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摘要：钢结构作为一种可循环利用的绿色建筑材料，同时兼具优良的材料力学性能和其工业化生产的优点，使其不仅可以突破以往钢筋混凝土和砌体结构在住宅设计方面的局限，创造更为灵活的住宅空间，满足现代居住生活的需要，同时使住宅的产业化成为可能。这些特点使得钢结构住宅体系将会成为未来中国通行的绿色环保型住宅体系。鉴于此，本文对多高层钢结构住宅设计进行了探讨。
关键词：多高层；钢结构；住宅设计
一、前言
钢结构建筑的发展水平从某种角度来说是衡量一个国家经济发展水平的重要标志之一。多高层钢结构住宅由于其所采用的建筑材料、适用范围和产业化的特点，使其建筑设计方法与于普通意义上的钢筋混凝土和砌体结构建筑的设计有较大的不同。其自身的特点要求其建筑设计方法应该满足三个方面的要求。其一，以钢结构作为主要的结构材料，其建筑设计应充分发挥钢结构强度高、刚度大的特点，尽量采用大空间的布局方式，保持室内空间分隔的灵活性，在满足近期不同使用需求的情况下，还可满足远期改造的要求;其二，由于其适用范围为多高层住宅，其建筑设计必须符合多高层住宅设计的特点，一方面必须满足住宅设计的相关规范要求，另一方面，必须满足当前和日后市场对住宅设计的舒适性和审美要求;其三，钢结构住宅设计应该符合产业化的特点，建筑设计应执行标准化、多样化的特点，积极采用新技术、新材料，以促进住宅产业化的发展。
二、多高层钢结构住宅设计注意事项
1.多高层钢结构体系选型设计
目前国内进行多高层钢结构住宅建设所采用的结构体系主要分为四种:1)纯框架形式;2)框架支撑形式;3)型钢混凝土组合形式;4)钢框架一混凝土抗震墙形式。对于纯框架形式，梁柱材料采用型钢，通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装。框架支撑形式同纯框架形式类似，只是由于抗震需要，在主体结构两个主轴方向布置斜撑，钢斜撑与型钢柱和梁连接组成竖向抗侧力析架，从而取代传统的混凝土剪力墙，安装方式同样采用焊接或螺栓连接。型钢混凝土组合形式的特点是在钢骨架梁柱外侧另外浇筑一层混凝土，新浇筑的混凝土不仅起到结构作用，同时有助于解决主体结构的防腐、防火问题。钢框架一混凝土抗震墙形式，外部梁柱系统采用型钢，同样通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装，内部核心筒或剪力墙采用现浇方式施工，通过预埋构件同外围钢结构框架相连接，共同组成结构系统。这种结构体系的用钢量低于纯钢结构，施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间。但钢与混凝土材料的刚度和延性相差较多，目前主要在低烈度地震区的高层钢结构住宅中采用。钢结构住宅设计时应根据安全可靠、经济合理、施工方便等原则，并结合建筑使用功能、建筑模块和建筑维护结构以及抗震设防烈度等要求合理择优选用抗震和抗风性能好的结构体系，以保证结构具有足够的抗风、抗震能力和满足住宅特点的使用功能。
2.多高层钢结构平面及空间设计
钢结构住宅通常为框架体系，结构体系与围护体系完全分开，两者相互独立，围护墙体可以根据需要灵活设置，建筑空间处理的任意性大大高于以墙体承重为主的传统住宅。同时钢框架由于刚度较大，结构构件均较为纤细，可以节约出更大的有效空间。基于以上对于钢结构住宅空间结构特点的分析，平面及空间设计中应遵循的原则是:通过建筑、结构、设备各专业的配合，达到平面及空间使用上最大限度的无障碍性和组合灵活性。对住宅可变性的要求，更加积极促进了钢结构在住宅中的应用。根据结构可能变换的程度，平面布置的灵活性分为五个等级一级灵活性:分隔构件的变化、布置;如折叠式隔墙、作为空间分隔的家具等，这些可以任由房屋的使用者改变。二级灵活性:空间隔墙的拆改;包括可移动的预制构件、可拆卸的隔墙。三级灵活性:承重结构的改动;如:建筑物的加高、加固，为增大空间而拆除部分中间支撑，增加或改变楼梯的位置。四级灵活性:除基础以外上部结构的全面改动;五级灵活性:全部重建。对于住宅而言，比较可行的灵活性应限制在前两种。大开间钢框架体系为内部非承重隔墙的改造提供了方便，但考虑到住宅中设备管线的分布，因此希望设中要考虑集中布置的核心管井，而各入户管线应尽量埋设在楼板中，以方便隔墙的变动。
