一种减轻高层建筑自重的新技术及经济效益分析Word格式文档下载.docx

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F284文献标识码：

A文章编号：

1006-4311（2016）13-0166-03

　　0引言

　　住宅建筑形式迥异，风格万千，但总体来看，除了最基本的木结构和砖混结构，就只有钢结构和钢混结构。

其中，钢混结构在住宅建筑中比较多见。

但是我国也意识到环境保护的重要性，因此也对木材、粘土砖等提出限制、限时使用。

现阶段，我国钢混结构的住宅建筑在施工建设中存在许多问题，如：

工序繁多、施工垃圾多、结构自重大、空间利用率低等，这些问题就导致无法满足条件越来越高的住宅建筑的功能要求。

鉴于此，亟需开发一套新型易于改扩建的住宅建筑形式，并且要比以往的住宅建筑形式耐久性更好、更坚固、空间布置更灵活，这是未来住宅建筑形式一个必然的发展趋势。

近些年来，国内的钢材产量逐年攀升，新型建材的发展和应用，符合上述要求的钢构住宅建筑形式逐渐发展出一定的规模，并且在建筑领域掀起了一场技术革命。

　　1高层建筑钢筋混凝土结构的主要缺点

　　1.1自重大。

钢筋混凝土的重力密度比砌体和木材的重度大（大概是25kN/m3），比钢材的重度小。

钢混结构的截面尺寸较大，因而其自重远远超过相同跨度或高度的钢结构的重量。

　　1.2抗裂性不足。

如上文所述，混凝土的抗拉强度很低。

鉴于此，普通的钢混结构在施工中极易开裂，有的裂缝只影响混凝土表面的美观程度，并不会造成实际的危害。

但是当钢混结构表面出现多条宽裂缝时，就必须考虑结构的安全问题。

　　1.3性质脆。

混凝土强度越高，其脆性越大。

　　1.4施工比较复杂，工序多。

施工受季节、天气的影响也较大。

　　1.5新老混凝土不易形成整体。

混凝土结构一旦破坏，修补和加固比较困难。

　　2高层建筑钢结构的优势

　　2.1钢构材料强度高，与钢材或其它建材相比，钢构材料的塑形和韧性都比较大；

与木材、砖石或混凝土材料相比，钢筋混凝土结构的强度更大。

　　2.2材质均匀，钢材内部组织各向同性，分布比较均匀，并且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。

