如果你想用冷彎成型鋼（CFS）框架結(jié)構(gòu)來做建筑，你能建多高？

        雖然有人說10層樓的高度已經(jīng)是冷彎成型框架結(jié)構(gòu)的極限了，但是如果讓結(jié)構(gòu)工程師跳出“慣性思維”，他會(huì)怎么說？

        鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)協(xié)會(huì)（SFIA）決定找到這個(gè)答案。該協(xié)會(huì)委托Patrick Ford，位于威斯康星州Waukesha的Matsen Ford Design負(fù)責(zé)人和SFIA的技術(shù)總監(jiān)，通過創(chuàng)建一個(gè)CFS框架的高層建筑來探求冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)究竟能做多高。2016年4月，在美國鋼鐵協(xié)會(huì)會(huì)議上，F(xiàn)ord公布了SFIA Matsen Tower，這是一座40層的住宅，以他的合作伙伴John P. Matsen命名。

SFIA Matsen Tower 設(shè)計(jì)圖

        SFIA Matsen Tower項(xiàng)目打開了冷彎成型框架結(jié)構(gòu)通向高層建筑的新通道。

        “現(xiàn)在是時(shí)候讓結(jié)構(gòu)工程師和正在學(xué)校上學(xué)的未來工程師看看用冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)究竟能做些什么了?！盨FIA執(zhí)行董事拉里威廉斯表示：“冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)可能比以前想象要能建更高的建筑，比任何木結(jié)構(gòu)都要高。”(可參考集成匯之前介紹的較大的木結(jié)構(gòu)建筑MGA新作，美國較大的木結(jié)構(gòu)建筑將建在新澤西）

冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)高層的意義

        從2000年左右，冷彎薄壁輕鋼開始被介紹到中國，當(dāng)時(shí)有日本的KC體系，加拿大的無比鋼體系，使用的設(shè)備主要是海斯，頂峰（后來被Framecad，scottdales，以及國內(nèi)的鑫宏華（你見過輕鋼還能做椅子的么？這家公司簡(jiǎn)直把這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用到了極致?。┧〈?，雖然使用設(shè)備有變化，但輕鋼工廠始終在做3層以下的低層建筑，除了零星的別墅地產(chǎn)項(xiàng)目和新農(nóng)村建設(shè)項(xiàng)目，國外出口項(xiàng)目，很少有體量較大的住宅項(xiàng)目，都是在承接自建房項(xiàng)目。低層輕鋼住宅項(xiàng)目由于體量小，也使很多輕鋼企業(yè)很難形成規(guī)模，都處在尋找商業(yè)模式和市場(chǎng)方向的階段。如果冷彎輕鋼能做高層，是不是就有撥云見日的意義了？

高層住宅的市場(chǎng)情況

        據(jù)聯(lián)合國（UN）統(tǒng)計(jì)，全球城市人口從1950年的7.46億迅速增長(zhǎng)到2014年的39億。今天，全球54％的人口居住在城市，預(yù)計(jì)到2050年這一比例將增至66％。也就是另外有25億人的城市住房需求。

        由于城市空間有限，未來的業(yè)主將通過在垂直方向上滿足住宅需求。而對(duì)于業(yè)主來說，在垂直方向的建造體系越多越好。

        然而，并非所有的建筑師、工程師和承包商都知道冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)框架的高強(qiáng)度和延展性。有些人可能會(huì)將冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)視為僅適用于室內(nèi)墻隔斷，和各種外部建筑物飾面的框架支撐的輕型材料。

        冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)是否適合40層建筑的承重支撐？答案是肯定的。冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)的重力和側(cè)向抗彎性能使其成為中高層建筑結(jié)構(gòu)承重材料的不錯(cuò)選擇。盡管10層是目前冷彎成型結(jié)構(gòu)C型龍骨和格柵的高度極限，但SFIA Matsen Tower這個(gè)項(xiàng)目則證明并不是這樣。

        “雖然目前已經(jīng)提出了幾個(gè)非常好的技術(shù)評(píng)論問題，但我們可以正式確定SFIA Matsen Tower的施工設(shè)計(jì)，”福特表示。

         下面我們就來看看SFIA Matsen Tower的設(shè)計(jì)情況。

立面圖

        設(shè)計(jì)使用常規(guī)的冷彎成型鋼型材和厚度，SFIA Matsen Tower是R3類住宅公寓。立面圖顯示建筑兩側(cè)的前后墻開口更寬，承重墻開口更窄。

        設(shè)計(jì)嚴(yán)格限于冷彎成型鋼龍骨，托梁和其他常用于CFS承重結(jié)構(gòu)的部件。中心間距僅限于行業(yè)典型的12“（30.48厘米），16”（40.64厘米）和24“（60.96厘米）。允許雙龍骨結(jié)構(gòu)，但僅適用于系統(tǒng)的重復(fù)部件。SFIA Matsen Tower設(shè)計(jì)用于使用常見的冷彎成型鋼型材（CFS）和厚度，并且不需要開發(fā)任何專門的CFS框架產(chǎn)品。

        其他基本規(guī)則適用于塔樓：10'-0“（3米）層高和25'-6”（7.77米）中心到中心的隔墻間距，可創(chuàng)建大約25英尺（7.62米）的清晰跨度。

          SFIA Matsen Tower是如何能夠使用冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)框架創(chuàng)建40層建筑的？

