【正文】 錯誤100多年來，鋼結(jié)構(gòu)建筑物的材料是從鑄鐵逐步轉(zhuǎn)向了鑄鋼、鍛鋼和熱軋鋼材，再進(jìn)一步向冷軋鋼材方向發(fā)展。國際上是根據(jù)鋼材的加工工藝（熱軋和冷軋）來定義重鋼建筑結(jié)構(gòu)和輕鋼建筑結(jié)構(gòu)的。1. 重鋼結(jié)構(gòu)國際上一般認(rèn)為：采用鑄鋼、鍛鋼和熱軋鋼材作為建筑結(jié)構(gòu)材料的建筑物都屬于重型鋼結(jié)構(gòu)體系（圖41），與層高沒有關(guān)系。圖41 熱軋鋼材（Hotformed Steel）是把鋼材加熱，再進(jìn)行軋制成型。用熱軋鋼材建造建筑物，其結(jié)構(gòu)特點和傳統(tǒng)的梁柱建筑結(jié)構(gòu)體系沒有很大差別。2. 輕鋼結(jié)構(gòu)國際上一般認(rèn)為：采用冷軋鋼材作為建筑結(jié)構(gòu)材料的建筑物都屬于輕型鋼結(jié)構(gòu)體系，也與層高沒有關(guān)系。冷軋鋼材（ColdFormed Steel）是在室內(nèi)環(huán)境溫度下，也就是沒有明顯的熱成型加熱要求，把從薄板、定尺長度的鋼材卷板或鋼板上剪下來的鋼板壓彎成型，或通過滾軋來成型的鋼材。輕規(guī)格鋼（Light Gauge Steel）這一名稱繼承了輕木骨架結(jié)構(gòu)（Light Wood Frame）的說法。輕規(guī)格鋼采用的鋼材是冷軋鋼材（Coldformed Steel）（圖42）。 輕鋼建筑力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特點和傳統(tǒng)的梁柱建筑結(jié)構(gòu)體系有很大差別。圖423. 中國重鋼建筑與輕鋼建筑的定義錯誤從嚴(yán)格意義上來講，中國現(xiàn)階段很少有國際上普遍認(rèn)為的真正意義上的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物。中國建筑界是根據(jù)建筑物的層高來定義重鋼建筑結(jié)構(gòu)和輕鋼建筑結(jié)構(gòu)的：三層或三層以上的鋼結(jié)構(gòu)建筑物為重鋼建筑；三層以下的鋼結(jié)構(gòu)建筑物為輕鋼建筑。實際上國際上現(xiàn)在已經(jīng)開始采用冷軋鋼材來建造多層建筑（鋼材厚度最多也就3~4mm），層高已達(dá)9層（圖43），按照中國建筑界的定義，它應(yīng)當(dāng)屬于重鋼建筑，你相信嗎？圖43國內(nèi)三層以下的鋼結(jié)構(gòu)建筑大多數(shù)是采用熱軋或焊接H型鋼來建造的，按照國際慣例，這當(dāng)然不屬于輕鋼建筑。嚴(yán)格來說，它應(yīng)該稱之為：“采用重鋼結(jié)構(gòu)建造的低層建筑”。輕規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)就是冷軋鋼結(jié)構(gòu)這一不容置疑的現(xiàn)實在中國建筑界遭到了普遍的懷疑，很多專家、學(xué)者和企業(yè)都一直都想把低層重鋼建筑結(jié)構(gòu)納入“輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系”之內(nèi)，并且還試圖從設(shè)計與計算理論方面去給它定義。這就搞得真正的輕鋼建筑沒有辦法，為防止魚目混珠，只好把真正的輕鋼建筑起了一些非常奇怪的名字，例如什么“超輕鋼建筑”、“薄壁輕鋼建筑”、“冷軋輕鋼建筑”等等。我經(jīng)常在一些場合，把輕鋼建筑稱之為：“真正的輕鋼建筑”；以區(qū)別于“采用重鋼結(jié)構(gòu)建造的低層建筑”。六、 輕骨架建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)特點與結(jié)構(gòu)設(shè)計思想在傳統(tǒng)的梁柱建筑結(jié)構(gòu)體系里，所有建筑構(gòu)件都是在獨立的承擔(dān)荷載。