纯钢框架体系可以发挥钢结构的大跨度优势,使套型设计的灵活多变,且这种结构体系由于全部采用钢构件,所以是施工速度最快的一种结构形式。但钢框架体系是一种典型的柔性结构体系,一般情况下,若刚度方面满足抗侧移的要求,则构件的强度方面也满足承载力的要求。该体系是一种不利于抗震设计的结构形式。
钢框架一支撑体系指在框架结构体系中增设斜向支撑构件作为抗侧力构件,可细分为钢框架一中心支撑与钢框架—偏心支撑两种体系,钢框架一中心支撑体系在强震作用下易造成受压杆件的受压屈曲的问题,而使用框架一偏心支撑体系可以得到很好的解决,支撑布置在中间跨时的抗侧移刚度要大于布置于边跨,同时由于需在墙内要布置支撑,对建筑洞口布局有诸多限制。
框架一核心筒体系,该体系是以卫生间或楼、电梯间组成现浇钢筋混凝土核心筒,与热轧H型钢框架结合成组合结构。筒体角部可配置小钢柱以增加延性并方便安装。其优点是结构受力分工明确,核心筒抗侧移刚度极强,主要承担水平荷载(占结构抗侧移总刚度的90%以上);钢框架主要承担竖向荷载,可以减小钢构件的截面尺寸;由于是现浇核心简,卫生间的防水性能好,可有效避免其它结构形式因施工不当容易渗水造成的钢构件锈蚀。
可采用滑模施工,施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间,经济上也与钢筋混凝土结构持平。国内已有较多的应用经验,是值得推广的一种钢结构住宅形式。目前我国己建成或正在建设中的多、高层钢结构住宅体系大多采用这种结构体系。
框架一混凝土剪力墙体系是以适当部位(如楼、电梯间或分户墙)采用现浇钢筋混凝土剪力墙,作为结构主要抗侧力体系,框架部分主要承担竖向荷载。但应避免采用钢框架与单片混凝土剪力墙组成的混合结构,剪力墙应对称布置,纵、横向都要设置剪力墙,剪力墙与柱、梁连接要牢固可靠,以增强剪力墙抵御地震力的有效性。
交错桁架体系是20世纪60年代中叶由麻省理工学院在美国钢铁公司的赞助下开发的一种结构体系,成功应用于多个公寓及旅馆建筑中。该体系是由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成,桁架高度等于层高,在相邻柱上为上下层交错布置,楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦。
由于两开间布置桁架,且中间无柱子,所以非常适合住宅、旅馆各单元的灵活布置要求。由于桁架有整个楼层高,所以整个体系刚度较大,一般不需要增加柱子刚度以控制侧向位移。由于该体系中柱子主要承受轴力,其柱截面强轴可布置在纵向,故纵向侧移刚度亦较大。目前这种结构体系在国内应用较少。
墙体体系、楼面体系与屋盖体系共同构成钢结构住宅的围护体系,其中墙体体系约占住宅建筑所有建材消耗量的70%,是钢结构住宅研发的重点与难点。钢结构专家、原中国钢结构协会常务副会长陈禄如曾指出:“选择和开发外墙板,是钢结构住宅体系建筑推广中的关键问题之一。除满足外墙板的各项技术要求外,还要做到墙板原料应因地制宜、工厂化生产、运输、安装连接方便。
因此,推进轻质板材墙体系统技术进步和设计策略优化已是迫在眉睫。围护体系具有以下特点:单一功能的围护体系:钢结构住宅的荷载主要由梁柱传递,墙体体系、楼盖体系、屋盖体系成为纯围护结构,可以根据居住空间的要求灵活分隔。轻质高强的材料特性:钢结构住宅的围护体系要做到轻质高强,否则重型围护材料会增加整体结构的荷载,丧失钢结构的优势。
体材料的节能创新:我国现阶段住宅建设及使用期间传统墙体材料造成资源消耗及浪费现象严重,钢结构住宅的出现为推广墙体材料革新创造了有利条件,同时墙体材料革新与建筑节能的发展相辅相成,为钢结构住宅的发展提供了良好的保障;构造节点的快速安装:钢结构住宅围护体系主要为工厂预制,现场安装,必须有完善合理的构造节点予以支持,同时,新型复合材料构成的围护体系,其节点构造必然也较传统单一材料墙体构造复杂。
砌块类墙体材料应用广泛,技术相对成熟,具有较为完善的产品标准。砌块类墙体采用嵌入式的安装方式,对于提高钢结构框架的整体刚度贡献较大,但现场湿作业多,工业化程度低,冷热桥等问题,对于钢结构住宅墙体系统,砌块并非合理的选择。砌块类墙体材料存在的问题。
容易产生开裂。小型砌块对自身含水量的变化极为敏感,已发生干缩现象。且粘接剂和表面粉刷采用的水泥砂浆属于刚性材料,一旦砌体由于温度和胀缩发生变形,粘接材料就很容易开裂。构造裂缝虽然不致造成结构体系损坏,但其导致的直接后果是墙体渗水,使墙体的保温诩隔热和防水性能大大降低,造成室内居住环境质量下降,同时裂缝的存在给居住者在感官和心理上造成不良影响。
大量现场湿作业。钢材不耐腐蚀的特性要求钢结构建筑在施工过程中尽量避免用水,但砌筑墙体完全依靠水泥砂浆拌合物作为粘接材料,现场湿作业对钢结构易造成锈蚀。另外砌筑式施工方法速度慢,养护时间长,与钢框架体系快速装配化施工方式难以配套。
综合上述分析表明,墙体材料作为构成住宅建筑墙体的基本元素,墙体材料的性质决定了墙体的物理性质和墙体的构造。围护墙体与空间和结构布置相协调是墙体系统面临的首要问题。研究在我国现行的建筑模数系统中,住宅全寿命周期下套内空间变化与墙体系统的模数网格协调关系,以及墙体与主体结构、设备管线及内外装修等的协调性,提高工业化条板产品的模数化、系列化程度。