钢结构住宅技术应用发展及展望

为推动工程建设领域高质量发展、促进建筑业的转型升级，实现双碳目标，近年来国家大力发展装配式建筑，重点推动装配式钢结构住宅建设。相对粗放无序、高能耗、低效率的传统建设方式 ^[1]  ，钢结构住宅具有建筑功能好、抗震性能高、轻质高强、施工效率高、低能耗、绿色环保的优点 ^[2]  ，其天然的装配化属性与建筑工业化高度适配 ^[3] ，是发展新质生产力、推动建筑工业化、实现高质量发展的重要着力点。

我国钢结构住宅起步较晚 ^[4] ，在国内的发展主要经历了四个时期。20 世纪 50—60 年代开启了初盛时期，国家政策指明了“建筑工业化是建筑业的发展方向”。伴随着国民经济的恢复，钢结构主要应用在工业厂房和体育馆的大跨度建筑，在民用建筑方面建成了一批钢结构房屋。20 世纪 60—70 年代经历了低潮时期。20 世纪 80—90 年代中后期来到了初步发展时期，我国开始引进钢结构住宅。1986 年冶金建筑研究院通过与国外企业合作的方式建造了一栋钢结构住宅样板房；1994 年我国完全自行设计建造了位于上海浦东北蔡的 8 层钢框架结构住宅。20 世纪 90 年代后期至今，进入了快速发展时期。在前期阶段（1999—2015 年），我国经济水平不断提高、钢铁工业持续发展、相关规范日趋完善，奠定了钢结构住宅快速发展所必要的经济、物质和技术基础 ^[5] 。2001 年 12 月，建设部颁布了我国第一部针对钢结构住宅建筑发展的指导性文件——《钢结构住宅建筑产业化导则》。2016 年，中共中央国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出“发展新型建造方式”“大力推广装配式建筑”“积极稳妥推广钢结构建筑”。自此之后，国家和地方政府出台大量政策，推动完成了试点城市布局、装配式建筑产业化基地培育，建筑工业化示范项目建设、规范体系完善等，钢结构住宅因固有装配化特性随之进入到快速发展的新时期。

传统钢结构住宅因在室内露梁露柱、外围护墙体开裂渗漏、隔声及耐久性等方面的一些常见问题，难以满足人民群众对新时代好房子的需求。为解决传统钢结构住宅体系的这些问题，近年来，钢结构住宅技术围绕着绿色化、智能化、标准化、工业化，在设计、生产、建造等方面快速发展，形成了丰富的技术体系和研究成果，多种新型的更加成熟的钢结构体系、部品部件、制造工艺以及建造技术应运而生，为建造钢结构高品质住宅提供了解决方案。

钢结构住宅主体结构体系主要有：钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-延性墙板结构、钢框架-剪力墙结构、框筒结构、模块化及轻钢龙骨等体系。国内钢结构住宅应用最多的是钢框架结构、钢框架-抗侧力构件结构体系。由于住宅的特有属性，在建筑功能与结构体系匹配中存在一些问题，如露梁露柱、抗侧力构件与建筑功能的矛盾等。近年来，国内企业及科研院所针对这些常见问题，在主体结构体系方面提出了各种改进方案。

1.1 钢框架-支撑/ 延性墙板结构体系

1.1.1  解决露梁露柱问题

实际工程中解决露梁露柱问题主要有三种方式：一是通过各专业协同设计，调整结构梁柱常规的居中布置方式，使外柱偏向室外、中柱偏向次要空间，做到室内不露梁柱，增加室内空间利用率；二是通过建筑手法将柱布置在管井与阳台等部位，同时精装修提前介入前期设计，梁柱包覆与精装有机结合，不影响室内使用空间；三是通过钢与混凝土组合或混合的方式，使结构构件在满足力学和构造的条件下，能够隐藏在围护系统内，做到室内不露梁柱。此种方式衍生出了多种专用体系，如图 1 所示，主要有：