　　2.3钢结构的制作工艺简单，工期短。

只能使用成材施作钢结构，一般来说，材料加工简单，并且只能使用已经加工成形的成材。

因此，只有专业化的工厂才能制作钢结构，这样能保证钢结构的精度。

　　2.4钢结构的承重构件是钢柱钢，它一般用在大开间住宅建筑中。

相较于普通钢混结构来说，钢结构构件小，能够节省4%的建筑面积，有助于充分发挥住宅建筑的实际使用功能。

　　2.5安装钢结构的住宅建筑，其抗震性能比普通钢混结构的住宅建筑好很多。

钢结构自重小，具有传统钢混结构不可匹及的韧性和塑性，所以抵御地震荷载的能力远远超过传统钢混结构。

一般来说，在强地震带附近未倒塌的建筑大部分是钢结构建筑。

　　3钢结构住宅整体发展优势以及综合经济效益

　　3.1抗震性能分析

　　地震能量释放具有瞬时性，破坏方式主要有脆性破坏、非延性破坏和延性破坏。

由于混凝土及围护墙体属脆性结构，在发生地震时会被迅速破坏，如果框架内的钢筋难以承受拉力，建筑物将发生灾难性倒塌。

因此，抗震建筑应具备轻自重、高强度、塑性等特点。

下面分析一下钢结构建筑的特点：

①自重。

钢结构住宅均采用工厂化轻钢材料做骨架，用各种轻质墙体材料围护而成，整体重量较普通混凝土结构轻30%-40%。

由于自重轻，更利于抗震。

②材料。

钢结构住宅的主要骨架为轻钢材料，众所周知钢材具有良好的延展性，在发生地震以后，钢结构就会产生塑性变形，从而吸收一部分地震能量，减轻了对整体结构的损害。

另外钢材还具有较强的抗拉、抗剪力性，在地震中都发挥了巨大的作用。

③设计方法。

普通混凝土结构单一，力学结构受限制，不利于抗震，而钢材可以加工成多种形状，可以根据地震的特点灵活设计防震结构，极大增强了建筑的稳定性和地震中的安全性。

据相关资料表明，众多超高层建筑基本采用这种结构方法，当地震发生后，由钢骨架的柔性结构发挥作用，消耗一部分地震输入的能量，达到了抗震效果。

我国是一个地震频繁的国家，汶川地震给了我们惨痛的教训，所以在我国推行钢结构住宅非常必要。

　　3.2环保性能分析

　　环境是人们赖以生存和发展的基础，日益严峻的环境问题受到全世界的普遍关注。

建筑与环境的关系十分密切，建筑材料、结构形式、建造和拆除、运输和加工等环节都涉及到环境问题。

与传统建筑相比，钢结构的环保性能十分优越：

①节约资源。

从框架结构来看，传统住宅大量使用高耗能的混凝土，而钢结构住宅使用轻钢材料，能源消耗同比小许多；

从墙体结构来看，传统住宅使用砖混结构或砌块，大量取土严重破坏了土地资源，而钢结构住宅采用新型的轻质墙体材料，则避免了这种情况；

从节电来看，传统住宅属高耗能建筑，在没有二次节能保护的情况下，耗电量是非常惊人的，而钢结构建筑一次性采用保温墙体，节能效果非常明显。

②环保特性。

排放、噪声、粉尘和建筑垃圾是主要的环保指标。

从排放来看，无疑钢材比水泥的排放系统要大，但从用量上，钢材要比水泥用量小得多，排放量同比小很多，欧、日等发达国家以钢、木材作主要建材来减少排放量；

从噪声污染来看，传统住宅的混凝土浇筑噪声很大，又需要夜间连续施工，严重扰民，而钢结构构件工厂化生产，现场组装作业，施工时间短，噪声污染相对较小；

从粉尘污染来看，砂土、水泥、石灰是主要的粉尘污染物，钢结构优势更加明显；

从建筑垃圾来看，传统住宅拆除后产生大量建筑垃圾难以回收，近年来用于路基施工，效果不理想，钢结构拆除后钢材仍然可以回收利用，环保性能显著。

总之，钢结构更适合可持续发展的环保要求。

　　3.3防火性能分析

　　防火性能差无疑成了钢结构住宅美中不足的一点遗憾，也成为阻碍钢结构建筑发展的重要因素之一。

作为生活中最常见的金属，钢本身不容易燃烧，但高温稳定性极差，很容易发生结构改变而失去承载能力。

据有关资料显示，钢结构在250℃时力学特性没有明显变化，随着温度的上升稳定性开始下降，540℃基本失去承载能力。

对于建筑火灾而言，800℃甚至更高的火场温度司空见惯，所以在很短的时间内局部结构就会遭到破坏，支撑力散失，最终导致整体结构坍塌。

近年来，研究人员一直致力于钢结构的防火研究，取得了一定成效，主要通过阻断火灾环境中热量向钢骨架的传递，降低临界温度实现防火目的。

①砌筑防火砖。

通过砌筑防火砖，将钢骨架完全封闭起来，然后在外层浇抹混凝土，这种方法安全可靠，但影响美观和增加住宅的自重，在早期建筑运用较多。

②外包层用轻质防火板。

主要采用石膏板、碳酸钙板以及纤维增强水泥板等做外包层，这种方法施工方便，又比防火砖美观经济，在欧、美、日等发达国家应用广泛，我国尚在发展阶段。

③喷涂防火涂料。

在钢结构外层喷防火涂料，发生火灾后，涂料受热发泡起到阻断火源的作用，目前在我国使用最广泛，但稳定性不好。

以上方法主要为了使钢结构在火灾中坚持时间更长，避免更大的损失。

所以必须建立完善的消防系统和火灾自动报警系统，争取在火灾初期将火源消灭。

　　总之，作为一种新型的建筑形式，钢结构综合性能优势明显。

随着防火技术的发展，钢结构的防火性能得到大幅提高，必然成为住宅建筑的发展方向。

　　4钢结构住宅建筑的主要施工方法

　　4.1通常使用钢板加工制作钢构箱型柱，构件除锈、焊接等工序需要在专业化的车间完成。

　　4.1.1箱型柱制作工艺

　　①钢板拼接。

我们应该将两块钢板拼接在一起，从而保证了下料后钢板的直线度。

