程宏伟

0 引言

在当前的建筑结构型式中，轻型房屋钢结构有非常广泛的应用，近些年来获得了良好的发展，尤其是民用建筑和工业建筑中广泛应用，已然成为住宅产业化发展的趋势。在长时间的应用与发展过程中，轻钢结构建筑型式更加多样，比如门式刚架钢结构体系目前已经较为完善，也形成了一些专利产品，逐步实现标准化和工厂化。基于现代轻钢结构建筑的多方面优势，应重视轻钢结构的研究，掌握轻钢结构的应用技巧和要点，以求推动建筑行业的更好发展。为此，本文结合当前现代轻钢结构建筑的相关研究成果，展开更进一步探究，现作如下的论述。

1 现代轻钢结构建筑的兴起与现状

从传统意义上来讲，轻钢结构是以圆钢、小角钢为主的小型或小跨度屋架、刚架结构，在仓储建筑、小型厂房建筑、临时性建筑中有广泛的应用。随着新型钢结构体系的兴起与发展，尤其是在彩色压型钢板、变截面门式刚架的蓬勃发展下，传统意义上的轻钢结构发生了根本性的变化。总的来说，现代轻钢结构除固定特征外，最显著的便是“轻”这一特征，集中体现在四个方面。一是借助轻质围护结构，可以较大减小地震作用、恒荷载作用，建筑结构的基础也可以变得轻量化；二是当前所使用的高强度钢材结构体系有多方面优势，可以很好地优化承重构件的截面，建筑结构的用钢量更轻；三是轻钢结构施工过程中的劳动量小，使用小型机具吊装施工即可，所以整体的施工速度快；四是轻钢结构建筑的造型轻巧美观，具备更强的建筑表现能力。如图1 为轻钢结构建筑。

图1 轻钢结构建筑

现代轻钢结构建筑体系在20 世纪40 年代获得了良好的发展，逐渐形成了门式刚架结构、轻质围护体系，当前阶段在房屋建筑中均有较广泛的应用。目前来看，轻钢结构已经成为发达国家应用广泛的建筑结构型式，在我国的住宅产业化中有良好的应用，也因此形成了一些专利产品，同步推动了轻钢结构建筑设计、绘图、工程量统计的发展。在20 世纪80 年代，轻钢结构在我国得到了大面积的应用，比如宝山钢铁公司使用了彩色压型钢板，随后形成了较完善的轻钢结构体系和成套技术。至20 世纪90 年代，依托钢产量的提高，轻钢结构得到了进一步的应用，轻钢结构建筑开始步入发展的黄金阶段。从当前轻钢结构建筑的承重体系应用来看，主要有四种，一是冷弯薄壁型钢结构体系，二是焊接门式刚架结构体系，三是金属拱形波纹屋盖体系，四是多层房屋钢结构体系。更重要的是，轻钢结构具有可重复利用的特点，所以符合环保、可持续发展理念，因此有更为广阔的应用前景。

从现代住宅产业化发展这一角度来说，轻钢结构主要有四个方面的优势，即轻质高强、抗震性能优越、绿色可持续、结构体系多元化。在轻质高强这一方面，轻钢结构住宅的强度高，同时质量轻，通常可以有效减轻建筑物自重1/3。因为轻钢结构具有轻质高强的优势，所以对于相同重量的建筑物来说，轻钢结构的构件截面小，使用净高大，能够有效节约建筑高度，可创造良好的经济效益。在抗震性能优越这一方面，通常轻钢结构住宅是柔性结构，自重较轻，建筑物所承受的地震力较小，地震灾害的影响作用也随之减弱，可以带来可观的综合效益。在绿色可持续这一方面，当前轻钢结构住宅使用钢构件，墙体材料多使用保温隔热轻质板材，既可以满足节能要求，同时可以回收利用，完全符合建筑行业绿色可持续发展的要求。在结构体系多元化这一方面，当前可使用的轻钢结构体系较多，主要有钢框架结构、框筒结构、框架-剪力墙结构、钢框架-支撑结构，有各自的应用优势，值得推广应用。

2 现代轻钢结构建筑的应用

2.1 门式刚架钢结构体系

早在1999 年时，门式刚架轻型房屋钢结构便有较广泛的应用，随后的时间里获得了良好的发展，是当前发展最快的一种新型轻钢结构。就门式刚架钢结构体系的特征来说，主承重结构是门式刚架，围护结构是压型钢板。在设计时，既允许腹板局部失稳，利用好腹板的屈曲后强度，也可以改变腹板的高度，刚架的梁柱可以做成变截面形式，能够很好地适应于结构弯矩内力的分布规律。当前阶段我国的门式刚架结构无论是在设计与制作还是安装方面，均积累了较多的成功经验，已经可以较广泛的应用至体育场馆、工业厂房、娱乐场所、储运设施这些方面。

