1、1厦门帝景苑超高层住宅建筑全钢结构的应用杨建民【摘要】：随着现代经济的不断发展，钢结构工程以其施工速度快、周期短、强度高、便于预制、安装、适用高层大跨度等的优越性已在工程领域广泛应用。在此，作者就全钢结构现代建筑在厦门帝景苑工程中的应用进行简述，阐述了全钢结构工程在高层建筑物上应用的优点、钢结构应用现状及存在问题，提出了钢结构在高层建筑物上应用的发展方向。【关键词】：高层建筑 全钢结构 新技术 屈曲支撑 粘滞阻尼器 应用 1高层建筑全钢结构的优点、应用现状及现存问题近几十年来，由于钢材品种的增加、制造方法的改善、新结构形式的采用、计算方法和设计理论的发展，使得钢结构在工业与民用建筑、桥梁以及其
2、他工程结构中得到了广泛的应用。高层钢结构在建筑领域的优势越来越被市场所认同和青睐，为我国钢结构产业的发展注入了活力，这不仅要得益于科技的发展，还要归功于钢结构本身的优越性，钢结构同传统的钢筋混凝土结构相比主要有很多优点，特别是全钢结构的优点尤其明显。1.1 高层建筑全钢结构的优点全钢结构与其它结构相比，在使用功能、设计、施工、以及综合经济方面都具有明显优势，在住宅建筑中应用全钢结构的优势主要体现在以下几个方面：1.1.1 能够减少建筑中结构所占的面积针对建于地震区 30 层60 层的钢筋混凝土结构的高层建筑，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值，达到 1.8 m1.8 m2.0 m2.0 m，核心筒
3、在底部的壁厚将达 0.6 m0.8 m，以满足结构侧向刚度和层间位移的要求，此两项结构面积约为建筑楼层面积的 7。如果采用全钢结构，柱截面将大大减少，核芯筒采用钢柱及钢支撑时，包括外侧的装修做法，其厚度仍2比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑面积的 3 ，比钢筋混凝土结构可减少约 4。全钢结构住宅比传统建筑能更好的满足建筑上大开间灵活分隔的要求，并可通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，户内有效使用面积提高约 6。对业主来讲，将带来不少的经济效益。1.1.2 能够减轻结构自重，降低基础工程造价一般钢筋混凝土框剪结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质
4、隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为 15kNm 217kNm 2，其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为 10kNm 212kNm 2。相同条件下如果采用钢结构，全部重力荷载为 10kNm 212kNm 2，其中：钢结构和混凝土楼板的结构自重约为5kNm 26kNm 2，可见，两类结构的结构自重的比例为 2:1，全部重力荷载的比例约为 1.5:1，相当于 30 层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于 20 层高的钢筋混凝土结构高层建筑。据有关计算，在建筑上部使用的高层钢结构的工程总投资与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5% 10%。荷载值的很大差异，决定了基础荷载必
5、然减轻，基础技术处理难度及工程造价将大大减小。全钢结构建筑总重轻，钢结构住宅体系自重轻，约为混凝土结构的一半，可以大大减少基础造价。1.1.3 具有优良的抗震性，提高住宅的安全性将钢结构体系用于住宅建筑可充分发挥钢结构的延性好、塑性变形能力强，具有优良的抗震抗风性能，大大提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，能够避免建筑物的倒塌性破坏。如 95 年的日本阪神大地震中，99 年的台湾大地震中未倒塌的几乎全部为 H 型钢制作的钢结构建筑物。1.1.4 综合造价低3仅仅就造价看，钢结构住宅似乎是高了些，但是综合了建筑的全部生命周期、钢结构住宅的节能、环保等效益，再加上钢结构建筑的
