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[摘要] 针对日渐增多的新型轻钢民用建筑的设计进行分析，探讨了钢结构的结构计算分析及板材应用，措施，及控制成本的方法；并与钢筋混凝土结构进行全方位的对比，经济成本分析，可供设计人员及地产公司研究人员参考。
[关键词]钢结构；用鋼量；成本控制；经济分析
中图分类号： TU319文献标识码： A
0引言
近年来，我国钢产量得到大幅提高，国家的用钢政策从20世纪50～60年代的限制用钢,到70～80年代的节约用钢,到二十一世纪已调整为鼓励用钢。钢结构的环保，节能，低碳，易回收，高安全，好控制，施工周期短，经济性合理的特性，越来越受到开发商的青睐，本文对钢结构在多层民用建筑当中的特点进行了初步的探索，并对其经济性进行了比较，以供参考。
结构特点分析
1.1主体受力构件结构体系
国内主体结构的钢材材料主要还是以Q235和Q345等低强度钢材为主，品种主要有焊接H形钢、焊接箱型钢材、轻型热轧H型钢等。结构体系多为框架、框架-支撑体系、框架-内筒体系、带伸臂桁架的框架-内筒体系、筒中筒及成束筒等。单层结构的话还有轻型门式钢架体系。在一些高层结构中，钢管混凝土柱、型钢混凝土梁柱结构也使用比较多。另外，大跨度、空间结构也得到非常广泛的应用，如网架结构、空间桁架结构、索膜结构等等。
1.2屋面、楼面结构特点
钢结构建筑楼板必须有足够的强度，刚度，和整体稳定性，同时应尽量采用有效措施减轻楼板自重，并提高施工速度。组合楼盖是其中最常用的楼盖之一。组合楼盖主要有三种形式：（1）压型钢板组合楼盖，其下表面凹凸不平，一般需做吊顶。常用于工业建筑或必须做吊顶的建筑，目前有一种闭口压型钢板，施工完下表面光滑平整，效果较好，但造价较贵。（2）现浇整体组合楼盖，其整体性能好，但需要支撑模板，施工速度较慢。（3）钢-混凝土叠合板组合楼盖，整体性好，还能节约模板和吊顶的费用。其造价约为压型钢板组合楼盖的七成。（4）钢筋桁架楼承板。由多维联合集团研发的楼承板，是将楼板中的钢筋在工厂加工成钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌压型钢板焊接成一体的组合模板。该板具有经济，安全，便捷，可靠的多重特点，目前被广泛用于多层厂房，多层、高层、超高层钢结构楼宇。5）其他楼板材料还有预制板，轻骨料或加气混凝土楼板，彩钢夹芯板等。可根据工程具体情况，采用合适经济的材料。
1.3内外墙围护结构材料分析
内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的30%，对住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板 （ALC板）、SRC复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、 玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC轻质砌块、 轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。 ALC板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性， 非常适合与钢结构配套使用， 使用250mm以上厚度的ALC板作为外墙，可达到节能50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔声等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。 稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外， 还具有抗震、 透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙.
由于钢结构围护构件易于安装，也容易拆卸，所以能够实现空间灵活组合，满足各种用户不同阶段的多种需求，甚至能够实现用户预定户型的特殊要求。这一点，是混凝土结构无法实现的。
工程实例分析
2.1工程概况
本工程位于河北某市，地上九层，局部楼电梯间出屋面一层，抗震设防烈度7度（0.10g），建筑类别为丙类，耐火等级一级，建筑场地类别为II类。建筑物长48.6m,宽32m,结构总高32.4m,柱距8.0mX8.1m,层高为3.60m。基本风压：0.45kN/m2, 基本雪压：0.40kN/m2，楼面恒载：3.00kN/m2，楼面活荷：2.00kN/m2。屋面恒载：4.00kN/m2，屋面活荷：0.50kN/m2。（以上建筑经过简化处理。）