1）矩形钢管混凝土组合异形柱 ^[6] 如图 1（a）所示。它由单肢矩形钢管混凝土柱通过竖向钢板相互连接成 L 形、T 形或十字形截面异形柱，并于一定间隔设置横向加劲肋板增强整体性。通过减小柱肢宽度可将柱隐藏于墙体之内，并可与不同抗侧力构件组合。

2）隐式框架 ^[7]  如图 1（b）所示。它由宽钢管混凝土柱、窄翼缘  H  型钢梁、与柱等宽的支撑组成。梁与柱强轴通过贴板式、顶板式、加强板带式连接实现无隔板刚接连接，弱轴采用贯通插板式连接。这种连接方式既满足柱内灌注混凝土的最小灌孔尺寸要求，又能实现在墙内隐藏梁柱的目的。

3） 部分包覆钢-混凝土组合结构（PEC） ^[8] 如图 1（c）所示。即在 H 型钢腔体内焊接钢筋或扁钢，并浇筑混凝土包覆钢构件腹板的钢-混凝土组合结构，包括 PEC 钢混组合柱、PEC 钢混组合梁和 PEC钢混组合剪力墙。梁柱连接节点区采用构件钢板外露并栓焊连接，再后浇混凝土的连接方式。除了能够隐藏梁柱之外，还可改善钢结构防火、防腐等问 题，且混凝土为基面，住户接受度高。

4）多腔钢管混凝土柱结构体系 ^[9] 如图 1（d）所示。它采用钢板围合成腔体，内部浇筑混凝土形成多腔扁柱。多腔扁柱组合能够隐藏墙体中的一形、 L 形、T 形异形柱，使用双侧板连接梁端与钢柱，增大抗侧移刚度，提高抗震性和延展性。

5）方钢管混凝土组合异形柱结构 ^[10] 如图 1（e)所示。它由方钢管相互焊接组合而成的肢厚比为 1的异形柱（一般有 T 形、L 形和十字形等截面），在钢管内浇筑混凝土后形成以受压为主的组合受力构件。

图 1 钢结构专用结构体系

1.1.2  解决抗侧力构件与建筑功能冲突问题

采用抗侧力构件能够灵活布置的钢框架-延性墙板体系和抗侧力构件集中布置的钢框架-核心筒结构体系，可以有效化解抗侧力构件与建筑布置及围护体系的矛盾。可实现灵活布置的钢框架-延性墙板体系主要有：钢框架-内填预制钢筋混凝土剪力墙（RC 墙）结构、钢框架-防屈曲钢板剪力墙结构、钢框架-波形钢板剪力墙结构、钢框架-开缝钢板剪力墙结构体系，如图 2 所示。其中，防屈曲钢板剪力墙 ^[11] 如图 2（b）所示，它由中间耗能钢板和两侧的防屈曲盖板组成，通过对拉螺栓拼装为一体。外侧盖板用于约束内填钢板的面外变形，可采用预制钢筋混凝土板。防屈曲钢板剪力墙与框架梁之间由鱼尾板过渡连接。波形钢板剪力墙 ^[12] 如图 2（c)所示，采用波纹钢板作为抗侧力耗能构件，墙板与钢框架采用高强螺栓连接，通过波折棱线方向和加劲肋布置方式提高钢板的面外刚度。

图 2 钢框架-延性墙板结构

1.1.3  提升建造工业化水平

由于大部分结构构件能够实现工厂预制，因此制约钢结构建筑工业化水平的主要因素是节点连接与安装。为提升建造工业化水平，在改进节点连接方面的研究成果主要有：矩形钢管柱端板式连接钢结构如图 3 所示，采用梁-柱栓接端板式半刚性节点、装配式钢拉杆柔性支撑以及留孔后浇预制楼板。全螺栓连接梁柱能够实现弯矩调幅，从而降低钢梁应力。多高层全螺栓连接钢结构 ^[13]  如图 4 所示，其竖向构件采用芯筒式法兰全螺栓连接，水平构件采用双拼接板高强螺栓连接。芯筒在工厂独立加工，与下柱之间设置自锁式单向螺栓或自攻螺栓在工厂完成连接，上柱在现场安装。

