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北新多层轻钢结构住宅课题研究总报告

作者：建筑钢结构网    
时间：2011-02-16 15:16:45 [收藏]
内容提要：本报告以国家住宅产业化基地之一的北新建材拟引进国外多层轻钢结构住宅体系技术为研究对象，通过组织专家团队进行调研、考察、分析、研讨，从技术、经济...
    关键词：北新 多层轻钢结构住宅 钢结构住宅课题研究
        内容提要：本报告以国家住宅产业化基地之一的北新建材拟引进国外多层轻钢结构住宅体系技术为研究对象，通过组织专家团队进行调研、考察、分析、研讨，从技术、经济、市场等不同层面探讨了拟引进技术的可行性，并给出具体的供参考建议。

        关键词：住宅产业化，冷成型钢结构、冷弯薄壁型钢结构，薄板钢骨结构，新日铁、多层住宅，结构、防火、热工、建筑配套、CFSF

        所在行业：制造/建材/建筑/房地产

        一、课题研究说明

        1、课题背景

        北新是建设部最早建立的国家住宅产业化基地之一，基地的建立是立足于从新日本制铁株式会社(下简称新日铁)引进并自主国产化的薄板钢骨建筑(三层以下)体系核心技术以及十大住宅部品系列的配套。近年来受国家宏观调控影响，三层以下别墅、独立式住宅以及低密度联排住宅市场极大萎缩，北新面临着寻求并开拓新市场的严峻局面。2006年北新高层在与其合资方新日铁接洽后，开始关注新日铁在多层薄板钢骨方面的技术，同时力图在原有三层以下产品的基础上升级到多层建筑领域，以应对国内市场及政策方面的变化。2006年底，北新基地正式请求建设部住宅产业化促进中心对是否引进多层住宅技术给与指导和支持。作为建设部国家住宅产业化基地的归口管理单位，住宅中心迅速组建了涉及各专业的专家团队，着重从技术、经济等方面对北新拟引进的技术进行分析研究。

        2、研究范围与目标

        轻钢结构是钢结构的一个重要分支。以钢材的轻重来区分，有轻钢与重钢两类。轻钢是对所有轻质钢材的通称，是一个更为市场化的名称；研究轻钢结构住宅从住宅产业化链条的角度看，北美的定义更值得借鉴：北美从型钢制作工艺上的差异定义不同类型型钢，总体上分为“冷钢”和“热钢”，即冷成型和热成型两大类。这种定义方式之所以对产业化重要是因为：成型工艺的不同决定了产业链条上的各关键阶段方式的不同。如，型钢的生产，组装，结构和体系的设计，安装和施工等几乎所有这条产业链上的环节都因为型钢的制作工艺有冷与热之分而表现出完全不同的状态。在专业领域北美称“冷钢”为：CFS(COLD-FORMEDSTEEL)。在我国学术界称之为“冷弯薄壁型钢”，(国家标准也是以“冷弯薄壁型钢”命名)，南京工业大学董军博士将CFS直译为“冷成型钢”，尽管在学术领域这些名称还存在争议，但是概念却是更清晰了。似乎“冷成型钢”更利于我们对这一产业的理解，即在常温下将钢片、钢带、钢板、或扁钢条冷成型形成各种钢构件，这种冷成型工艺包括辊式冷成型机组生产、压力机模压成型或者弯板机弯曲成型，甚至冷拔成型。由于产量、规格、品种少，我国甚至将某些热弯型钢(如采用高频电流局部加热成型和用红外线预热成型的型钢)也归入到冷弯型钢范畴。

        北新基地的原有三层以下核心技术，正是采用的0.4mm~3.0mm之间的镀锌薄钢板冷成型为各种建筑构件，与结构板材共同组装成为建筑主体的技术。正因为如此，本课题研究的主要对象还是有别于国内通常所指的“轻钢结构”，“冷弯薄壁型钢结构”，准确地说，应该是“冷成型钢结构”(COLD-FORMEDSTEELFRAMING以下简称CFSF)中的板式体系，是通过辊式冷成型机组生产型钢，采用自攻螺栓、拉铆等(无焊接)冷连接方式与结构板材共同组装成结构构件的薄壁(0.4mm~3.0mm)冷钢技术。研究范围是多层住宅。(按照《民用建筑设计通则GB50352-2005》中3.1.2条的规定，住宅建筑4~6层为多层住宅)