6、材料基本可以永远循环利用的话，钢结构住宅的造价也就不高。1.1.5 施工便捷工期短钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，在现场安装。在安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢结构安装交叉进行，实践证明，钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快 2030，相应的施工周期将大大缩短，工期比传统住宅体系至少缩短三分之一，施工速度快，加快资金周转，大大提高投资效益。1.1.6 节能效果好内墙墙体采用轻型节能标准化预制墙板，保温性能好，节能 50，每户每 m2 可节约取暖纳凉费用 18 元。帝景苑项目超高层建筑样板房精装修，采用香港
7、利澳建材属下机构福建某轻质隔音板制造厂生产的轻质隔音板做室内隔墙材料，该材料规格为 244061090（mm ），重量 605（kg/m），具有薄体、轻质、防火、隔热、隔音、抗震的性能。1.1.7 环保效果好所有住宅都有一定的使用寿命，一般钢筋砼结构的住宅拆除的原材料无法再利用，而且会产生大量垃圾污染环境。钢结构住宅施工时大大减少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色，可回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大部分材料可以再生或降解，不会造成很多垃圾。1.1.8 建筑风格灵活、丰实大开间设计，户内空间可多方案分割，满足用户的不同需求。帝景苑项目超高层建筑首层中间大厅层高为 15.2m，面积约 3
8、24m2；户型面积在3001700m2 之间。1.1.9 符合住宅产业化和可持续发展的要求。4钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高住宅产业的水平。帝景苑项目钢柱、钢梁、剪力墙钢板均为厂家加工制作，大型拖车运输至工地。1.2 钢结构应用现状由于钢结构具有以上优点，目前世界上绝大多数的高层及超高层建筑均为钢结构体系：如 1970 年建成的 110 层、高 443m 的美国芝加哥西尔斯大厦；1996 年建成的高 450m 的马来西亚双塔石油大厦；塔高 646.38 米的波兰华尔扎那电视塔；被称为“世界第一
9、高楼” 的“迪拜塔”，“迪拜塔”始建于 2004 年，2010 年 1 月 4 日正式落成，塔高 828 米，楼层总数 162 层。我国由于经济和技术的原因，80 年代之前没有兴建一幢高层钢结构建筑。1985 年以后，由于外资工程的兴建，建筑用钢材的发展，高层钢结构建筑开始在我国出现。到 1990 年底，在上海、北京、深圳建成了 1l 瞳高层钢结构建筑，京广中心是这个时期最高的结构(共 57 层，高 208m)。此后，随着我国的改革开放和经济的不断发展，我国的钢材年产量已连续多年超过 1108t，成为世界上钢产量最多的国家，钢材产量的增长为发展我国的钢结构建筑事业创造了良好的时机。自 1993
10、 年开始，我国形成了新的高层建筑钢结构建设离潮。特别是随着上海浦东开发区的建设，上海高层建筑钢结构的发展尤其迅速，成为我国高层钢结构建设最集中的地方。位于上海浦东新区陆家嘴的上海环球金融中心 2008 年 8 月 29 日竣工，楼高 492m，地上 101 层，地下 3 层；东方明珠广播电视塔是上海的标志性文化景观之一，位于浦东新区陆家嘴，塔高约 468m，于 1991 年 7月兴建，1995 年 5 月投入使用；上海中心大厦，项目面积 433954m2，建筑主体为 118 层，总高为 632m，结构高度 为 580m，机动车停车位布置在地下，可停放 2000 辆，2008 年 11 月 29