          建筑材料清單包括金屬屋頂使用輕質(zhì)三元乙丙橡膠，0.6厚的C型結(jié)構(gòu)地板上使用輕質(zhì)1-1 / 2“石膏混凝土，建筑金屬的輕質(zhì)外墻飾面，EIFS或成品外墻水泥板面板。

以下是一些細(xì)節(jié)：

          典型的地板組裝：在0.6厚的C型樓板上使用輕質(zhì)LWGC，和RCB天花板吊裝。

走廊墻體：這也是承重墻，支持較淺的走廊框架。

外墻：冷彎成型鋼龍骨，GWB和具有剛性絕緣的建筑金屬面板，EIFS或水泥面板。除了承載自重和陽臺(tái)之外，正面墻體和后墻體不承重。

鋁陽臺(tái)：它們是翼墻支撐的，并安裝在每個(gè)單元。但是，它們也可以放置在外墻上的雙層龍骨或角柱中。

視覺區(qū)域：在前部和后部提供開口，在端部承重墻上具有較小的開口。開口限于承重墻的寬度為4'-0“（1.22米），典型外墻的寬度為6'-0”（1.83米）。

強(qiáng)度因素：重復(fù)C型龍骨

        是什么讓這座40層的塔樓如此堅(jiān)實(shí)？從結(jié)構(gòu)上來說，它具有用于主要重力承載框架的重復(fù)C型龍骨和托梁。

        冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)的主要的例外情況是MWFR主要支撐。這是通過在電梯和樓梯處的鋼筋混凝土剪力核心筒提供的。在電梯和樓梯處加固的現(xiàn)澆混凝土剪力核心筒必須是高強(qiáng)度（7,000 psi）的混凝土，厚度范圍從頂層的8英寸（20.32厘米）到底層20英寸（50.8厘米）。

          塔樓的設(shè)計(jì)可承受高達(dá)115英里/小時(shí)的風(fēng)速。

          “這可以在美國的絕大多數(shù)城市建成，”Ford說。 “颶風(fēng)沿海地區(qū)可能有問題。高地震區(qū)可能有問題，但我不這么認(rèn)為?！?/p>

          C型龍骨設(shè)計(jì)用于風(fēng)荷載和托梁偏心軸向負(fù)載的較壞情況。撓度標(biāo)準(zhǔn)考慮了包括墻體構(gòu)件的L / 360的極限情況和地板構(gòu)件活載荷的L / 480的情況。

龍骨組件設(shè)計(jì)考慮了較壞情況，由托梁承受均勻的橫向和偏心活載荷和總載荷

龍骨間距和預(yù)制墻體

          如果實(shí)際修建SFIA Matsen Tower，有兩個(gè)要素至關(guān)重要：一個(gè)是涉及冷彎成型鋼龍骨的間距。負(fù)載將從上層的承重龍骨分配到下面不同間距的龍骨。

間距變化處的龍骨偏移始終是相同的

         這些龍骨偏移基本上發(fā)生在兩個(gè)位置。一個(gè)是34層24“o.c.到16”o.c.。 另一個(gè)是在30層從16“o.c.減少到12”o.c。在第30層。更堅(jiān)固的管件 - HSS 6“x 3 x 1/4”和HSS 6 x 4 x 5/16“連續(xù)，并且獨(dú)立——帶有頂板和底板。

         塔樓的第二個(gè)關(guān)鍵要求是預(yù)制墻體。在墻體框架被焊接之前，需要真正地將龍骨組裝在底座上，并做好固定。強(qiáng)烈建議焊接連接。

         橋接力將積聚在墻體上。但是這些力量將通過交叉和扭轉(zhuǎn)冷壓成型的鋼結(jié)構(gòu)和角落構(gòu)件來加以解決?？膳紶柺褂肨型支架，但只有在較高層時(shí)才需要。

         即使每個(gè)構(gòu)件的軸向力超過60kips，雙層龍骨也可以在較低的位置完全不受支撐。

48層冷彎成型結(jié)構(gòu)框架？

        總之，SFIA Matsen Tower是一個(gè)保守的設(shè)計(jì)。在計(jì)算冷壓成型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求時(shí)，幾乎沒有減少承載力。例如，風(fēng)荷載嚴(yán)重地影響到每個(gè)冷壓成型龍骨的力矩。但是，并沒有計(jì)算風(fēng)力載荷的減少量，這將允許設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)的框架結(jié)構(gòu)。

        此外，墻體的活載減少量?jī)H基于來自墻體構(gòu)件上每個(gè)托梁的進(jìn)入支流荷載面積。由于每個(gè)支撐構(gòu)件計(jì)算的支流面積為進(jìn)入跨度的三分之一，而墻壁作為一個(gè)獨(dú)立的支承構(gòu)件——在某些范圍中完全可以接受的方法——SFIA Matsen Tower的高度將變成48層。

        建筑業(yè)主是否會(huì)擁抱建造40層的冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)建筑？也許在未來，如果設(shè)計(jì)被證明是經(jīng)濟(jì)的。

        “我們沒有聲稱這是建造40層高樓的較有效方式，”福特說。

        盡管如此，SFIA Matsen Tower展示了冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)力優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)勝于許多建筑師，工程師和承包商可能意識(shí)到的。

        根據(jù)福特的說法，“冷彎成型鋼結(jié)構(gòu)的市場(chǎng)前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它現(xiàn)在的市場(chǎng)范圍?！?/p>