        研究的主要目标是：1、分析评价拟引进的日本多层技术的水平；2、该技术进入中国有何障碍；3、如何应对的建议。

        3、研究方式与进展

        课题研究主要依靠建设部住宅产业化中心的专家平台，采取调研与研讨相结合并最终形成专业报告的方式进行。

        根据北新基地的现实情况，住宅中心有针对性的组织成立了由结构、防火、热工、建筑、设备等各专业方面权威专家组成的专家组，考察了日本新日铁的多层冷钢技术，并按专业形成各专业小组，分别从结构、防火、热工、建筑配套等各方面对日本技术进行评价，其间还重点调研考察了国内外相似类型的企业以及实施的示范项目，如美国的华星顿，中国的莱钢，万科等。在住宅中心的组织下，课题组还定期派专人检查各专业小组的进展情况，及时沟通联络，做到信息共享，提高工作效率。根据课题实施计划，集中召开了三次专家研讨会议，截至2007年2月13日，先后收到已完成的各分组报告有结构、防火、热工等若干篇。

        二、CFSF技术国内外发展概况

        自1838年起，在俄、美、英等国先后采用压力机或冷拔机生产单件冷弯型钢；1910年，美国首创辊式冷成型工艺，建设了第一套辊式冷成型机组，开始了批量生产冷弯型钢，其后，英、德、法、捷等国相继建成了专业化生产的冷成型机组，冷弯型钢的生产和应用进入到一个新的阶段。冷弯型钢技术的研究自1939年起在美国康奈尔大学和其他大学陆续展开，康乃尔大学成为世界冷弯型钢结构技术的中心，该校的乔治.温特教授是冷成型钢结构性能研究的鼻祖。随着理论的不断发展，从1940年起，冷弯型钢开始广泛应用于建筑领域，冷弯型钢结构CFSF就是其中的最主要应用。直到今天CFSF技术已经被广泛的应用在低层以及多层建筑中，尤其是在北美、日本、澳洲、欧洲等发达国家和地区，以环保节能、经济性良好见长的CFSF技术有逐步取代木结构房屋的趋势。

        1、CFSF技术国外发展的历史与现状

        A、技术层面

        ·北美

        北美是冷成型钢结构技术研究的发源地，无论是理论研究还是市场应用方面始终处于领先地位。

        1939年康乃尔大学在乔治.温特教授领导下开始对CFSF技术的研究。研究工作得到了美国钢铁协会(AISI)的资助。短短几年中，温特教授获得了一系列的研究成果。1946年，基于温特教授的研究成果，AISI发行了容许应力设计(ASD)规范《冷成型钢结构构件设计规范》，这也是世界上最早的CFSF技术规范和准则。正是这个规范的出台，大大加速了薄壁冷成型钢结构在美国的应用和发展。AISI于1956、1960、1962、1968、1980、1986年对该规范进行了修订，以反映该技术的发展以及不断研究获得的结果。AISI还于1991年发行了第一版荷载抗力系数设计(LRFD)规范，并在1996年将ASD和LRFD规范合并成一本规范。1999年，AISI又发布了1996年版的补充。2005年AISI又发布修订版。美国将AISI相关冷成型钢设计标准上升为国标，其中包括：《冷成型钢结构总则》，《低层轻钢住宅指定性建造方法标准》，《冷成型钢桁架设计标准》，《冷成型钢过梁设计标准》，《冷成型钢抗侧力体系设计标准》。作为美国在经济贸易方面的主要伙伴，加拿大在冷成型钢结构领域也积极向美国看齐。加拿大标准协会CSA于1967年也发布了《冷成型钢结构设计规程》，在CFSF低层住宅方面加拿大有着比美国更为细致的技术规范与手册，如加拿大薄壁钢建筑结构协会CSSBI发布的《轻钢住宅结构施工细则》，《轻钢住宅构件选样标准表》《轻钢住宅结构设计指南》，《低层轻钢结构施工细则》等。更为重要的是，加、美两国成立了北美钢构联盟(NASFA)最终实现了北美冷成型钢结构设计标准的统一。