11、 日开工建设，2016 年 3 月 12 日5建筑总体正式全部完工。上述 3 座建筑，己经成为上海的标志性超高层建筑，并使我国的高层钢结构建筑进入世界前列。近几年，厦门的钢结构建筑也得到了突飞猛进的发展。2010 年 5 月28 日开工建设、2015 年 10 月交付使用的厦门世茂海峡大厦，是厦门第二高楼，由两栋 300m 的超高层（总高度 300m）主体建筑及裙楼组成，其中地上 27 万 m2，地下 7.28 万 m2，包含酒店、办公和 SOHO 等业态；2010年开始正式建设、预计于 2017 年 9 月份竣工的福建第一高楼厦门国际中心，总建筑面积约 18.56 万 m2，建筑高度 339
12、.88m，地下 4 层，地上 61层。这两座建筑，将成为厦门市鹭江道及环岛路上崭新的厦门地标建筑。可以说，近十几年来建筑钢结构在中国处于建国以来最好的一个发展时期，随着经济建设发展的需要，钢结构作为一种理想的建筑结构，将在2l 世纪中国的建筑工程中发挥出独特的和不可替代的作用。1.3 全钢结构工程存在的主要问题虽然全钢结构目前发展较快、应用较多，但是也存在着一魑问题，例如：1.3.1 全钢构总体造价较高短期来看，造价比钢筋砼结构相对来说要高一些。帝景苑项目钢柱最大截面尺寸为口 2500250080，钢板最厚达 80mm；钢梁最大规格为H255010003060。由于钢柱截面尺寸较大，总用钢量大
13、，导致总造价较钢筋砼结构高。1.3.2 钢结构耐火性能差钢材耐热而不耐高温。钢结构在火灾的情况下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350及 500时，其强度可分别下降 3050。至 600时结构完全丧失承载能力，变形急剧增大，导致结构倒塌。因此，规范要求喷涂防火涂料进行保护。帝景苑项目设计防火极限为 3 小时，采用厚涂型钢结构防火6涂料，设计厚度钢柱为 23mm，钢梁为 1415mm 。1.2.3 钢材易于锈蚀，应采取防护措施 钢材在潮湿环境中，特别是处于有腐蚀介质的环境中容易锈蚀，必须刷防腐涂料或镀锌，而且在使用期间还应定期维护。帝景苑项目暴露在
14、室外钢构防腐保护层设计总厚度为 280um，室内钢构防腐保护层设计总厚度为 200um。 2. 厦门帝景苑超高层住宅建筑全钢结构的应用厦门帝景苑工程，位于福建省厦门市湖滨南路与湖滨西路交界处，北临筼筜湖，南临主干道湖滨南路，西侧为湖滨西路，东侧紧邻音乐岛酒店与电力大厦，是中国第一个全钢构超高层住宅建筑群，由 1#5#超高层住宅楼及 6#、7#配套群楼和两个整体地下室组成。项目总用地面积54286.697m2，总建筑面积 551680.25m2，用钢量约 600kg/m3，总钢量约37 万吨。其中，一期工程为 1#3#楼、6#楼地下室及上部工程，由1#3#超高层住宅楼及 6#会所和整体地下室组成
15、；二期工程为#楼、#楼地下室及上部工程，由 4#5#超高层住宅楼及 7#会所和整体地下室组成。两个整体地下室均为地下四层；地上超高层均为 62 层，建筑高度 247.8m，采用矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑结构内支撑系统；群楼为商业用房，建筑高度 21.37m23.2m,采用钢结构。7帝景苑效果图帝景苑 1#、2#、3#楼 6#楼钢结构局部2.1 钢结构设计本工程 1、2、#楼为矩形钢管砼柱框架钢板砼剪力墙结构，楼盖采用型钢梁和钢筋砼现浇板组合楼板，3#楼为矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑结构；6、#楼为钢框架结构，楼盖采用型钢梁和钢筋砼现浇板组合楼板。8工程钢结构部分主要由钢柱、钢梁、钢板剪力墙组
16、成。其中，钢柱有目字型钢柱、日字型钢柱和箱型钢柱三种，Q390GJC，最大截面尺寸为口2500250080，钢板最厚达 80mm；钢梁主要为热轧 H 型钢和焊接 H 型钢，材质为 Q390GJC、Q345GJC 和 Q345B，最大规格为 H255010003060；剪力墙钢板材质为 Q345B，最厚达 45mm。3#楼钢板剪力墙局部 2#楼钢结构上部2.2 钢结构深化设计技术钢结构深化由分包单位在设计院确认的施工蓝图上进行深化，深化后的图纸由设计院审核确认后投入使用。深化后的图纸使制作简单明确，减少了材料浪费；使现场安装实现了建筑装配化，加快了工程进度，确保了后续工序同步施工。深化设计在节约
