轻型钢结构建筑

邹欢 / ZOU Huan

1 引言

一提起轻型钢结构，人们马上想到活动板房，由于轻型钢结构往往是作为临时构筑物出现在工地、救灾抗灾现场等，很少有人认为它是建筑，也很少有建筑师会对其感兴趣。而法国建筑师埃里克 · 杜博斯克先生却在这个不为人关注的领域潜心研究实践了几十年，取得了很大的成功。从本期介绍的实例来看，轻型钢结构已经成为一种具备诸多优点，非常有表现力的建筑结构体系。

轻型钢结构通常有两种：一种是用冷轧薄钢板的薄壁型钢组成的骨架结构；一种是用断面较小的型钢（如角钢、钢筋、扁钢等）制作桁架，再组成骨架结构；还有混合使用这两种方法组成的骨架结构。薄壁型钢首先应用在汽车、飞机和船舶的骨架结构上，在建筑上的大量使用是在二战以后，西欧国家大规模的城市建设发展提出了建筑工业化的要求，而轻型钢结构正好适合快速、便捷、大批量生产的建设要求。同时期钢铁工业的迅猛发展也促使轻型钢结构在建筑工业化体系中占据了重要的位置。

轻型钢结构较多地应用于学校、住宅、办公、旅馆、医院以及工厂和仓库等建筑中。

2 轻钢结构的优点

轻型钢结构建筑的优点在杜博斯克先生的文章中会有详述，可以总结为：结构更安全，空间更舒适，环保性能更好，经济效益更优。

2.1 结构更安全

轻型钢结构的抗震性能和抗风性能都优于砖混结构和钢筋混凝土结构。

我们知道，建筑物质量越重，其承受的地震力影响越大。而轻型钢结构采用高效轻型薄壁型材，承载力高，构件尺寸小，一般可减轻建筑结构自重的30%。轻型钢结构建筑围护采用轻质的墙体和楼面材料，建筑重量是钢筋混凝土建筑的1/2，砖混结构建筑的1/5。建筑整体自重减轻，所受的地震力影响减小。

轻型钢结构的整体刚度大。轻型钢结构在封闭完结构性板材及石膏板之后，形成非常坚固的“板肋结构体系”，这种结构体系有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力，适用于抗震烈度为8度以上的地区。同时，钢材的强度高、延性好，特别是钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，抗震性能非常好。因此，轻型钢结构用于结构抗震措施的费用少，适用于地震多发区。

建筑自重轻的另一个好处是基础负担小，可以大幅度减少基础造价，所以轻型钢结构尤其适用于地质条件较差的地区。

从抗风性能来看，轻型钢结构建筑强度高、整体刚性好、变形能力强，可抵抗每秒70m的飓风。同时，轻型钢结构的耐久性好，其结构体系全部由冷弯薄壁钢构件组成，钢骨采用防腐高强冷轧镀锌板制造，可以有效避免钢板在施工和使用过程中的锈蚀影响，延长了构件使用寿命。轻型钢结构的结构寿命可达100年。

2.2 建筑舒适度提高

轻型钢结构建筑在保温和隔声等方面的表现优秀。

轻型钢结构采用的保温隔热材料以玻纤棉为主，具有良好的保温隔热效果。外墙外保温板可以有效地避免墙体的“冷桥”现象，达到更好的保温效果。据测算，100mm厚的R15保温棉热阻值相当于1m厚的砖墙。

隔声效果是评估建筑，尤其是住宅的一个重要指标，由轻钢龙骨、保温材料、石膏板组成的墙体，其隔音效果可达到60dB。

轻型钢结构墙体的龙骨完全封闭在防水层与石膏板之间，不锈蚀，不腐蚀，不生霉菌，防潮性能好。管线可暗埋在墙体及楼板结构中，建筑室内空间干净、灵活。

2.3 建筑环保节能

轻型钢结构采用干作业施工，既节约了宝贵的水资源，亦可有效地减少废弃物对环境造成的污染。建筑钢结构材料可100%回收，其他材料也大部分可回收和再利用，具有很高的可重复使用性和可循环性，环保节约。

轻型钢结构建筑采用高效节能墙体，保温、隔热、隔声效果好，可达到50%的建筑节能标准。

干作业施工减少了工地垃圾，同时大大改善了施工条件。

2.4 经济效益好

从包含设计、施工和使用的建筑全生命周期来看，轻型钢结构建筑的经济效益明显。轻型钢结构建筑用钢量低于钢筋混凝土建筑，造价低；施工快捷，全干作业不受环境和季节影响，节省时间，节约投资；同时，轻型钢结构具有产业化的优势，也可以大大降低建造成本。

