文/中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院 趙 鈿 白 宇 劉兆龍 王振海 劉冬賀 單孟碩

趙 鈿，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院院長，教授級高級建筑師

白 宇，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院建筑師

劉兆龍，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院設計師

王振海，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院助理建筑師

劉冬賀，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院建筑師

單孟碩，中國建筑設計院有限公司裝配式建筑工程研究院工程師

鋼框架結構是一種技術成熟、性能優(yōu)良的結構形式，具有跨度大、內(nèi)部空間靈活的優(yōu)勢，在公共建筑中應用十分廣泛；但在住宅建筑中的應用，無論是項目數(shù)量，還是規(guī)模上都與鋼筋混凝土結構相去甚遠。造成鋼框架結構住宅推廣難的原因多種多樣，其中住宅套型布局與鋼框架結構的受力原理不協(xié)調(diào)，是制約鋼框架結構在住宅上成功應用的首要原因。

1 套型設計與結構體系的矛盾

住宅套型設計與采用的結構形式密切相關。20世紀90年代以前，我國住宅大多采用多層砌體結構，由于砌體結構是承重墻體系，對住宅平面中承重墻的布置有比較嚴格的要求，如墻體在平面、剖面上要連續(xù)并對正，門窗洞口宜對齊，8度區(qū)住宅的橫墻間距應控制在4.2m以內(nèi)等。因此磚混住宅的平面比較規(guī)則方正，空間靈活性較差（見圖1）。由于該類結構大量應用燒結黏土磚，嚴重破壞土地資源，從“十二五”起黏土制品使用受到嚴格限制，磚混結構逐漸被現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構取代。

20世紀90年代以后，現(xiàn)澆鋼筋混凝土技術日趨成熟，成本逐步降低，現(xiàn)澆剪力墻結構在中高層住宅大量應用。隨著住宅發(fā)展，對自然通風和采光的要求越來越高，市場上出現(xiàn)許多外墻輪廓凸凹變化很大的套型，由于剪力墻結構能承受較大的水平荷載，對建筑平面布置適應性好，能夠支持套型平面變化的需求，成為住宅的主流結構形式，一直延續(xù)至今。但套型外墻過多的凸凹變化也對結構的合理性和經(jīng)濟性提出很大挑戰(zhàn)。由于剪力墻結構也是墻體承重結構，因此開間不宜過大，橫墻間距在8度區(qū)通常為6m，建筑室內(nèi)空間靈活性也受到一定限制（見圖2）。

近年來，框架式鋼結構住宅項目逐漸增多。許多項目直接將鋼筋混凝土剪力墻結構形式住宅套型改為鋼框架結構，這就產(chǎn)生了結構形式與住宅套型的匹配問題。以昆山某鋼結構住宅樓項目為例，從圖3可看出，結構柱網(wǎng)不規(guī)則、柱跨很小、梁多、內(nèi)部抗側向力的斜撐也比較多；另一個例子是北京通州臺湖公租房項目，2棟80m高混凝土剪力墻結構公租房住宅改為鋼結構（見圖4），在按原套型平面布局進行結構設計時也出現(xiàn)類似問題?？傊摽蚣芙Y構體系與現(xiàn)有住宅套型的矛盾主要表現(xiàn)在以下2點。

圖1 砌體結構典型套型

圖2 某高層鋼筋混凝土剪力墻結構套型平面

圖3 昆山某鋼結構住宅樓結構布置軸測圖及三維整體模型

圖4 通州臺湖公租房原套型平面柱網(wǎng)布置與套型結構模型

1.1 住宅套型平面外墻凸凹過多

由于采光、通風和造型需要，許多住宅套型平面會出現(xiàn)許多凸凹，剪力墻結構對這種凸凹變化有較大的容忍度。但這種凸凹在鋼框架結構會導致結構布置出現(xiàn)較多單跨及小柱跨，既增加柱的數(shù)量，也使鋼梁跨度受到極大限制，不能有效發(fā)揮鋼結構大跨度的優(yōu)勢。與鋼筋混凝土剪力墻結構相比，鋼框架結構抗側向力能力較弱，在凸凹部分易出現(xiàn)應力集中，會進一步削弱鋼框架結構抗側向能力，只有通過增加抗側向力的結構構件或增大梁柱尺寸，才能滿足結構強度要求。一方面，造成用鋼量增加，成本上升；另一方面，暴露在住宅室內(nèi)的梁柱構件對住宅的使用也有不利影響。

1.2 結構構件不對位

住宅外墻過多的凸凹變化使外圍柱網(wǎng)被打斷、套型平面內(nèi)房間尺寸不統(tǒng)一、隔墻不對位造成結構構件不對位，難以形成連續(xù)柱網(wǎng)和連續(xù)傳力路徑，嚴重影響框架結構剛度；同時，構件不對位也使結構設計變得復雜，造成構件類型、節(jié)點種類、材料成本和施工成本增加。

