ganggouren
偶然发现有人把丁成章博客里的内容做成了WORD版本，还免费下载。
我想从丁老的文章中延伸表达一种观点：
轻骨架建筑是一个经过时间和实践检验的结构形式，在欧美发达国家已经有超过200年的应用，如果有革命性的改进，早就已经有人尝试过了。可以说，你能想到的任何应用，前人都已经实践过了，但我们可以看到，最最常见的，最最广泛的，还是现场搭建的方式。
这是为什么？欧美国家的工人都傻逼吗？这是第一个思考。
不去取悦谁，也不去争取谁，一切皆是缘分。
一、 轻骨架建筑的起源、定义和范围
现代轻骨架建筑的雏形——气球骨架是在19世纪发明的，经过多次改进，直到1850年左右才最终定型。
1. 平台骨架建筑
现代平台骨架建筑是在气球骨架建筑基础上发展起来的。
在平台骨架建筑中，在第一层托梁上覆盖上楼层粗地板后，在外墙和内隔墙上方就形成了一个平台，这种类型的结构一般都是用在住宅建筑上（图1-1）。
平台建筑容易矗立。它在每个楼层面提供了一个工作平面，并且便于适应各种预制方法。在平台系统中，通常的习惯是在楼层上组装墙骨架，然后再倾斜整体单元就位。
2. 气球骨架建筑
在气球骨架建筑中，外墙柱连续穿过第一个第二层。第一层托梁和外墙柱都支撑在锚固底槛上（图1-2）。第二层托梁支撑在已经放进外墙柱的侧边，其最小尺寸为1×4（25mm×89mm）的肋梁上。
在覆盖砖和砌块外壳的二层建筑里，气球骨架减少了骨架和砌快外壳的沉降变化。在外墙是实心砌块时，内部分隔墙的气球骨架也减少了横墙里门和橱柜开口的扭曲。气球骨架需要比较长的柱子，并且难以符合当前的竖立习惯和挡火系统，因而这个系统现在已经很少使用。
图1-2
现代轻骨架建筑所用的建筑材料及其延伸
二、现代轻骨架建筑所用的建筑材料及其延伸
1.轻木骨架（2×4）
早期的轻骨架建筑（不论是气球骨架建筑，还是平台骨架建筑）都是采用2×4、2×6、2×8、2×10、2×12（38mm×89mm、38mm×140mm、38mm×203mm、38mm×254mm、38mm×305 mm）这样的定尺木材作为骨架材料（图2-1）。
图2-1
图2-2
2. 轻钢骨架
一直到冷轧镀锌卷板问世，人们才想到利用冷轧镀锌卷板轧制的C形和U形钢构件来替代定尺木材。因为也就产生了冷轧轻钢建筑系统（图2-3）。
图2-3
3. SIP（结构保温板）
SIP （Structuralinsulating panels，即结构保温板）就是在二层皮肤之间粘贴上轻质保温材料，形成一个复合结构的墙板单元（图2-4）。
图2-4
在1990年之前，美国是把SIPs称为预制木基承重应力皮肤板（Prefabricated wood-based loadbearing stressed skin panels），有时也简称其为应力皮肤板（stressed skin panels）或应力皮肤保温芯板（Stressed-skin insulating core panels，简称SSIC板），1990年之后，该产业已经决定把它命名为结构保温板（Structural insulating panels，简称SIPs）。
早在1930年，美国森林产品实验室（FPL）就开始了结构保温板（SIPs）的长期试验项目，经过几十年的试验，在1979写出了总结报告。但多年来，结构保温板（SIPs）的结构力学理论一直没有什么重大突破。与大多数现代建筑结构理论一样，结构保温板（SIPs）的结构力学要点是计算弹性粘结复合结构系统的组合作用效果。
SIP（结构保温板）既可以作为墙板，也可以作为屋顶板使用。
SIP（结构保温板）的皮肤可以是木质材料、金属材料、水泥基材料等。
SIP（结构保温板）的芯材可以是EPS、XPS、PU和蜂窝纸等。
轻骨架构件设计计算理论
发达国家的建筑结构理论比较相信试验数据，当然，要想获得足尺建筑物的实验数据，实验设备和实验费用是非常昂贵的。所以一旦发生大地震或飓风，发达国家的科技人员都会忙不跌的赶往出事地点，以获取第一手资料。
美国的《说明性方法》是一帮技术专家根据现行轻骨架设计理论和实验数据编制出来的，并且处于不断更新之中。普通用户，只要认识字，查一查表格，就可以进行轻骨架构件的选型设计，有经验的木匠，连查表都难得去查，凭经验就足够了。
这儿并不是说轻骨架建筑理论没有用，而要强调的是：轻骨架建筑理论是用来指导实践的，而不是用来限制轻骨架建筑实践的。
