浅谈轻型钢结构住宅体系的发展与前景

谭明

引言

随着住房和城乡建设部批准发布的《轻型钢结构住宅技术规程》的正式实施，我国轻型钢结构住宅产业化步入了发展的快车道。轻型钢结构住宅体系是一种建筑、结构、水暖电设备与室内外装修一体化的专用建筑体系，具有工厂化生产、装配化施工的特点。轻型钢结构住宅，作为舶来品，承袭了欧美、日本、澳大利亚建筑体系风格，其结构体系大致可分为三类：适用于1～3层的热轧型钢龙骨结构体系、冷弯C型钢龙骨结构体系；适用于6层及以下的的纯钢框架体系；适用于6层以上的钢混组合结构体系。其构配件、水暖电设备预埋到墙体等轻质围护结构内部，利于室内外装修，建筑平立面布置灵活、美观。

1　轻钢结构住宅体系发展的国家政策环境与市场环境

1.1　国家政策的引导与扶持

在全球倡导节能环保，低碳经济、循环经济、绿色建筑的大环境下，轻型钢结构住宅产业受到了国家政策的引导与扶持。为了保护耕地，节约土地资源，国务院办公厅在《关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》中明确规定：中国境内的所有城市都要禁止使用实心粘土砖。而实心粘土砖是砖混结构住宅体系的主要材料。原国家经贸委在《国家经贸委提出建筑业技术发展方向》中明确提出：建立现代化住宅产业工业体系，融新技术、新材料到住宅建设中，当前技术发展的方向和重点之一是轻钢结构住宅体系开发。

1.2　市场空间巨大

从市场规律来看，轻型钢结构住宅产业大有可为，市场提升空间很大。中国钢结构协会常务副秘书长刘万忠在钢结构市场与钢结构行业规划中介绍：联合国预计到2050年全球城市化程度将达到70%，在未来的19年中，每小时要盖4000余套住房才能满足这个要求。这对轻型钢结构住宅体系的发展是个难得的机遇，可以充分发挥其工场化生产，装配化施工的产业化优势，完成这个看似不可能的任务。2016年，国务院印发的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出要大力推轻型钢结构住宅产业。我国房屋建筑中钢结构的建筑面积约占2%，而发达国家钢结构建筑占到40～60%，提升的空间很大。

2　轻钢结构住宅体系发展的技术环境

2.1　建筑材料科学的发展

随着建筑材料科学的发展，美观经济、性能优异的新型建材不断涌现，建筑结构与材料的防虫、防火、防水、防腐，保温隔热性能得到显著改善，如TBL无胎基、自粘橡胶沥青防水卷材不仅延伸率好，而且具有开裂自修复功能。轻型钢结构住宅的墙板材料的革新尤为突出，主要分三类：①传统建材结合新技术进行改良，如采用农民废弃的麦秆或稻杆经过机械清除整理冲压高温挤压而成的纸面草板；②对几种传统的建材进行组合，优势互补，如用草、木纤维做加强筋的防火纤维石膏板和高密度水泥纤维板；③高分子聚合物组成的环保耐久的新型建材，如PVC外挂墙板。近年来，我国粗钢产量大幅提升的同时，钢材的冶炼轧制技术也提高了，新型钢材的力学性能更加优越，轻质高强的冷轧、冷弯、热轧型钢促进了楼板、墙体承重体系的发展，广泛应用的薄壁钢骨体系的外墙和楼板就采用高强冷轧或冷弯的钢板制作。

2.2　住宅技术引进与自主研发的深化

目前，发达国家的轻钢结构住宅产业化进一步升级，工业化程度很高，工地已不是建设工程的主战场。以瑞典为例，它是当今世界上最大的轻型钢结构住宅制造国，其轻型钢结构住宅预制构件达95%，欧洲各国都到瑞典去定制住宅，通过集装箱发运。近些年，随着合作的深化与成套技术的引进，我国主流钢结构公司完成了一批高质量的轻型钢结构住宅试点工程，受到社会各界广泛关注。与此同时，在国家政策与研发基金的支持下，国内自主研发的MB（ModernBuilding）轻型房屋钢结构建筑体系获得了技术专利，新建的青浦农民住宅、张江高科技园区等项目赢得了口碑。

2.3　钢结构设计软件的发展与BIM技术的应用

国内外钢结构设计软件的发展为多层、高层轻型钢结构住宅的设计提供了技术保障。国内已经开发出多个钢结构的CAD专用软件，如STS、3D3S、SFCAD、MESTEEL等软件，国外著名的软件公司都针对中国设计规范推出了功能完备的设计软件，如STRAP、STAAD、Xsteel、SCIA、STRUCAD、SAP2000和ANSYS等软件。同时，相关设计、施工规范的相继出台，为轻型钢结构住宅项目的报建与竣工验收提供了技术标准与依据。

另一方面，BIM技术的应用，为我国轻型钢结构住宅产业化健康快速发展提供了新思路。BIM技术可为装配式轻钢住宅全生命周期各阶段提供技术支持和管理保障[1]。将BIM技术应用于轻钢住宅产业化可为其发展提供新方法，促进钢结构住宅产业化发展实现新的突破[2]。

3　轻钢结构住宅体系自身优势

随着工程实践的深入，轻型钢结构住宅体系较其它结构住宅体系的优异性能逐步体现出来：

（1）结构延性好，耗能能力强，自震周期长，对地震作用不敏感，尤其适用于地震多发地区，如甘肃、西安等地。

（2）结构自重轻，节省地基处理与基础建造费用，尤其适用于地质条件较差的软土地区，如上海、浙江嘉兴等地。与传统住宅体系相比，不需要支模，受气候影响小，轻型钢结构住宅至少可缩短1/3的工期，从而大大加快了资金周期，提高投资效益。

