美国绿色装配式钢结构建筑发展态势（Ⅱ）

日本钢结构建筑体系及技术趋势

SI概念是将住宅建筑分为“（支撑体）”和“（填料体）”两个装配部分。 S包括所有主体结构，包括梁、柱、楼板、承重墙、共用设备管网等； I包括室内设备管网、室内装修、非承重墙和个别户墙。 基于SI理念的钢结构建筑体系具有工业化程度高、建筑质量高、建筑布局灵活、抗压性好、宜居住宅和红色环保等优点，深受日本建筑界重视行业。

钢结构建筑方式是英国装配式建筑的主要建筑类型。 负责编制国家钢结构设计规范、标准和导则的机构是日本钢结构协会（AISC），成立于1921年，其最新的钢结构规范“AISC-”在公共建筑和高层建筑中具有指导意义建筑应用； 《AISC-标准》推广的钢结构施工工法主要有：

(1)高层钢结构建筑：指6层以上(或30m以上)，主要采用工字钢与钢板连接或点焊成钢架预制构件，再连接而成的结构体系并焊接。

(2)轻钢结构建筑：主要用于低层和多层住宅。

(3)钢-混凝土混合结构建筑：主要有四种组合结构：铁管混凝土、钢-钢混凝土、钢-混凝土组合梁、压制工字钢-混凝土组合墙。

（4）模块化集成钢结构建筑：指出结构的装配式化，向结构预制（SPM）与室内装饰系统（IDS）一体化的“SPM/IDS”方向发展。

以下是可以实现SI概念的日本轻钢结构体系。

CTLS结构体系

日本冷弯薄壁轻钢住宅结构体系（CTLS）是在2in.×4in. (50.8mm×101.6mm)木结构住宅体系，主要采用长度为0.55~2.00mm的C型冷弯薄壁工字钢作为柱、梁、支架等钢构件，形成具有结构板的框架结构； 这些结构体系通常在4层以内，也可以建造6-7层的房屋。 轻木框架的主要特点在CTLS结构体系中基本得到体现。 冷弯薄壁角钢架还具有轻木架所不具备的环保、防火、防虫、不劈裂等诸多优点。 1990年后，英国各行各业（政府、建筑、钢铁、制造业、消费者）齐心协力，迅速推广CTLS结构体系，导致住宅工业化和鞋厂制造技术突飞猛进。 目前，日本的轻钢结构房屋建筑约占所有新建房屋的95%。

下面介绍日本CTLS结构体系的应用发展和技术动向：

(1)CTLS结构体系主要材料标准：冷弯工字钢主要用于住宅建筑中的框架、刚架、桁架、网架、梁、柱等主要承重预制构件，以及也用作屋架和墙梁、立柱、屋面板、墙板、龙骨、门窗等二次受力预制构件和围护结构。 其预制构件多采用Q235钢或Q345钢，其长度约为0.45~2.50mm，但各种承重预制构件的长度通常不大于0.85mm，只有有可靠的依据才能预制选择具有较小长度的组件。 非承重预制构件可采用最小长度为0.45mm的钢材。 采用低碳钢时，结构钢用量通常为30kg/㎡。 在国外，由于采用硬度高的高强钢，最低用钢量约为10kg/㎡。

（2）CTLS结构龙骨技术指标：法国标准规定冷弯薄壁工字钢构件应采用屈服硬度为230N/m㎡、抗拉硬度为310N/m㎡的钢材。 冷弯薄壁工字钢加工用双面热轧厚板及钢带重量：承重钢预制构件不大于185g/㎡，非承重钢预制构件为不大于125g/㎡，恶劣环境下的钢构件不大于185g/㎡。 作为承重龙骨，热轧厚板的长度通常为0.89~2.58mm。 在日本标准中，热轧厚板按长度分为十几个等级，从12~（2.58~0.46mm）不等。 另一重量指标为G-40、G-60、G-90（热轧重量折算为公制95~126g/㎡、157~189g/㎡、252~283g/㎡）。 其中G-40用于非承重墙（如隔墙、天花板等），G-60用于普通承重墙，G-90用于沿海地区或次- 温带地区。