通过技术专家们的轻骨架理论研究和分析，把一线技术人员和工人门的轻骨架实践经验总结出来，加以提高，并上升到理论高度，就更加有利于工程一线的技术人员和工人放心大胆的去做轻骨架建筑实践。
在这儿所说的轻骨架结构构件是标准的C型钢和U型钢，是通过滚轧热浸镀锌钢板而成。
物理尺寸
标示符号由四个部分组成，第一个数值代表腹板深度，第二个数值代表钢材骨架构件的类型，第三个数值代表边缘宽度，第四个数值代表最小基本金属厚度。
图3-2
腹板深度：这儿所选择的实际腹板深度是89mm、140mm、203mm、254mm和305mm。选择89mm和140mm腹板深度符合 当前住宅建筑产业里使用的骨架尺寸（即符合窗户和门框）。这些尺寸可以直接和传统的建筑材料和习惯一起使用，然而，如果换成稍微大一点的尺寸，例如用 92mm或102mm柱子代替89mm柱子时，就不应该涉及任何结构了。对于203mm、254mm和305mm构件来说，与传统木材构件相对应的腹板的深度意义不大，因为它们通常是用于水平骨架构件（即过梁和托梁）。
注：有时也称为“腹板高度”，当说“深度”时，指的就是墙柱子的腹板“深度”，当说“高度”时，指的就是托梁的腹板“高度”。
边缘宽度：标准的C型钢有着最小41mm的边缘，最大边缘尺寸是51mm。当增加的边缘尺寸超过了51mm最大限制，可能会导致某些构件减少能力。
注：按照有效截面计算，32mm的边缘宽度就足够了，多余的宽度都变成了无效截面（参见图3-3），并不是越宽越好，太宽了还会降低构件的能力，但为什么还必须要有最小41mm的边缘宽度呢？这是为了使固定石膏板或OSB板的螺钉容易准确的对准柱子或托梁，才必须要有最小41mm的边缘宽度。
图3-3
唇缘尺寸：最小尺寸为12.7mm的加强唇缘。这个尺寸在产业里也很普通。在许多情况里，减少唇缘尺寸会对承重构件的承重能力带来有害的影响，
要求钢材导轨有着最小32mm的边缘尺寸。这个尺寸确保了足够的边缘宽度，以允许把导轨固定到骨架构件和装修材料上。钢材导轨腹板是从边缘的内侧测量到内侧，因此要比对应的标准的C型钢总的腹板深度宽。这种尺寸差别就允许把C型钢完全嵌套进导轨截面里。钢材导轨在厚度上也与标准的C型钢的厚度要求相匹配。 在《说明性方法》里，始终要求导轨最小钢材厚度等于或大于它们所要固定的承重构件。
要求的钢材厚度是最小未镀层钢材厚度（不包括金属镀层的厚度），并且是以mils（1/1000inch）为单位。这个单位偏离了采用规格命名厚度的历史 习惯。“规格”是已经过时的代表厚度范围的参照符号，因为当指定最小值时，它是含糊不清的测量单位。在产业里已经废弃用“规格”作为测量依据的习惯。为了 达到一致性，采用了mil名称。例如，33mils（即0.033inch或0.84mm），43mils（即0.043inch或 1.09mm），54mils（即0.054inch或1.37mm），68mils（即0.068inch或1.73mm）和97mils（即 0.097inch或2.46mm）都是指定的厚度。
设计厚度遵循AISI《规范》（AISI，1999）的规定，定义为最小的交货厚度除以0.95。有意忽视了在拐角弯曲处发生的厚度减少，并且结构计算所用的扁钢的设计厚度不包含镀层。这种调整适当考虑了上述最小交货材料厚度必不可少的正常的材料厚度变化。
在冷轧钢材构件里，是在弯曲的内侧测量弯曲半径。它对结构构件的能力有影响。由于众所周知的冷作硬化现象，在局部增加了钢材的屈服强度，从而在弯曲区域里强度会增加。
轻骨架建筑用钢材材料特性
(四) 材料特性
采用最小屈服强度为230MPa或345MPa钢材。所有钢材楼层、屋顶和过梁部件最小要求采用230MPa钢材。钢材柱子表格规定了230MPa或345MPa二种最小屈服强度。由于注意到实际应用中的经济利益，所以才把345MPa屈服强度钢材作为单独的墙柱子选项。
我十多年前研究冷轧钢建筑技术时，国内基本生产不了符合冷轧钢建筑的镀锌卷板。
经过十多年的光景，中国钢铁行业发生了翻天覆地的变化，早已经成为全球第一产钢大国，但由于中国建筑行业对冷轧钢材建筑物知之甚少，所以至今都没有可以建造冷轧钢材建筑物的冷轧镀锌卷板国家标准。大部分钢铁企业都按照国际标准在生产可以建造冷轧钢材建筑物的冷轧镀锌卷板。
