轻骨架建筑的起源、定义和范围

轻骨架建筑的起源、定义和范围1现代轻骨架建筑所用的建筑材料及其延伸6轻骨架构件设计计算理论17轻骨架建筑用钢材材料特性23(五)腹板孔26设计中的妥协33轻骨架屋顶设计414.屋顶形状62(5)复斜屋顶75五、中国重钢建筑和轻钢建筑的定义错误108六、轻骨架建筑的结构力学特点与结构设计思想113轻骨架建筑的起源、定义和范围一、轻骨架建筑的起源、定义和范围现代轻骨架建筑的雏形——气球骨架是在19世纪发明的，经过多次改进，直到1850年左右才最终定型。1.平台骨架建筑现代平台骨架建筑是在气球骨架建筑基础上发展起来的。在平台骨架建筑中，在第一层托梁上覆盖上楼层粗地板后，在外墙和内隔墙上方就形成了一个平台，这种类型的结构一般都是用在住宅建筑上（图1-1）。平台建筑容易矗立。它在每个楼层面提供了一个工作平面，并且便于适应各种预制方法。在平台系统中，通常的习惯是在楼层上组装墙骨架，然后再倾斜整体单元就位。2.气球骨架建筑在气球骨架建筑中，外墙柱连续穿过第一个第二层。第一层托梁和外墙柱都支撑在锚固底槛上（图1-2）。第二层托梁支撑在已经放进外墙柱的侧边，其最小尺寸为1×4（25mm×89mm）的肋梁上。在覆盖砖和砌块外壳的二层建筑里，气球骨架减少了骨架和砌快外壳的沉降变化。在外墙是实心砌块时，内部分隔墙的气球骨架也减少了横墙里门和橱柜开口的扭曲。气球骨架需要比较长的柱子，并且难以符合当前的竖立习惯和挡火系统，因而这个系统现在已经很少使用。图1-1图1-2现代轻骨架建筑所用的建筑材料及其延伸二、现代轻骨架建筑所用的建筑材料及其延伸1.轻木骨架（2×4）早期的轻骨架建筑（不论是气球骨架建筑，还是平台骨架建筑）都是采用2×4、2×6、2×8、2×10、2×12（38mm×89mm、38mm×140mm、38mm×203mm、38mm×254mm、38mm×305mm）这样的定尺木材作为骨架材料（图2-1）。图2-1图2-22.轻钢骨架一直到冷轧镀锌卷板问世，人们才想到利用冷轧镀锌卷板轧制的C形和U形钢构件来替代定尺木材。因为也就产生了冷轧轻钢建筑系统（图2-3）。图2-33.SIP（结构保温板）SIP（Structuralinsulatingpanels，即结构保温板）就是在二层皮肤之间粘贴上轻质保温材料，形成一个复合结构的墙板单元（图2-4，5）。图2-4图2-5在1990年之前，美国是把SIPs称为预制木基承重应力皮肤板（Prefabricatedwood-basedloadbearingstressedskinpanels），有时也简称其为应力皮肤板（stressedskinpanels）或应力皮肤保温芯板（Stressed-skininsulatingcorepanels，简称SSIC板），1990年之后，该产业已经决定把它命名为结构保温板（Structuralinsulatingpanels，简称SIPs）。早在1930年，美国森林产品实验室（FPL）就开始了结构保温板（SIPs）的长期试验项目，经过几十年的试验，在1979写出了总结报告。但多年来，结构保温板（SIPs）的结构力学理论一直没有什么重大突破。与大多数现代建筑结构理论一样，结构保温板（SIPs）的结构力学要点是计算弹性粘结复合结构系统的组合作用效果。SIP（结构保温板）既可以作为墙板，也可以作为屋顶板使用（图2-6）。图2-6SIP（结构保温板）的皮肤可以是木质材料（图2-7）、金属材料（图2-8）、水泥基材料等。图2-7图2-8SIP（结构保温板）的芯材可以是EPS、XPS、PU和蜂窝纸等。1.ICF（保温混凝土成型）墙ICF（保温混凝土成型）墙是采用EPS保温泡沫作为模板来浇铸钢筋混凝土墙（图2-9）。图2-9目前我除了ICF（保温混凝土成型）没有搞过以外，其它轻骨架建筑都玩过了。总的感觉是每种轻骨架建筑都各有所长，有时候需要结合到一起来应用，才是最佳选择。