浅谈钢结构住宅在我国的发展及前景

任 洹，杨晨鑫

(1.筑福(北京)城市更新建设集团有限公司，北京 102300；2.东风设计研究院有限公司南方公司，广东 广州 510000)

0 前 言

钢结构作为21世纪的绿色建筑，其构件适宜工厂化生产，可大大提高建筑工业化、商品化水平。钢结构在我国的应用历史已经有近百年，但我国的钢结构主要应用于商用建筑、工业建筑以及部分超高层和大跨度建筑，目前国内民用住宅仍然以混凝土剪力墙结构、混凝土框架结构、混凝土框架-剪力墙结构为主，反观日本、欧美等发达国家钢结构住宅已占据一定规模，我国钢结构住宅的应用距发达国家还有一定的差距，且我国建筑的用钢量也与发达国家有着不小的差距。随着我国钢铁产量的增长、住宅产业化的发展趋势、国家对钢结构应用的鼓励政策、社会环保意识的增强以及钢结构自身相对于普通混凝土建筑的优点,钢结构住宅建筑在我国具有良好的发展空间。

1 国内钢结构发展历史

我国的钢结构发展历史根据不同的历史背景可以简要概述为四个阶段：第一阶段为20世纪50年代初期，这是我国钢结构发展的起始阶段，在前苏联的156个援建项目下我国的钢结构开始了起步发展，期间通过了我国第一本钢结构设计规范，但由于钢材匮乏，当时主张节约钢材；第二阶段为20世纪60年代中到改革开放初期，此时我国的钢结构项目严重减少，钢结构人才紧缺，因钢材短缺故限制建筑用钢；第三阶段为改革开放初期到20世纪90年代中后期，随着我国经济的飞速发展，我国钢材产量已经位居世界前列，钢结构在建筑行业中的应用趋于多样化，我国对建筑用钢的策略也从限制使用转变为合理使用；第四阶段是20世纪90年代中后期至今，国家一直在鼓励绿色建筑、鼓励建筑工业化发展，再加上我国对环境保护的重视程度越来越高，而混凝土结构在施工过程中现场湿作业、工地扬尘多，对环境并不友好，多方面因素促进了我国钢结构的发展[1]。

21世纪以来，我国住建部便在全国各地开始推广钢结构住宅的使用。建设部在2001年发布《钢结构住宅建筑产业化技术导则》[2]，通过该技术导则指出了钢结构住宅发展的总体原则以及相关规定，针对钢结构住宅体系的基本内容，如住宅平面布局、钢结构设计、围护及分隔系统、装修、钢构件连接节点、钢结构材料的选用等分别进行了阐述，对于我国的钢结构发展进程来说，这是我国发布的首部钢结构住宅体系指导文件。2002年，经建设部批准，我国第一个国家住宅产业化基地在天津市成立。次年，天津市便发布了《钢结构住宅设计规程》用于指导本市钢结构住宅的发展。2004年，建设部通过发布《关于推广应用新技术和限制、禁止使用落后技术的公告》[3]，明确了新兴技术和落后技术的范围，并把作为新兴技术的钢结构住宅列为住宅产业化领域的最重要的推广技术。2019年住建部发布《住房和城乡建设建筑市场监管司2019年工作要点》,提出了要求各地省市积极建设装配式钢结构住宅试点。选择部分地区开展试点，明确试点工作内容、任务和保障措施，稳步钢结构住宅在当地的发展进程。推动钢结构住宅产业的发展，规定在装配式钢结构住宅试点地区范围内新建保障性住房、装配式住宅建设和农村危房改造、扶贫项目中的住宅房中采用钢结构装配式建造方式的最低比例，并立项追踪试点项目的进展，记录项目的推进情况。山东、湖南、四川、浙江四省也提出“要着力培育钢结构建筑新兴产业集群，加快推进钢结构装配式住宅发展；明确提出试点建设范围、建设目标、实现目标的具体策略及具体政策支持”[4]，尤此可见钢结构在我国将迎来大的发展机遇。

