一种装配式结构体系的介绍与思考

一种装配式结构体系的介绍与思考

王光槐

广东市桥建筑设计院有限公司511400

摘要：一种装配式结构体系—轻钢密肋龙骨建筑体系的介绍与思考。

关键词：轻钢；轻钢密肋龙骨建筑；结构形式；力学特征；建筑文化

在这篇文章里，我暂且把轻钢密肋龙骨建筑体系定义为：整体结构无论是墙体立柱、楼层地板托梁、屋架构件均为1.0～1.5mm厚的镀铝锌合金镀层高强度高防腐建筑冷轧钢板，通过数控智能机械冷压成型制造成截面为C和U型构件与墙板复合组成的建筑结构体系。轻木密肋龙骨建筑与轻钢密肋龙骨建筑仅仅是材料有不同，结构理念一脉相通，我们放在一起讨论。

一、两种截然不同的建筑结构形式

（1）传统的“梁柱”式建筑结构形式

几千年来，整个东亚文化圈（中国、日本、韩国、东南亚等地）的建筑都是“梁柱”式建筑结构，“秦砖汉瓦”为建筑围护结构。

几千年来，中国的建筑物不论是建筑材料、建造方式，还是建筑结构基本都没有太大变化。建筑材料仍然是“秦砖汉瓦”，建筑方式仍然是现场“一砖一瓦”的“砌”，建筑结构仍然是“梁柱”式建筑结构。近几十年来，钢筋混凝土框架结构和重钢框架结构进入中国建筑市场，他和中国古老的“梁柱”建筑结构；力学特性没有发生太大的变化，仍然是二根柱子支着一根梁来传递荷载，所谓的进步只是简单的把木“梁柱”替换成钢筋混凝土“梁柱”或重钢“梁柱”。建筑围护结构则基本没有一点变化，仍然是“秦砖汉瓦”只是这些砖瓦的烧结技术比几千年前有所变化，造型和色彩比几千年前有所变化。最大的进步就是把“青砖”改成“红砖”，再从“红砖”改成“混凝土轻质砌块”。

（2）轻钢（木）密肋龙骨建筑结构形式

150年前，大量新移民从欧洲来到新大陆（美国和加拿大），由于缺少建筑师、结构师、熟练的建筑工人，以及欧洲传统的建筑材料等诸多原因，而发明了非常容易设计、容易建造，容易从新大陆（美国和加拿大）获得便宜的建筑材料的轻木建筑结构体系。

轻木密肋龙骨建筑结构体系最大优势是以“数量来解决质量”问题，即用无数的钉子（每150mm，200mm，300mm一颗钉子）和密集的龙骨（每300mm，400mm，600mm一根龙骨），以及表面蒙皮（夹板、OSB板或硅钙板），形成稳固的建筑结构。不需要严格的结构设计，更谈不上现在中国建筑结构设计人员最头痛的轻骨架（轻木，轻钢）结构计算。对于建筑工人的手艺要求也几乎为零。另外，还可以充分利用新大陆（美国和加拿大）丰富的木材资源，就地取材就可以建造房屋。

150多年来，美国的住宅建筑变化很小。除了在有限的地理区域发现一些石建筑外，住宅都是采用轻骨架（轻木、轻钢）技术建造，与大约1830年前，在美国中西部发展出来的最初样板稍微有点改进。认识到住宅建造的基本特性没有发生变化，就可以认识到当前的技术状态还是相当简单的。技术进步不是表现在住宅的建造方法上，而是在材料变化和建筑场地方面。例如，当前兴起的轻钢密肋龙骨建筑，只是简单的用冷弯钢材替换了木材，用螺钉替换了钉子，基本的建筑方法与传统木骨架建筑保持一样（图1）。

