装配式钢框架结构住宅套型设计研究＊

文/中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院 赵 钿 白 宇 刘兆龙 王振海 刘冬贺 单孟硕

赵 钿，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院院长，教授级高级建筑师

白 宇，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院建筑师

刘兆龙，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院设计师

王振海，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院助理建筑师

刘冬贺，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院建筑师

单孟硕，中国建筑设计院有限公司装配式建筑工程研究院工程师

钢框架结构是一种技术成熟、性能优良的结构形式，具有跨度大、内部空间灵活的优势，在公共建筑中应用十分广泛；但在住宅建筑中的应用，无论是项目数量，还是规模上都与钢筋混凝土结构相去甚远。造成钢框架结构住宅推广难的原因多种多样，其中住宅套型布局与钢框架结构的受力原理不协调，是制约钢框架结构在住宅上成功应用的首要原因。

1 套型设计与结构体系的矛盾

住宅套型设计与采用的结构形式密切相关。20世纪90年代以前，我国住宅大多采用多层砌体结构，由于砌体结构是承重墙体系，对住宅平面中承重墙的布置有比较严格的要求，如墙体在平面、剖面上要连续并对正，门窗洞口宜对齐，8度区住宅的横墙间距应控制在4.2m以内等。因此砖混住宅的平面比较规则方正，空间灵活性较差（见图1）。由于该类结构大量应用烧结黏土砖，严重破坏土地资源，从“十二五”起黏土制品使用受到严格限制，砖混结构逐渐被现浇钢筋混凝土结构取代。

20世纪90年代以后，现浇钢筋混凝土技术日趋成熟，成本逐步降低，现浇剪力墙结构在中高层住宅大量应用。随着住宅发展，对自然通风和采光的要求越来越高，市场上出现许多外墙轮廓凸凹变化很大的套型，由于剪力墙结构能承受较大的水平荷载，对建筑平面布置适应性好，能够支持套型平面变化的需求，成为住宅的主流结构形式，一直延续至今。但套型外墙过多的凸凹变化也对结构的合理性和经济性提出很大挑战。由于剪力墙结构也是墙体承重结构，因此开间不宜过大，横墙间距在8度区通常为6m，建筑室内空间灵活性也受到一定限制（见图2）。

近年来，框架式钢结构住宅项目逐渐增多。许多项目直接将钢筋混凝土剪力墙结构形式住宅套型改为钢框架结构，这就产生了结构形式与住宅套型的匹配问题。以昆山某钢结构住宅楼项目为例，从图3可看出，结构柱网不规则、柱跨很小、梁多、内部抗侧向力的斜撑也比较多；另一个例子是北京通州台湖公租房项目，2栋80m高混凝土剪力墙结构公租房住宅改为钢结构（见图4），在按原套型平面布局进行结构设计时也出现类似问题。总之，钢框架结构体系与现有住宅套型的矛盾主要表现在以下2点。

图1 砌体结构典型套型

图2 某高层钢筋混凝土剪力墙结构套型平面

图3 昆山某钢结构住宅楼结构布置轴测图及三维整体模型

图4 通州台湖公租房原套型平面柱网布置与套型结构模型

1.1 住宅套型平面外墙凸凹过多

由于采光、通风和造型需要，许多住宅套型平面会出现许多凸凹，剪力墙结构对这种凸凹变化有较大的容忍度。但这种凸凹在钢框架结构会导致结构布置出现较多单跨及小柱跨，既增加柱的数量，也使钢梁跨度受到极大限制，不能有效发挥钢结构大跨度的优势。与钢筋混凝土剪力墙结构相比，钢框架结构抗侧向力能力较弱，在凸凹部分易出现应力集中，会进一步削弱钢框架结构抗侧向能力，只有通过增加抗侧向力的结构构件或增大梁柱尺寸，才能满足结构强度要求。一方面，造成用钢量增加，成本上升；另一方面，暴露在住宅室内的梁柱构件对住宅的使用也有不利影响。

1.2 结构构件不对位

住宅外墙过多的凸凹变化使外围柱网被打断、套型平面内房间尺寸不统一、隔墙不对位造成结构构件不对位，难以形成连续柱网和连续传力路径，严重影响框架结构刚度；同时，构件不对位也使结构设计变得复杂，造成构件类型、节点种类、材料成本和施工成本增加。