图3　矩形钢管柱端板式连接

图4　全螺栓连接

全螺栓连接体系用螺栓连接代替栓焊连接或焊接，具有施工速度快、质量高且不受天气影响，为项目快速高质量实施提供保证。但全螺栓连接对加工和施工精度提出了更高的要求，且柱的拼接（尤其边跨）不能与居住建筑功能完全匹配的问题目前还未得到完全解决。

1.2 钢结构-剪力墙结构体系

钢结构组合剪力墙体系相对钢框架-支撑/延性墙结构体系，其平面形态与混凝土剪力墙或短肢剪力墙相类似，在钢结构体系中较好解决了户型平面与结构匹配的难题，但也带来用钢量偏高，节点构造复杂，未能充分利用钢结构轻质高强等问题。在项目实践中尤其要注意剪力墙构件竖向拼接质量、薄钢板防腐等难题。

近年来，为适应建筑设计及建筑工业化发展的需求，在传统双钢板-混凝土组合剪力墙 ^[14] 的基础上（图 5），进一步发展出了钢管束组合剪力墙结构、桁架式多腔钢板组合剪力墙结构、波纹钢板组合剪力墙结构、承插式组合钢板剪力墙等，如图 6 所示。

图 5 双钢板-混凝土组合剪力墙

钢管束组合剪力墙结构 ^[15] 如图 6（a）所示，它由标准化的钢板焊接在一起形成具有多个竖向空腔的钢管束，内部浇筑的混凝土形成抗侧力剪力墙，内部焊接的竖向钢板加劲肋有效增大其延性和抗震性能。桁架式多腔钢板组合剪力墙结构 ^[16] 如图 6（b)所示，它主要由两侧平钢板与两端方钢管围合成空腔，并浇筑混凝土组成组合钢结构构件。竖向加劲肋采用钢筋桁架形式，以减少用钢量，降低成本。波纹钢板组合剪力墙结构 ^[17] 如图 6（c）所示，将围合钢板改进为波纹钢板并通过对拉螺栓装配 ，内部浇筑混凝土，腔体两端与由方矩管构成的边缘构件焊接连接。承插式组合钢板剪力墙 ^[18] 如图 6（d）所示，其改进的连接方式便于在施工现场采用高强螺栓和后灌浆工艺进行拼接，解决了传统钢板组合剪力墙无法快速装配的问题。

图 6 钢结构-剪力墙结构体系

1.3 钢结构模块化建筑

钢结构模块化建筑是一种在工厂完成模块单元的主体结构、围护结构、设备管线及室内装修的制作与安装，现场仅需装配拼装的高度集成化建筑形式，具有工厂化程度高、建筑集成效果好、施工方便快捷、对环境影响小等特点。但是由模块拼装属性带来的部品部件的冗余引起成本增加、多高层节点的连接技术及高度集成与现有行业监督管理制度的不匹配等问题亟需解决。

常见的模块结构形式如图 7 所示，包括：柱承重模块、墙承重模块、集装箱模块、框架-剪力墙模块等。模块间节点连接应能有效传递模块之间的水平力和竖向力，同时要方便安装，主要形式包括：螺栓抗剪键连接、拉杆抗剪键连接、灌浆连接等。

图 7 模块结构体系

1.4 低多层钢结构体系

低多层钢结构体系建造速度快，顺应我国建筑产业工业化的发展方向，随着新型城镇化建设的推进，包括冷弯薄壁型钢结构、分层装配式钢结构等在低多层居住建筑中得到广泛应用。

分层装配式钢结构 ^[19] 如图 8（a）所示，通过 H型钢梁贯通而小截面钢柱分层的形式，在梁柱节点采用端板式螺栓连接，让钢柱位置可沿梁轴线移动，从而实现分层装配且结构布置可变。为满足舒适度要求，还需通过设置支撑桁架来提高结构抗侧刚度。低层冷弯薄壁型钢结构 ^[20] 如图 8（b）所示，以 冷弯薄壁 C 形、Z 形、矩形钢构件作为承重构件，通过设置柱间支撑保证整体稳定性，构件连接采用螺栓或自攻螺钉。冷弯薄壁型钢构件通过折皱和卷边的方式提高截面回转半径和惯性矩，充分利用了材料性能。已有相关研究蒙皮效应的计算方法，表明能够利用围护结构的蒙皮效应增强结构的整体刚度。

