北新多层轻钢住宅课题研究报告.docx
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北新多层轻钢住宅课题研究报告
北新多层轻钢住宅课题研究总报告
内容提要:
本报告以国家住宅产业化基地之一的北新建材拟引进国外多层轻钢结构住宅体系技术为研究对象,通过组织专家团队进行调研、考察、分析、研讨,从技术、经济、市场等不同层面探讨了拟引进技术的可行性,并给出具体的供参考建议。
关键词:
住宅产业化,冷成型钢结构、冷弯薄壁型钢结构,薄板钢骨结构,新日铁、多层住宅,结构、防火、热工、建筑配套、CFSF
所在行业:
制造/建材/建筑/房地产
一、课题研究说明
1、课题背景
北新是建设部最早建立的国家住宅产业化基地之一,基地的建立是立足于从新日本制铁株式会社(下简称新日铁)引进并自主国产化的薄板钢骨建筑(三层以下)体系核心技术以及十大住宅部品系列的配套。
近年来受国家宏观调控影响,三层以下别墅、独立式住宅以及低密度联排住宅市场极大萎缩,北新面临着寻求并开拓新市场的严峻局面。
2006年北新高层在与其合资方新日铁接洽后,开始关注新日铁在多层薄板钢骨方面的技术,同时力图在原有三层以下产品的基础上升级到多层建筑领域,以应对国内市场及政策方面的变化。
2006年底,北新基地正式请求建设部住宅产业化促进中心对是否引进多层住宅技术给与指导和支持。
作为建设部国家住宅产业化基地的归口管理单位,住宅中心迅速组建了涉及各专业的专家团队,着重从技术、经济等方面对北新拟引进的技术进行分析研究。
2、研究范围与目标
轻钢结构是钢结构的一个重要分支。
以钢材的轻重来区分,有轻钢与重钢两类。
轻钢是对所有轻质钢材的通称,是一个更为市场化的名称;研究轻钢结构住宅从住宅产业化链条的角度看,北美的定义更值得借鉴:
北美从型钢制作工艺上的差异定义不同类型型钢,总体上分为“冷钢”和“热钢”,即冷成型和热成型两大类。
这种定义方式之所以对产业化重要是因为:
成型工艺的不同决定了产业链条上的各关键阶段方式的不同。
如,型钢的生产,组装,结构和体系的设计,安装和施工等几乎所有这条产业链上的环节都因为型钢的制作工艺有冷与热之分而表现出完全不同的状态。
在专业领域北美称“冷钢”为:
CFS (COLD-FORMED STEEL)。
在我国学术界称之为“冷弯薄壁型钢”,(国家标准也是以“冷弯薄壁型钢”命名),南京工业大学董军博士将CFS直译为“冷成型钢” ,尽管在学术领域这些名称还存在争议,但是概念却是更清晰了。
似乎“冷成型钢”更利于我们对这一产业的理解,即在常温下将钢片、钢带、钢板、或扁钢条冷成型形成各种钢构件,这种冷成型工艺包括辊式冷成型机组生产、压力机模压成型或者弯板机弯曲成型,甚至冷拔成型。
由于产量、规格、品种少,我国甚至将某些热弯型钢(如采用高频电流局部加热成型和用红外线预热成型的型钢)也归入到冷弯型钢范畴。
北新基地的原有三层以下核心技术,正是采用的0.4mm~3.0mm之间的镀锌薄钢板冷成型为各种建筑构件,与结构板材共同组装成为建筑主体的技术。
正因为如此,本课题研究的主要对象还是有别于国内通常所指的“轻钢结构”,“冷弯薄壁型钢结构”,准确地说,应该是“冷成型钢结构”(COLD-FORMED STEEL FRAMING 以下简称CFSF)中的板式体系,是通过辊式冷成型机组生产型钢,采用自攻螺栓、拉铆等(无焊接)冷连接方式与结构板材共同组装成结构构件的薄壁(0.4mm~3.0mm)冷钢技术。
研究范围是多层住宅。
(按照《民用建筑设计通则GB50352-2005》中3.1.2条的规定,住宅建筑4~6层为多层住宅)
研究的主要目标是:
1、分析评价拟引进的日本多层技术的水平;2、该技术进入中国有何障碍;3、如何应对的建议。
3、研究方式与进展
课题研究主要依靠建设部住宅产业化中心的专家平台,采取调研与研讨相结合并最终形成专业报告的方式进行。