        ·欧洲

        20世纪70年代起，欧洲许多机构和私人公司对冷成型钢构件、连接及结构体系进行了积极研究和开发。在奥地利、捷克、法国、瑞典、英国、德国等都是最早形成冷成型钢设计规范的国家。同时，欧洲钢结构协会(ECCS)，通过其TC7委员会，完成了一些用于建筑冷成型钢结构测试及设计的文件。20世纪末，欧洲标准化委员会发行了用于冷成型钢构件和钢板的欧洲规范3中的1-3部分(Eurocode3:Part1-3)。这项工作是由欧共体委员会发起，与ECCS的一个工作组协作完成。这标志着：欧洲在冷成型钢结构方面也有了统一标准。

        ·澳洲

        冷成型钢结构技术在澳洲的发展主要是以澳大利亚和新西兰两国为代表。在当今冷成型钢结构技术领域澳大利亚的Hancock教授是继美国的温特教授之后又一位杰出的大师级人物。在他的主持领导下，澳洲于1996年统一了冷成型钢结构技术标准：(“Australian/NewZealandStandardonCold-FormedSteelStructure”，AS/NZS4600，1996)，由于澳洲处于非地震地区，所以澳洲的冷成型钢结构设计基本不考虑地震作用，建筑产品也仅限于低层住宅。

        ·亚洲

        亚洲冷成型钢结构的发展开始于20世纪80年代，最早出现相关技术规程的国家有印度、日本等国。进入90年代，日本加大了在冷成型钢结构领域的研究与开发，始终走在亚洲各国前列。1995年日本钢材俱乐部成员以新日铁为首的六大钢铁企业联合开始研发冷成型钢结构技术(后称为KC技术体系)，并于2002年发布《薄板轻量型钢造建筑物设计手册》，此后上升为国家标准。日本目前正利用自身研发优势，积极扩大在亚洲各国的影响，他们不断将冷成型钢结构新技术推广到中国、韩国、泰国等东南亚地区以及台湾地区，试图在冷成型钢结构领域制定统一的亚洲标准。为此中、日、韩三方的钢结构协会已达成默契，每年轮流在三国间召开一次集中研讨会议，力图完成标准的统一。

        总体看来，CFSF技术的发展是在向区域整合，全球一体化的方向发展；北美已走过了该领域技术发展的高峰期，目前以日本、澳洲为代表的发达国家在该领域研发的投入较大。

        B、市场层面

        冷成型钢构件的用途非常广泛，在许多不同行业和市场中都有运用，如汽车车体、铁路客车、各种类型的设备、货架、谷仓、公路产品、传输塔、传输杆、电缆桥架、排水设备以及桥梁结构等，其中建筑业一直是冷成型钢的最大用户。如日本，在1980年，其冷成型钢产品的70%以上是用于建筑业，而机械制造、交通运输和造船业等方面的用量还不足10%，欧美等发达国家的情况大多如此。而冷成型钢结构CFSF的应用主要集中在房屋建筑范围。冷成型钢是一种高效经济型材，具有质轻，构件强度高、刚度大、质量均匀、建造安装便捷，产业化程度高、防白蚁及腐蚀均好，材料可回收，等诸多优点，因此在低层房屋建筑中被广泛使用。在北美，传统木结构住宅由于日益受到材质不稳定，以及资源方面的限制，正日益被冷成型钢结构CFSF所取代：美国1993年建造了15000幢冷成型钢住宅，1996年75000幢，2002年后将占住宅市场份额的25%。在北美，这种结构还被越来越多地运用到多层建筑领域，据建设部住宅中心考察报告称北美CFSF多层住宅已实施将近300万平方米。在日本住宅市场，冷成型钢结构住宅(日本成为薄板钢骨住宅)份额也呈逐年上升趋势，现在年建造数量都在10000栋以上，并被国家大力推广使用。在产品形态方面，这种结构不光被用在独立式住宅、别墅中，学生公寓、汽车旅馆、超市、儿童活动室、老人福利院、医务所等不同类型建筑均有广泛使用。除了整体房屋产品，以冷成型钢构件组装成的墙体、楼板、屋面、屋架、桁架、网架、平台、楼梯、门窗乃至管道、容器、围堰、钢板桩等部品也被大量使用在公共建筑之中。在日本，冷成型钢和H型钢已成为建筑业主材；加拿大用于建筑业的冷成型钢量已超过普通热轧型钢；瑞典在上世纪90年代末，金属压型板已在工业建筑中占屋面用材的90%，墙面用材的70%以上。亚洲的韩国、中国台湾地区以及东南亚一些国家都在广泛使用冷成型钢结构产品。从全球市场看，CFSF住宅主要以低层为主，多层仅在北美有建成项目，北美以外地区还没CFSF多层住宅项目出现。