图1

二、轻钢密肋龙骨建筑“梁柱”太“密集”问题的由来

虽然轻钢密肋龙骨建筑进入中国已经有20多年时间，但是不论是普通消费者，还是建筑专业人士，对于轻钢（木）密肋龙骨建筑的认识还不是很清晰。

他们一般都是以自己熟悉的，中国古老的“梁柱”建筑体系来看待轻钢（木）密肋龙骨建筑。

所以一个普通消费者一旦走进正在施工的轻钢（木）密肋龙骨建筑中，第一感觉就是“梁柱”太“密集”，用钢量太大，还可以去掉很多“梁柱”。

轻钢（木）密肋龙骨建筑与中国古老的“梁柱”建筑体系是截然不同的二种建筑体系。

轻钢（木）密肋龙骨建筑中的构件（Stud&Joist）只有“密集”，才能形成“荷载共享，以及重复与复合作用”，才能有效承载，所以日本人才称之为“密肋格栅”建筑结构体系。

三、轻钢密肋龙骨建筑结构力学特征

在传统的梁柱建筑结构体系里，所有建筑构件都是在独立的承担荷载。一旦一个构件出现问题，整个建筑体系就会出现多米诺骨牌效应，都会一个跟着一个的倒下来。传统的梁柱建筑结构体系是采用牛顿力学理论（F=ma）作为依据来计算构件力学性能的。

在轻钢密肋龙骨建筑结构中，每个单独的构件都是非常弱小，软不拉肌的，无法独立承担荷载。但如果把它们组装到一起，形成一面墙、一个楼层、或屋顶系统，情况就大不相同了。它们所能够承担的荷载数量之大是牛顿力学理论（F=ma）无法解释的。

轻钢密肋龙骨建筑的力学特点主要表现有二个，即荷载共享，以及重复与复合作用。

荷载共享就是说系统里所有构件既有分工，也有合作，同心协力地承担荷载。即使某个构件失效——无法承担它所应该承担的那部分荷载，也没有关系，左邻右舍都会搭上一把手，争抢着去分担失效构件留下来的荷载，使整个建筑系统丝毫不受影响。

要想达到荷载共享的目的，就必须采取重复与复合的建筑结构。重复与复合结构就是把同样的构件一个接一个（即重复）的排列起来，再用结构覆盖物把它们联成一体（即复合），形成一个“重复与复合构件”时，其整体能力和刚度要大大大于单个构件的能力和刚度的总和。

在传统的建筑结构（天然和混凝土砌块、木和钢筋混凝土，以及重钢梁柱）体系里，所有的建筑构件都是在独立的承担荷载责任，因而所有建筑构件都非常的自私自利，是“各人自扫门前雪，不管他人瓦上霜”。每个构件都只管自己所承担的那点荷载，绝不肯多吃一点亏，多承担一点责任。结果是一个构件失效，旁边的只是看笑话，不肯帮一把手。结果是我（失效构件）不好，也不能让你们（整个建筑系统）好，整个建筑系统就会出现多米诺骨牌效应，一块多米诺骨牌（一个构件）倒下，成片的多米诺骨牌（整个建筑体系）就全倒下了。

虽然采用牛顿力学（F=ma）和传统静力学知识无法解释荷载共享和重复与复合作用的一些力学现象，但美国、加拿大、新西兰、澳大利亚、芬兰、日本等国都已经做过无数次荷载共享与复合作用实验，包括单面墙，单个楼层，乃至整栋建筑的测试，都得到了验证，并且获得了具体的重复与复合作用增强数值。特别有意思的是内隔墙的系统能力增强现象，在传统建筑理论和实践中，决不允许在建筑物内随便增加内隔墙，因为这样会增加建筑物的静荷载，容易造成系统坍塌。而轻钢（木）密肋龙骨建筑系统的内隔墙由于其自重轻，所带来的静荷载增加量基本可以忽略不计，楼上的内隔墙对楼下的空间来说，就是一面“墙式”过梁，所以内隔墙越多，系统的能力和刚度就会越大。

所以轻钢密肋龙骨建筑的结构设计思想就是一定要用结构覆盖物把重复的构件串成一体，有可能的话，还应该把从屋顶到地面的所有构件排列成一条直线，以便把屋顶、楼层荷载直接传递到基础上，而不是想像梁柱建筑结构体系那样拐弯抹角的把荷载传递到基础上。

