jié)構(gòu)體系抗震性能方面的研究還相對較少，主要采取試驗研究和理論分析相結(jié)合的方式?！兜蛯永鋸澅”谛弯摻ㄖY(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》基于國內(nèi)完成的足尺模型結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究，提出了水平荷載效應(yīng)的分析方法。水平地震作用效應(yīng)的計算采用底部剪力法，參考“盒子”式結(jié)構(gòu)的分析，在建筑結(jié)構(gòu)的2 個主方向分別計算水平荷載的作用。一個主方向的水平荷載應(yīng)由該方向抗剪墻體承擔，可根據(jù)其抗剪剛度大小按比例分配，并應(yīng)考慮門窗洞口對墻體抗剪剛度的削弱作用。地震作用下抗剪組合墻體的水平側(cè)向剛度由試驗荷載-轉(zhuǎn)角滯回曲線的骨架曲線確定，多遇地震作用下抗剪組合墻體的水平側(cè)向彈性變形限值取為1/300 層高。結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性有很大關(guān)系，住宅鋼結(jié)構(gòu)常見的布置不規(guī)則，主要是平面不規(guī)則，如平面L 形等。結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，地震時易損壞，因此，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)布置符合規(guī)則性的要求。

低層住宅輕鋼結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點連接也相對復(fù)雜，目前傳統(tǒng)的連接型式是螺栓連接、焊接連接、螺釘連接和冷鉚釘連接?，F(xiàn)在新興起了插座式連接及螺桿對拉式連接方式(圖3)，這些連接方式在抗震情況下的研究還不足，在黔東南州的試點來看，節(jié)點構(gòu)造相對復(fù)雜、節(jié)點抗震連接也是制約這種結(jié)構(gòu)體系不能大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。所以，這方面還需要做大量深入的研究。

(a)插座式連接 (b)螺桿對拉式連接圖3 插座式連接及螺桿對拉式連接

3 低層住宅超輕鋼結(jié)構(gòu)體系的可行性分析及建議

黔東南州州政府積極響應(yīng)國家號召，積極努力的探索自己的新型城鎮(zhèn)化道路，特別是對于這樣一個少數(shù)民族眾多的州，如何協(xié)調(diào)發(fā)展，提高少數(shù)民族的生活水平，改善少數(shù)民族的居住環(huán)境刻不容緩。在這里，首先要改變的就是這些少數(shù)民族山寨的居住環(huán)境，如現(xiàn)在的火災(zāi)頻率是人心惶惶，成了老百姓心中最大的痛苦。只有改變了居住環(huán)境，才能讓老百姓睡的踏實，住的放心。因此，必須改變現(xiàn)有的居住條件，從源頭做起。

根據(jù)在黔東南州實地調(diào)研，低層住宅超輕鋼結(jié)構(gòu)體系具有很強的可行性和適應(yīng)性。特別是在這些少數(shù)名族聚集比較集中的地區(qū)，這種房屋結(jié)構(gòu)體系剛好填補了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)房屋相對落后的空白，也很適合當?shù)氐陌l(fā)展，對整體的非物質(zhì)文化保護也起到合理的促進作用。

從另一方面來講，在實地問卷調(diào)查中，當?shù)孛癖娖毡槌种С值膽B(tài)度，他們最關(guān)心的幾個問題都能得到很好的合理的解決，如修建成本問題、使用的便利性和原有建筑外表的一致性等。

通過我們和黔東南州當?shù)卣墓餐芯刻剿?，再有當?shù)氐拿癖姷钠毡檎J可，再有政府的政策大力扶持，我們有理由相信，這種綠色新型城鎮(zhèn)化建筑低層住宅結(jié)構(gòu)體系在這里能得到很好的發(fā)展。這也是目前為止探索出的最好的、唯一可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系。

我們希望能和黔東南州政府繼續(xù)保持合作研究，先選擇 有代表性的試驗點進行試驗，找出這其中還存在的問題，繼續(xù)優(yōu)化，為大規(guī)模的投入使用做鋪墊；對現(xiàn)實中存在的關(guān)鍵技術(shù)進行專項研究，對詳細節(jié)點進行攻克；等試點結(jié)束以后，進行大范圍的投入使用建設(shè)。

4 結(jié)束語

超輕鋼結(jié)構(gòu)體系(包含輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)房屋及低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋)在黔東南州均具有獨特的優(yōu)點和良好的綜合效益。如材料性能好、結(jié)構(gòu)質(zhì)量有保證、輕質(zhì)高強、抗震性能好，有利于環(huán)保，其回收率可達100%；不可燃、不助燃、防火性能好、不開裂、不生霉菌、不蠕變、少維護；工業(yè)化程度高、施工快、有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其推廣應(yīng)用可節(jié)約土地資源，保護自然環(huán)境，符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設(shè)節(jié)約型社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為了促進這種新型結(jié)構(gòu)體系在黔東南州的推廣應(yīng)用，現(xiàn)在提出以下幾點建議：

(1)在各個村莊、山寨建立樣本房，加強政策宣傳，重視市場推廣，讓當?shù)鼐用裼H自感受到這種新型結(jié)構(gòu)體系的住宅比傳統(tǒng)住宅的優(yōu)勢之所在，從根本上改變?nèi)藗儗Τp鋼結(jié)構(gòu)住宅的傳統(tǒng)印象，使超輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點深入人心。

(2)引進國外應(yīng)用成熟，并經(jīng)過研究能適應(yīng)黔東南州特色的超輕鋼結(jié)構(gòu)體系和生產(chǎn)流水線，生產(chǎn)出質(zhì)量輕、截面特性好的構(gòu)件，在黔東南州大規(guī)模推廣。

(3)我們各科研單位、企業(yè)和高校要積極開展冷彎薄壁型鋼住宅各部分構(gòu)件的理論和試驗研究，對國外的超輕鋼結(jié)構(gòu)體系技術(shù)進行吸收、改進和發(fā)展，提高我們的這方面專業(yè)技術(shù)，為以后作為設(shè)計此種類型房屋的依據(jù)。

[1] GB 50005-2003(2005版)木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ 227-2011低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程(備案號J 1162-2011)[S].

[3] 徐磊.加拿大輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系[R].加拿大信貸及房屋集團研究報告，2003.

[4] 龐迎波.新型冷彎薄壁型鋼住宅結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].新型建筑材料，2009，36(10).

付曉東(1984～),男，本科，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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[定稿日期]2015-03-03