        2、CFSF技术国内发展概况

        与西方发达国家相比，我国的冷成型钢结构技术的发展起步较晚，上世纪80年代初期，国内以西安冶金建筑科技大学(现西安建筑科技大学)的何保康教授、哈尔滨建筑工程学院(现哈工大)的张耀春教授为代表的一批钢结构领域的学者赴美国康乃尔大学师从乔治.温特教授，这是我国冷成型钢结构领域研究的开端。自此，北美先进的冷弯型钢结构技术被引入我国。结合我国钢结构技术的实际，1987年我国发布了第一部冷成型钢结构设计标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GBJ18-87)，1998年开始全面修订，并于2002年9月27日发布修订的《冷弯薄壁型钢结构技术规程》GB50018—2002，新修订的规范为国家强制性标准。在新规范中还增加了单层房屋设计中考虑蒙皮作用的设计原则。这是我国冷成型钢结构技术领域最权威的标准，业内称为轻钢结构的“母规”。近几年，随着国外冷成型钢结构技术的不断引入，标准滞后严重阻碍了冷成型钢结构新技术与市场的发展。例如在国标《冷弯薄壁型钢结构技术规程》GB50018—2002中，还没有涉及钢板厚度2.0mm以下范围，也就是说在中国对国外新引入的一些薄钢板(0.4mm～2.0mm)冷成型钢结构技术还没有国家和行业标准可遵循。一些企业如北新从自身经营的考虑编写了自己的企业标准《薄板钢骨建筑体系技术规程》(属体系类标准，2003年完成)，并通过在国内各地备案的方式实施CFSF住宅建设项目；上海绿筑公司编制了企业标准《低层冷弯薄壁型钢结构施工质量验收规程》(2005年)；在行业标准方面，2004年建设部开始组织编写《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》(属产品类标准)并于2005年发布；中国工程建设标准化协会(CECS)正在组织编制冷成型钢结构房屋体系的设计标准《低层冷弯薄壁型钢建筑技术规程》(属工程类标准)(在编)。总体看，对于2.0mm以下薄钢板冷成型结构设计到目前为止还没有可直接依据的国家标准和行业标准。最近，据悉母规会得到补充，将扩大构件壁厚的适用范围。由于近年来冷成型钢结构试验方面不断取得进展，原规范主要承重构件壁厚适用范围2.0mm～6.0mm将可能扩展至0.4mm～6.0mm，这将是对“母规”的一个重大突破。

        市场方面的发展落后于技术领域。上世纪80年代中后期尽管一批学者从美国学成回国，又出台了冷弯薄壁型钢结构的国家标准，但市场并无大的发展，在沉寂近十年后的90年代中期才率先在工业厂房，仓库等工业建筑中开始使用门式刚架等冷成型钢结构技术。这是一次遍及全国的门式刚架厂房热，包括门式刚架、冷弯型钢檩条、支撑、压型钢板屋面和墙面等冷成型钢构件大量的被使用在这种新型结构厂房中。上世纪末本世纪初，一批国外成熟的低层冷成型钢结构住宅技术进入中国，如日本的新日铁、澳洲的博思格、美国的华星顿等企业都开始涉足中国建筑市场。截止到现在冷成型钢结构主要还是应用在三层以下建筑，据不完全统计，我国近年已建成的这类薄板轻钢房屋体系约有一千余幢。总体上，我国低层冷成型钢结构住宅市场方面尚处于起步、发展阶段。多层、高层住宅更是空白。