我们国家把Q235列为《碳素结构钢》GB/T700，把Q345列为《低合金高强度结构钢》GB/T1591 ，并没有明确标明它们是建筑结构用钢，更没有明确标明它们可以用作建筑结构用热镀锌钢带。这是因为最初制定《碳素结构钢》GB/T700，和《低合金高强度结构钢》GB/T1591标准时，我们国家的钢结构建筑技术、应用都还很落后，很少会考虑在建筑上使用热镀锌钢带，也就是说Q235和Q345并不是专门针对建筑结构而开发的钢材产品，其化学成分和力学性能见表1。
而发达国家早就针对钢结构建筑而开发出了建筑结构用热镀锌钢带标准。例如，德国有DIN 17162-1987系列建筑结构用热镀锌钢带，美国有ASTM A653-05a系列建筑结构用热镀锌钢带，欧盟有EN 10326-2004/ EN 10327-2004系列建筑结构用热镀锌钢带。日本有JIS G 3302-2005系列建筑结构用热镀锌钢带（表2）。
鞍山钢铁集团公司就是根据日本JIS G 3302-2005系列建筑结构用热镀锌钢带标准编制了企业标准Q/ASB 387-2006，代替Q / A S B 3 8 7 – 2004。
SGC400基本对应于Q235热镀锌钢带，其：
屈服强度=295MPa＞235MPa；
最小抗拉强度=400MPa＞375MPa；
断后伸长率（%）=18＜20
SGC490基本对应于Q345热镀锌钢带，其：
屈服强度=365MPa＞345MPa；
最小抗拉强度为490MPa＞470MPa；
断后伸长率（%）=16＜20
邯郸钢铁公司也根据日本JIS G 3302-2005系列建筑结构用钢产品标准制定了自己的热镀锌钢带技术标准Q/HG007-2007（表3）。
碳素结构钢Q235&Q345的化学成分及力学性能(表1）
|
牌 号 |
等级 |
脱氧方法 |
化学成分 |
机械性能 |
冲击试验 |
||||||||||
|
C |
Mn |
最大 |
屈服点 |
抗拉强度 /MPa |
伸长率 |
温度 ℃ |
V型 冲击力 |
||||||||
|
Si |
S |
P |
16mm max |
16.40 mm |
% |
||||||||||
|
Q235 |
A |
F、b、 z |
0.14~ 0.22 |
0.30~ 0.65 |
0.3 |
0.05 |
0.045 |
235 |
235 |
375~ 500 |
26 |
25 |
|||
|
B |
0.12~ 0.20 |
0.30~ 0.70 |
0.045 |
20 |
27 |
||||||||||
|
C |
z |
≤0.18 |
0.35~ 0.80 |
0.04 |
0.04 |
0 |
|||||||||
|
D |
Tz |
≤0.17 |
0.035 |
0.035 |
20 |
||||||||||
|
Q345 |
B |
≤ 0.2 |
1.0~ 1.6 |
≤ 0.55 |
≤0.04 |
≤ 0.04 |
345 |
470~ 630 |
δ5≥21 |
||||||
鞍钢SGC系列结构用钢力学性能（表2）
|
牌号 |
拉伸试验a |
||
|
下屈服强度b Rel，MPa |
抗拉强度 Rm，MPa |
断后伸长率，% (L0 =50mm，b=20mm) |
|
|
不小于 |
|||
|
SGCC |
205 |
270 |
– |
|
SGCD1 |
– |
270 |
38 |
|
SGCD2 |
– |
270 |
40 |
|
SGCD3 |
– |
270 |
42 |
|
SGC340 |
245 |
340 |
20 |
|
SGC400/Q235 |
295 |
400 |
18 |
|
SGC440 |
335 |
440 |
18 |
|
SGC490/Q345 |
365 |
490 |
16 |
|
SGC570 |
560 |
570 |
– |
|
a拉伸试样取横向。 b当没有明显的屈服时，屈服强度取Rp0.2 。 |
|||
邯钢热轧产品牌号及执行标准（表3）
|
产品名称 |
牌号 |
执行标准 |
|
热镀锌钢带 |
SGC340～SGC570 |
Q/HG007-2007 |
国内目前可以采购到的可以建造冷轧钢材建筑物的冷轧镀锌卷板标准对照见表4。
钢材性能对照表(表4）
|
标准号 |
牌 号 |
化学成分 |
机械性能 |
||||||
|
C |
Mn |
Si |
S |
P |
屈服 强度
|
抗拉强度
|
伸长率 |
||
|
MPa |
MPa |
% |