2.2结构方案布置
钢结构框架方案基础拟采用灌注桩承台短柱基础，框架柱为钢箱形柱，梁为焊接H型钢，楼盖为我公司专利的楼承板楼板，墙面考虑与混凝土结构有利比较，采用轻质砌块。
混凝土框架结构方案采用亦采用灌注桩承台基础，框架柱5层以下采用C40，其余采用C30;梁采用十字交叉梁，现浇混凝土楼板。
2.3结构分析方法
二种结构体系均采用建研院PKPM系列软件STS与PMCAD建模，接力SATWE计算，校核程序采用ETABS8及手算。
2.4计算结果
结构方案在满足规范配筋率、构造、及稳定、高宽厚比等要求的前提下，应力比取为0.85~0.9,结构楼层位移、层间位移角，均满足规范要求,结构计算周期合理，且两方案楼层位移等结果接近或相同。
表1. 构件截面表
结构体系 基础做法 柱截面（mm） 主梁截面（mm） 次梁截面（mm） 楼盖板厚（mm）
混凝土结构 灌注桩+承台 750*750
650*650
500*500 300*650
300*600
250*500
TD3-70(板厚100mm)
钢结构 灌注桩+承台
550*550*24*24
500*500*20*20
400*400*16*16 500*300*12*18
500*250*12*16
450*250*10*14
400*180*6*10
110
钢框架结构与钢筋混凝土结构采用一样的基础形式，灌注桩假定为承载力特征值1000KN，钢结构需要114根桩；而混凝土结构需要146根桩；承台截面及钢筋钢结构也比混凝土结构要小15%左右。在钢柱截面，梁截面及板厚方面，钢结构都具有优势。由于钢结构的截面小的原因，能在相同建筑面积内，钢结构的有效使用面积可以增加5%-10%，同时层高宜可减小一些，结构自重相对小，更利用抗震。同时，钢结构施工工期可以缩短20%以上，特别是在大城市市区施工，钢结构更为环保，由于大多主体结构都是在钢结构厂预制，减少了工地上施工的噪声和污染。另外，钢结构的可回收性，也是一大优点。
2.5设计方案经济性比较
根据以上的结构设计，对二种结构体系的基础工程、楼盖及楼层梁柱工程、其他工程进行优化汇总，进行比较分析如下：
（1）基础工程：基础工程占结构工程总量的20～40％，占结构造价的比重比较大，各结构体系工程量对比是非常有意义的。
钢框架结构与混凝土框架结构，基础工程量区别在于灌注桩的数量及承台的配筋，钢结构基础混凝土用量是钢筋砼结构基础混凝土用量的80％左右, 钢结构方案基础工程量小，造价低，更具优势。
（2）楼盖及楼层梁柱工程：结构工程量主要集中在楼盖和梁柱上，钢筋砼体系之间的对比可以通过此部分工程量的多少，直接得出结论。
表2. 钢筋混凝土用量比较表
结构体系 柱砼用量(M3) 柱钢筋用量（t） 梁砼用量(M3) 梁钢筋用量(t) 楼盖砼用量(M3) 楼盖钢筋用量(t) 合计
混凝土结构 C40:329.6
C30:97.4 57.113 C30:864.0 149.683 C30:1081 67.972 砼：2372
钢筋：274.77t
钢结构 286.53 - 380.0 C30:1053 80.49 砼：1053
钢材：747t
从以上方案比较可以发现：钢结构的用钢量比混凝土结构多了将近400多吨钢筋，而砼结构混凝土用量比钢结构多了1300多m3。
（3）其他工程：
钢结构的其他工程量占主结构工程量的15%,砼结构的其他工程量占主结构的工程量25%，可见钢筋砼结构的附属工程量是比较大的，钢筋砼结构施工的附属工作量也比较复杂，一般采用钢结构，对于钢结构方案来说，技术简单，连接方便，施工简洁，而钢筋砼方案，则在技术上难于实现大跨悬挑，或实现后不能满足建筑效果，对主结构影响大，施工难度也较大。
（4）工程结构造价：影响工程造价的因素是多方面的，尤其是钢结构体系受市场波动的影响大，不像钢筋砼结构体系价格比较稳定，所以取费基本上都是按照市场价格。
钢框架方案与砼框架方案在结构造价上差距不大，区别主要在建筑使用和布局上，钢框架的柱截面大于砼结构，砼结构在建筑布置上不如钢框架结构灵活，钢筋砼结构造价低于钢结构约15％，平米造价低 100元/m2左右，但如果计入建筑装修、设备等费用，所占比例则更小。
三、 结论
(1) 综上所述，可知钢结构体系多层民用建筑在技术上比传统钢筋砼结构体系更为先进，经济上，结构造价相差并不大，在可以接受范围内。
(2) 从综合效益和可持续发展方面考虑，钢结构体系也更为合理，经济指标优于钢筋砼结构体系。