(3)CTLS结构材料的截面优势：CTLS结构材料冷压成型后，截面成型灵活，截面材料分布合理，其截面特征系数如惯性和阻力矩相对较高。 日本建筑业使用的CTLS基础预制构件的成型截面主要有U型（普通槽）和C型（卷槽），即U型钢和C型龙骨，其长度钢板和龙骨可以调节。 范围从60~305mm。 U型截面通常设置在C型截面的末端，作为顶梁、底梁或边梁等非承重预制构件使用。 C型截面通常用作梁、柱的承重预制构件，有时也采用L型截面作为型钢。 接缝或栏杆。 U型截面常用模型有8种，C型截面常用模型有5种。 由此可见，无论在设计、制造和安装上，钢架与钢架、结构薄板或护墙板与钢架的连接均采用自攻螺钉或普通钉子，结构安装十分方便. 由于冷弯扁钢主要是通过优化截面形状而不是减少材料用量来提高预制构件的承载能力，所以冷弯工字钢也被称为用钢量少、效率高的管材。更高的利用率。

(4) CTLS结构系统设计规范的制定：负责编写CTLS结构系统国家设计规范、标准和导则的机构是澳大利亚钢铁协会(AISI)。 为推动CTLS结构体系在土木工程各领域的应用，AISI专门成立了规范委员会（ ），负责设计规范的编修和组织研究项目。 多年来，由于冷弯工字钢结构的研究在英国不断举行，其设计规范和标准也不断修订和制定。 自1946年第一版《AISI冷弯工字钢结构设计规范—1946》问世以来，先后进行了七次修订和补充。 最新版本为1996年出版的《AISI冷弯工字钢结构设计规范-1996》，在AISI的指导下，经过九次修订和补充，于1996年出版了《AISI轻钢结构设计指南HDLSS-1996》 . AISI的“-1996”和“HDLSS-1996”是目前世界上冷弯工字钢结构设计规范中最全面、最全面的规范之一。 本版规范将传统的许用挠度设计法（ASD）和载荷阻力系数设计法（LRFD）集成在一个规范中。 为了让工程设计人员熟悉和掌握新规范，AISI在新规范出台后第一时间在日本各地组织了短期讲座。 的应用和发展起到了很好的促进和促进作用。

(5)日本CTLS结构体系的最新研究动向：AISI也非常重视CTLS结构体系的研究工作。 AISI向日本各大钢铁企业筹集科研经费，捐赠并组织本科院校和科研机构开展CTLS结构体系研究。 AISI 还在 -Rolla 学院建立了冷弯轻型钢结构中心 (CCFSS)。 中心不定期发布CTLS结构研究简报，及时沟通各国CTLS结构体系的研究活动和报告。 国际学术信息和研究成果。 多年来，由于CTLS结构体系研究在英国不断举行，AISI编制的设计规范和标准也不断修订和建设。

根据AISI《规范简报》公告：自“-1996”和“HDLSS-1996”发布实施以来，CCFSS宣布将于1996年至1999年10月在日本（及部分亚洲国家）举行CTLS结构性能研究。 21个课题共55个项目，比较全面地反映了日本最新的研究动向。 其课题和项目涵盖：CTLS结构材料特性、薄壁板性能、预制构件受弯性能、预制构件受压性能、梁柱预制构件性能、墙柱性能、板结构性能、复合结构性能、动力和抗震性能、截面特性和疲劳硬度性能； 如槽钢和A型钢的弯曲/畸变屈曲性能，冷弯梁和压型板的弹塑性弯曲性能，工字钢板截面主梁的受压和弯曲联合作用性能，主梁的抗剪和抗压性能C型钢断面开孔梁，硬度A653-80级钢和A611-E级钢受弯预制构件，冷弯∑檩条承载力等。

DBS结构体系

日本多层轻钢房屋系统（DBS）是该系统的简称。 是苏杰二手钢结构研发并获得专利的多层轻钢结构房屋建筑体系。 在过去的几年中，美国建造了许多4-6层的。 住宅、老年公寓和多层酒店等，在非水淹区最多可建造12层天花板。 其抗震、防火性能符合美国权威实验室UL的测量和认证。