一旦一個構(gòu)件出現(xiàn)問題，整個建筑體系就會出現(xiàn)多米諾骨牌效應(yīng)，都會一個跟著一個的倒下來。傳統(tǒng)的梁柱建筑結(jié)構(gòu)體系是采用牛頓力學(xué)理論（F=ma）作為依據(jù)來計算構(gòu)件力學(xué)性能的。在輕骨架建筑結(jié)構(gòu)中，每個單獨的構(gòu)件都是非常弱小，軟不拉肌的，無法獨立承擔(dān)荷載。但如果把它們組裝到一起，形成一面墻、一個樓層、或屋頂系統(tǒng)，情況就大不相同了。它們所能夠承擔(dān)的荷載數(shù)量之大是牛頓力學(xué)理論（F=ma）無法解釋的。輕骨架建筑的力學(xué)特點主要表現(xiàn)有二個，即荷載共享和重復(fù)與復(fù)合作用。荷載共享就是說系統(tǒng)里所有構(gòu)件既有分工，也有合作，同心協(xié)力地承擔(dān)荷載。即使某個構(gòu)件失效——無法承擔(dān)它所應(yīng)該承擔(dān)的那部分荷載，也沒有關(guān)系，左鄰右舍都會搭上一把手，爭搶著去分擔(dān)失效構(gòu)件留下來的荷載，使整個建筑系統(tǒng)絲毫不受影響。要想達(dá)到荷載共享的目的，就必須采取重復(fù)與復(fù)合的建筑結(jié)構(gòu)。重復(fù)與復(fù)合結(jié)構(gòu)就是把同樣的構(gòu)件一個接一個（即重復(fù)）的排列起來（圖51），再用結(jié)構(gòu)覆蓋物把它們聯(lián)成一體（即復(fù)合）（圖52），形成一個“重復(fù)與復(fù)合構(gòu)件”時，其整體能力和剛度要大大大于單個構(gòu)件的能力和剛度的總和。圖51圖52所以輕骨架建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想就是一定要用結(jié)構(gòu)覆蓋物把重復(fù)的構(gòu)件串成一體，有可能的話，還應(yīng)該把從屋頂?shù)降孛娴乃袠?gòu)件排列成一條直線，以便把屋頂、樓層荷載直接傳遞到基礎(chǔ)上，而不是想像梁柱建筑結(jié)構(gòu)體系那樣拐彎磨角的把荷載傳遞到基礎(chǔ)上。在設(shè)計輕骨架建筑時，千萬不要有“獨木立千斤”（在梁柱建筑體系里普遍采用）的力學(xué)思想，而要采用“團(tuán)結(jié)就是力量”（即重復(fù)與復(fù)合作用）的力學(xué)思想來設(shè)計。傳統(tǒng)的混凝土砌塊建筑是燕子銜泥壘窩式的施工（圖53），建筑師的工作就像一個雕塑家在做雕塑藝術(shù)創(chuàng)作。所以土木建筑師一般不需要懂太多的建筑結(jié)構(gòu)知識，只需要把建筑形狀和色彩畫出來，交給結(jié)構(gòu)工程師就算完活了。圖53至少一群中國的前衛(wèi)藝術(shù)家是這么認(rèn)為的。尤其是雕塑家更是這樣認(rèn)為，他們認(rèn)為造房子和搞雕塑沒有啥太大的區(qū)別，只不過建筑物要比他們的雕塑作品的體量稍微大一點而已，在設(shè)計、施工方面并沒有太大差異，都是布筋、支模、灌漿、粉刷、涂色或貼面。少數(shù)從事前衛(wèi)藝術(shù)的藝術(shù)家的手開始癢了，因而開始了建筑的新實驗。呂澎，一個極具烏托邦精神的藝術(shù)批評家，將12位前衛(wèi)藝術(shù)家會聚在西夏王陵賀蘭山下造房子，這聽上去似乎只是一個充滿浪漫主義色彩的想法而已，而這些藝術(shù)家在這之前從未進(jìn)行過建筑設(shè)計，這個想法使他們更加瘋狂。拿出的設(shè)計圖超越了建筑的邊界。 在“賀蘭山房”建筑群中，耿建翌的作品是將日常經(jīng)驗中熟悉的石膏模型的幾何體放大變成一座建筑的外形；王廣義是將一個巨大的類似火車車廂大鐵盒擺在了戈壁灘；宋永平更是直接將一個國外著名建筑師的經(jīng)典作品的外形和室內(nèi)空間直接顛倒，便形成了建筑作品……周春芽在提到自己的設(shè)計時，更多的是把它當(dāng)成一件作品，可以永久佇立的裝置作品，而不是一幢房屋的設(shè)計。