3.多高层钢结构墙体设计
钢框架建筑的荷载由梁柱传递，墙体不起承重作用。这是钢结构住宅墙体与传统的砖混或内浇外砌剪力墙住宅的根本区别。这一特点使钢结构住宅墙体成为纯围护结构，不再受结构空间的限制，可以根据居住空间的要求灵活分隔。钢结构住宅的外墙作为住宅基本维护结构，必须满足承载能力、热工、防水、隔声、防火、抗冻等方面的要求。多高层钢结构外墙的设计原则有：舒适性，指外墙材料必须满足居住空间的各项建筑物理性能，在温湿度、声、光、空气流通等方面创造适宜的居住环境；耐久性，包括墙体材料本身、连接件、密封材料以及外观效果在住宅建筑结构寿命期内的耐久性。外墙直接暴露在大气中，受外界环境的侵蚀很大，应该提倡在不影响居住的前提下可以及时进行局部更新的材料和构造做法；外墙材料应尽量地方化，降低运费并便于日后维修时就地取材。钢结构住宅的内墙应尽量采用非承重轻质隔断墙，其主要功能是将使用空间分隔开来，内隔墙材料及构造做法应满足居住建筑各项物理环境性能标准，强度和防火安全要求，特别是作为防火分区的隔墙，必须确保墙体耐火极限要求。固定墙体如分户隔墙、楼电梯间及走廊等公共部分墙体，应满足建筑物耐久年限的要求，厨房卫生间等有水房间墙体应具有防水功能，在使用年限内不应发生渗水、漏水现象，墙体材料不应霉变、老化。分户墙的选择应在安全可靠，隔声效果达标的基础上尽量选取轻质耐久的材料;户内隔墙应优先选用质轻、高强、拆装方便的材料，墙内走线应灵活可变。
4.多高层钢结构防火设计
钢结构虽然是不燃烧体，但其材料化学特性决定了钢材不耐火、不抗烧，极易导热。普通建筑用钢材，在全负荷状态下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，一般在300℃~400℃时钢材强度就开始迅速下降。一般无任何保护及覆盖物的钢结构的耐火极限只有15分钟左右的时间，远远低于建筑设计防火规范的要求。因此，普通建筑用的钢材作为建筑物的承载主体，一旦发生火灾，在高温作用下，其承载力急剧下降，致使钢结构不可避免地出现变形，造成建筑物部分或全部坍塌。钢结构的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期。外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。
5.多高层钢结构住宅楼板设计
建筑物楼板结构必须具有足够的刚度、强度和保证梁的整体稳定性。对于住宅建筑还要有良好的隔声、防火性能，同时要考虑在楼板内敷设管线的空间。钢结构的基本元件是冷弯或热轧的型钢和钢板，它的承载能力高，外部尺寸小，重量轻，由于框架这种形式，建筑内部支撑少，空间布置的灵活性大。在设计中，针对结构材料和类型特征，应把握如下设计准则: ①设计中综合考虑布置梁柱的位置，特别是柱的形式、排列和柱距，应最大限度地满足居住空间灵活性的要求；②选择合理的楼盖结构跨度，既不要太大，也不要太小；③选择适当的位置布置结构支撑体系，以不妨碍建筑空间布局为宜，应避免设在有门窗洞口或将来住户有可能开设门窗洞口的位置。④选择适宜的钢结构类型，考虑人力、气候、原材料、工期、造价等综合因素的影响。⑤结构构件设计应尽量简化且尺寸精确，以免增加现场安装的困难和导致废料的产生。⑥选择隔声、防渗效果好的楼板体系，保障居住环境的舒适性
三、结语
总之，轻钢结构住宅是国外许多发达国家普遍采用的成熟技术，其优良的技术性能和业化生产方式，在一定程度上体现了住宅产业现代化的方向。目前，越来越多的工程技术人员在从事钢结构工程的设计，设计水平在不断提高；通过最近几年钢结构住宅工程的施工，也积累了许多宝贵的实践经验，可以预见，在不远的将来，多高层钢结构住宅必将会大行其道。
参考文献:
[1]周学军，焦红，王松岩.钢结构与钢筋混凝土结构小高层住宅的经济性分析[J]山东建筑工程学院学报，2004，4(19)
