“轻钢体系是公认的未来建筑趋势,因为它环保、材料可回收、用钢量少。城乡建设部也全力推动轻钢体系,但是始终做不起来,因为成本降不下来,关键在哪里?因为这套体系是由美国的气球式(balloon)或平台式(platform)小木柱系统直接转换过来,薄钢板不能焊,接头极不容易处理,而且是以整片墙作为结构和组装单元的系统,弹性小,少了开放性。”
 ~谢英俊,谈论关于市面上现有轻钢系统的问题
 
 
西方的建构系统类型:
 
 Post and Beam Framing, Balloon Framing, Platform Framing(图片来源于网络)
 
 
左: Buckminster Fuller: Dymaxion House/ Wichita House, 1927
中: Charles & Ray Eames: Case StudyHouse no.8, 1945
右: 日本轻钢构住宅 MUJI House
(图片来源于网络)
 
 
/ 常民强化轻钢结构系统 /
 
      常民强化轻钢结构系统,不同于现有几大类别的建构体系,由中国传统穿斗式构架进行发展,将目前市面上的轻钢结构由承重墙系统还原回梁柱系统。柱和梁皆为连续构件,简化了结构的加工及组装工序,不仅适用于干式构造,最大的优势在于湿式构造:能与草、土、竹、木、石、砖、混凝土等结合使用。
 
  
( 摄影:李国民 )
 
 
01. 常民轻钢结构特点
 
相较于重钢结构,常民轻钢结构构件具有如下特点:
     
a. 构件为薄壁型钢(t≤3.0mm),重量轻,大部分构件可由人力完成安装。
b. 采用螺栓连接,焊接作业量少,减少热作业对钢材强度的影响,同时减少防腐防锈处理工作。
c. 采用冷弯成型,产生冷弯效应,可增加钢材强度。
d. 薄壁截面可有效增大截面属性,充分利用钢材强度,节约钢材用量。
e. 截面形式变化多样,且可任意组合成复杂截面。
 
 
1.1 轻钢结构适用范围 
 
a. 高度:由于轻钢结构自身局限性,目前以薄壁轻钢作为主要受力构件的房屋建筑均为低层建筑。
 
b. 跨度:经过多年的实践与研究,可以轻钢构件为基础,建造跨度达到20m(以后可做到40m)的大跨度建筑。
 
c. 地域环境:可适应各类环境条件,同时由于“材轻”,对机械依赖度低,打破地形、施工工艺的限制,已在全国及国外多种复杂地形地貌及气候条件下均有建设。
 
 ( 凉山州雷波扶贫房 )
 
( 云南大理无量山药谷酒店 )
 
 
1.2 常民轻钢结构体系类型 
 
      由于轻钢柔性大,不能像重钢厂房一样使用单纯的框架结构。目前根据不同实际项目情况,可采用以下结构形式:
 
a.  框架-支撑结构:梁(或桁架)、柱构成框架,承担竖向荷载。支撑维持结构稳定,并抵抗水平风力和地震力。
b. 框架-支撑+格构柱结构:当局部由于空间布置,影响到支撑结构的设置,造成水平力承载构件不足时,通过设置格构柱,以满足建筑布局、水平承载要求。
 
 
 
02. 结构形式
 
 2.1 轻钢排架与桁架 
 
a. 排架
 
      此套屋架系统是对中国传统木构架的映射,也是常民最原始的屋型。排架基本元素:柱、梁(屋面斜梁)、斜撑(承受水平荷载,利用三角形的稳定性)。
 
 
 
b. 桁架
 
      在常民系统解决村民自建居所的技术问题后,面临着空间布局较小、灵活性不足的难题,于是简易的三角桁架和叠拼双梁被提出实施。 
 
      当室内空间需要相对较大的跨度尺寸时,对于斜屋面层可使用三角桁架(类似于传统木结构屋面形式);对于普通楼面层,可采用双拼梁,增加承载力,如果两侧柱子较少,且柱距较小,可采用格构柱增强柱承载力。
 
 
c. 高架屋型桁架
 
      为解决坡地地形及土方工作,2014年在大理无量山项目将桁架结构与独立基础组合应用,形成传统的吊脚楼。
 
      桁架增加结构跨度,与叠拼梁组合使用时,可实现对空间布局更自由的支配。另外对于高架屋型下层空间,在不损坏地基承载面的情况下,可根据实际情况,加以有效利用,增加建筑的有效使用面积。
 
 
 
 
 
d. 屋面桁架
 
      在公共建筑中,常见挑高、大开间的空间布局情况。此时可采用轻质的屋面构造,配套简易屋面桁架形式,以达到公共空间的跨度要求,如幼儿园、游客中心等屋型。
 
 
 
e. 弧形桁架
 
      在2017年的凉山州大营盘小学项目中,为了加建跨度15m的结构,需解决在跨度和支撑上难题。格构柱、拱结构、屋面桁架同时组合。拱结构的使用,可充分发挥材料的力学性能,使用小截面,完成大跨度。
 
 
 
 
 
 2.2 轻钢+重钢组合结构 
 
      此能组合构件多用于普通轻钢桁架无法或难以达到的跨度范围。
 
a. 梭形大跨度桁架结构
 
     梭形桁架,上下弦杆均为拱形。可将桁架结构看作镂空的简支梁,轻巧简单;从力学方面分析,桁架结构与简支梁的弯矩相似,上下弦杆的轴力分布均匀,上、下弦杆受压或拉共同作用抵抗弯矩作用。当梭形桁架受竖向荷载作用时,拱效应使得桁架结构的优势凸显,达到材料最优的效应。
 
 
 
b. 折板桁架-网架结构
 
      使用轻钢为主要结构材料,节点连接为普通螺栓连接,以替代传统球型铰链式空间网架结构。
  
 
 
03. 构造做法
 
      常民强化轻钢结构系统的开放性和包容性还体现在构造做法上。常民轻钢系统不仅适用于干式构造,最大的优势在于湿式构造:能与草、土、竹、木、石、砖、混凝土等结合使用。
 
3.1 干式构造 
 
 
 
 3.2 湿式构造 
 
a. 常民轻钢系统+砌块墙
 
 
b. 常民轻钢系统+石墙
 
 
c. 常民轻钢系统+钢网土墙
 
 
 
d.常民轻钢系统+竹编泥墙
 
 
e. 常民轻钢系统+综合构法
 
 
 
04. 案例展示
 
( 云南大理无量山药谷酒店 )
 
( 山西沁源五龙川生态博物馆 )
 
江苏昆山原舍祝甸酒店(图片来源于网络)
 
( 山西飞岭大师工作营 )
 
( 四川温江鑫鹏园民宿 )
 
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设计依据
 
1、常民轻钢结构设计,遵循以下主要规范:
 
    《钢结构设计标准》
 
    《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》
 
    《冷弯薄壁型钢结构技术规范》
 
    《轻型钢结构住宅技术规程》
 
    《建筑抗震设计规范》
 
    《建筑结构荷载规范》
 
2、常民内部设计图集及规程