从建筑师的角度来看，轻型钢结构建筑易于实现建筑空间灵活流动的要求。钢材强度高，可以采用大柱网，建筑空间不受结构限制。轻型钢结构空间跨度可达12m。同时，墙柱等构件截面尺寸小，可增加净使用面积5%～8%。应当考虑楼板的组合作用，使用组合梁或扁梁时，还可以增加净高，实现高大空间的理想。

3 轻型钢结构在中国的发展分析

轻型钢结构有着众多优点，但是近年来在中国的发展却并不如人意，与中国建筑市场如火如荼的景象不相称。在欧美国家，轻型钢结构建筑已占到全部建筑总量的65%左右，在日本占到了50%左右，但在中国采用轻型钢结构设计的建筑比例还不到5%。究其原因，有以下几点。

3.1 传统观念的影响

建筑的最初意义是为人们遮风避雨，因此对于结实稳固的追求成为建筑的内涵，对砖石的厚爱已经深深沉淀在人们的建筑审美潜意识中。直到今天，“坚固、实用、美观”仍然是解释评价建筑的基本准则之一。因此，当建筑，尤其是住宅的形象转为轻盈，甚至轻飘的时候，人们的观念很难随之转变。这也可以解释为什么在我们的周围，钢结构的建筑最终还是要披上砖石的外衣，“雄伟壮丽”依然是形容建筑的常用词。

3.2 结构设计与建筑设计分离

长期以来，建筑、结构、水、暖、电的专业分离已经成为中国建筑设计的固定模式，几乎所有的设计都遵循先建筑后结构的设计程序。而轻型钢结构需要建筑与结构设计一体化，甚至结构先行，同时各专业紧密结合。从本期介绍的案例可以看到，轻型钢结构建筑的结构构件直接成为建筑立面的形式表现，施工工艺也直接在建筑形式中体现出来。这就要求建筑师能够把握从设计到施工的各个环节，专业之间紧密配合。而传统建筑设计中所谓“外饰面”的遮盖式处理手段在轻型钢结构中没有用武之地。

另外，轻型钢结构设计需要建筑师对材料非常熟悉，包括材料的性能、特点、规格以及施工工艺，而这方面是中国建筑师和建筑教育的弱项。

3.3 缺乏专业施工队伍

轻型钢结构对施工技术要求很高，需要经过严格培训的专业技术工人。目前国内建筑施工企业能够胜任大型钢筋混凝土建筑的施工，而能够完成轻型钢结构施工的却很少。轻型钢结构建筑对中国建筑施工来讲是一个挑战，同时也是产业技术升级的机会。21世纪将是轻型钢结构快速发展的时期，可以预见，未来从事轻型钢结构制造、施工的企业前景将非常宽阔。

3.4 建筑材料不够丰富完善

中国钢铁工业的产量已居于世界前列，但钢材在建筑业的使用比例却远低于发达国家的水平。究其原因，中国建筑钢材品种不够多样，规格单一。仅从彩钢板的颜色就可以看出，欧美国家彩钢板颜色多种多样，可以根据客户需要进行定制，而中国市场上的彩钢板只有红、蓝、白等几种简单鲜艳的颜色，严重影响彩钢板在建筑上的使用。其他的配套产品也规格单一，以至于很多产品不得不进口，大大增加了建筑造价。

轻型钢结构建筑非常符合绿色建筑的理念，无论是材料、结构，还是施工以及建筑使用，都环保节能。发展轻型钢结构建筑尤其是轻型钢结构住宅，对中国的建筑产业具有重要的意义。

轻型钢结构要发展，首先，要改变人们对建筑认识的传统观念“重不等于坚固”，结构设计的发展历史就是向空间“更高、更轻、更大”挑战的历史；其次，材料技术的发展为建筑提供了更多的选择，诸如钛合金、炭纤维等材料进入建筑领域不会太遥远，轻型钢结构为我们打开了建筑从重到轻的大门，与工业科技的结合在未来会更为广阔；最后，发展轻型钢结构还需要建筑从设计到施工全过程的更新升级，改变建筑与结构专业的脱节，促进建筑施工企业的技术升级，一旦市场有了真正的需求，制造商也会积极回应，提供更多更丰富的产品。

如果说“凝固的音乐”是对传统建筑的抒情，那么轻型钢结构可以被形容为“凝固的轻音乐”。希望在这样一个百花齐放的时代，轻音乐也能够流行开来。