根据北新基地的现实情况,住宅中心有针对性的组织成立了由结构、防火、热工、建筑、设备等各专业方面权威专家组成的专家组,考察了日本新日铁的多层冷钢技术,并按专业形成各专业小组,分别从结构、防火、热工、建筑配套等各方面对日本技术进行评价,其间还重点调研考察了国内外相似类型的企业以及实施的示范项目,如美国的华星顿,中国的莱钢,万科等。
在住宅中心的组织下,课题组还定期派专人检查各专业小组的进展情况,及时沟通联络,做到信息共享,提高工作效率。
根据课题实施计划,集中召开了三次专家研讨会议,截至2007年2月13日,先后收到已完成的各分组报告有结构、防火、热工等若干篇。
二、CFSF技术国内外发展概况
自1838年起,在俄、美、英等国先后采用压力机或冷拔机生产单件冷弯型钢;1910年,美国首创辊式冷成型工艺,建设了第一套辊式冷成型机组,开始了批量生产冷弯型钢,其后,英、德、法、捷等国相继建成了专业化生产的冷成型机组,冷弯型钢的生产和应用进入到一个新的阶段 。
冷弯型钢技术的研究自1939年起在美国康奈尔大学和其他大学陆续展开,康乃尔大学成为世界冷弯型钢结构技术的中心,该校的乔治.温特教授是冷成型钢结构性能研究的鼻祖。
随着理论的不断发展,从1940年起,冷弯型钢开始广泛应用于建筑领域,冷弯型钢结构CFSF就是其中的最主要应用。
直到今天CFSF技术已经被广泛的应用在低层以及多层建筑中,尤其是在北美、日本、澳洲、欧洲等发达国家和地区,以环保节能、经济性良好见长的CFSF技术有逐步取代木结构房屋的趋势。
1、CFSF技术国外发展的历史与现状
A、技术层面
·北美
北美是冷成型钢结构技术研究的发源地,无论是理论研究还是市场应用方面始终处于领先地位。
1939年康乃尔大学在乔治.温特教授领导下开始对CFSF技术的研究。
研究工作得到了美国钢铁协会(AISI)的资助。
短短几年中,温特教授获得了一系列的研究成果。
1946年,基于温特教授的研究成果,AISI发行了容许应力设计(ASD)规范《冷成型钢结构构件设计规范》,这也是世界上最早的CFSF技术规范和准则。
正是这个规范的出台,大大加速了薄壁冷成型钢结构在美国的应用和发展。
AISI于1956、1960、1962、1968、1980、1986年对该规范进行了修订,以反映该技术的发展以及不断研究获得的结果。
AISI还于1991年发行了第一版荷载抗力系数设计(LRFD)规范,并在1996年将ASD和LRFD规范合并成一本规范。
1999年,AISI又发布了1996年版的补充。
2005年AISI又发布修订版。
美国将AISI相关冷成型钢设计标准上升为国标,其中包括:
《冷成型钢结构总则》,《低层轻钢住宅指定性建造方法标准》,《冷成型钢桁架设计标准》,《冷成型钢过梁设计标准》,《冷成型钢抗侧力体系设计标准》。
作为美国在经济贸易方面的主要伙伴,加拿大在冷成型钢结构领域也积极向美国看齐。
加拿大标准协会CSA于1967年也发布了《冷成型钢结构设计规程》,在CFSF低层住宅方面加拿大有着比美国更为细致的技术规范与手册,如加拿大薄壁钢建筑结构协会CSSBI发布的《轻钢住宅结构施工细则》 ,《轻钢住宅构件选样标准表》《轻钢住宅结构设计指南》,《低层轻钢结构施工细则》等 。
更为重要的是,加、美两国成立了北美钢构联盟(NASFA)最终实现了北美冷成型钢结构设计标准的统一。
·欧洲
20世纪70年代起,欧洲许多机构和私人公司对冷成型钢构件、连接及结构体系进行了积极研究和开发。
在奥地利、捷克、法国、瑞典、英国、德国等都是最早形成冷成型钢设计规范的国家。
同时,欧洲钢结构协会(ECCS),通过其TC7委员会,完成了一些用于建筑冷成型钢结构测试及设计的文件。
20世纪末,欧洲标准化委员会发行了用于冷成型钢构件和钢板的欧洲规范3中的1-3部分(Eurocode3:
Part1-3)。
这项工作是由欧共体委员会发起,与ECCS的一个工作组协作完成。
这标志着:
欧洲在冷成型钢结构方面也有了统一标准。
·澳洲
冷成型钢结构技术在澳洲的发展主要是以澳大利亚和新西兰两国为代表。
在当今冷成型钢结构技术领域澳大利亚的Hancock教授是继美国的温特教授之后又一位杰出的大师级人物。