当前典型的门式刚架结构体系由多种构件所组成，主要有墙面板、基础、墙梁、抗风柱、屋面板、主刚架、屋面支撑、檩条、柱间支撑。设计结构型式时可以有多种方案，既可以是高低跨、多脊、单脊、单跨，也可以是单坡、缓坡、平坡、多跨，甚至跨内可以设计单个或多个摇摆柱。刚架结构主要是采用焊接工字形实腹截面，板厚通常控制在16mm 以下，因为腹板的高度与厚度均比较大，可以允许局部失稳，不过可以使用变截面构件改变腹板的高度，以此实现截面变化。在拼接刚架的梁柱节点和斜梁时，可以使用高强度螺栓端板，可以选择平齐式，也可以选择外伸式，相比之下，平齐式端板的连接刚度较小，所以应优先考虑使用外伸式端板连接方式，端板厚度应控制为20mm 以上。如果施工地的风荷载较大，则要分析檩条及墙梁在特定作用下的稳定性，主要是分析评价在风吸力作用下的稳定性。屋面和柱间支撑可以使用由张紧的圆钢组成的柔性支承，若是厂房有吊车设施，则下柱支撑应该设计成刚性支承。除此之外，屋面板和墙板可以使用夹芯板、复合板，夹芯板与复合板既可以选择单层，也可以选择双层，若是要使用单层板，应该加保温层。总的来说，门式刚架是一种平面受力体系，适合应用在平面尺寸狭长、柱距在7～9m 且跨度在18～36m 的建筑中，所以广泛应用在现代化工业厂房建筑中。

2.2 多层房屋钢结构体系

与钢筋混凝土结构相比，多层房屋钢结构体系的劳动强度更低，且施工速度更快，当前2～8 层的公共建筑和居住建筑主要使用轻型钢框架结构。在框架柱和梁的使用中，当前主要是使用H 型钢或圆钢管，有热轧或焊接两种形式，通常整个结构会使用到40～50kg/m的用钢量，所产生的经济指标优于混凝土结构。总的来看，多层房屋钢结构体系在公共建筑中应用广泛，有学校、娱乐场所、医院、办公场所、工业厂房，也在商业建筑中有广泛的应用。

多层房屋钢结构体系的设计时，主要依托《轻型房屋钢结构设计规程》《钢结构设计规范》，典型有效的多层房屋钢结构体系由柱间支撑、墙梁、框架梁柱、压型钢板楼盖、墙面板、屋面支撑、楼层次梁、檩条、基础所组成，通常承重结构的柱距在6～12m，既可以按照空间框架设计，也可以按照平面框架设计。为了确保结构整体的稳定性，并减小侧向位移，应该结合实际情况布置柱间支撑。在楼层设计与施工时，可以使用预制板加现浇板叠合楼盖，也可以使用主次梁体系和压型钢板组合楼盖，要求主梁和柱间接触良好，主次梁之间应优先采用铰接方式。在连接楼板与钢梁间时，可以使用抗剪栓钉，这样可以大大提高梁体的承载能力与刚度，若是楼层梁要按照组合梁设计，则必须根据受力要求科学布置栓钉，若是不考虑组合作用，则布置栓钉等抗剪件时可以重点考虑构造要求。如果多层房屋钢结构建筑的屋面不上人，则可以使用压型钢板和檩条，内墙应该实现轻质隔断，外墙则应该使用其他轻质墙体结构，也可以使用压型钢板。总的来说，多层房屋钢结构体系未来的应用会更加广泛，尤其是会广泛应用在多层厂房及超市，所以有着很大的潜在市场。如图2 为多层房屋钢结构建筑。

图2 多层房屋钢结构建筑

2.3 冷弯薄壁型钢结构体系

当前所使用的冷弯薄壁型钢由普通钢板或镀锌钢板冷弯处理而成，普通干干的厚度通常在0.5～3.5mm，形状有Z 形、C 性、方管，可以形成各种样式的折皱和卷边，通过拼成T 形或I 形，可以有效提高截面的承载能力与刚度。当前较广泛使用的冷弯薄壁型钢结构体系，主要是将冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构，既可以应用在多层住宅中，也可以应用在单层住宅中。