但是在这一过程中，我们要注意应在钢板的两端开坡口。

　　②划线下料。

划线时，根据排料图，长度方向留出50mm的余量，宽度方向3mm，并且中间的隔板划线不再留余量。

　　③组装焊接。

采用H型钢搭建一个临时的操作平台，用以组装和焊接衬板以及在两个腹板上划上组装线。

组装前先使用水准仪对平台进行找平，固定好H型钢。

表1中工序均采用定位焊焊接。

　　4.1.2梁及连接板加工及组焊

　　①下料：

采用专业的切割机将型钢切割成需要的结构，用半自动切割机切割钢板。

　　②钻孔：

在构件方面，先用钢尺、划针画出孔心和直径，在孔心周围打4个冲孔进行检查。

　　4.2安装钢结构

　　4.2.1安装箱型柱

　　安装流程：

材料采购→加工→运输→吊装→连接。

　　做防锈处理时，先彻底清理钢结构表面的油污和锈渣。

普通住宅建筑均采用箱形截面形式，可采用“从中心向四周拓展”的方式吊装箱体，保证框架对称、稳固。

　　4.2.2安装钢梁

　　钢梁按照“主梁→次梁→外挑梁”的顺序依次安装到位。

安装过程中注意一个细节：

当立柱形成单元后，主梁必须采用捆绑串吊施工，次梁和剪力墙框架梁可单根吊装。

　　4.2.3安装高强螺栓

　　高强螺栓是目前常用的钢构连接方式。

这种螺栓传力平均，能拆换，安装工艺简单。

一般来说，钢构住宅常用摩擦型连接方式进行高强螺栓的连接。

　　4.3混凝土施工

　　在建筑施工中，混凝土工程通常分为两部分，一是现浇混凝土楼面，另一个是核心筒筒壁。

砼泵是竖向输送混凝土的主要工具。

一般来说，要根据钢构住宅的结构形式，使用H型梁下翼缘支撑小规格H型钢施作楼面模板支撑，安装好模板支撑后，可将竹胶板和钢筋置于其上。

采用顶升法向箱型柱内浇筑混凝土，就是利用砼泵从下往上竖向泵送混凝土至箱型柱。

竖向泵送前，先结合设计要求计算顶升入口的管壁的具体参数，以确保顶升压力不超过规定的强度范围。

另外，要严格控制混凝土配比，以确保其坍落度大于200mm。

　　4.4安装外墙板

　　钢构住宅一般采用175mm厚的ALC板做外墙板。

这种板材需要在专业化的工厂中加工，再运抵现场借助塔吊吊装到位。

施工单位需要借助专业的外墙板安装图纸进行安装。

用墙板内侧膨胀螺栓固定楼面的通长角钢，使之与ALC板上的专用联结杆连接。

　　5工程案例

　　5.1工程概况

　　5.1.1沈阳某小区钢构高层住宅

　　沈阳市铁西区某18层住宅建筑，总面积6795.12m2，采用“钢管混凝土框架+混凝土剪力墙”的混合建筑形式。

该建筑用压型钢板组合板铺设楼板，采用人工挖孔桩施作地基基础。

外墙采用200厚粉煤灰空心砌块外贴100厚阻燃型聚苯乙烯板。

如果不算水电和配套设施，该高层建筑的工程造价为1236元/m2，工期为256天。

　　5.1.2沈阳某小区钢筋混凝土结构住宅

　　本工程为沈阳市大东区18层现浇混凝土剪力墙结构住宅小区，总建筑面积7128m2。

该小区采用现浇钢筋混凝土板施作楼板，基础为人工挖孔桩。

外墙为240厚现浇混凝土墙外贴80厚挤塑保温板。

不算水、电及配套设施，该小区造价1189元/m2，工期338天。

　　5.2经济效益分析

　　钢结构与钢筋混凝土结构高层住宅的经济效益对比分析如表2所示。

　　由表2可看出，由于钢材的轻质高强，以及钢结构住宅所采用的钢管混凝土结构形式，钢结构的自重比混凝土结构自重可减轻30%-50%左右，使得钢结构的基础费用明显下降，钢结构的基础费用在总造价中所占比例由混凝土结构的9.7%下降到6.3%，下降了3.4%。

钢结构的平米造价高于钢筋混凝土结构平米造价约4%，主要是外维护结构和主体结构费用增加所致。

　　5.3综合效益分析

　　5.3.1住宅面积利用率提高带来的效益

　　钢结构与钢筋混凝土结构高层住宅相比可以增加使用面积，本文中两个工程对比钢结构住宅可增加使用面积6%左右。

若按钢结构比混凝土结构住宅使用率提高6%计算，假设购买一套100m的住宅，用户将获得的潜在资金为100m×

6%×

8000元/m=48000元（按沈阳地区平均房价8000元/m计算）。

　　5.3.2施工工期短带来的效益

　　在专业化的工厂制作钢构构件。

加工完成后运至工地组装，工艺简单，季节更替或天气变化对工程进度影响不大，因此该建筑施工效率较高，工期进度快，在一定程度上节省了投资成本。

假设贷款2500万元，按照年利息率8%计算，则可节省44.93万元的利息。

　　5.3.3其它效益

　　在节能环保方面，钢构建筑也比钢混建筑有很大的优势。

钢构建筑在施工中就注重环保，目前能达到65%的节能要求，建造过程中的二氧化碳排放量较钢筋混凝土住宅降低30%左右，主体结构可100%循环利用且施工现场湿作业少，减少粉尘、噪声污染，节约水资源。

　　6结束语

　　综上所述，从钢结构住宅技术的优势分析，它所具有适用性和灵活性，可以满足居民要求，又可以实现节能环保和可持续发展需求。

综合考虑下，在构建既时尚现代又经济适用的钢结构住宅之前，我国钢结构住宅技术还有待进一步完善与发展。

不难预见，在不久的将来，钢结构住宅技术在中国乃至全世界的发展和应用会有新的飞跃。

　　参考文献：

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