华新顿集成多层冷弯型钢结构建筑技术体系（W-IBS） ^[21] 如图 8（c）所示，是一种密肋型板墙体系。该体系以“ 肋”（间距一般为 400 ~ 600 mm 的冷弯型钢柱、梁）承受重力荷载，以“ 板”（剪力墙板）抵抗由地震荷载和风荷载产生的侧向作用力。

钢-混组合承重保温一体化板结构体系如图 8（d）所示，主要结构构件包括：预制闭孔泡沫混凝土墙板、轻钢暗柱、预制叠合楼屋面板、后浇混凝土圈梁等。通过 U 形轻钢龙骨“ 框架” 与自承重自保温发泡混凝土“ 围护墙体” 形成二者共同受力的组合结构体系，解决了传统建筑中外附保温材料可能发生的脱落隐患问题。

图 8 低多层钢结构体系

钢结构围护体系一般也称为“ 三板” 体系，主要包括：外围护墙板、内隔墙板和楼（屋）盖板。

2.1 外围护墙板

外围护墙板体系作为钢结构住宅的重要组成部分，需要具有防火、防水、防潮、隔声、保温等性能。目前，用于钢结构住宅的外围护体系有水泥基条板系统（预制混凝土外挂墙板、蒸压加气轻质混凝土（ALC）外墙板、玻璃纤维增强水泥（GRC）外墙板、超高性能混凝土（UHPC）外挂墙板）、内部设置骨架的复合外墙板（钢骨装配式复合外墙、外挂单元式轻钢龙骨一体化墙板、承重围护保温一体化墙板、保温结构装饰一体化金属幕墙板、钢板网构复合保温混凝土墙板等）。

2.1.1  水泥基条板系统

1）预制混凝土外挂墙板如图 9（a）所示，是目前应用较多的一种外围护墙体，只承受其自身受到的外界作用，不考虑分担主体结构所承受的作用。其墙板间的防水构造是保证围护墙体整体质量的关键，一般设置 3 道防水构造，从内至外依次是防水橡胶条、物理空腔、耐候防水密封胶，可在防水要求特别高的部位内侧增加 1 道进行聚氨酯防水。混凝土材料可采用轻质保温材料，如：陶粒混凝土或发泡聚苯乙烯（EPS）混凝土，从而降低自重。

2）ALC 外墙板如图 9（b）所示，是一种由 ALC制成的建筑墙板，具有保温隔热、轻质高强、耐火阻燃、可加工、抗震性能好、耐久性好的优点，但 ALC条板外墙面的接缝是外墙防水的薄弱点，故外墙全立面需要采用多重防水保温技术。

3）GRC 外墙板如图 9（c）所示，是一种采用 GRC 制成的建筑外墙，相比传统的石材、瓷砖、石膏板等外墙材料更加轻便，安装和维护成本也更低，同时保持了很好的美观效果；但相比传统的建筑材料，GRC 外墙板的价格相对较高。

4）UHPC 外挂墙板如图 9（d）所示，是一种采用 UHPC 作为外围护墙体材料，配合高性能连接技术形成的建筑外围护墙板，具有超高的强度和耐久性，可做到与建筑同寿命。同时其丰富和细腻的肌理及质感为建筑表皮带来不同的风格和多变的表现形式。

图 9 水泥基条板系统

2.1.2  骨架复合外墙板

1）钢骨装配式复合外墙如图 10（a）所示，是一种将复合外墙板放置在安装好的钢骨架中的外墙板。复合外墙板一般由金属表面、保温材料、隔热材料和装饰材料等组成。强度高有韧性，且比传统的围护结构更加轻便，便于运输和安装。其对施工工艺要求较高，施工需成熟的产业工人完成，否则可能会引起质量问题。由于采用的是复合材料和金属材料，所以维护成本相对较高，需要定期维护和保养，以确保使用寿命。