因此，無論砌體結構、混凝土剪力墻結構，還是鋼框架結構，任何結構體系對住宅平面設計都有所限制，套型設計均應遵循結構體系的力學原理。鋼筋混凝土剪力墻結構給予住宅套型設計以較大自由，但直接把這種脫胎于剪力墻結構的套型用于鋼框架結構住宅中，矛盾就暴露出來。究其原因，設計師以一種慣性思維進行套型設計，忽視了結構體系和住宅套型的相互制約關系。在鋼框架結構住宅設計中，應重新思考住宅套型設計邏輯，協(xié)調(diào)鋼結構體系力學要求與套型平面功能的關系，創(chuàng)造出符合鋼結構力學特點的新型住宅套型。

2 住宅套型設計應符合鋼框架結構受力原理

規(guī)則結構柱網(wǎng)下的結構傳力更直接、簡潔，梁柱能充分發(fā)揮作用；建筑平面布置規(guī)整能夠減少懸挑，降低水平力作用下的結構扭轉效應，使構件尺寸更加合理。因此，在鋼框架結構套型平面設計時，應減少外墻凸凹，并盡可能將結構構件對齊，形成連續(xù)柱網(wǎng)。北京成壽寺B5地塊公租房套型采用6.6m×6.6m的長方形規(guī)則柱網(wǎng)（見圖5），套型內(nèi)部無柱，套型平面很好地滿足了住宅功能需求。通州臺湖公租房鋼結構住宅在充分考慮鋼框架結構受力特征后，重新進行套型平面設計，與基于混凝土剪力墻結構的原套型方案相比，新的套型平面輪廓更加規(guī)則，柱網(wǎng)連續(xù)；用鋼量較原方案減少約40%，有效提高了結構的經(jīng)濟性與合理性（見圖6）。

圖5 成壽寺B5地塊公租房平面

圖6 通州臺湖公租房新套型平面柱網(wǎng)布置與套型結構模型

3 住宅套型設計應充分利用鋼框架結構優(yōu)勢

3.1 鋼框架結構為住宅使用功能的變化預留最大可能

從較長周期看，建筑的使用功能并非一成不變。我國的傳統(tǒng)住宅通過室內(nèi)陳設的改變實現(xiàn)功能改變。西方現(xiàn)代建筑中有“通用空間”概念，主張平面設計應減少對功能的限定。換言之，一種具有包容性和靈活性的建筑空間為提高建筑壽命創(chuàng)造了條件。

裝配式建筑由結構系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、設備與管線系統(tǒng)4個系統(tǒng)組成。其中結構系統(tǒng)的改動最困難，其壽命也是4個系統(tǒng)中最長的；隨著使用功能、維護更新的要求，其他3個系統(tǒng)也會不斷變化，壽命也要比結構系統(tǒng)短得多。因此，結構系統(tǒng)應盡可能少占用建筑內(nèi)部空間，為其他系統(tǒng)的更新和改變預留足夠可能。

與鋼筋混凝土結構相比，鋼框架結構具有構件截面小、結構自重輕、跨度大的優(yōu)勢，便于形成自由分割的空間。因此，在住宅套型平面設計中，應該充分利用鋼框架結構優(yōu)勢，創(chuàng)造能夠適應需求變化的“通用空間”，為住宅使用過程中的變化提供最大限度支持，也為住宅功能的轉化預留可能。

3.2 鋼框架結構支持套型多樣化劃分與組合

當前，我國城鎮(zhèn)化率已超過50%，大地塊大規(guī)模集中開發(fā)的項目會越來越少，小地塊精細化開發(fā)項目將越來越多。如何在小地塊甚至1棟樓內(nèi)提供不同種類的住宅套型，需要有合適的結構體系支持。與剪力墻結構相比，鋼框架結構能夠支持平面自由劃分和套型組合。例如，可根據(jù)需要在不同樓層設計不同的產(chǎn)品，如低區(qū)可做小套型；高區(qū)可做成大套型或平層住宅。隨著自持、租賃為主的住宅項目越來越多，也會出現(xiàn)后期運營中改變套型組合的情況，如將分戶隔墻打掉，將2戶或多戶合并成更大的居住空間；或?qū)⒋筇仔头指顬楦〉奶仔汀ｄ摽蚣芙Y構為套型改變、重新組合提供可能（見圖7）。

3.3 鋼框架結構住宅套型內(nèi)部空間的多樣化設計

在住宅使用過程中，家庭成員數(shù)量、生活方式的變化都會帶來住宅布局改變的需求。在高房價時代，通過更換住房實現(xiàn)這種改變的代價過于高昂，對大多數(shù)消費者而言無法接受，因此在住宅套型內(nèi)部空間提供可變性尤為重要。剪力墻結構的住宅套型受制于剪力墻限制，室內(nèi)空間的改變很難有大的作為。在鋼框架結構住宅中，內(nèi)部空間的改變比較容易實現(xiàn)（見圖8）。在1927年德國斯圖加特魏森霍夫住宅展上，密斯·凡·德羅設計的1～4號住宅，就以鋼框架結構實現(xiàn)了一種可變平面的設計。上世紀60年代荷蘭的支撐體住宅和日本的SI住宅體系均實現(xiàn)了可為居住者提供豐富的個性化空間。2016年，在萬科研發(fā)的“萬科芯”住宅中，整個套型以1根結構柱作為建筑核心，外圍護墻體作為剪力墻，固定管井位置，實現(xiàn)了住宅套型設計的極大可變性。

