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轻钢住宅体系在地震灾区重建中的应用与探讨2016-09-28
[课 题] 轻钢住宅体系在地震灾区重建中的应用与探讨[作 者] 吴曙岽
[摘 要] 百年难遇的汶川大地震，给四川、给中国造成了巨大的人员、财产损失。悲痛之余，人们开始把目光聚焦在了灾区重建上，如何快速、高效地为灾民建造安全、舒适的居住环境，已成为政府、媒体、老百姓越来越关注的问题。这里，结合多年的项目运作经验，将轻钢住宅体系在灾区重建中应用的可能性作一次探讨，既希望能让国人进一步了解这种先进的建筑形式，同时也希望能为灾区的建设工作贡献一份微薄之力。
[关键词] 轻钢住宅 灾区重建
1 概述
钢结构建筑作为一种环保好、性价比高的优秀建筑形式在世界范围的建筑行业中已得到了极为广泛的应用，尤其是在发达工业国家，其市场份额更是不容忽视，在美国，其钢结构产品约占国家建筑产品总量的68%，在日本这个比例达到了50%，即使是在韩国其比例也超过了20%，但在经济已经开始腾飞的中国，钢结构产品尚不足国家建筑产品总量的5%，这显然跟不上中国经济日益加速前进的步伐。而同时，作为一项早已在欧美发达国家成熟完善的建筑技术，低层、多层轻钢结构住宅体系（以下简称“轻钢住宅体系”）在中国也才刚刚起步。
2 轻钢住宅体系
区别于其他钢结构建筑形式，轻钢住宅体系最显著的特点就在于其承重结构采用的是厚度非常薄的（一般只有0.9—1.6mm）镀层（镀锌或镀铝锌）钢板作为构件原材料，因此也有人称其为超轻钢结构住宅或者超薄壁冷弯型钢结构住宅。考虑到目前国内尚无正式的相关规范，其材料要求也不符合《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）的规定，且这种建筑形式主要用于低层、多层住宅，为了区别于传统意义上的轻钢龙骨，我们便将其定义为“低层、多层轻钢结构住宅体系”，本文全部简称“轻钢住宅体系”。
受益于国内钢材市场的飞速发展，轻钢住宅体系对钢材品质及执行标准方面的要求，目前国内多数钢厂均能满足，这就为这种建筑形式能够迅速在中国生根发展奠定了扎实的基础。再加上其本身具有的自重轻、施工快、环保节能、安全耐用的特点，使得轻钢住宅体系一进入中国，便受到了众多开发商、建筑商的关注。
2-1 概念介绍
所谓轻钢住宅体系就是采用高强度镀层薄壁型钢作为主要承重结构，结合专业的保温、防潮、防火围护系统，提供给客户造型多样的房屋的一种建筑形式。这种体系的主要受力机理：柱与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁，竖向力由楼面梁传至墙壁的上龙骨，再通过柱传至基础；水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。由于在传力过程中，墙面板承受了一定的剪力，并提供了必要的刚度，故墙面板应满足一定的要求。楼板可采用楼面轻钢龙骨体系，龙骨腹板预制管线穿行孔位。其结构本身具有五大特点：
一、原材料厚度很薄，结构的承重部分原材料一般采用0.9—1.6mm的厚度，部分位置可能会用到1.8—2.5mm，非承重部分一般采用0.5—0.8mm即可；
二、原材料表面采用热浸镀锌或热浸镀铝锌处理，通常镀层含量应满足Z275（钢板双面镀锌含量达到275 g/m2，相当于ASTM标准中的G-90）或AZ150（钢板双面镀铝锌含量达到150 g/m2），表面不需要再作油漆等处理；
三、原材料强度较高，一般都要求屈服强度达到235Mpa或345Mpa以上，但目前国内多数钢厂在生产镀（铝）锌钢板时，一般只生产CQ级（Commercial Quality一般品质，相当于ASTM标准中的CS）和屈服强度345Mpa以上的SQ级（Structural Quality结构用品质）钢材，同时CQ级钢材对最低屈服强度的要求过低，可能达不到235Mpa的要求，因此不推荐使用国内CQ级的产品。后续表1、表2分别显示了镀（铝）锌钢板采用JIS（日本标准）和ASTM（美国标准）标准的部分机械性质；