轻骨架构件设计计算理论三、轻骨架构件设计计算理论(一)题外话轻骨架建筑技术是目前国际上最为流行的、外观和性能最好的低层住宅建筑技术。像日本、美国、智利这样的地震多发国家，基本上都是采用轻骨架建筑技术来建造住宅，因而智利在遭遇里氏8.8时，也不会因地震而使房子倒塌而砸死人。但我们国家即便是遇到了汶川大地震这样的千年一遇自然灾害，抗震技术极其优越的轻骨架建筑技术也无法顺利进入中国建筑市场。这是因为轻骨架建筑技术与我们目前正在使用的、高等院校正在教授的、设计院会设计的钢筋混凝土砌块建筑是截然不同的二种建筑体系。一旦在中国推行轻骨架建筑技术，很多在现行体制内混的很好的官员、学者、技术专家和设计人员所掌握的钢筋混凝土砌块建筑技术知识就会贬值、缩水、甚至归零。在改革开放这三十年过程中，很多行业都曾经出现过因新技术的出现，而使得旧知识贬值和归零的现象，甚至全行业退出市场的现象。最具有代表性的当然数从光学像机到数码像机的进步，当数码像机全面进入市场后，普通用途的光学像机、胶卷，以及冲印设备等就瞬间退出了市场，从业人员也只能从新再就业了。今天中国普通用途胶卷市场上早已经不见了富士、柯达和乐凯品牌的胶卷了，可笑的是当年他们可是在市场上打破了头，甚至还把胶卷品牌之争上升到国家安全之争，上升到国家层面的意识形态之争，。在汶川地震发生后，一位华裔建筑师叙述了他初到美国找工作的困境，一个中国国家注册建筑师，到了美国居然不会盖（轻骨架）房子了，所有应聘公司都对他在中国积累的钢筋混凝土建筑技术不感兴趣，认为毫无用处，一切只好都从头学起。一位年轻的博友向我诉苦说：“我在日本留学，学习的就是建筑结构，导师主要是搞钢结构的，手下也有一组人在搞钢混抗震结构，当时来的时候就想学钢结构。但是国内大学的教授劝我还是学钢混。说是国内钢结构最多就是修建厂方的大跨度的建筑。住宅上面是不会使用钢结构。为了以后就业工作还是学钢混比较好。感觉是国内的建筑业不信任钢结构，或者说是不了解钢结构，所以大家都不才用”。他问我应该怎么办？我当然告诉他：“可能你国内的老师自己就不懂钢结构，所以才劝你去国外学钢混。其实学钢混结构，不用去国外，国内学者和企业的水平是全球最高的。到国外就要学习国内没有的先进钢结构技术，回国才有用武之地。”。对于体制内的官员、学者、技术专家和设计人员们来说，因新技术而使得自己原来所掌握的知识和技能贬值、缩水、甚至是归零的情况，确实是无法忍受的，因而这群人对于轻骨架建筑技术的漠视、轻视、抵制，甚至是反对就可以理解了。这也是轻骨架建筑技术无法在中国顺利推广的一个重要原因。(二)概要在发达国家，因为经济条件许可，所以不但在建筑上是理论和实验二条腿走路，甚至是宏观宇宙理论和微观质子理论，都是理论和实验二条腿走路。由于建国初期，我们国家的经济水平非常低下，难有经济实力去搞实验科学。加上前苏联的科学体制对我们的影响，我们国家的科学研究一直是重理论，轻实验和实践。延续至今，中国建筑规范的制定和审批仍然只强调理论计算，很多计算方法都是根据假想的模型胡编乱造出来的，理论模型与实际建筑物差别巨大，结果只能靠凑数据，甚至是反推法来满足要求。发达国家的建筑结构理论比较相信试验数据，当然，要想获得足尺建筑物的实验数据，实验设备和实验费用是非常昂贵的。所以一旦发生大地震或飓风，发达国家的科技人员都会忙不跌的赶往出事地点，以获取第一手资料。美国的《说明性方法》是一帮技术专家根据现行轻骨架设计理论和实验数据编制出来的，并且处于不断更新之中。普通用户，只要认识字，查一查表格，就可以进行轻骨架构件的选型设计，有经验的木匠，连查表都难得去查，凭经验就足够了。当然，理论还是有必要的，所以我才会写出《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》、《轻钢（或木）骨架住宅结构设计》、《低层轻钢骨架住宅设计（直接强度法）》（博客版）等一系列轻骨架设计理论书籍。这儿并不是说轻骨架建筑理论没有用，而要强调的是：轻骨架建筑理论是用来指导实践的，而不是用来限制轻骨架建筑实践的。