藝術(shù)批評家呂澎則這樣評價，“賀蘭山房”的設(shè)計很像放大的雕塑或裝置，這些藝術(shù)家把現(xiàn)代藝術(shù)或當(dāng)代藝術(shù)的經(jīng)驗帶到了設(shè)計中。藝術(shù)畢竟不能改變建筑本身的規(guī)則，但這些藝術(shù)家畢竟是以想像的空間超越建筑的空間。如今，“賀蘭山房”已完全荒廢，圍墻已倒塌成了斷壁殘垣，到處雜草叢生。圖54耿建翌的設(shè)計方案（幾何體）施工過程圖55賀蘭山房作品之一（確實像一個雕塑作品）輕骨架建筑是喜雀叼枝架巢式的施工（圖56），往往需要建筑師、結(jié)構(gòu)工程師和裝修工程師三位一體，在做建筑設(shè)計時必須要同時考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝修設(shè)計。所以輕骨架建筑師必須要懂一點建筑結(jié)構(gòu)知識，以及建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)尺寸。圖56注意！與“萬能建筑體系”（即鋼筋混凝土建筑體系）不同，輕骨架建筑的外形，尤其是屋頂?shù)耐庑闻c構(gòu)件之間存在著很強的內(nèi)在聯(lián)系，一切建筑造型都是根據(jù)構(gòu)件布局順勢而成，而不是特意“雕塑”出來的。七、 輕骨架建筑必須遵循的設(shè)計模數(shù)由于輕骨架建筑所用的結(jié)構(gòu)覆蓋物規(guī)格尺寸早就定型（例如OSB板、膠合板、石膏板等），其基本尺寸都是：4’8’(1219mm2438mm)，因此，輕骨架構(gòu)件的間距就只能符合610 mm（=1219/2，2438/4）、406 mm（=1219/3，2438/6）和305 mm（=1219/4，2438/8）這些基本模數(shù)了。國內(nèi)建筑規(guī)范規(guī)定的建筑模數(shù)根本就沒有考慮建筑材料早就已經(jīng)形成的這些既成事實，如果一味強調(diào)輕骨架構(gòu)件的間距要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑模數(shù)300 mm、400 mm和600 mm，那么如果那個工程師真得這么傻帽的聽從了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按照300 mm、400 mm和600 mm的間距來設(shè)計，那絕對要被老板，甚至是被作業(yè)工人們罵得狗血噴頭，因為根本就安裝不上。圖61是工人們按照安裝平臺上畫好的墻柱模數(shù)線來放置墻柱。圖61同樣，層高也應(yīng)該符合一定的模數(shù)要求，一般為8’(2438mm)、9’（2743mm）、10’（3048mm）、11’（3353mm）、12’（3657mm），這樣就可以大大節(jié)省板材，尤其是節(jié)省了切割板材的工作量。如果不符合這些基本模數(shù)，不是不可以，但卻要浪費大量板材，并消耗大量切割板材的時間。圖62是安裝平臺上畫好的墻高度線，工人們就是根據(jù)它們來放置天地龍骨和墻柱。圖62墻體厚度一般以140mm(即140S41構(gòu)件)為易，當(dāng)然，89mm(即89S41構(gòu)件)不是不可以，從力學(xué)性能上來講，有時89mm(即89S41構(gòu)件)的墻體強度是足夠了，但89mm(即89S41構(gòu)件)的墻體保溫和隔音性能是很差的，所以建筑外墻盡量不要使用89mm(即89S41構(gòu)件)的墻體，而是采用140mm(即140S41構(gòu)件)，再厚也就沒有必要了（圖63）。圖63樓層托梁的高度一般以10”（254mm）和12”（305mm）為好。太小了不容易在樓層里走管線，太高了也是浪費（圖64）。