前 言.

變革傳統的建筑理念,使建筑具備“環保、節能、工業化”即“綠色建筑”的特征,是社會生產力發展和建筑科技進步的必然趨勢,也是人類的共同理想.與傳統的住宅建筑結構形式相比,鋼結構是一種最符合“綠色建筑”特征的結構形式.它最容易實現設計的標準化、構配件生產的工廠化、施工的裝配化和機械化、產品供應的社會化和市場消費的系列化.可以預期,隨著高效建筑鋼材的開發和鋼結構應用技術的發展,21 世紀將會是鋼結構住宅建筑興起的世紀.

作為鋼結構住宅的設計者,學生畢業設計\\(鋼結構住宅\\)的輔導者在設計實踐中體會到了其存在和發展的優勢,同時也發現了鋼結構住宅在今后推廣和應用中所亟待解決的問題.鋼結構住宅的建筑設計是鋼結構住宅設計的重要組成部分,現以多層鋼結構住宅設計為例,介紹設計鋼結構住宅在建筑方面值得注意的幾個要點問題及其相應對策.

1 平面設計

住宅的平面功能是住宅建筑設計的出發點與歸宿點.從社會學的角度看,住宅平面組織應該是居民生活方式的反映.鋼結構住宅建筑設計約束因素除應遵守國家建筑法規和技術規范外,還應注意以下方面.

1.1 柱網布置應滿足規則性要求

多層鋼結構住宅的結構大多采用框架結構體系,不適宜軸線錯開較多,形心和質心距離較大和易于產生較大扭轉的住宅平面,柱網布置應滿足規則性要求,宜以住宅單元或套型為單位實現模塊化,以模塊的平接、錯接、對稱接、凹凸接等多種拼接適應總平面布置的變化.

1.2 柱距的確定與經濟要求有關

過小的柱距將導致柱子數量增加,致使結構用鋼量增加;而過大的柱距,將導致需采用較大的梁截面高度,除可能影響設備管道的通行外,尤其會增加建筑的層高,從而使建筑的造價及使用維護費用的增加.一般框架結構較適合的柱網尺寸為6m~12m[1].

1.3 住宅平面應按模數規定布置

住宅功能的多樣性要求房間的開間、面寬均有較大的變化, 反映到結構構件上, 會帶來結構構件如梁、柱的用料、斷面尺寸、大小等的不同.與傳統砌體結構建筑不同, 鋼構件不能在現場自由加工、任意增加其長短, 同時鋼節點所用的連接件的用料、尺寸變化也比較多樣, 這增加了工廠加工制作的難度, 而且提高了制作成本, 同時也給現場施工帶來困難, 不利于施工速度的提高.因此, 在鋼結構住宅的設計中既要考慮到房屋功能方面的要求,又要考慮到鋼結構的施工、加工方面的要求, 使鋼結構住宅設計向模數化、體系化的方向發展.對房間跨度進行模數規定, 有利于鋼結構計算, 同時有利于結構構件的模數化以及連接節點的標準化,因而最終有利于鋼結構住宅的生產與施工.

1.4 平面布置的靈活性

由于鋼結構具有強度高、可以實現大開間、高凈空的特點,因而在住宅設計時可以將傳統磚混結構住宅的很多承重墻改為輕質隔墻.由于隔墻的輕質化和可拆改化,居住空間的大小可以靈活布置,能夠最大限度地滿足住戶對住宅的功能和設備的高品位的需求.除了樓梯間、廚房、衛浴等部分的功能確定之外,住宅中的其他部分均可由輕質隔墻來完成分區,在有限的不變體限定下,可以創造出無限的自由戶型,滿足了人們對住宅多樣化功能的需要.一般來說,磚混結構住宅的靈活性設計只能達到一級,一般粱柱體系的鋼筋混凝土空間結構體系的住宅的平面靈活性可以達到二級,而鋼結構住宅的靈活性則可以達到五級[2].從上述靈活性的分析中,我們不但了解到鋼結構住宅比磚混結構住宅和鋼筋混凝土框架結構住宅在平面設計上,有著無法比擬的靈活性的優點,同樣在日后的使用、改造和拆除方面都有著明顯的優越性.

1.5 廚房、衛生間的設計

研究開放住宅\\(或研究住宅的靈活性\\),一個關鍵的問題就是廚房衛生間的設計.第一,廚房、衛生間的位置應靠近混凝土核心筒或混凝土剪力墻,避開鋼結構承重構件,以利于鋼構件的防火、防腐處理.第二,為了達到同層檢修的目的,讓廚房、衛生間地面整體下沉,再用輕質材料回填.如果是整體廚房、衛生間盒子間,已包括了廚房、衛生間的 6 個面,原有的地面也應該下沉.廚房、衛生間地面整體下沉的做法,并不僅是鋼結構住宅的特殊要求,其他結構形式的住宅的廚房、衛生間設計也應該朝這個方向發展,它可以解決上下樓層之間滲水的矛盾.第三、廚房、衛生間應采取整體化設計, 廚衛設備應符合模數協調原則; 實行工廠預制成品、現場組裝并為一次裝修到位創造條件.

