技术论文
轻钢住宅体系在地震灾区重建中的应用与探讨
2016-09-12

轻钢住宅体系在地震灾区重建中的应用与探讨

上海钢之杰民用轻钢体系  吴曙岽

       摘要:百年难遇的汶川大地震造成了巨大的人员和财产损失。悲痛之余,人们开始把目光聚焦在灾区重建上。如何快速、高效地为灾民建造安全、舒适的居住环境,是政府、媒体、老百姓关注的问题。结合钢之杰公司多年的项目经验,对轻钢住宅体系在灾区重建中应用的可能性作一次探讨,希望能为灾区重建贡献一份微薄之力。

       关键词:轻钢住宅,灾区重建

       1 轻钢住宅体系的优点

       钢结构作为一种环保、性价比高的建筑在世界范围内得到了广泛的应用,尤其在发达工业国家,占据着可观的市场份额。美国钢结构产品约占国家建筑产品总量的68%,日本的比例达到50%,即使在韩国也超过20%。但在经济腾飞的中国,钢结构建筑不足建筑产品总量的5%,这显然跟不上中国经济前进的步伐。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,低多层轻钢结构住宅体系(以下简称“轻钢住宅体系”)在中国才刚刚起步。

       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,建造出的一种功能多样的建筑形式。该体系具有很多其他建筑形式所不具备的优点:

       1.1 成本低廉

       轻钢住宅体系的结构构件截面很薄,在钢结构建筑类型中,其构件的截面面积是最小的。在满足相同承载力的条件下,它的自重最轻,加上轻质围护材料,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,基础处理十分简单,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。

       产业化制作模式使从结构到围护的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,这使得对现场的场地要求更小,可同时开展的工作面更多,现场工作量少,施工周期短。所有构件均为铰接,节省了现场焊接及高强螺栓的费用,房屋的建造成本更低;同时,主要安装工具是打自攻钉用的枪钻,学习起来简单,对安装人员的技术要求较低。

工厂预拼装                            轻钢住宅体系的骨架

       轻钢住宅内的多种管线均可全部暗埋在墙体中,布线和修改灵活方便。墙体结构厚度仅90mm左右,加上内外装材料后,围护墙厚度不会超过200mm,内隔墙的厚度也仅120mm,这使建筑的实际使用面积比传统建筑提高10~15%。

楼面板和预埋管线                         外墙断面

       1.2 节能环保

       轻钢住宅彻底抛弃了传统的“秦砖汉瓦”住宅建造方式,结构采用高品质钢材,材料可回收利用。同时,各种新型保温、防水材料的使用,使得建筑的保温、隔音和防潮效果更加优越;结构的内外侧使用有耐火性能良好的板类材料,墙体可达到并超过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);

       轻钢住宅的现场施工几乎全是干作业,施工场地干净,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;

轻钢结构施工现场                            轻钢结构的拼装

       1.3 安全耐用

       轻钢住宅体系中的结构骨架、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,承载能力大大提高,抗风抗震性能优良。研究表明,这种建筑可以抵御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。

       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,轻钢住宅环保、节能的绿色概念,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  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,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,但结构计算比较复杂,目前国内还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。但随着近年的轻钢住宅体系在国内的不断应用,已有公司开始引进一些设计软件,包括上海钢之杰集团从澳洲引进的BFS(Beststeel Framing Systems)体系。以下结合BFS体系具体介绍轻钢住宅从设计到现场安装的全过程,请看流程图:

(设计软件界面)

       由于采用专用设计软件,使得BFS可以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BFS 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。

(BFS体系节点)                            (工厂拼装现场)

       从2002年开始,钢之杰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。

(纳帕溪谷别墅项目现场)                    (纳帕溪谷别墅项目)

                  (大连枫桥园项目)                           (美国Value Place Hotel项目)

       3 在地震灾区重建中的应用

       由于轻钢住宅体系抗震性能好、施工快、场地要求小,在发达国家的使用已经非常普遍,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,轻钢结构住宅更是得到了人们极大的重视。

       在四川地震灾区是否也应该推广这种轻钢住宅呢?答案是肯定的,尤其中国的钢产量已是全球第一,建造轻钢结构住宅完全符合国家的需要。原因有:

       3.1 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,清理废墟的工作也需要时间,而新址的选址、规划等工作也要花费较长的时间;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。因此应考虑采用速度快、施工简单、作业面小的建造方式,轻钢结构住宅是合理的选择;

       3.2 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,就更值得重视了。

       3.3 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,在灾区重建活动中也会如此。传统的建造方式对砖、瓦、水泥的依赖,将对环境产生极大的破坏——开山采石、砖、瓦、水泥的生产过程是重度污染。当这些房屋过了使用寿命之后,拆下的建筑垃圾也难以处理,同时传统砖混结构能耗高。我们应在建设的初期,就考虑如何最大程度地减少对环境的影响,应该把环保节能的理念带到灾区重建中去。

       3.4 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,但住宅产业化还未真正实现。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,也有助于推进住宅产业化的实现。但产业化不是一个口号,也不是传统建造模式能够解决的问题,在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。

       结合前文的分析,轻钢住宅体系可以比较妥善地解决上述提出的问题,但影响其推广,有以下几方面原因:

       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。2002年曾经考虑出台相关规范,但可惜的是,时至今日还是没有发布。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,希望《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》能早日面世;

       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。

       3) 开发商以及政府对成本的核算依旧停留在材料成本上。轻钢住宅的原材料成本确实高于传统砖混结构。但这种结构可节约能源,减少人工,缩短工期,可大大减低建筑物全寿命周期成本。全面地考虑了综合经济效益,轻钢住宅体系的成本优势就能体现出来。

       钢之杰参与的地震灾区重建工程的情况

       1.2008年钢之杰在都江堰完成的一栋样板房。该样板房建筑面积约为200M2。样板房完全采用了BFS体系进行设计、加工及制作。在钢之杰的工程师指导下,仅用了4天时间完成了主结构拼装,半个月的时间完成全部安装工作(包括所有围护材料、门窗、管线等)。

       2.另外25栋永久性住宅中国新年前已在陕西省略阳县完成。该地区是为地震重灾区。此批25栋永久性住宅从2008年12月15日开始进行结构设计,到中国年之前已经全部安装完毕。从设计开始到工程完成仅用了一个月的时间。该批住宅结构造价约为300元/m2,总造价在1000元/ m2左右。

       从国内外历次大规模的灾重建情况看,整个重建过程是长期和艰巨的,远不是把重新盖房子那么简单的事情。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,希望灾民的新家是安全舒适的,也希望重建的过程不要给子孙后代留下遗憾,更希望先进的建造理念能让人们的生活越来越美好!