2 钢结构体系的优缺点

钢结构与混凝土结构相比，具有自重轻，强度高，塑性变形能力强，抗震性能好，跨度大，无需养护，地震时产生的地震力小，施工方式对环境友好，施工速度快，施工质量更容易控制，可重复使用，易于工业化等优点。一般钢筋混凝土结构建筑自重在1.5～2.0 t/m2，钢结构建筑自重低于1 t/m2，甚至更低，这不仅减少了基础负荷，而且降低了施工过程中运输和吊装的费用[5]。因钢材延性好、塑性变形能力强，钢结构在地震中表现良好，从地震灾害调查结果看，钢结构建筑倒塌数量是最少的，大大降低了地震灾害带来的损伤。钢结构体系可将构件的生产转移到工厂内，钢结构构件均为工厂预制，利于提高建筑产业化、标准化进程，现场构件的拼装以焊接和螺栓连接为主，不仅能为工人提供良好的作业条件、减轻劳动强度、缩短工期，而且能减少施工现场湿作业，降低噪声，减少粉尘和建筑垃圾等。装配式钢结构体系则更能体现出钢结构建筑相对于混凝土结构的优势，装配式钢结构使主体结构系统、外围护系统、管线与设备系统和内部装修系统做到紧密结合，均可在现场装配施工，并且装配式钢结构的节点推荐采用螺栓连接，全螺栓连接可避免现场焊接，从而减少焊缝处因油漆处理不当而发生腐蚀的情况。

钢结构的应用还存在不小的技术难题，其耐火性和耐腐蚀性较差。耐火性差使其在火灾中很容易出现蓝脆现象，强度大幅度降低，从而造成构件的破坏甚至建筑物的倒塌，例如“911事件”中，世贸大厦在遭受撞击后并未第一时间倒塌，在飞机燃料的熊熊大火两个小时的灼烧之下，钢结构逐渐丧失了强度最终发生了倒塌。现如今市面上已有防火涂料，涂刷防火涂料可将钢结构的耐火极限提升至2.5 h，但造价偏高。钢结构住宅要想得到发展就必须解决其防火问题，仍需研发更为经济实用的防火涂料。钢结构的腐蚀与所处环境、温度、湿度等因素直接相关，耐腐蚀性能差使其后期需要定期维护，一般厂房需要每5～10年维护一次，如火力发电厂房每5年维护一次，单次维护费用高达200万元，使用寿命内总维护费用为2 000万元。

3 国外钢结构住宅的发展历史

欧美等发达国家的钢结构在很早就已经开始普及，发展成熟，规模可观，工业化程度高。美国是最早开始进行钢框架结构应用的国家，世界上第一个钢框架高层建筑于1885年在芝加哥建成，该建筑共10层，高55 m，美国的世贸大厦、西尔斯大厦也均为钢框架结构。1921年，美国钢结构协会成立，钢结构发展步入萌芽期。从20世纪60年代起，原本建筑的各个专项体系向通用体系转变，推动美国住宅产业化快速发展，与此同时，由于简体结构设计的提出，钢结构在超高层建筑中得到了广泛的应用，为后续钢结构各项技术标准出台奠定基础。由于建筑构件的标准化、生产系统化、制作精准化、销售商品化程度很高，住宅产业化程度也随之提高、住宅建筑市场发育逐渐变得完善。随着技术水平不断提高，结构形式趋于完善，1990年大型装配式建筑公司发展壮大，部分金融服务公司也涉足装配式住宅领域，加快了钢结构住宅对钢筋混凝土住宅的替代速度。美国低层轻钢结构住宅主要由轻钢龙骨构件组成，轻钢骨架结构体系的所有结构构件均为冷弯薄壁型钢(如冷弯薄壁C型钢和斜卷边冷弯薄壁Z型钢)或其组合件，底层轻钢结构住宅很少超过4层[6]。美国多层轻钢结构住宅体系的研发较为成熟，并且在独栋别墅、叠拼式别墅等公寓上有较多的应用，许多技术可作为我国钢结构住宅体系发展的参考，并且研究其发展历程及模式对于我国钢结构体系的发展也有很大的指导意义。