17、、环保、降低成本、确保工程质量、进度与安全等方面起到了重要作用。2.3 高强度厚板钢材的应用高强度厚板在本工程中得到了普遍应用，本工程低合金高强度钢有Q345、Q390 等，超高层建筑结构用钢有 Q345GJ、Q345GJZ 等，钢柱材质为Q390GJC，钢板最厚达 80mm。钢板设计有 Z 向性能的钢板厚度有40mmt100mm，设计厚度方向的断面收缩率有 Z15、Z25 两个等级。由于本工程焊接工作量大，工序施工周期长，焊接变形控制难度大，钢结构施工单位制定了焊接工艺评定报告，作为现场焊接指导书。制作焊接及现场安装焊接严格按照工艺指导进行，焊接 24 小时后进行超声波检测，自9检结果全部合
18、格后，进行第三方检测并出具检测报告。2.4 钢管混凝土柱砼的抗压强度好，抗弯能力弱；钢材具有良好的弹塑性，但在受压时容易丧失轴向抗压能力。钢管砼在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使砼处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。采用 C50C70 自密实砼浇筑钢管柱内，提高了钢管的刚度，钢管与砼共同作用，大大提高了钢管砼柱的承载力。2.5 住宅钢结构技术本工程为矩形钢管砼柱-钢框架钢支撑结构，塑性良好，一般情况下不会出现超载而产生的断裂。钢结构住宅韧性好，结构对动荷载的适应性强，良好的吸能和延展性使钢结构具有优越的抗震性能。钢结构住宅还有施工周期短、结构空间大等诸多优点。2.6 钢结构防火涂料使
19、用由于钢结构耐火性能差，所以规范要求对钢结构喷涂防火涂料进行保护。2.6.1 1#楼、2#楼防火涂料设计帝景苑 1#楼、2#楼钢结构设计防火等级为一级，各类型构件耐火极限及防火涂料规格型号、涂刷厚度如下表所示。NH（LG）室内厚型钢结构防火涂料序号 构件类别设计耐火极限（h)防火涂料类型防火涂料型号涂装厚度（mm)耐火性能试验（h)1 钢柱 3 室内厚型 NH(LG) 23 32 钢梁 3 室内厚型 NH(LG) 14 23 其他 2 室内厚型 NH(LG) 14 2WH（SWH）室外厚型钢结构防火涂料序号 构件类别设计耐火极限（h)防火涂料类型防火涂料型号涂装厚度（mm)耐火性能试验（h)人
20、行通道两翼部分人行通道两翼部分人行通道两翼部分人行通道两翼部分101 钢柱 3 室外厚型 SWH 23 32 钢梁 3 室外厚型 SWH 14 23 其他 2 室外厚型 SWH 14 2材料选型：本项目防火涂料选用的是由公安部四川消防研究所于 1988年成功研制、四川某防火材料有限公司生产的 NH（LG）室内厚型钢结构防火涂料和 WH（SWH）室外厚型钢结构防火涂料，该涂料系无机防火涂料，无任何有害成分和放射性，符合 A 类装饰材料标准，材料燃烧烟气成份毒性达到 AQ1（安全一级）标准。该涂料耐火性能优异，工程应用时间超过20 年，是国内工程应用最长的钢结构防火涂料，以下表格为产品对应的主要技
21、术指标：NH(LG)室内厚型钢结构防火涂料技术指标检测项目 标准条款 技术指标 检验结果在容器中的状态GB14907-20025.2.1经搅拌后呈现均匀稠厚流体状态，无结块搅拌后呈均匀稠厚流体状态，无结块表干时间（h)GB14907-20025.2.1 24 7 小时初期干燥抗裂性GB14907-20025.2.1允许出现 1-3 条裂纹，其宽度应不大于 1mm 无裂纹干密度(kg/m 3)GB14907-20025.2.1 500 470耐水性（h) GB14907-20025.2.124 涂层应无起层、发泡、脱落现象浸泡 24 小时后涂层无异常WH(SWH)室外厚型钢结构防火涂料技术指标检测项目 标准条款 技术指标 检验结果