2）外挂单元式轻钢龙骨一体化墙板如图 10（b)所示，以轻钢龙骨为骨架，外侧采用 EPS 混凝土或者 ALC 条板，龙骨内填充岩棉保温隔热材料，内封板采用纤维水泥板。

3）承重围护保温一体化墙板如图 10（c）所示，是一种将承重受力框架与围护体系融为一体的外围护墙板。板内含有结构骨架，现场吊装后在节点处将骨架经栓焊连接拼装在一起，形成整体受力的钢框架或钢框架-支撑体系。

4）保温结构装饰一体化金属幕墙板如图 10（d)所示，是一种金属面夹芯复合节能墙面板，保温芯材可采用岩棉板或玻璃丝棉板。其特有的侧面折边设计，无需对墙板进行拼缝收边处理，且外形美观，无需再进行表面装饰。

5）钢板网构复合保温混凝土墙板 ^[22] 如图 10（e）所示，它以工业钢渣为填充材料，采用蜂窝形状的金属网构代替传统墙体中的钢筋作为墙体内部拉接，能保证网构与混凝土黏接牢固，满足整体性、稳定性和可靠性的要求。

图 10 骨架复合外墙板

2.2  内隔墙板

建筑常用的内隔墙板基本分为水泥基条板系统和轻钢龙骨系统两大类，水泥基条板系统隔墙包括 ALC 条板和增韧发泡混凝土（RFC）内墙板，轻钢龙骨系统隔墙是将经冷弯工艺轧制的热镀锌板带组装成金属骨架，表面用纸面石膏板、装饰石膏板等轻质板材做饰面的非承重墙体。

水泥基条板系统隔声性能稳定，质量可控，钉挂力强，居住感受好，但搬运、安装难度大，有望通过小型机械设备的施工代替人工的方式来解决。但其产品精度低、表面粗糙等，需通过提高工厂模具的精度来解决。

轻钢龙骨系统隔墙施工便捷，精度高，但工序过多，质量不易控制，且钉挂力差，空鼓感强，在住宅中体验感较差，随着工业化程度的提高，可通过提高工厂集成度，有望解决存在的问题。

总之，各类墙体的应用都要根据不同的建筑条件和用户需求综合考虑，并通过工业化的手段不断完善产品品质。

2.3  楼（屋）盖板

随着装配式钢结构建筑的快速发展，楼板施工也成为装配式钢结构工程进度的一个关键因素。楼板为建筑提供了足够的强度、平面内刚度，并保证钢梁的整体稳定性。在住宅建筑工程中，楼板还应具备防火、防水、隔声等性能，同时尽可能减轻楼板自重，便于机电管线的敷设，减少现场湿作业，提高施工安装效率。目前，我国市场上钢结构常用的楼板形式及优缺点对比如表 1 所示。

1）我国钢铁产能过剩，钢结构建筑用钢量占比很低。虽然我国作为世界第一产钢大国，但是建筑用钢量仅占全国钢材总产量的 20% ~ 25%，与发达国家占比 40% ~ 55% 相比还存在着较大的差距。而且我国钢材在建筑中主要用于混凝土结构中的钢筋、钢绞线、钢丝以及门窗等，钢结构用钢量只占其中很少部分。

2）部品标准化制度落后，建筑模数化体系不完善。钢结构住宅部品的制造标准与建筑设计、施工不一致，导致模数不协调、接口不统一、安装不规范等问题。由于模数体系的缺失，导致建筑构配件等缺少整体的尺寸配合，难以实现工厂批量生产、现场拼装的生产方式，影响了钢结构快速装配这一优势的发挥，阻碍了钢结构住宅的发展。

3）部分技术体系未充分发挥钢结构优势。住宅因用地条件、容积率、商业模式等不同，其户型的均好性和得房率也不同。户型的最优解（一般也是唯一解）会导致柱网不规则。而剪力墙体系对柱网规则性没有太多要求。为推广钢结构的发展，过去市面上出现了众多为适应住宅户型类的剪力墙体系，该类体系未能充分利用钢结构优势，反而因用钢量激增导致成本增加，甚至造成质量隐患，一定程度上阻碍了钢结构住宅的发展与推广。