圖64繪圖時，應(yīng)該確定一個統(tǒng)一的輕骨架構(gòu)件的間距網(wǎng)格（例如610 mm、406 mm和305 mm），墻體、樓層、屋頂?shù)乃袠?gòu)件都應(yīng)該與此網(wǎng)格對應(yīng)，以保證豎向荷載成一直線的傳遞到基礎(chǔ)上。如果樓層布局和屋頂布局太復(fù)雜，很難保證成一直線的傳遞荷載，就必須要采用雙頂板措施了。目前國內(nèi)鋼材的強度已經(jīng)可以確保輕骨架構(gòu)件的間距采用610 mm沒有問題，但國產(chǎn)OSB還不能滿足610 mm的間距要求。因此如果采用國產(chǎn)OSB，最好還是采用406 mm間距。另外，由于國內(nèi)人住慣了鋼筋混凝土建筑，腳長期踹在剛性混凝土樓層上，而輕骨架樓層多少會有一些振動，因此就更應(yīng)該采用406 mm間距了。在國際上，輕鋼建筑一直使用“允許應(yīng)力設(shè)計（ASD）”和“荷載和抵抗系數(shù)設(shè)計（LRFD）”這二種設(shè)計方法，最近“直接強度設(shè)計（DSM）”方法已經(jīng)進(jìn)入實用階段。由于中國建筑界一直游離于國際建筑技術(shù)之外，處于獨立發(fā)展的狀態(tài)之中，已經(jīng)長達(dá)50~60年之久，加上一味強調(diào)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要關(guān)起門來自己搞，建筑模數(shù)尺寸與國際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重脫軌，設(shè)計方法原始落后，至今我們?nèi)匀贿€在使用上個世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)學(xué)來“極限狀態(tài)三系數(shù)法”進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)（包括冷軋輕鋼結(jié)構(gòu)）的設(shè)計，因此國際上幾十年來所積累的技術(shù)經(jīng)驗、實驗數(shù)據(jù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都無法為中國建筑界所采用。這就造成真正的輕鋼建筑結(jié)構(gòu)體系在中國發(fā)展緩慢，最近幾年幾乎是停滯不前。八、 預(yù)制裝配輕骨架建筑 很多人錯誤的把鋼結(jié)構(gòu)住宅等同于住宅產(chǎn)業(yè)化，這是完全錯誤的。就拿冷軋輕鋼建筑來講，在如果只是在工廠里把鍍芯卷板軋制成一根根龍骨，這就和在磚瓦廠里燒制粘土磚一樣，離住宅產(chǎn)業(yè)化還差距十萬八千里?？梢赃@么理解，鋼結(jié)構(gòu)是住宅產(chǎn)業(yè)化的必要條件，但不是充分條件。1. 綁棍建筑在現(xiàn)場一根根的綁制龍骨，就稱之為綁棍建筑，這是極其原始的輕骨架建筑勞作方式，現(xiàn)在已經(jīng)很少有人采用了，有時只在局部采用。2. 板式建筑比較常用的是板式建筑，就是在工廠里，或是在現(xiàn)場工棚，實在不行，也可以在基礎(chǔ)和二層平臺上組裝墻體骨架，然后再豎立它們（圖71）。圖71最近也有人在研究先在下面組裝好樓層，再吊裝到墻頂上。但成效不大，簡單一點的樓層布局沒有問題，稍微復(fù)雜一點的樓層布局，就不容易操作了。3. 屋頂桁架系統(tǒng)上個世紀(jì)50年代，美國人發(fā)明了輕骨架屋頂桁架系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并應(yīng)用的非常普及（圖72）。圖72但一些比較復(fù)雜的屋頂布局，還是以椽子結(jié)構(gòu)來建造屋頂系統(tǒng)比較簡單（圖73）。圖734. 模塊化建筑把一棟住宅分成幾個模塊來設(shè)計、制作和安裝，就稱為模塊化住宅。這是當(dāng)前住宅產(chǎn)業(yè)化的最高層次。（圖74和圖75）圖74圖75132 / 132