四、主要构件采用冷弯轧制成型，有别于传统H型钢结构的切割、焊接成型，构件断面以C型、U型为主，且尺寸很小，墙体、屋架构件宽度一般在70—140mm，楼板构件宽度一般在200—305mm；
五、构件连接主要采用自攻自钻螺钉作为紧固件，部分位置采用螺栓连接，不需要焊接，构件与螺钉之间、构件与构件之间非常紧密，确保结构的稳定性；
一、成本低廉：
1、前面提到，轻钢住宅体系的结构构件使用的原材料厚度很薄、截面尺寸很小，在所有钢结构建筑类型中，其截面面积是最小的，在满足相同承载能力的前提下，它的自重最轻，配合以轻质的围护材料，轻钢住宅的整体重量约为混凝土结构建筑的1/4。由于重量轻，建筑物的基础就十分简单，一般采用荷载8T/m2的条形基础就能满足需要，工程造价也相应降低；
2、产业化的制作模式，使得从结构到围护，所有材料均可以工厂预制，尤其是结构部分，还可以实现工厂内预拼装，这使得现场的场地要求更小，可同时开展的工作面更多，工作量更少，施工周期更短，所有构件均为铰接，省却现场焊接及高强螺栓的费用，房屋的建造成本更低；同时，由于安装使用工具的主要是打自攻钉用的枪钻，学习起来简单，对安装人员的素质要求较低；
二、节能环保：
1、轻钢住宅彻底抛弃了传统“秦砖汉瓦”的建筑形式，结构采用高品质钢材，材料可回收利用，有着极高的环保、节能意义。同时，各种新型保温、防水材料的使用，使得保温、隔音、防潮效果更加优越；在结构的内外侧均有耐火性能良好的板类材料，使得整体墙达到并超越国家规范对低层建筑耐火等级的要求（《建筑设计防火规范》GBJ 16—87）；
2、现场施工几乎全是干作业，施工场地干净，所采用的施工机械比较简单，且机械化程度高，便于提高施工工序管理的先进性。因此，占用施工场地、建筑垃圾、建筑施工噪音等污染情况都减少到最低程度；
三、安全耐用：
1、轻钢住宅体系中，墙体及屋架结构与内外墙板组成坚固的“板肋结构”，同时所有结构材料均使用高强度钢材，抗水平荷载和垂直荷载的能力大大提高，抗风、抗震性能明显优于其他结构，资料显示，这种形式可以抵御8级以上地震，即使地震烈度较大，最多出现围护结构脱落，承重结构扭曲的情况，不会发生房屋顷刻垮塌的现象，确保内部人员有充分的逃生时间；
2、结构构件全部采用热浸镀（铝）锌钢板，且含锌量很高，装配时采用自攻螺钉，不需焊接，因此其抗腐蚀性能极佳，再加上所有结构构件全部封闭在不透水气的复合墙体内部，不会腐蚀、不会霉变、不怕虫蛀，建筑物使用寿命可达70年以上；
鉴于以上特点，轻钢住宅往往会给人们带来极大的视觉、感觉、听觉、嗅觉等多方面的享受，其环保、节能、大空间的绿色概念，注定了这种结构最适合建造舒适度高的住宅。加上其产业化的制作模式，传统的“建造”现场已完全被“组装”所替代，整个施工现场干净明亮，最大程度地降低了对周围环境的破坏。
2-2 实际应用
作为一种建筑形式，轻钢住宅体系主要用于民用建筑，但它又不仅限于1-2层的小跨度住宅，4层以内的各种建筑，诸如：酒店、会所、别墅、公寓等皆可用它，如果结合上大规格构件，如：方管、H型钢等，轻钢住宅体系还可以建造游泳馆、展厅、仓库等公用建筑。同时，轻钢结构本身所特有的柔韧性、易成型性，使得设计师有可能充分发挥想象，塑造出各种造型多样、复杂、艺术的建筑立面。因此，轻钢住宅体系的建筑设计比较自由，没有过多限制。
轻钢住宅体系来源于北美的木结构建筑，从结构外观上看几乎就是木龙骨的翻版，而其结构计算往往是一件比较复杂的事情，目前国内尚没有针对轻钢住宅体系的专用规范（试用稿及个别地方规范已有），其结构设计主要还是依靠北美的设计。但随着这两年轻钢住宅体系在国内的不断兴起，已有不少公司开始引进一些设计软件，这里简单介绍一下轻钢住宅体系中整个结构从设计到现场安装的全过程。