日本作为多地震国家，钢结构由于其出色的抗震性能，在日本得到了大力发展，1909年的丸善大厦就是钢框架结构，建筑面积约为500 m2，共3层，并且日本是世界上率先在工厂里生产住宅的国家，日本广泛采用各国先进的工业化施工技术。根据日本工业化住宅建筑协会数据可知，2017年，日本建成的钢结构独栋住宅约4.1万栋，而非独栋住宅已占日本住宅总量的15%以上，约为12.7万栋。

4 钢结构住宅在我国的发展

长期以来，我国城镇住宅建筑一直以钢筋混凝土结构和砖混结构为主，甚至到现在大部分民用建筑仍然采用钢筋混凝土框架结构或剪力墙结构，因地域差异，南北方地区农村自建房多以木结构、砖木结构、砌体结构为主，均在结构材料、施工工艺等方面要求较低，施工场地以现场浇筑混凝土、手工作业为主。我国钢结构住宅没有得到广泛推广的原因主要在于工程造价方面，但随着我国经济的高速发展以及炼钢方式的不断优化，钢结构建筑的造价在不断降低，从1999年国家部委指定促进钢结构在我国发展的一系列政策之后，以及我国钢铁产业的迅猛发展，都为钢结构建筑在我国的发展奠定了基础。虽然目前我国钢结构设计、施工人才少，市场转型仍然需要时间，但我国已经具备了大力发展钢结构的技术条件，我国已经制定了相当成熟的钢结构设计、施工以及验收标准，一些钢结构研究成果也已经在全国各试点工程中取得了不错的效果，进一步为我国的钢结构应用提供了宝贵的经验，锻炼和培养了大批钢结构施工、设计人才。

已于2008年竣工的我国最大的钢结构住宅示范产业基地(杭萧钢构承接)：武汉世纪家园，是我国钢结构住宅产业由试点向市场转化的标志。武汉世纪家园总占地面积约为73 000 m2，总建筑面积229 700 m2。该工程主体结构采用钢结构，最大跨度8.5 m，柱截面以350 mm×350 mm为主，全部采用杭萧钢结构住宅产业化成套技术体系，充分体现了钢结构住宅的工业化、标准化、商业化等优势。

厦门市帝景苑项目是目前我国在建规模最大的钢结构住宅超高层建筑群，总建筑面积约55万m2。由5栋地上62层的超高层高档住宅和2栋地上3层、地下3层的商业楼及公建配套设施所组成。主体结构采用钢框架一钢支撑(屈曲约束支撑)组成的双重抗侧力体系，楼(屋)面采用可拆卸式和焊接式预制装配式钢筋桁架楼承板，该项目也充分彰显了钢结构住宅的舒适度高、抗震性能好、保温节能等多重优势。

我国不仅仅是钢铁生产大国，同时也是混凝土、砖砌体生产大国，砖砌体和混凝土建筑确实有着经济实惠的优势，但其对环境的影响也是不容忽视的，我国每年生产砌块砖达7 000亿左右，水泥生产5亿t，生产砖砌体对农田、土地的破坏巨大，而生产水泥每年则要向大气排放大量的二氧化碳，产生的建筑垃圾更是无法统计，且很难进行回收再利用。随着我国经济的发展和社会的进步，我们已经意识到了在发展要与环境保护相平衡，绿水青山就是金山银山，在倡导可持续发展的今天，混凝土建筑和砖砌体建筑已经是不合时宜的旧产物，我国钢结构建筑的春天就要来临了。随着经济的蓬勃发展、居民消费水平的提高，国家层面、社会层面、个人层面都越来越注重绿色建筑以及建筑中采用的新技术、新工艺等。钢结构体系是建筑工程中最具发展前景的绿色结构体系，符合国家建筑产业化和可持续发展的发展战略。

5 结 语

近年来，根据国家政策，我国在钢结构行业的科技创新、技术建设等方面进步显著，但关键技术相对于欧美国家来说仍有不足之处，结构体系创新与应用等与发达国家相比仍有很多落后之处。从目前我国建筑行业的发展趋势，结合国外发达国家钢结构住宅的发展情况，钢结构住宅体系在我国已具备产业化发展的条件，必将拥有着更为广阔的发展空间，未来很有可能取代混凝土建筑成为建筑市场中的主力军。

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