在当前所使用的冷弯薄壁型钢结构体系中，框架梁、柱通常使用I 形截面或T 形截面，多是由四C 槽钢或双C 槽钢组成。承重骨架多使用平面框架，为了保证整体稳定性，需要科学布置柱间支撑，楼层可以使用主次梁体系和组合楼盖，若是屋面不上人，则可以使用檩条和压型钢板。考虑到冷弯薄壁型钢结构体系的构件通常是较小的，所以构件之间均需要使用螺栓连接，施工现场多只需要使用小型起重设备即可，所以整体的施工较为快捷便利，非常适合应用在低层住宅建筑中。目前来看，一些镀锌冷弯薄壁型钢建筑通常安装时间可以控制在一个星期，具备较好的保温、温湿度、隔声性能，逐渐实现批量化商业生产。总的来说，虽然当前阶段冷弯薄壁型钢结构体系在我国获得了较好的发展，但无论是设计还是施工均存在些许不足，还需要进一步的研究，后续要在冷弯薄壁型钢结构技术的研究中大下功夫，掌握更多的技术要点，提高建筑物理性能。

3 现代轻钢结构建筑的发展策略

除冷弯薄壁型钢结构体系，当前门式刚架钢结构体系、多层房屋钢结构体系均有广泛的应用，在设计与施工方面均积累了较多的成功经验，有广阔的发展前景。但轻钢结构建筑发展过程中也存在一些不足之处，总体技术问题还有待解决。比如在门式刚架钢结构体系的应用中，还需要重点研究三个方面的内容，一是构件承载性能所受到的影响，是否可以受到焊接形式的影响，二是端板连接节点的承载性能，三是门式刚架钢结构体系应用在大空间建筑和大跨度建筑中的要点。再比如应用多层房屋钢结构体系时，需要科学选择有效的承重结构体系，还需要掌握支撑、剪力墙的性能。除此之外，在多层轻钢结构中，还应该推广应用热轧H 型钢，相应的需要做好建筑结构的保温、防火、设备安装这些方面的工作。

为推动现代轻钢结构建筑的科学发展，后续应该重点做好三个方面的工作。一是做好产业布局，确保钢材市场供应充足，且价格要控制在科学范围内，在轻钢结构用钢量的控制上，应努力控制在20～50kg/m。当前轻钢产业布局局限于东南沿海地区，西南、西北、华北和东北的产业布局明显不足，无法形成市场竞争和规模较大的企业，所以后续要营造更好的市场环境，在科学布局的基础上促进轻钢结构建筑发展。二是理论研究还应该狠下功夫，尤其是要重视设计理论的研究，不应再受到传统钢结构设计思想的约束，而是应该不断创新，创新性地应用轻钢结构研究成果，提高现代轻钢结构建筑的水平与科学性。若是在公共建设中使用轻钢结构，则可以考虑优先使用钢管结构、外露弧形构件、蜂窝梁，保温型玻璃围护结构具有节能和环保的特性，值得推广应用。三是在绿色环保理念下，要更进一步应用新型材料，重视建筑构造的处理。以轻钢结构的承重构件为例，多使用较薄的钢板，具有良好的防火与防腐性能，后续应该重视钢结构防腐的研究。之所以重视钢结构防腐研究，是因为当前钢结构需要使用防锈漆进行防腐，但在一定时间后需要二次刷漆，一些非外露的部位往往很难完成刷漆任务。除此之外，应该清楚意识到，为有效确保轻钢结构建筑工程的质量，要科学地减少轻钢结构设计，同时制作环节和安装环节的工作也应该适当减少。在轻钢结构设计中，设计部门要积极与相关部门沟通交流，做好信息交流、技术协调和工艺配合，以此确保轻钢结构设计质量。目前来看，轻钢结构的设计权利已经逐步下放至具有轻钢结构专项设计资质的设计单位，往往这一设计单位可以成为总承包公司，实现轻钢结构建筑工程的统筹管理，各种资源和条件均可以得到合理的调配，这对于保证和提高轻钢结构建筑施工质量有十分大的裨益，可以创造良好的经济效益、社会效益。

4 结语

当前所使用的门式刚架钢结构体系、多层房屋钢结构体系均有较好的应用优势，尤其是门式刚架轻型房屋钢结构的设计取得了较好的成果，这对于门式刚架钢结构体系的推广应用大有裨益，值得推广应用。轻钢结构建筑的应用优势是毋庸置疑的，针对当前现代轻钢结构建筑应用过程中所存在的问题，后续要进一步探讨和研究，以求掌握更多轻钢结构建筑的应用要点，确定注意事项，推进轻钢结构建筑的蓬勃发展。