|||||||
|
GB/T700 |
Q235B |
0.12~ 0.20 |
0.3~ 0.7 |
0.3 |
0.045 |
0.045 |
235 |
375~ 500 |
27 |
|
GB/T1591 |
Q345 |
≤0.2 |
1.0~ 1.6 |
≤ 0.55 |
≤0.04 |
≤ 0.04 |
345 |
470~ 630 |
|
|
JIS G 3302-2005Q 鞍钢/HG007-2007 |
SGC400 |
295 |
400 |
18 |
|||||
|
SGC490 |
365 |
490 |
16 |
||||||
|
邯钢Q/HG007-2007 |
SGC540 |
||||||||
|
AS1397 （标准1.5mm） |
G450 |
≤ 0.05 |
0.22 |
≤0.025 |
≤ 0.02 |
540~ 590 |
550~ 690 |
||
|
AS1397 （供货1.5mm） |
G450 |
≤ 0.05 |
0.22 |
≤0.025 |
≤ 0.02 |
512 |
549 |
17 |
|
所以，Q235B至少应该采用SGC400，其：
屈服强度=295MPa＞235MPa；
最小抗拉强度为400MPa＞375MPa；
断后伸长率（%）=18＜20
所以，Q345B至少应该采用SGC490，其：
屈服强度=365MPa＞345MPa；
最小抗拉强度为490MPa＞470MPa；
断后伸长率（%）=16＜20
由于Q235和Q345只有中国人认识，只能在国内销售，而外国人不认识它，也不知道它是不是建筑结构用钢，所以无法销往国外，当然，最重要的是它的建筑结构性能（曲屈后强度）不如SGC400和SGC490。
中国现在已经是全球最大钢材出口国，钢厂要考虑经济效益，以及大多数买家的意愿，所以基本都不愿意生产Q235和Q345镀锌卷板，而是愿意按照日本 JIS标准生产SGC系列结构钢材，甚至企业标准或行业标准都是等效或完全采用国际先进技术标准。这就是钢材市场很少，或根本就没有Q235和Q345作为基板的镀锌卷板的重要原因。
建筑行业虽然在技术标准上爱国，但建筑技术却远远落后与发达国家，其它行业虽然在技术标准上不爱国，但它们所掌握的先进技术标准却在为国家建设添砖加瓦。
如果建筑行业也能够和其它行业一样，能够在一定范围内等效或完全采用国际先进技术标准，中国建筑行业在建筑设计、建材制造、建筑安装等诸多方面就都会有一个突飞猛进的发展。
六、 轻骨架建筑的结构力学特点与结构设计思想
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。
在轻骨架建筑结构中，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。
轻骨架建筑的力学特点主要表现有二个，即荷载共享和重复与复合作用。
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（图5-1），再用结构覆盖物把它们联成一体（即复合）（图5-2），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。
图5-1
图5-2
所以轻骨架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磨角的把荷载传递到基础上。
在设计轻骨架建筑时，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。
传统的混凝土砌块建筑是燕子衔泥垒窝式的施工（图5-3），建筑师的工作就像一个雕塑家在做雕塑艺术创作。所以土木建筑师一般不需要懂太多的建筑结构知识，只需要把建筑形状和色彩画出来，交给结构工程师就算完活了。
图5-3
轻骨架建筑是喜雀叼枝架巢式的施工（图5-6），往往需要建筑师、结构工程师和装修工程师三位一体，在做建筑设计时必须要同时考虑结构设计和装修设计。所以轻骨架建筑师必须要懂一点建筑结构知识，以及建筑材料的标准模数尺寸。
图5-6
注意！与“万能建筑体系”（即钢筋混凝土建筑体系）不同，轻骨架建筑的外形，尤其是屋顶的外形与构件之间存在着很强的内在联系，一切建筑造型都是根据构件布局顺势而成，而不是特意“雕塑”出来的。
七、 轻骨架建筑必须遵循的设计模数