因此，无论砌体结构、混凝土剪力墙结构，还是钢框架结构，任何结构体系对住宅平面设计都有所限制，套型设计均应遵循结构体系的力学原理。钢筋混凝土剪力墙结构给予住宅套型设计以较大自由，但直接把这种脱胎于剪力墙结构的套型用于钢框架结构住宅中，矛盾就暴露出来。究其原因，设计师以一种惯性思维进行套型设计，忽视了结构体系和住宅套型的相互制约关系。在钢框架结构住宅设计中，应重新思考住宅套型设计逻辑，协调钢结构体系力学要求与套型平面功能的关系，创造出符合钢结构力学特点的新型住宅套型。

2 住宅套型设计应符合钢框架结构受力原理

规则结构柱网下的结构传力更直接、简洁，梁柱能充分发挥作用；建筑平面布置规整能够减少悬挑，降低水平力作用下的结构扭转效应，使构件尺寸更加合理。因此，在钢框架结构套型平面设计时，应减少外墙凸凹，并尽可能将结构构件对齐，形成连续柱网。北京成寿寺B5地块公租房套型采用6.6m×6.6m的长方形规则柱网（见图5），套型内部无柱，套型平面很好地满足了住宅功能需求。通州台湖公租房钢结构住宅在充分考虑钢框架结构受力特征后，重新进行套型平面设计，与基于混凝土剪力墙结构的原套型方案相比，新的套型平面轮廓更加规则，柱网连续；用钢量较原方案减少约40%，有效提高了结构的经济性与合理性（见图6）。

图5 成寿寺B5地块公租房平面

图6 通州台湖公租房新套型平面柱网布置与套型结构模型

3 住宅套型设计应充分利用钢框架结构优势

3.1 钢框架结构为住宅使用功能的变化预留最大可能

从较长周期看，建筑的使用功能并非一成不变。我国的传统住宅通过室内陈设的改变实现功能改变。西方现代建筑中有“通用空间”概念，主张平面设计应减少对功能的限定。换言之，一种具有包容性和灵活性的建筑空间为提高建筑寿命创造了条件。

装配式建筑由结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管线系统4个系统组成。其中结构系统的改动最困难，其寿命也是4个系统中最长的；随着使用功能、维护更新的要求，其他3个系统也会不断变化，寿命也要比结构系统短得多。因此，结构系统应尽可能少占用建筑内部空间，为其他系统的更新和改变预留足够可能。

与钢筋混凝土结构相比，钢框架结构具有构件截面小、结构自重轻、跨度大的优势，便于形成自由分割的空间。因此，在住宅套型平面设计中，应该充分利用钢框架结构优势，创造能够适应需求变化的“通用空间”，为住宅使用过程中的变化提供最大限度支持，也为住宅功能的转化预留可能。

3.2 钢框架结构支持套型多样化划分与组合

当前，我国城镇化率已超过50%，大地块大规模集中开发的项目会越来越少，小地块精细化开发项目将越来越多。如何在小地块甚至1栋楼内提供不同种类的住宅套型，需要有合适的结构体系支持。与剪力墙结构相比，钢框架结构能够支持平面自由划分和套型组合。例如，可根据需要在不同楼层设计不同的产品，如低区可做小套型；高区可做成大套型或平层住宅。随着自持、租赁为主的住宅项目越来越多，也会出现后期运营中改变套型组合的情况，如将分户隔墙打掉，将2户或多户合并成更大的居住空间；或将大套型分割为更小的套型。钢框架结构为套型改变、重新组合提供可能（见图7）。

3.3 钢框架结构住宅套型内部空间的多样化设计

在住宅使用过程中，家庭成员数量、生活方式的变化都会带来住宅布局改变的需求。在高房价时代，通过更换住房实现这种改变的代价过于高昂，对大多数消费者而言无法接受，因此在住宅套型内部空间提供可变性尤为重要。剪力墙结构的住宅套型受制于剪力墙限制，室内空间的改变很难有大的作为。在钢框架结构住宅中，内部空间的改变比较容易实现（见图8）。在1927年德国斯图加特魏森霍夫住宅展上，密斯·凡·德罗设计的1～4号住宅，就以钢框架结构实现了一种可变平面的设计。上世纪60年代荷兰的支撑体住宅和日本的SI住宅体系均实现了可为居住者提供丰富的个性化空间。2016年，在万科研发的“万科芯”住宅中，整个套型以1根结构柱作为建筑核心，外围护墙体作为剪力墙，固定管井位置，实现了住宅套型设计的极大可变性。