在设计轻钢密肋龙骨建筑时，千万不要有“独木立千斤”（在梁柱建筑体系里普遍采用）的力学思想，而要采用“团结就是力量”（即重复与复合作用）的力学思想来设计。连接节点参见图2。

图2

四、建筑文化的思考

（1）化整为零

轻钢（木）密肋龙骨建筑体系第二个特别的特性是化整为零的风险分散承载特性。传统的重钢、钢筋混凝土，或重木结构建筑是依赖刚性连接。如果一个节点失效，整个结构就削弱了。但对轻钢（木）骨架来说，尽管在个别地方出现削弱现象，但整个系统还可以通过分散的结构来化解风险，并能保证整个系统共同工作。如果一个钉子（或自攻螺钉）坏了，它周围的钉子（或自攻螺钉）就会承担起它的功能，这就称之为化整为零的风险分散特性，每一个连接点都与其他连接点有联系，二每一个连接点却只需要承担一个很微小部分的荷载，这正反应了美国文化的思维方式，正如他们广泛运用的民意测验和个人电脑的研发思路等等，都集中反映这种思维模式。

个人电脑、民意测验，以及轻钢（木）密肋龙骨建筑体系中钉子（或自攻螺钉）的应用都是基于一种信仰——数量可以化解为质量保证措施，量变可以引起质变的哲学思想在这里得到很好的体现。在民意测验时，为了能得到准确的数据，可以尽量扩大采样数量。

风险分散原则在企业管理中的成功例证比比皆是，如股权的分散和经营权的分开。

（2）团队精神

我们可以常常听到美国人一句口头禅—团队精神（TeamWork）。这与我们民间家喻户晓的一个古老故事很相似—一根筷子一折就断，10根筷子绑在一起就很难折断。实际上在他们的日常的经济和政治活动里无不处处体现出这种精神。这种现象反映到他们的建筑文化中去就表现为数量可以转化为质量保证。单从美国文化上考虑，用钉子连接的历史是久远的。通过散布在密肋龙骨建筑结构体系上的众多的弱小的钉子（或自攻螺钉）的连接作用，从而构成一个强大的整体建筑。他们在意外事故中能够承受说不清楚的荷载，也不会失去效用，并且力还会像汽车一样，在城市道路网中相互交叉的街区间绕道而行，它是通过整个系统来化解荷载风险，而不是仅仅依靠一二根梁或柱来独立承担荷载风险。

密肋龙骨建筑结构体系中让力绕过麻烦，是一种回避矛盾的方法。它与用民意测验来影响政治形态的手法很相似，对所有深藏严肃政治观念的其他国家和地区来说，这些手法带有典型的美洲地理特征。

（3）君臣不分的地域建筑文化特征

起源于农耕文明的土木建筑文化中往往深藏着一些浓厚的皇权思想。如君（梁和柱）臣（墙和楼板）之间有着严格的等级划分，不得擅越。

密肋龙骨建筑结构体系则是完全不同于以往已经有过的任何建筑体系，它是无数的钉子（或自攻螺钉）把石膏板、OSB板、胶合板、水泥纤维板、硅酸钙板等结构板材或偏钢带等建筑构件相互紧固、密不可分。

（4）以柔克刚

以中庸之道的方式，用貌似简单的结构去取代高质量的框架式连接结构。不显眼但能实现高度工业化生产的轻钢（木）密肋龙骨建筑结构体系却很好地解决了高素质劳动力缺乏的问题。非常之多的弱小的构件和连接节点去替换质量要求很高的构件和单个骨架节点连接，既分散了构件和连接节点失效风险，同时又由于减少了构件和节点类型数量，使工程设计和施工更为简单，也减少了出错的可能。用众多弱小的构件和节点构成更加安全的结构体系，是以柔克刚的典型例证。

参考文献：

[1]《轻钢（木）骨架住宅结构设计》作者：丁成章编著出版社：机械工业出版社出版时间：2006