在他的主持领导下,澳洲于1996年统一了冷成型钢结构技术标准:
(“Australian/New Zealand Standard on Cold-Formed Steel Structure”,AS/NZS 4600,1996),由于澳洲处于非地震地区,所以澳洲的冷成型钢结构设计基本不考虑地震作用,建筑产品也仅限于低层住宅。
·亚洲
亚洲冷成型钢结构的发展开始于20世纪80年代,最早出现相关技术规程的国家有印度、日本等国。
进入90年代,日本加大了在冷成型钢结构领域的研究与开发,始终走在亚洲各国前列。
1995年日本钢材俱乐部成员以新日铁为首的六大钢铁企业联合开始研发冷成型钢结构技术(后称为KC技术体系),并于2002年发布《薄板轻量型钢造建筑物设计手册》,此后上升为国家标准。
日本目前正利用自身研发优势,积极扩大在亚洲各国的影响,他们不断将冷成型钢结构新技术推广到中国、韩国、泰国等东南亚地区以及台湾地区,试图在冷成型钢结构领域制定统一的亚洲标准。
为此中、日、韩三方的钢结构协会已达成默契,每年轮流在三国间召开一次集中研讨会议,力图完成标准的统一。
总体看来,CFSF技术的发展是在向区域整合,全球一体化的方向发展;北美已走过了该领域技术发展的高峰期,目前以日本、澳洲为代表的发达国家在该领域研发的投入较大。
B、市场层面
冷成型钢构件的用途非常广泛,在许多不同行业和市场中都有运用,如汽车车体、铁路客车、各种类型的设备、货架、谷仓、公路产品、传输塔、传输杆、电缆桥架、排水设备以及桥梁结构等,其中建筑业一直是冷成型钢的最大用户。
如日本,在1980年,其冷成型钢产品的70%以上是用于建筑业,而机械制造、交通运输和造船业等方面的用量还不足10%,欧美等发达国家的情况大多如此 。
而冷成型钢结构CFSF的应用主要集中在房屋建筑范围。
冷成型钢是一种高效经济型材,具有质轻,构件强度高、刚度大、质量均匀、建造安装便捷,产业化程度高、防白蚁及腐蚀均好,材料可回收,等诸多优点,因此在低层房屋建筑中被广泛使用。
在北美,传统木结构住宅由于日益受到材质不稳定,以及资源方面的限制,正日益被冷成型钢结构CFSF所取代:
美国1993年建造了15000幢冷成型钢住宅,1996年75000幢,2002年后将占住宅市场份额的25% 。
在北美,这种结构还被越来越多地运用到多层建筑领域,据建设部住宅中心考察报告称北美CFSF多层住宅已实施将近300万平方米 。
在日本住宅市场,冷成型钢结构住宅(日本成为薄板钢骨住宅)份额也呈逐年上升趋势,现在年建造数量都在10000栋以上,并被国家大力推广使用。
在产品形态方面,这种结构不光被用在独立式住宅、别墅中,学生公寓、汽车旅馆、超市、儿童活动室、老人福利院、医务所等不同类型建筑均有广泛使用。
除了整体房屋产品,以冷成型钢构件组装成的墙体、楼板、屋面、屋架、桁架、网架、平台、楼梯、门窗乃至管道、容器、围堰、钢板桩等部品也被大量使用在公共建筑之中。
在日本,冷成型钢和H型钢已成为建筑业主材;加拿大用于建筑业的冷成型钢量已超过普通热轧型钢;瑞典在上世纪90年代末,金属压型板已在工业建筑中占屋面用材的90%,墙面用材的70%以上。
亚洲的韩国、中国台湾地区以及东南亚一些国家都在广泛使用冷成型钢结构产品。
从全球市场看,CFSF住宅主要以低层为主,多层仅在北美有建成项目,北美以外地区还没CFSF多层住宅项目出现。
2、CFSF技术国内发展概况
与西方发达国家相比,我国的冷成型钢结构技术的发展起步较晚,上世纪80年代初期,国内以西安冶金建筑科技大学(现西安建筑科技大学)的何保康教授、哈尔滨建筑工程学院(现哈工大)的张耀春教授为代表的一批钢结构领域的学者赴美国康乃尔大学师从乔治.温特教授,这是我国冷成型钢结构领域研究的开端。
自此,北美先进的冷弯型钢结构技术被引入我国。
结合我国钢结构技术的实际,19
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