先看流程图：
由于采用了专用的设计软件，使得工厂有可能实现从建筑图纸到结构图纸的自动转化，前提是需要专业的设计人员，将建筑图在CAD软件中重新绘制一遍，选择使用的设计标准，如：<<澳洲/新西兰设计规范>> (AS/NZS 4600:1996)等，并录入相关的荷载数据（风载、雪载、地质资料等），系统本身便可以自动生成结构图纸，以及生产所需的构件清单。生产人员通过网络或其他媒介，将系统生成的构件清单直接输入设备控制软件，软件便会控制设备自动生产出各种规格的构件，并在构件上制作各种定位孔、服务孔等，同时自动标注构件代号等相关信息。拼装人员根据安装图纸以及构件上的构件代号，可以轻松安装起墙体、屋架以及整个房屋。以下是生产系统具体流程：
轻钢住宅体系的安装完全是拼装的过程，整个房子依靠的是所有承重墙体的整体受力，这就要求所有受力的构件都要按设计要求在合理的范围内受力，进而要求每一个构件加工的精度必须要高，这里包括各种构件的尺寸（包括截面尺寸、长度尺寸），各种孔的位置，C型与U型构件配合得情况等都要求相当精确，各种误差须控制在1mm之内，否则可能会引起构件受力不均，从而导致结构失稳的情况发生。
目前市场上常用的轻钢构件规格主要参照北美规格和澳洲规格两种：
北美轻钢构件规格：
北美体系中轻钢构件名称通常采用四组数字代码（t和k均为数字项）、一个英文字母代码及一个横线组成，如图2示。第一组数字代码代表构件腹板高度，350即3.5英寸；紧接着一个英文字母，S代表Stud，表示C型构件，T代表Track，表示U型构件，L表示L型构件；第二组数字代表翼缘宽度，162即1.62英寸；字母t应该是一组数字，表示材料（制造构件的钢板）厚度，以mils为单位（0.054英寸=54mils），t的范围一般在18-97mils，但该厚度通常指材料的基材厚度，不包含表面镀层厚度；括号中的字母k也应该是一组数字，表示材料要求的最小屈服点，以ksi为单位（表2中可查到相应的Mpa数值），如果所有材料要求的最小屈服点都一致，譬如50ksi（345Mpa），则可能构件名称中不作特殊说明，括号内容可取消。
举例说明：
澳洲轻钢构件规格
从2002年开始，作者本人就已经参与了一些较大规模的轻钢住宅项目，包括：大连枫桥园别墅、北京纳帕溪谷别墅、杭州桃花源别墅、成都麓山国际社区、美国Value Place Hotel（连锁酒店）等等。
3 地震灾区的应用
由于轻钢住宅体系具有抗震好、施工快、场地要求小的特点，这种建筑形式在发达国家的使用已经非常频繁，尤其是在日本、澳洲，轻钢住宅的房屋随处可见，在台湾发生921大地震之后，轻钢结构住宅更是引起了人们极大的重视。
那么在我们的四川，在地震的灾区是不是也可以推广这种轻钢住宅呢？答案是肯定的，尤其是在我们这个全球钢产量第一的国度里，用轻钢的结构搭建房屋完全符合国家的需要。我们可以从以下几个方面进行分析：
1、重建时间紧迫，我们应采取更加高效的建造方式；
“大体用三年的时间基本完成灾后重建的主要任务”。这是国家发改委对灾区重建工作提出的目标，实际上这个压力还是比较大的。一方面大震之后的老城区是否适合重建有待考量，即使可以重建，清利、处理废墟的工作也要不短的时间，而新址的选址、规划等工作本身就要花费较长的时间；另一方面，重灾区有很多地方都处于山区，施工条件本来就不好，一旦开始重建，必然是很多建筑同时进行，施工作业面也必将受到限制。因此考虑采用速度快、施工简单、作业面小的建造方式，将会是不错的选择；
2、震区重建，应提高建筑的抗震及其他防灾能力；