4）缺乏适配的型钢规格。型钢产品规格欠缺，难以满足建筑市场对型钢的多样性需求。国外的型材产品规格不符合我国钢结构行业的应用需求，导致轧制型材在建筑总用钢量中占比不足 20%。

5）产业链协同不理想。钢结构住宅产业链涉及设计单位、生产加工企业、安装企业、房地产开发商等多个主体，对各主体的集成度要求高，具有强关联性和多层次性。目前，钢结构住宅产业链存在主体之间信息共享和主体协同作业程度低等问题，严重制约着钢结构住宅全寿命周期内的生产效率与质量，不利于行业生产力的持续提升。

6）生产、建造技术落后。钢结构行业集中度不高，低端产能过多，生产建造基本还处于传统流水线模式。具备行业整合能力的龙头企业较少，不利于行业整体的技术进步，不能满足日益增长的市场需求，严重影响了我国钢结构住宅的产业化进程。

7）缺乏钢结构住宅人才。钢结构住宅技术含量高，极度缺乏全面了解土建及装修设计、构件加工、施工安装全过程基本做法和特点的综合性设计及施工管理人才以及具备高技术水平的专业化产业技术工人。

1）强化政策引领。政府部门宜扩大政策优惠面，推广钢结构住宅建设。同时，大力引导鼓励企业研发、生产钢结构住宅市场急需的新型产品，提升钢结构住宅配套厂家在行业内的参与度及话语权，建立起有效沟通及协作机制，打通行业产业链上下游，形成成熟的钢结构住宅建设全链条产业体系。

2）加强宣传引导，打破落后观念禁锢。利用新闻媒介，宣传推广钢结构住宅抗震性能好，居住舒适度高，建筑质量好的特点，提高公众钢结构住宅的接受度；通过开展政策宣贯、技术指导、交流合作等措施推广钢结构住宅的成熟经验和典型做法，提高钢结构住宅的影响力，增强市场认同度。

3）完善设计选型标准，推广标准化、模数化设计。大力推广住房和城乡建设部着力打造的“ 1 + 3”标准化设计和主要构件尺寸指导，推行“ 少规格，多组合” 的设计方法，重点关注构件的节点连接与围护体系的标准化设计，扩大标准化构件和部品部件使用规模，解决构件和部件生产成本居高不下的问题。

4）采用成熟可靠的技术体系，推广先进配套的材料和产品。住宅是民生工程，必须采用符合现行技术标准、规范要求，被证明适用的成熟可靠的技术体系，才能满足人民对美好生活的期待。通过绿色建材评价认证方式，推广高强、高性能材料，推动选用可再循环材料、可再利用材料、以废弃物为原料生产的利废建材。

5) 技术体系及创新与应用场景相适应。任何技术均有一定的应用范围，钢结构也不例外，有一定的应用场景，如对后期户型变化可能性较大的住宅、有大空间需求的住宅等。技术创新应以应用场景的痛点通病为方向，如耐候钢的应用、高效能节点和抗侧力构件等，以及解决外围护痛点的外筒内钢框混合结构等。

6) 提升技术信息化应用水平，打造全产业链系统集成。推动施工企业利用 BIM 技术实现精细化管理，搭建钢结构住宅产业互联网平台。推动土建与装修一体化设计，建筑设计、构件生产、施工安装一体化协作，促进钢结构住宅全产业链系统集成、高质量发展。

7) 推广工程总承包、建筑师负责制等新型组织管理模式。持续推进工程总承包（EPC）模式，使项目建设设计、生产、施工和管理一体化，实现资源优化、整体效益最大化。推行建筑师负责制，统筹协调各专业设计、咨询机构及设备供应商。推行综合性、跨阶段、一体化的全过程工程咨询服务，全面提升装配式钢结构住宅的投资效益、工程建设质量和运营效率。

8) 打造高品质示范工程项目。通过示范项目的实施，提升钢结构住宅的技术和管理水平，解决“质量通病”，切实提高钢结构住宅的使用性能，提升消费者的认同感。重点推进钢结构装配式住宅项目从单体试点向整体推进转变，成片成体系发展钢结构住宅，打造钢结构住宅示范小区。