(3) 钢结构体系，制造工场化，施工干作业，工期短，工业化程度高，无污染，无建筑垃圾，符合建筑市场发展趋势。可见随着钢结构的进一步发展，钢结构体系值得在多层及小高层民用建筑中推广使用。
[关键词]钢结构；用鋼量；成本控制；经济分析
中图分类号： TU319文献标识码： A
0引言
近年来，我国钢产量得到大幅提高，国家的用钢政策从20世纪50～60年代的限制用钢,到70～80年代的节约用钢,到二十一世纪已调整为鼓励用钢。钢结构的环保，节能，低碳，易回收，高安全，好控制，施工周期短，经济性合理的特性，越来越受到开发商的青睐，本文对钢结构在多层民用建筑当中的特点进行了初步的探索，并对其经济性进行了比较，以供参考。
结构特点分析
1.1主体受力构件结构体系
国内主体结构的钢材材料主要还是以Q235和Q345等低强度钢材为主，品种主要有焊接H形钢、焊接箱型钢材、轻型热轧H型钢等。结构体系多为框架、框架-支撑体系、框架-内筒体系、带伸臂桁架的框架-内筒体系、筒中筒及成束筒等。单层结构的话还有轻型门式钢架体系。在一些高层结构中，钢管混凝土柱、型钢混凝土梁柱结构也使用比较多。另外，大跨度、空间结构也得到非常广泛的应用，如网架结构、空间桁架结构、索膜结构等等。
1.2屋面、楼面结构特点
钢结构建筑楼板必须有足够的强度，刚度，和整体稳定性，同时应尽量采用有效措施减轻楼板自重，并提高施工速度。组合楼盖是其中最常用的楼盖之一。组合楼盖主要有三种形式：（1）压型钢板组合楼盖，其下表面凹凸不平，一般需做吊顶。常用于工业建筑或必须做吊顶的建筑，目前有一种闭口压型钢板，施工完下表面光滑平整，效果较好，但造价较贵。（2）现浇整体组合楼盖，其整体性能好，但需要支撑模板，施工速度较慢。（3）钢-混凝土叠合板组合楼盖，整体性好，还能节约模板和吊顶的费用。其造价约为压型钢板组合楼盖的七成。（4）钢筋桁架楼承板。由多维联合集团研发的楼承板，是将楼板中的钢筋在工厂加工成钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌压型钢板焊接成一体的组合模板。该板具有经济，安全，便捷，可靠的多重特点，目前被广泛用于多层厂房，多层、高层、超高层钢结构楼宇。5）其他楼板材料还有预制板，轻骨料或加气混凝土楼板，彩钢夹芯板等。可根据工程具体情况，采用合适经济的材料。
1.3内外墙围护结构材料分析
内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的30%，对住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板 （ALC板）、SRC复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、 玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC轻质砌块、 轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。 ALC板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性， 非常适合与钢结构配套使用， 使用250mm以上厚度的ALC板作为外墙，可达到节能50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔声等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。 稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外， 还具有抗震、 透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙.
由于钢结构围护构件易于安装，也容易拆卸，所以能够实现空间灵活组合，满足各种用户不同阶段的多种需求，甚至能够实现用户预定户型的特殊要求。这一点，是混凝土结构无法实现的。
工程实例分析
2.1工程概况
本工程位于河北某市，地上九层，局部楼电梯间出屋面一层，抗震设防烈度7度（0.10g），建筑类别为丙类，耐火等级一级，建筑场地类别为II类。建筑物长48.6m,宽32m,结构总高32.4m,柱距8.0mX8.1m,层高为3.60m。基本风压：0.45kN/m2, 基本雪压：0.40kN/m2，楼面恒载：3.00kN/m2，楼面活荷：2.00kN/m2。屋面恒载：4.00kN/m2，屋面活荷：0.50kN/m2。（以上建筑经过简化处理。）
2.2结构方案布置