通过技术专家们的轻骨架理论研究和分析，把一线技术人员和工人门的轻骨架实践经验总结出来，加以提高，并上升到理论高度，就更加有利于工程一线的技术人员和工人放心大胆的去做轻骨架建筑实践。在这儿所说的轻骨架结构构件是标准的C型钢和U型钢，是通过滚轧热浸镀锌钢板而成。(三)物理尺寸标示符号由四个部分组成，第一个数值代表腹板深度，第二个数值代表钢材骨架构件的类型，第三个数值代表边缘宽度，第四个数值代表最小基本金属厚度。图3-2腹板深度：这儿所选择的实际腹板深度是89mm、140mm、203mm、254mm和305mm。选择89mm和140mm腹板深度符合当前住宅建筑产业里使用的骨架尺寸（即符合窗户和门框）。这些尺寸可以直接和传统的建筑材料和习惯一起使用，然而，如果换成稍微大一点的尺寸，例如用92mm或102mm柱子代替89mm柱子时，就不应该涉及任何结构了。对于203mm、254mm和305mm构件来说，与传统木材构件相对应的腹板的深度意义不大，因为它们通常是用于水平骨架构件（即过梁和托梁）。注：有时也称为“腹板高度”，当说“深度”时，指的就是墙柱子的腹板“深度”，当说“高度”时，指的就是托梁的腹板“高度”。边缘宽度：标准的C型钢有着最小41mm的边缘，最大边缘尺寸是51mm。当增加的边缘尺寸超过了51mm最大限制，可能会导致某些构件减少能力。注：按照有效截面计算，32mm的边缘宽度就足够了，多余的宽度都变成了无效截面（参见图3-3），并不是越宽越好，太宽了还会降低构件的能力，但为什么还必须要有最小41mm的边缘宽度呢？这是为了使固定石膏板或OSB板的螺钉容易准确的对准柱子或托梁，才必须要有最小41mm的边缘宽度。图3-3唇缘尺寸：最小尺寸为12.7mm的加强唇缘。这个尺寸在产业里也很普通。在许多情况里，减少唇缘尺寸会对承重构件的承重能力带来有害的影响，要求钢材导轨有着最小32mm的边缘尺寸。这个尺寸确保了足够的边缘宽度，以允许把导轨固定到骨架构件和装修材料上。钢材导轨腹板是从边缘的内侧测量到内侧，因此要比对应的标准的C型钢总的腹板深度宽。这种尺寸差别就允许把C型钢完全嵌套进导轨截面里。钢材导轨在厚度上也与标准的C型钢的厚度要求相匹配。在《说明性方法》里，始终要求导轨最小钢材厚度等于或大于它们所要固定的承重构件。要求的钢材厚度是最小未镀层钢材厚度（不包括金属镀层的厚度），并且是以mils（1/1000inch）为单位。这个单位偏离了采用规格命名厚度的历史习惯。“规格”是已经过时的代表厚度范围的参照符号，因为当指定最小值时，它是含糊不清的测量单位。在产业里已经废弃用“规格”作为测量依据的习惯。为了达到一致性，采用了mil名称。例如，33mils（即0.033inch或0.84mm），43mils（即0.043inch或1.09mm），54mils（即0.054inch或1.37mm），68mils（即0.068inch或1.73mm）和97mils（即0.097inch或2.46mm）都是指定的厚度。设计厚度遵循AISI《规范》（AISI，1999）的规定，定义为最小的交货厚度除以0.95。有意忽视了在拐角弯曲处发生的厚度减少，并且结构计算所用的扁钢的设计厚度不包含镀层。这种调整适当考虑了上述最小交货材料厚度必不可少的正常的材料厚度变化。在冷轧钢材构件里，是在弯曲的内侧测量弯曲半径。它对结构构件的能力有影响。由于众所周知的冷作硬化现象，在局部增加了钢材的屈服强度，从而在弯曲区域里强度会增加。轻骨架建筑用钢材材料特性(四)材料特性采用最小屈服强度为230MPa或345MPa钢材。所有钢材楼层、屋顶和过梁部件最小要求采用230MPa钢材。钢材柱子表格规定了230MPa或345MPa二种最小屈服强度。由于注意到实际应用中的经济利益，所以才把345MPa屈服强度钢材作为单独的墙柱子选项。我十多年前研究冷轧钢建筑技术时，国内基本生产不了符合冷轧钢建筑的镀锌卷板。经过十多年的光景，中国钢铁行业发生了翻天覆地的变化，早已经成为全球第一产钢大国，但由于中国建筑行业