圖7 德國蒂瑟道夫可變住宅（1973年），設計人：H·施維帕特

圖8 鋼框架住宅結構布置示意

圖9 方案一：豪華一室套型

圖10 方案二：精致二室套型

圖11 方案三：經(jīng)濟舒適三室套型

4 鋼框架結構住宅的全周期套型設計

裝配式建筑4個系統(tǒng)的壽命不同，更新維護的頻率和難易程度也不相同。因此，可把構件和部品分為2類：一類是相對長壽和固定的，包括承重結構的柱、梁和豎向管井；另一類是耐久性較低和需要進行階段性維護更新的，如裝飾裝修部品和戶內(nèi)機電管線部品等，可進行靈活布置，滿足多樣化需要。

本文以在商品住宅中常見的120m2三居套型為對象，結合家庭成員數(shù)量和生活方式的變化，研究適用于鋼結構的全周期住宅套型，提出4種方案。

1）方案一 按照一室戶進行設計。充分利用結構形成的10.2m×11.0m的大空間，以起居室為中心形成“島”式居住空間（見圖9），起居空間寬大舒適，除日常起居外，兼具多種休閑文化功能；臥室空間南北通透，擁有分區(qū)衛(wèi)生間及獨立衣帽間。

2）方案二 按照二室戶進行設計，完全滿足家庭起步階段二人世界的需要。與一室套型相比，在起居室中劃分出1個獨立書房，提供了更多的私密空間（見圖10）。

3）方案三 以滿足三代人共同生活為目標，是市場上最受歡迎的經(jīng)濟舒適型三居套型（見圖11）?？蛷d、餐廳、廚房“一”字形貫通，空間通透，開敞明亮；老人房獨立設置；衛(wèi)生間便浴分離，形成獨立的淋浴間和馬桶間，干濕分離，效率高，方便使用。

4）方案四 在三室套型的基礎上，為適應二孩家庭專門設計迷你四居（見圖12）。將餐廳與起居室結合設計，調(diào)整廚房家政區(qū)，在北側設計了2個享有采光的獨立兒童房。

從以上方案可看出，鋼框架結構住宅具有很大優(yōu)勢，框架結構形成的大空間為套型內(nèi)部空間變化提供了多種可能。一方面結構和豎向管井相對固定，簡化了設計難度；同時利用結構形成的大空間能夠設計出多種套型，可適應不同類型家庭或家庭不同階段的需要。

圖12 方案四：極限四室套型

當然，鋼框架結構住宅的套型設計也需注意結構梁對室內(nèi)空間的影響、樓梯電梯布置與柱網(wǎng)的結合、廚衛(wèi)豎向管井的位置等。結構柱網(wǎng)的選擇和服務空間的位置將決定住宅套型的靈活性能否真正實現(xiàn)。裝配式裝修方式能使住宅室內(nèi)空間的靈活可變真正具備可操作性。

5 結語

綜上所述，無論采用磚混結構、鋼筋混凝土剪力墻結構還是鋼結構，住宅套型布局受結構體系影響很大，平面設計要遵循結構的力學規(guī)律。不能簡單地把混凝土剪力墻結構的套型直接套用在鋼框架結構上。由于結構體系和建筑功能共同決定了住宅套型單元的平面形式，所以應該轉變套型先于結構的設計思路，統(tǒng)籌結構設計與建筑功能布置。

在鋼框架結構住宅設計中，應減少平面輪廓的凸凹，使結構構件對位，形成規(guī)則的框架柱網(wǎng)。在此基礎上，應研究如何充分發(fā)揮鋼結構框架體系形成的平面大空間優(yōu)勢，優(yōu)化平面結構布置，充分考慮建筑功能的變化和家庭居住需求的演變，提供建筑平面內(nèi)的套型劃分及套型內(nèi)部多樣化設計的可能性。這種順應裝配式鋼框架結構體系的全周期套型是建筑設計研究的重點方向。

參考文獻：

[1]趙鈿，劉冬賀，潘磊．鋼結構住宅的六個系統(tǒng)性問題及解決方案[J]．建筑技藝，2016（8）：98-101．

[2]劉冬賀．基于開放住宅理論的鋼結構住宅設計研究[D]．北京：北京交通大學，2014．

[3]盧永毅，凌穎松．魏森霍夫“集群建筑設計”回望[J]．時代建筑，2006（1）：30-35．

[4]代號“萬科芯”，萬科的絕密項目“115m2創(chuàng)新套型”[EB/OL]．[2017-01-21]．http://bbs．zhulong．com/101010_group_678/detail30661903．

[5]賈倍思．居住空間適應性設計[M]．南京：東南大學出版社，1998．