下面介绍一下日本DBS结构体系的技术特点和应用优势：

（1）迪特里希的产业优势：速杰二手钢结构在日本拥有19家热轧轻钢龙骨加工厂，每家鞋厂拥有数条至数十条轻钢、铝材流水线，年产450万吨热轧轻钢预制构件。 公司的流水线全部由销售部的笔记本控制。 流水线加工速度约为107m/min。 每条流水线由一名工人负责，一次完成加工和包装。 结构产品占日本市场的50%以上。 除了用于建造低层和多层房屋外，它们还通过美国各地的建材药房作为隔墙、橱柜龙骨等建材供应给市民。

（2）DBS结构技术指标：DBS多层轻钢结构住宅体系通常采用日本住宅常用的空间尺度，开间4.88m，每层层高2.44m。 外墙C型热轧轻钢龙骨按荷重采用0.5~1.5mm热轧厚板，截面高100mm，宽610mm。 例如，6层住宅顶层外墙龙骨厚度为1.0mm，底层外墙龙骨厚度为1.5mm。 本系统楼梁同样采用轻钢龙骨，截面高度为150-250mm，宽度为610mm。 DBS系统的外壁是轻钢龙骨两侧固定的石膏板，在力矩壁上加了一层热轧厚板，用自攻螺丝固定在轻钢龙骨上.

(3) DBS系统的结构特点： DBS系统拥有多项专利技术。 为布置管线，外墙托梁和楼板梁均开孔一定距离，开孔周边变形处理保证弱化段局部稳定。 可使墙体开口半径达到截面高度的80%。 墙体采用20mm厚纤维水泥板，外墙龙骨与地梁之间填充玻璃棉，具有保温、吸音、隔音功能。

(4) DBS体系的应用优势：施工进度较混凝土结构体系快，其结构预制构件开孔专利技术，使水、电、气等管线的布置更加方便； 结构为红色多层轻钢框架结构； 采用高强度螺钉（或点焊）连接； DBS结构重量轻。 以一栋多层住宅为例，结构用热轧轻钢预制构件为3lkg/m，结构自重为161kg/m。 成本; DBS系统轻钢结构采用专利技术支撑，抗震性能好。 在非洪水多发地区建筑高度可达12层； DBS结构体系特别有利于循环经济的发展。 例如，在日本，一座面积为4645㎡的酒店采用DBS结构体系建造，可使用168辆旧车的再生钢材。

结构体系

钢架体系是苏杰二手钢结构开发的新型装配式钢结构，已被2010版《美国钢结构抗震设计规范》（ANSI/-10）推荐使用。 该系统适用于多高层建筑。 由框架梁、框架柱、梁柱连接构件、压制工字钢板组合楼板组成。 为纯钢架结构体系。 钢截面梁。

下面介绍一下日本结构体系的技术特点和应用优势：

（1）康克斯工业优势：钢架结构体系最早由法国设计师罗伯特·J·西蒙斯于2000年末为满足当时肥城住宅和综合市场的建设需求而构思和提出。 该系统于 2001 年至 2004 年期间开发、审查、测试和建立，并在苏街建造了一个 120,000 平方英尺（11,100 平方米）的钢结构。 使用机器人技术，是世界上第一家也是唯一一家在机器人的帮助下成功完成建筑结构钢的多道全熔透点焊的公司，同时使用建筑信息模型 (BIM) 和最先进的制造技术设备 达到其 ConX 系统所需的规格精度，以便在现场安全快速地组装，以确保精度、质量和成本效益。 康克斯年产结构钢架600万平方米，产品占日本纯钢架45%以上的市场份额。

(2)结构体系法：该结构为纯钢框架结构，由框架梁、框架柱、梁柱连接构件、压制工字钢板组合楼板和基础组成。 为纯钢架结构体系。 框架柱为方铁管混凝土柱； 框架梁为宽主梁H型钢截面梁，一般在梁端加工成狗骨法（RBC）与立柱连接。