由于轻骨架建筑所用的结构覆盖物规格尺寸早就定型（例如OSB板、胶合板、石膏板等），其基本尺寸都是：4’×8’(1219mm×2438mm)，因此，轻骨架构件的间距就只能符合610 mm（=1219/2，2438/4）、406 mm（=1219/3，2438/6）和305 mm（=1219/4，2438/8）这些基本模数了。
国内建筑规范规定的建筑模数根本就没有考虑建筑材料早就已经形成的这些既成事实，如果一味强调轻骨架构件的间距要符合标准规定的建筑模数300 mm、400 mm和600 mm，那么如果那个工程师真得这么傻帽的听从了标准规定，按照300 mm、400 mm和600 mm的间距来设计，那绝对要被老板，甚至是被作业工人们骂得狗血喷头，因为根本就安装不上。图6-1是工人们按照安装平台上画好的墙柱模数线来放置墙柱。
图6-1
同样，层高也应该符合一定的模数要求，一般为8’(2438mm)、9’（2743mm）、10’（3048mm）、11’（3353mm）、12’（3657mm），这样就可以大大节省板材，尤其是节省了切割板材的工作量。如果不符合这些基本模数，不是不可以，但却要浪费大量板材，并消耗大量切割板材的时间。图6-2是安装平台上画好的墙高度线，工人们就是根据它们来放置天地龙骨和墙柱。
图6-2
墙体厚度一般以140mm(即140S41构件)为易，当然，89mm(即89S41构件)不是不可以，从力学性能上来讲，有时89mm(即89S41构件)的墙体强度是足够了，但89mm(即89S41构件)的墙体保温和隔音性能是很差的，所以建筑外墙尽量不要使用89mm(即89S41构件)的墙体，而是采用140mm(即140S41构件)，再厚也就没有必要了（图6-3）。
图6-3
楼层托梁的高度一般以10”（254mm）和12”（305mm）为好。太小了不容易在楼层里走管线，太高了也是浪费（图6-4）。
图6-4
绘图时，应该确定一个统一的轻骨架构件的间距网格（例如610 mm、406 mm和305 mm），墙体、楼层、屋顶的所有构件都应该与此网格对应，以保证竖向荷载成一直线的传递到基础上。如果楼层布局和屋顶布局太复杂，很难保证成一直线的传递荷载，就必须要采用双顶板措施了。
目前国内钢材的强度已经可以确保轻骨架构件的间距采用610 mm没有问题，但国产OSB还不能满足610 mm的间距要求。因此如果采用国产OSB，最好还是采用406 mm间距。
另外，由于国内人住惯了钢筋混凝土建筑，脚长期踹在刚性混凝土楼层上，而轻骨架楼层多少会有一些振动，因此就更应该采用406 mm间距了。
在国际上，轻钢建筑一直使用“允许应力设计（ASD）”和“荷载和抵抗系数设计（LRFD）”这二种设计方法，最近“直接强度设计（DSM）”方法已经进入实用阶段。
由于中国建筑界一直游离于国际建筑技术之外，处于独立发展的状态之中，已经长达50~60年之久，加上一味强调建筑技术标准要关起门来自己搞，建筑模数尺寸与国际标准严重脱轨，设计方法原始落后，至今我们仍然还在使用上个世纪50年代从前苏联学来“极限状态三系数法”进行钢结构（包括冷轧轻钢结构）的设计，因此国际上几十年来所积累的技术经验、实验数据和技术标准都无法为中国建筑界所采用。
这就造成真正的轻钢建筑结构体系在中国发展缓慢，最近几年几乎是停滞不前。
八、 预制装配轻骨架建筑
很多人错误的把钢结构住宅等同于住宅产业化，这是完全错误的。就拿冷轧轻钢建筑来讲，在如果只是在工厂里把镀芯卷板轧制成一根根龙骨，这就和在砖瓦厂里烧制粘土砖一样，离住宅产业化还差距十万八千里。
可以这么理解，钢结构是住宅产业化的必要条件，但不是充分条件。
1. 绑棍建筑
在现场一根根的绑制龙骨，就称之为绑棍建筑，这是极其原始的轻骨架建筑劳作方式，现在已经很少有人采用了，有时只在局部采用。
2. 板式建筑
比较常用的是板式建筑，就是在工厂里，或是在现场工棚，实在不行，也可以在基础和二层平台上组装墙体骨架，然后再竖立它们（图7-1）。
图7-1
最近也有人在研究先在下面组装好楼层，再吊装到墙顶上。但成效不大，简单一点的楼层布局没有问题，稍微复杂一点的楼层布局，就不容易操作了。
3. 屋顶桁架系统
上个世纪50年代，美国人发明了轻骨架屋顶桁架系统，现在已经非常成熟，并应用的非常普及（图7-2）。
图7-2
但一些比较复杂的屋顶布局，还是以椽子结构来建造屋顶系统比较简单（图7-3）。
图7-3