图7 德国蒂瑟道夫可变住宅（1973年），设计人：H·施维帕特

图8 钢框架住宅结构布置示意

图9 方案一：豪华一室套型

图10 方案二：精致二室套型

图11 方案三：经济舒适三室套型

4 钢框架结构住宅的全周期套型设计

装配式建筑4个系统的寿命不同，更新维护的频率和难易程度也不相同。因此，可把构件和部品分为2类：一类是相对长寿和固定的，包括承重结构的柱、梁和竖向管井；另一类是耐久性较低和需要进行阶段性维护更新的，如装饰装修部品和户内机电管线部品等，可进行灵活布置，满足多样化需要。

本文以在商品住宅中常见的120m2三居套型为对象，结合家庭成员数量和生活方式的变化，研究适用于钢结构的全周期住宅套型，提出4种方案。

1）方案一 按照一室户进行设计。充分利用结构形成的10.2m×11.0m的大空间，以起居室为中心形成“岛”式居住空间（见图9），起居空间宽大舒适，除日常起居外，兼具多种休闲文化功能；卧室空间南北通透，拥有分区卫生间及独立衣帽间。

2）方案二 按照二室户进行设计，完全满足家庭起步阶段二人世界的需要。与一室套型相比，在起居室中划分出1个独立书房，提供了更多的私密空间（见图10）。

3）方案三 以满足三代人共同生活为目标，是市场上最受欢迎的经济舒适型三居套型（见图11）。客厅、餐厅、厨房“一”字形贯通，空间通透，开敞明亮；老人房独立设置；卫生间便浴分离，形成独立的淋浴间和马桶间，干湿分离，效率高，方便使用。

4）方案四 在三室套型的基础上，为适应二孩家庭专门设计迷你四居（见图12）。将餐厅与起居室结合设计，调整厨房家政区，在北侧设计了2个享有采光的独立儿童房。

从以上方案可看出，钢框架结构住宅具有很大优势，框架结构形成的大空间为套型内部空间变化提供了多种可能。一方面结构和竖向管井相对固定，简化了设计难度；同时利用结构形成的大空间能够设计出多种套型，可适应不同类型家庭或家庭不同阶段的需要。

图12 方案四：极限四室套型

当然，钢框架结构住宅的套型设计也需注意结构梁对室内空间的影响、楼梯电梯布置与柱网的结合、厨卫竖向管井的位置等。结构柱网的选择和服务空间的位置将决定住宅套型的灵活性能否真正实现。装配式装修方式能使住宅室内空间的灵活可变真正具备可操作性。

5 结语

综上所述，无论采用砖混结构、钢筋混凝土剪力墙结构还是钢结构，住宅套型布局受结构体系影响很大，平面设计要遵循结构的力学规律。不能简单地把混凝土剪力墙结构的套型直接套用在钢框架结构上。由于结构体系和建筑功能共同决定了住宅套型单元的平面形式，所以应该转变套型先于结构的设计思路，统筹结构设计与建筑功能布置。

在钢框架结构住宅设计中，应减少平面轮廓的凸凹，使结构构件对位，形成规则的框架柱网。在此基础上，应研究如何充分发挥钢结构框架体系形成的平面大空间优势，优化平面结构布置，充分考虑建筑功能的变化和家庭居住需求的演变，提供建筑平面内的套型划分及套型内部多样化设计的可能性。这种顺应装配式钢框架结构体系的全周期套型是建筑设计研究的重点方向。

参考文献：

[1]赵钿，刘冬贺，潘磊．钢结构住宅的六个系统性问题及解决方案[J]．建筑技艺，2016（8）：98-101．

[2]刘冬贺．基于开放住宅理论的钢结构住宅设计研究[D]．北京：北京交通大学，2014．

[3]卢永毅，凌颖松．魏森霍夫“集群建筑设计”回望[J]．时代建筑，2006（1）：30-35．

[4]代号“万科芯”，万科的绝密项目“115m2创新套型”[EB/OL]．[2017-01-21]．http://bbs．zhulong．com/101010_group_678/detail30661903．

[5]贾倍思．居住空间适应性设计[M]．南京：东南大学出版社，1998．