2 立面設計

2.1 體型設計

目前我國大多數的鋼結構住宅由于結構跨度的需要,多采用一些簡單體型,往往使整個體型比較呆板.但這一特點恰恰符合節能建筑設計技術,平整的墻面可以增加南向敞開度,加大日照面積;窗戶的設置有利于組織良好的室內通風,并保證夜晚室外涼爽的氣流進入洞口后能“覆蓋”室內平面,在人體高度范圍內通過.因此,應將鋼結構住宅建筑體型塑造的重點放在屋頂、門窗、雨篷、檐口等的形式上,用以追求變化.這是區別于其他建筑結構的.

2.2 立面設計

鋼結構住宅在建筑立面沒計中,可以利用外圍護結構自身材料質感的不同并配合個性墻體色彩,將鋼結構住宅處理得更豐富;也可以根據建筑造型的需要,在建筑入口、陽臺、雨篷及樓梯間頂部架設結構鋼架,再配以符合建筑個性的裝飾材料,精心設計可以獲得較為理想的造型效果.

2.3 協調鋼結構住宅的外墻板與住宅平面開間關系

鋼結構住宅外墻除需滿足各項技術要求外, 還應采用與住宅平面相協調的模數體系, 以有利于建筑外立面的洞口設置\\(包括門洞及窗洞\\).設計過程中需要考慮采光窗與外墻墻板的模數關系, 采光、通風及立面造型方面能夠達到建筑設計要求,同時使外墻板之間、外墻板與鋼構件之間的連接安全合理、構造方便, 并為構件制作、運輸、吊裝創造條件.

3 剖面設計.

由于鋼材的材料特性, 使得同樣跨度時的鋼梁、柱斷面尺寸都比混凝土梁、柱小, 這樣有利于建筑室內空間的設計.但鋼結構梁、柱與樓板的連接方式與混凝土梁、板的連接有所不同,住宅按照 2.8m 的層高, 除去鋼梁截面高度 0.5m \\( 以跨度最大鋼梁截面高度計\\) , 在減去樓板厚度, 室內凈高小于 2.2m,按照原有的住宅層高標準不能很好地滿足居住要求,因此建議住宅方案的層高定為 3.0m.

4 節能設計

雖然鋼結構住宅相較于傳統建筑材料住宅而言有著非常多的優勢,但是鋼材的熱導率卻是混凝土的 30 多倍[3].所以鋼結構住宅在保溫節能上需要進行更為細致的設計與建設.當前鋼結構節能構造基本都是從以下幾個方面出發:

4.1 住宅建筑的朝向

住宅建筑的朝向選擇很重要,以南北向或接近南北向為好,冬季應有適量的陽光射入室內,并盡量避免冷風直接吹襲;夏季則盡量減少太陽直射室內及外墻面.主要房間宜設在冬季背風和朝陽的部位,減小圍護結構的散熱量.

4.2 提高圍護結構的熱工性能

建筑空間內熱環境的優劣,取決于室外自然環境和圍護結構的熱工性能.據統計,建筑物通過圍護結構散失的熱量大約占整個熱量損失的 70%左右.因此,建筑節能設計應通過控制窗墻比和改善外墻、屋面、樓地面、門窗、樓梯間等建筑圍護結構的熱工性能,來實現節能 65%的目標[4].

4.3 建筑結構設計上盡量減少熱橋的出現

熱橋是鋼結構住宅中應該著重注意的地方.所謂熱橋就是在建筑中因為多種構造因素,使得建筑圍護結構的局部位置導熱率增大,與建筑總體導熱率不匹配,從而出現熱量大量流失的部位.通常情況下,熱橋在建筑的結構當中很難完全回避,譬如 T 型拐角處、建筑樓板層處.但是鋼結構住宅又具有非常靈活多變的設計,所以這對于熱橋的控制提供了很大的幫助.

4.4 鋼結構住宅內部設置

熱阻斷部分在住宅的關鍵部位進行鋼材的開孔處理,這樣既不會對建筑的力學性能造成影響,同時還能夠實現很好的建筑節能效果.

5 結 語

設計鋼結構住宅應尊重住宅使用的根本要求,鋼結構僅僅是建筑中承重體系和服務部分,它不是建筑使用中的主要成分.鋼結構住宅設計首先要遵循住宅建筑設計中的一般原則,然后才是發揮鋼結構的優勢,單純突出鋼結構而不考慮生活的舒適性、不能滿足人文要求的鋼結構住宅項目是沒有市場的.

鋼結構住宅建筑設計中需要解決的問題還有很多如建筑方案、建筑設備標準化的問題、建筑構造、建筑節能、裝修等方面的問題,這都需要從事鋼結構住宅設計方面的設計人員在今后的實踐中研究解決.

參考文獻:
[1] 李國強.多高層建筑鋼結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.
[2] 陳俊宇.鋼結構住宅平面設計與分析[J].中國科技博覽,2010\\(35\\).
[3] 賀晨云.淺析鋼結構住宅的節能設計[J].中國建筑金屬結構,2013\\(14\\).
[4] 王連坤,孫彤.高層鋼結構住宅節能技術分析與探討[J].建筑技術,2010\\(8\\).