[2]谢振清，丁维，孙彤.莱刚 H 型钢钢结构住宅建筑体系的开发和实践[J].建筑钢结构进展，2003，5(4)
[3]郑廷银，马梦寒.钢结构住宅体系初探[J].南京工業大学学报，2003，2(25)
关键词：多高层；钢结构；住宅设计
一、前言
钢结构建筑的发展水平从某种角度来说是衡量一个国家经济发展水平的重要标志之一。多高层钢结构住宅由于其所采用的建筑材料、适用范围和产业化的特点，使其建筑设计方法与于普通意义上的钢筋混凝土和砌体结构建筑的设计有较大的不同。其自身的特点要求其建筑设计方法应该满足三个方面的要求。其一，以钢结构作为主要的结构材料，其建筑设计应充分发挥钢结构强度高、刚度大的特点，尽量采用大空间的布局方式，保持室内空间分隔的灵活性，在满足近期不同使用需求的情况下，还可满足远期改造的要求;其二，由于其适用范围为多高层住宅，其建筑设计必须符合多高层住宅设计的特点，一方面必须满足住宅设计的相关规范要求，另一方面，必须满足当前和日后市场对住宅设计的舒适性和审美要求;其三，钢结构住宅设计应该符合产业化的特点，建筑设计应执行标准化、多样化的特点，积极采用新技术、新材料，以促进住宅产业化的发展。
二、多高层钢结构住宅设计注意事项
1.多高层钢结构体系选型设计
目前国内进行多高层钢结构住宅建设所采用的结构体系主要分为四种:1)纯框架形式;2)框架支撑形式;3)型钢混凝土组合形式;4)钢框架一混凝土抗震墙形式。对于纯框架形式，梁柱材料采用型钢，通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装。框架支撑形式同纯框架形式类似，只是由于抗震需要，在主体结构两个主轴方向布置斜撑，钢斜撑与型钢柱和梁连接组成竖向抗侧力析架，从而取代传统的混凝土剪力墙，安装方式同样采用焊接或螺栓连接。型钢混凝土组合形式的特点是在钢骨架梁柱外侧另外浇筑一层混凝土，新浇筑的混凝土不仅起到结构作用，同时有助于解决主体结构的防腐、防火问题。钢框架一混凝土抗震墙形式，外部梁柱系统采用型钢，同样通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装，内部核心筒或剪力墙采用现浇方式施工，通过预埋构件同外围钢结构框架相连接，共同组成结构系统。这种结构体系的用钢量低于纯钢结构，施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间。但钢与混凝土材料的刚度和延性相差较多，目前主要在低烈度地震区的高层钢结构住宅中采用。钢结构住宅设计时应根据安全可靠、经济合理、施工方便等原则，并结合建筑使用功能、建筑模块和建筑维护结构以及抗震设防烈度等要求合理择优选用抗震和抗风性能好的结构体系，以保证结构具有足够的抗风、抗震能力和满足住宅特点的使用功能。
2.多高层钢结构平面及空间设计
钢结构住宅通常为框架体系，结构体系与围护体系完全分开，两者相互独立，围护墙体可以根据需要灵活设置，建筑空间处理的任意性大大高于以墙体承重为主的传统住宅。同时钢框架由于刚度较大，结构构件均较为纤细，可以节约出更大的有效空间。基于以上对于钢结构住宅空间结构特点的分析，平面及空间设计中应遵循的原则是:通过建筑、结构、设备各专业的配合，达到平面及空间使用上最大限度的无障碍性和组合灵活性。对住宅可变性的要求，更加积极促进了钢结构在住宅中的应用。根据结构可能变换的程度，平面布置的灵活性分为五个等级一级灵活性:分隔构件的变化、布置;如折叠式隔墙、作为空间分隔的家具等，这些可以任由房屋的使用者改变。二级灵活性:空间隔墙的拆改;包括可移动的预制构件、可拆卸的隔墙。三级灵活性:承重结构的改动;如:建筑物的加高、加固，为增大空间而拆除部分中间支撑，增加或改变楼梯的位置。四级灵活性:除基础以外上部结构的全面改动;五级灵活性:全部重建。对于住宅而言，比较可行的灵活性应限制在前两种。大开间钢框架体系为内部非承重隔墙的改造提供了方便，但考虑到住宅中设备管线的分布，因此希望设中要考虑集中布置的核心管井，而各入户管线应尽量埋设在楼板中，以方便隔墙的变动。