08年初中国南部的雪灾和这次地震，都在提醒人们，极端的恶劣自然灾害离我们的生活不再遥远，未雨绸缪、防患于未然，提高抵抗恶劣自然灾害的能力，应作为新建建筑规划时必须要考虑的问题。即使是农村的低端建筑也至少要保证受灾时不要危及人员的生命安全，其他的诸如学校、医院等公共场所，那就更值得关注了。
3、灾区重建不应对自然环境造成更大的破坏；
每一次人类的大规模行动都会对自然造成一定的影响，更别说整个灾区的重建了。传统的建造方式对砖、瓦、水泥的依赖，必将对环境产生极大的破坏——开山采石、破坏环境，砖、瓦、水泥的生产过程更是重度污染，当这些房屋过了使用寿命之后，拆下来的建筑垃圾也是难以处理，同时传统砖混结构本身对能源的浪费更是不可低估。既然我们已经品尝到了破坏环境的恶果，我们为何不在建设的初期，就考虑清楚该如何最大程度地减少对环境的影响呢？既然全球都在提倡使用可再生资源，提倡环保节能，我们就更应该把这种理念带到灾区重建中去。钢材是可回收的资源，中国又是全球的第一产钢大国，生产出来的钢只为了出口怎么行？我们当然应该想办法提高我们的钢材使用效率，尤其是提高钢材在建筑方面的使用率。
4、符合国家住宅产业化的政策；
国家提出住宅产业化的概念已经很多年了，可如何真正做到住宅产业化，这是一个尚未解决的问题。利用灾区重建的机会，总结出符合中国国情的住宅产业模式，既解决了灾区的需要，也为真正实现住宅产业化奠定了基础。但产业化不是一个口号，也不是传统的建造模式能够解决的问题，保证整个建材产业链上的每一个环节都真正实现模块化、标准化的生产与装配，才是最关键的问题。
结合前面对轻钢住宅体系的分析，我们可以发现上述几个问题，轻钢住宅体系都可以比较妥善地解决，但为什么这样一种先进的建造方式在我国至今无法推广起来呢？恐怕与以下三个方面有关：
1、国家规范尚未出台，众多设计院无法对相关结构图纸进行审核。从本世纪初，轻钢住宅体系进入中国以来，就已经有很多人在关注它，2002年的时候还曾经考虑过要出台相关方面的规范，但可惜的是，时至今日由于种种原因，规范还是没有出来，地震发生之后，这种体系又开始回到人们的视线中，毕竟它所具有的优势还是非常明显的，一份《中华人民共和国行业标准——低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》很有可能会在2008年底到2009年初面世；
2、人们的观念尚停留在传统的建筑形式上，对轻钢住宅体系不了解，专业的技术人员也比较缺乏。由于是全新的建筑形式，要让人们接受住在一个钢结构的房子中，确实需要一定的过程和宣传。但更关键的是相关技术人员或者是专家的缺乏，也间接地导致了相关规范迟迟无法出台；
3、开发商以及政府对成本的核算依旧停留在材料成本上。轻钢住宅体系仅就原材料成本而言，确实高于传统的砖混结构。但这种结构对能源的节约，对人员成本的减少，对工期的缩短以及对环境资源的保护，却是将建筑物的一个全寿命周期内的成本给大大减低了。我们的开发商，我们的政府真的不应该再简单地提问，你这个房子多少钱一个平方啊。我们应该更多地考虑到：劳动力的成本在上升，要不要好好算算；工期缩短了，整个项目的运作成本是不是能省下来；节能减排，是不是需要在建造的初期花点成本；环境一旦破坏，我们得花多少倍的代价去重新治理，建筑物过了使用寿命以后该怎么办等等。当这些问题都考虑全面了以后，轻钢住宅体系的成本优势必将体现出来。
既然是灾区重建，我们考虑的问题应该是全面的。从国内外历次大规模的重建情况看，整个重建过程是长期和艰巨的，远不是把房子重新盖起来那么简单的事情。合理地规划，统筹地管理，有效地控制成本，才能让重建工作顺利、早日完成。当然，传统的建造形式，必然还是重建的主流，但新技术、新方法的使用，也应该是重建工作需要重视的问题。我们希望灾民们能够尽快住进新的家园，我们希望灾民的新家是安全、舒适的，我们希望重建的过程不要给子孙后代留下什么遗憾，我们也希望先进的建造理念能够让人们的生活更加美好！