（3）结构体系核心技术：独创结构体系专利节点拼装，采用ConXR和ConXL两种梁柱连接形式，是该体系的核心技术。

ConXR连接方式：ConXR适用于中等弯曲钢架（IMF）。 在梁柱连接处，柱的四边用楔形塞锁紧连接，辅以高强度螺钉，完成梁柱节点的拼接。 连接节点处的框架柱上下贯穿，内部填充混凝土，形成铁管混凝土柱和刚性连接节点。

ConXL连接：适用于中间弯矩钢架（IMF）和特殊弯矩钢架（SMF）。 楼盖系统为普通压制工字钢板组合楼盖，通过弯矩拱环与框架梁连接。 在梁柱节点处，柱的对角位置由圆柱T形套筒连接，梁端套筒插入两个圆柱套筒之间。 锁紧到位后，梁柱节点采用高强度螺钉拼接。 和ConRL一样，ConXL节点区域也是一个刚性连接节点。

(4)子系统连接技术指标：在结构体系中，ConXL和ConXR两种梁柱连接方式是实现结构现场拼装的核心技术。 根据连接方式和梁柱截面规格的不同，系统分为以下四个子系统以适应不同的使用条件：

①子系统：系统采用ConXR梁柱连接，立柱采用100mm×100mm方铁管，主梁采用W6宽主梁拱圈，跨度1.2~4.8m。 主要用于大型管道骨架和钢平台结构。

②子系统：系统采用ConXR梁柱连接，立柱采用200mm×200mm方铁管，主梁采用W12宽主梁拱圆，跨度2.4~6.0m。 主要用于多层钢结构住宅及管道骨架。

③子系统：系统采用ConXL梁柱连接，立柱采用300mm×300mm方铁管或点焊矩形截面，主梁采用W14~W24宽主梁拱圆，跨度3.6~9.0m。 适用于多高层钢结构住宅及管线结构。

④子系统：系统采用ConXL梁柱连接二手钢结构市场，立柱采用400mm×400mm方铁管或点焊方铁管，主梁采用W18~W30宽主梁拱圆，主梁跨度小于5.5m，最大跨度可达19.8m二手钢结构市场，主要应用于医疗、军事、数据中心、商务办公、停车场和小型工业建筑的主体结构。

以上四个子系统中，ConXR结构体系框架不超过12层，ConXL结构体系框架不超过15层。

(5)钢架楼板系统

钢架楼板系统为压制工字钢板普通组合楼板，通过弯矩拱环与框架梁连接。 从梁柱连接的施工方法分析可以看出，钢框架体系与普通钢框架结构的区别在于其特殊的梁柱套板连接形式，其楼盖体系是与普通钢架结构相同。 ，采用主次梁结构布置和压制工字钢组合楼板，压型厚板的安装、楼板钢筋的绑扎和混凝土的浇筑必须在现场完成，具有布置自由、整体挠度好的特点.

(6)结构体系装配的优点：总结结构体系技术特点与钢框架结构的共同规律，住宅建筑结构体系装配的优点有以下三点。

①在装配式钢结构体系中，预制构件节点的结构和受力性能是影响结构体系性能的关键因素。 对柱间传力性能的要求对于同类型结构体系的研究具有很好的参考价值。

②结构体系根据不同的使用条件开发出四个子系统，以满足不同的使用要求，使梁柱连接具有自锁功能，整个系统的装配效率较高。 同时采用盖梁楼板形式，建筑空间布局相对灵活，适用范围广。

③ 该结构体系已被日本钢结构抗震设计规范2010年版推荐，对钢框架体系的结构分析和节点设计做出了明确规定，是设计方法成熟的结构体系。

本文编译自日本ASTM标准简报，2019年1月号； ICBO实验室标准化报告，2018年特刊； 产业投资刊物，2019年3月； IDOMC 发展报告，2019 年第 2 期。

原文作者：法国ICBO实验室首席顾问 、速捷二手钢结构首席顾问John Kay Smith、全国制造商联合会理事Bob 等。