前 言.
变革传统的建筑理念,使建筑具备“环保、节能、工业化”即“绿色建筑”的特征,是社会生产力发展和建筑科技进步的必然趋势,也是人类的共同理想.与传统的住宅建筑结构形式相比,钢结构是一种最符合“绿色建筑”特征的结构形式.它最容易实现设计的标准化、构配件生产的工厂化、施工的装配化和机械化、产品供应的社会化和市场消费的系列化.可以预期,随着高效建筑钢材的开发和钢结构应用技术的发展,21 世纪将会是钢结构住宅建筑兴起的世纪.
作为钢结构住宅的设计者,学生毕业设计(钢结构住宅)的辅导者在设计实践中体会到了其存在和发展的优势,同时也发现了钢结构住宅在今后推广和应用中所亟待解决的问题.钢结构住宅的建筑设计是钢结构住宅设计的重要组成部分,现以多层钢结构住宅设计为例,介绍设计钢结构住宅在建筑方面值得注意的几个要点问题及其相应对策.
1 平面设计
住宅的平面功能是住宅建筑设计的出发点与归宿点.从社会学的角度看,住宅平面组织应该是居民生活方式的反映.钢结构住宅建筑设计约束因素除应遵守国家建筑法规和技术规范外,还应注意以下方面.
1.1 柱网布置应满足规则性要求
多层钢结构住宅的结构大多采用框架结构体系,不适宜轴线错开较多,形心和质心距离较大和易于产生较大扭转的住宅平面,柱网布置应满足规则性要求,宜以住宅单元或套型为单位实现模块化,以模块的平接、错接、对称接、凹凸接等多种拼接适应总平面布置的变化.
1.2 柱距的确定与经济要求有关
过小的柱距将导致柱子数量增加,致使结构用钢量增加;而过大的柱距,将导致需采用较大的梁截面高度,除可能影响设备管道的通行外,尤其会增加建筑的层高,从而使建筑的造价及使用维护费用的增加.一般框架结构较适合的柱网尺寸为6m~12m[1].
1.3 住宅平面应按模数规定布置
住宅功能的多样性要求房间的开间、面宽均有较大的变化, 反映到结构构件上, 会带来结构构件如梁、柱的用料、断面尺寸、大小等的不同.与传统砌体结构建筑不同, 钢构件不能在现场自由加工、任意增加其长短, 同时钢节点所用的连接件的用料、尺寸变化也比较多样, 这增加了工厂加工制作的难度, 而且提高了制作成本, 同时也给现场施工带来困难, 不利于施工速度的提高.因此, 在钢结构住宅的设计中既要考虑到房屋功能方面的要求,又要考虑到钢结构的施工、加工方面的要求, 使钢结构住宅设计向模数化、体系化的方向发展.对房间跨度进行模数规定, 有利于钢结构计算, 同时有利于结构构件的模数化以及连接节点的标准化,因而最终有利于钢结构住宅的生产与施工.
1.4 平面布置的灵活性
由于钢结构具有强度高、可以实现大开间、高净空的特点,因而在住宅设计时可以将传统砖混结构住宅的很多承重墙改为轻质隔墙.由于隔墙的轻质化和可拆改化,居住空间的大小可以灵活布置,能够最大限度地满足住户对住宅的功能和设备的高品位的需求.除了楼梯间、厨房、卫浴等部分的功能确定之外,住宅中的其他部分均可由轻质隔墙来完成分区,在有限的不变体限定下,可以创造出无限的自由户型,满足了人们对住宅多样化功能的需要.一般来说,砖混结构住宅的灵活性设计只能达到一级,一般粱柱体系的钢筋混凝土空间结构体系的住宅的平面灵活性可以达到二级,而钢结构住宅的灵活性则可以达到五级[2].从上述灵活性的分析中,我们不但了解到钢结构住宅比砖混结构住宅和钢筋混凝土框架结构住宅在平面设计上,有着无法比拟的灵活性的优点,同样在日后的使用、改造和拆除方面都有着明显的优越性.
1.5 厨房、卫生间的设计
研究开放住宅(或研究住宅的灵活性),一个关键的问题就是厨房卫生间的设计.第一,厨房、卫生间的位置应靠近混凝土核心筒或混凝土剪力墙,避开钢结构承重构件,以利于钢构件的防火、防腐处理.第二,为了达到同层检修的目的,让厨房、卫生间地面整体下沉,再用轻质材料回填.如果是整体厨房、卫生间盒子间,已包括了厨房、卫生间的 6 个面,原有的地面也应该下沉.厨房、卫生间地面整体下沉的做法,并不仅是钢结构住宅的特殊要求,其他结构形式的住宅的厨房、卫生间设计也应该朝这个方向发展,它可以解决上下楼层之间渗水的矛盾.第三、厨房、卫生间应采取整体化设计, 厨卫设备应符合模数协调原则; 实行工厂预制成品、现场组装并为一次装修到位创造条件.