（3）结构构配件均工厂化、标准化生产，尺寸精确、质量稳定可靠；现场干作业、装配化施工，施工周期短，环境舒适，无噪音，无建筑垃圾，完全符合节能环保要求。

（4）结构构配件、水暖电设备预埋到墙体、楼面等围护结构内部，利于室内外装修，建筑平立面布置灵活、美观。屋、墙面彩板颜色多种多样，可根据需要设计出外形美观，色彩鲜艳，立面丰富，具有现代化气息的建筑。

（5）可充分发挥钢材的延性好、塑性变形能力强等优点，加之与外围护结构性板材结合，产生应力蒙皮效应，从而具有更强抗震能力和抵抗水平荷载的能力。

4　轻型钢结构住宅体系存在的问题

4.1　技术问题

随着科技的发展，工程实践的深入，目前轻型钢结构住宅体系主要有以下几个技术难题：

（1）屋面围护系统和墙面围护系统的蒙皮效应是节省钢材、降低工程造价的重要途径，然而这种效应在轻型钢结构住宅的设计中还不成熟[3]。

（2）轻钢结构房屋体系对风荷载比较敏感，在强风条件下常常发生轻钢房屋的风致损坏事故并导致巨额经济损失。轻钢结构住宅体系的风致破坏机理还需深入研究。

（3）随着生活水平的提高，居民对住宅性能提出了更高的要求，内外墙、门窗、屋面等围护结构的节能技术与新型节能材料的研究需要更多突破。在建材和部品方面，目前建造轻型钢结构住宅试验工程所需材料许多要从国外运来，甚至有些由外商在中国大陆委托加工的部件，往往也只能到国外去采购。

（4）相关设计规范需要进一步完善，如《轻型钢结构住宅技术规程》适用于轻型钢框架结构体系非抗震设防以及抗震设防烈度为Ⅵ～Ⅷ度的6层及6层以下建筑。而我国人口众多、地震频发，规程的适用范围应拓宽，这就需要相关技术的突破。

（5）缺乏绿色建材评判标准与检验方法，我国虽出版了《中国生态住宅技术评估体系》，但是缺乏相应的绿色建材标准，国外发达国家都有各自的绿色建材标准和绿色建筑评估体系，例如加拿大有“住宅室内空气质量指南”制定了建材总有机挥发物（TVOC）的含量标准为100～150g。

要解决以上种种新技术难题以及钢结构防火、防锈等传统技术问题，政府、相关企业和科研单位主要从如下三个方面取得突破。一方面企业需要进一步加强国际间轻型钢结构住宅技术交流合作。事实上，近些年，随着合作的深化与成套技术的引进，我国轻钢结构住宅试点工程引起广泛的社会反响。一方面需要加大国家科研基金的投入，确保轻型钢结构住宅体系配套设施的完整性。一方面需要加强科研单位与相关企业的合作与自主研发实践，当然，加强技术人员的培训也至关重要。

4.2　传统观念问题

（1）在人们的传统观念中，砖混结构住宅、钢筋混凝土住宅坚固安全，而轻型钢结构住宅体系存在结构的安全性问题。对于这个问题就需要轻型钢结构住宅生产企业树立责任意识、创新意识、自我批判意识，把轻型钢结构住宅工程质量摆在战略高度：传统施工工艺发生的质量问题是一个施工单位的名誉问题，而“轻型房屋钢结构体系”发生质量问题是否定了整个“轻型房屋钢结构体系”。与此同时，加强轻型钢结构住宅工程的宣传工作也同等重要，目前国内的许多试点工程取得了很好的社会认可度，但这也只是限于试点工程当地及周边地区，辐射范围不够宽。总之，大量试点工程的建设，并通过购买者面对面的接触体会，这对推广轻型钢结构住宅体系有着积极意义。

（2）过去相当长的时间里，国家政策倡导节约用钢，在人们的观念中，钢材昂贵，轻型钢结构住宅的成本过高。事实上我国轻型钢结构住宅围护材料和产业化配套技术的成本过高，造成了钢材仍旧昂贵引起轻型钢结构住宅昂贵的假象。因此，这个观念问题的源头是技术问题，解决这个问题的关键是加强新型经济适用的围护材料的开发与加快轻型钢结构住宅产业化、工业化步伐。

5　展望

在全球倡导节能环保，低碳经济、循环经济、绿色建筑的大环境下，轻型钢结构住宅体系的优势还有很大的发挥空间。与此同时，轻型钢结构住宅体系一直受到国家各项政策的引导扶持，包括新近出台的《轻型钢结构住宅技术规程》等技术支持以及中国境内的所有城市都要禁止使用实心粘土砖等政策引导。而国内外对轻型钢结构住宅体系市场空间的数据调查充分显示其具有极大地提升空间，大有可为。有理由相信，随着材料科学的发展，尤其是以墙体材料及屋面材料为重点的围护材料的革新，轻型钢结构房屋的蒙皮效应技术及风致破坏机理研究的深入以及相关技术规范的进一步完善，轻型钢结构住宅产业工业化的深化以及人们传统观念的转变，节能环保、经济适用、坚固美观的轻型钢结构住宅体系势必会成为我国住宅产业的中流砥柱。可以预见，我国轻型钢结构住宅体系在未来的近半个世纪内将得到空前的发展，对我国周边国家住宅产业的发展也具有一定指导意义。

[1]吴少博.基于BIM技术的钢结构住宅应用研究[J].北京交通大学，2017.

[2]赵捷.BIM技术在住宅产业化中的应用.河北工程大学，2017.

[3]王桂英，张启照.蒙皮效应分析[J].21世纪建筑材料，2010，03.