钢结构框架方案基础拟采用灌注桩承台短柱基础，框架柱为钢箱形柱，梁为焊接H型钢，楼盖为我公司专利的楼承板楼板，墙面考虑与混凝土结构有利比较，采用轻质砌块。
混凝土框架结构方案采用亦采用灌注桩承台基础，框架柱5层以下采用C40，其余采用C30;梁采用十字交叉梁，现浇混凝土楼板。
2.3结构分析方法
二种结构体系均采用建研院PKPM系列软件STS与PMCAD建模，接力SATWE计算，校核程序采用ETABS8及手算。
2.4计算结果
结构方案在满足规范配筋率、构造、及稳定、高宽厚比等要求的前提下，应力比取为0.85~0.9,结构楼层位移、层间位移角，均满足规范要求,结构计算周期合理，且两方案楼层位移等结果接近或相同。
表1. 构件截面表
结构体系 基础做法 柱截面（mm） 主梁截面（mm） 次梁截面（mm） 楼盖板厚（mm）
混凝土结构 灌注桩+承台 750*750
650*650
500*500 300*650
300*600
250*500
TD3-70(板厚100mm)
钢结构 灌注桩+承台
550*550*24*24
500*500*20*20
400*400*16*16 500*300*12*18
500*250*12*16
450*250*10*14
400*180*6*10
110
钢框架结构与钢筋混凝土结构采用一样的基础形式，灌注桩假定为承载力特征值1000KN，钢结构需要114根桩；而混凝土结构需要146根桩；承台截面及钢筋钢结构也比混凝土结构要小15%左右。在钢柱截面，梁截面及板厚方面，钢结构都具有优势。由于钢结构的截面小的原因，能在相同建筑面积内，钢结构的有效使用面积可以增加5%-10%，同时层高宜可减小一些，结构自重相对小，更利用抗震。同时，钢结构施工工期可以缩短20%以上，特别是在大城市市区施工，钢结构更为环保，由于大多主体结构都是在钢结构厂预制，减少了工地上施工的噪声和污染。另外，钢结构的可回收性，也是一大优点。
2.5设计方案经济性比较
根据以上的结构设计，对二种结构体系的基础工程、楼盖及楼层梁柱工程、其他工程进行优化汇总，进行比较分析如下：
（1）基础工程：基础工程占结构工程总量的20～40％，占结构造价的比重比较大，各结构体系工程量对比是非常有意义的。
钢框架结构与混凝土框架结构，基础工程量区别在于灌注桩的数量及承台的配筋，钢结构基础混凝土用量是钢筋砼结构基础混凝土用量的80％左右, 钢结构方案基础工程量小，造价低，更具优势。
（2）楼盖及楼层梁柱工程：结构工程量主要集中在楼盖和梁柱上，钢筋砼体系之间的对比可以通过此部分工程量的多少，直接得出结论。
表2. 钢筋混凝土用量比较表
结构体系 柱砼用量(M3) 柱钢筋用量（t） 梁砼用量(M3) 梁钢筋用量(t) 楼盖砼用量(M3) 楼盖钢筋用量(t) 合计
混凝土结构 C40:329.6
C30:97.4 57.113 C30:864.0 149.683 C30:1081 67.972 砼：2372
钢筋：274.77t
钢结构 286.53 - 380.0 C30:1053 80.49 砼：1053
钢材：747t
从以上方案比较可以发现：钢结构的用钢量比混凝土结构多了将近400多吨钢筋，而砼结构混凝土用量比钢结构多了1300多m3。
（3）其他工程：
钢结构的其他工程量占主结构工程量的15%,砼结构的其他工程量占主结构的工程量25%，可见钢筋砼结构的附属工程量是比较大的，钢筋砼结构施工的附属工作量也比较复杂，一般采用钢结构，对于钢结构方案来说，技术简单，连接方便，施工简洁，而钢筋砼方案，则在技术上难于实现大跨悬挑，或实现后不能满足建筑效果，对主结构影响大，施工难度也较大。
（4）工程结构造价：影响工程造价的因素是多方面的，尤其是钢结构体系受市场波动的影响大，不像钢筋砼结构体系价格比较稳定，所以取费基本上都是按照市场价格。
钢框架方案与砼框架方案在结构造价上差距不大，区别主要在建筑使用和布局上，钢框架的柱截面大于砼结构，砼结构在建筑布置上不如钢框架结构灵活，钢筋砼结构造价低于钢结构约15％，平米造价低 100元/m2左右，但如果计入建筑装修、设备等费用，所占比例则更小。
三、 结论
(1) 综上所述，可知钢结构体系多层民用建筑在技术上比传统钢筋砼结构体系更为先进，经济上，结构造价相差并不大，在可以接受范围内。
(2) 从综合效益和可持续发展方面考虑，钢结构体系也更为合理，经济指标优于钢筋砼结构体系。
(3) 钢结构体系，制造工场化，施工干作业，工期短，工业化程度高，无污染，无建筑垃圾，符合建筑市场发展趋势。可见随着钢结构的进一步发展，钢结构体系值得在多层及小高层民用建筑中推广使用。