3.多高层钢结构墙体设计
钢框架建筑的荷载由梁柱传递，墙体不起承重作用。这是钢结构住宅墙体与传统的砖混或内浇外砌剪力墙住宅的根本区别。这一特点使钢结构住宅墙体成为纯围护结构，不再受结构空间的限制，可以根据居住空间的要求灵活分隔。钢结构住宅的外墙作为住宅基本维护结构，必须满足承载能力、热工、防水、隔声、防火、抗冻等方面的要求。多高层钢结构外墙的设计原则有：舒适性，指外墙材料必须满足居住空间的各项建筑物理性能，在温湿度、声、光、空气流通等方面创造适宜的居住环境；耐久性，包括墙体材料本身、连接件、密封材料以及外观效果在住宅建筑结构寿命期内的耐久性。外墙直接暴露在大气中，受外界环境的侵蚀很大，应该提倡在不影响居住的前提下可以及时进行局部更新的材料和构造做法；外墙材料应尽量地方化，降低运费并便于日后维修时就地取材。钢结构住宅的内墙应尽量采用非承重轻质隔断墙，其主要功能是将使用空间分隔开来，内隔墙材料及构造做法应满足居住建筑各项物理环境性能标准，强度和防火安全要求，特别是作为防火分区的隔墙，必须确保墙体耐火极限要求。固定墙体如分户隔墙、楼电梯间及走廊等公共部分墙体，应满足建筑物耐久年限的要求，厨房卫生间等有水房间墙体应具有防水功能，在使用年限内不应发生渗水、漏水现象，墙体材料不应霉变、老化。分户墙的选择应在安全可靠，隔声效果达标的基础上尽量选取轻质耐久的材料;户内隔墙应优先选用质轻、高强、拆装方便的材料，墙内走线应灵活可变。
4.多高层钢结构防火设计
钢结构虽然是不燃烧体，但其材料化学特性决定了钢材不耐火、不抗烧，极易导热。普通建筑用钢材，在全负荷状态下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，一般在300℃~400℃时钢材强度就开始迅速下降。一般无任何保护及覆盖物的钢结构的耐火极限只有15分钟左右的时间，远远低于建筑设计防火规范的要求。因此，普通建筑用的钢材作为建筑物的承载主体，一旦发生火灾，在高温作用下，其承载力急剧下降，致使钢结构不可避免地出现变形，造成建筑物部分或全部坍塌。钢结构的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期。外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。
5.多高层钢结构住宅楼板设计
建筑物楼板结构必须具有足够的刚度、强度和保证梁的整体稳定性。对于住宅建筑还要有良好的隔声、防火性能，同时要考虑在楼板内敷设管线的空间。钢结构的基本元件是冷弯或热轧的型钢和钢板，它的承载能力高，外部尺寸小，重量轻，由于框架这种形式，建筑内部支撑少，空间布置的灵活性大。在设计中，针对结构材料和类型特征，应把握如下设计准则: ①设计中综合考虑布置梁柱的位置，特别是柱的形式、排列和柱距，应最大限度地满足居住空间灵活性的要求；②选择合理的楼盖结构跨度，既不要太大，也不要太小；③选择适当的位置布置结构支撑体系，以不妨碍建筑空间布局为宜，应避免设在有门窗洞口或将来住户有可能开设门窗洞口的位置。④选择适宜的钢结构类型，考虑人力、气候、原材料、工期、造价等综合因素的影响。⑤结构构件设计应尽量简化且尺寸精确，以免增加现场安装的困难和导致废料的产生。⑥选择隔声、防渗效果好的楼板体系，保障居住环境的舒适性
三、结语
总之，轻钢结构住宅是国外许多发达国家普遍采用的成熟技术，其优良的技术性能和业化生产方式，在一定程度上体现了住宅产业现代化的方向。目前，越来越多的工程技术人员在从事钢结构工程的设计，设计水平在不断提高；通过最近几年钢结构住宅工程的施工，也积累了许多宝贵的实践经验，可以预见，在不远的将来，多高层钢结构住宅必将会大行其道。
参考文献:
[1]周学军，焦红，王松岩.钢结构与钢筋混凝土结构小高层住宅的经济性分析[J]山东建筑工程学院学报，2004，4(19)
[2]谢振清，丁维，孙彤.莱刚 H 型钢钢结构住宅建筑体系的开发和实践[J].建筑钢结构进展，2003，5(4)
[3]郑廷银，马梦寒.钢结构住宅体系初探[J].南京工業大学学报，2003，2(25)