2 立面设计
2.1 体型设计
目前我国大多数的钢结构住宅由于结构跨度的需要,多采用一些简单体型,往往使整个体型比较呆板.但这一特点恰恰符合节能建筑设计技术,平整的墙面可以增加南向敞开度,加大日照面积;窗户的设置有利于组织良好的室内通风,并保证夜晚室外凉爽的气流进入洞口后能“覆盖”室内平面,在人体高度范围内通过.因此,应将钢结构住宅建筑体型塑造的重点放在屋顶、门窗、雨篷、檐口等的形式上,用以追求变化.这是区别于其他建筑结构的.
2.2 立面设计
钢结构住宅在建筑立面没计中,可以利用外围护结构自身材料质感的不同并配合个性墙体色彩,将钢结构住宅处理得更丰富;也可以根据建筑造型的需要,在建筑入口、阳台、雨篷及楼梯间顶部架设结构钢架,再配以符合建筑个性的装饰材料,精心设计可以获得较为理想的造型效果.
2.3 协调钢结构住宅的外墙板与住宅平面开间关系
钢结构住宅外墙除需满足各项技术要求外, 还应采用与住宅平面相协调的模数体系, 以有利于建筑外立面的洞口设置(包括门洞及窗洞).设计过程中需要考虑采光窗与外墙墙板的模数关系, 采光、通风及立面造型方面能够达到建筑设计要求,同时使外墙板之间、外墙板与钢构件之间的连接安全合理、构造方便, 并为构件制作、运输、吊装创造条件.
3 剖面设计.
由于钢材的材料特性, 使得同样跨度时的钢梁、柱断面尺寸都比混凝土梁、柱小, 这样有利于建筑室内空间的设计.但钢结构梁、柱与楼板的连接方式与混凝土梁、板的连接有所不同,住宅按照 2.8m 的层高, 除去钢梁截面高度 0.5m ( 以跨度最大钢梁截面高度计) , 在减去楼板厚度, 室内净高小于 2.2m,按照原有的住宅层高标准不能很好地满足居住要求,因此建议住宅方案的层高定为 3.0m.
4 节能设计
虽然钢结构住宅相较于传统建筑材料住宅而言有着非常多的优势,但是钢材的热导率却是混凝土的 30 多倍[3].所以钢结构住宅在保温节能上需要进行更为细致的设计与建设.当前钢结构节能构造基本都是从以下几个方面出发:
4.1 住宅建筑的朝向
住宅建筑的朝向选择很重要,以南北向或接近南北向为好,冬季应有适量的阳光射入室内,并尽量避免冷风直接吹袭;夏季则尽量减少太阳直射室内及外墙面.主要房间宜设在冬季背风和朝阳的部位,减小围护结构的散热量.
4.2 提高围护结构的热工性能
建筑空间内热环境的优劣,取决于室外自然环境和围护结构的热工性能.据统计,建筑物通过围护结构散失的热量大约占整个热量损失的 70%左右.因此,建筑节能设计应通过控制窗墙比和改善外墙、屋面、楼地面、门窗、楼梯间等建筑围护结构的热工性能,来实现节能 65%的目标[4].
4.3 建筑结构设计上尽量减少热桥的出现
热桥是钢结构住宅中应该着重注意的地方.所谓热桥就是在建筑中因为多种构造因素,使得建筑围护结构的局部位置导热率增大,与建筑总体导热率不匹配,从而出现热量大量流失的部位.通常情况下,热桥在建筑的结构当中很难完全回避,譬如 T 型拐角处、建筑楼板层处.但是钢结构住宅又具有非常灵活多变的设计,所以这对于热桥的控制提供了很大的帮助.
4.4 钢结构住宅内部设置
热阻断部分在住宅的关键部位进行钢材的开孔处理,这样既不会对建筑的力学性能造成影响,同时还能够实现很好的建筑节能效果.
5 结 语
设计钢结构住宅应尊重住宅使用的根本要求,钢结构仅仅是建筑中承重体系和服务部分,它不是建筑使用中的主要成分.钢结构住宅设计首先要遵循住宅建筑设计中的一般原则,然后才是发挥钢结构的优势,单纯突出钢结构而不考虑生活的舒适性、不能满足人文要求的钢结构住宅项目是没有市场的.
钢结构住宅建筑设计中需要解决的问题还有很多如建筑方案、建筑设备标准化的问题、建筑构造、建筑节能、装修等方面的问题,这都需要从事钢结构住宅设计方面的设计人员在今后的实践中研究解决.
参考文献:
[1] 李国强.多高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[2] 陈俊宇.钢结构住宅平面设计与分析[J].中国科技博览,2010(35).
[3] 贺晨云.浅析钢结构住宅的节能设计[J].中国建筑金属结构,2013(14).
[4] 王连坤,孙彤.高层钢结构住宅节能技术分析与探讨[J].建筑技术,2010(8).