        三、对拟引进的多层CFSF住宅技术的分析

        针对北新拟引进的多层CFSF住宅体系技术专家组亲赴日本做了实地考察。以下将概要列出专家组对该技术的评价以及对引进该技术可能存在的问题、解决方法的说明。

        1、日本CFSF技术的现状

        新日铁的CFSF技术在日本处于领先地位。1995年，新日铁联合另外五大钢铁企业共同开发CFSF低层住宅体系技术(KC)，新日铁在KC之上还拥有企业专有技术，在建筑跨度、适用范围等方面都大大超出了KC范围。2002年，新日铁与北新合资进入中国市场后，同时启动了多层CFSF技术的研发，以应对中国市场的变化。经过近五年的研究，新日铁在设计、生产、施工等三个方面有所创新。

        A、设计方面

        新日铁在原有低层技术的基础上重点在剪力墙板连接构造、结构用板材选用、防火构造、隔热构造等方面进行研发并取得一系列成果。

        ·剪力墙板连接：新日铁的CFSF技术属于冷成型结构中的蒙皮结构板肋体系，强调的是冷型钢与结构用板材共同形成抵抗横向荷载的整体墙板，类似于钢筋混凝土结构中的剪力墙。新日铁技术中每层楼板都搁置安装在该层的墙板之上，墙板在竖向都被各层楼板隔开，竖向墙体在结构上无法构成连续的墙体。因此技术上就要通过贯通楼板的抗拔锚栓将上下层墙板连成整体，同时靠抗剪螺栓将墙板与楼板连接在一起。这样的技术措施在日本通过了试验检测，对于三层以下建筑是完全可靠的。进入多层住宅建筑，竖向及水平荷载作用更大，对于抵抗水平荷载的主要构件“剪力墙”来说，如何通过技术措施使“剪力墙体”的整体连续性更好，能充分抵抗风、地震等水平荷载作用是新日铁研究的重点。从考察现场的结果看，新日铁在这方面有所改进，主要具体措施是：增大原有抗拔螺栓直径由16mm增加为24mm，并在抗拔螺栓外增设钢套管以进一步增加强度，这种套管式抗拔螺栓也是新日铁的一大创新。新技术体系的抗震能力大大提高，是原有KC技术抗震能力的1.5倍。

        ·结构用板材：结构用板材是蒙皮结构中的重要组成部分，新日铁三层以下CFSF住宅技术中一般采用OSB(定向刨花板)或者结构用合板；在新的技术开发中，新日铁找到了一种替代板材----水泥纤维质板材。这种板材的替代，解决了原来木质板材在防火、防水、以及结构整体强度方面的不足。(类似技术在北美，结构用板材的选用和日本不同：北美低层住宅一般采用OSB板材，多层中采用水泥质板材或者钢板较多；日本的OSB板材一般为进口，所以用结构合板较多。)

        ·防火：日本的防火要求在全世界都是偏高的，而且防火规范的制定更为科学、细致。日本根据城市不同地段建筑物的密集程度及地域功能等的实际情况不同，防火要求相应也有所不同：如日本将城市分为四种不同防火要求地区：防火地域、准防火地域、22条地域、无指定地域等。根据不同地域的防火要求再分别考虑设计不同耐火等级的建筑物。《建筑基本法》规定所有的建筑结构按照耐火性能由高到低依次分成四大防火类别：耐火结构、准耐火结构、防火结构、准防火结构，其中准耐火结构又分为45分钟准耐火结构和1小时准耐火结构。(详细规定可另参见防火组报告)。日本的KC技术和新日铁原专有低层CFSF住宅技术在防火性能方面都只能达到45分钟准耐火性能和1小时准耐火性能的要求，所以根据日本标准KC和新日铁技术在防火地域均不能做到三层住宅(包括独立式住宅和集合住宅)，甚至在1～2层住宅都受到建筑面积规模方面的限制，如在防火地域独立式住宅面积不能超过100平方米。为了进一步扩展CFSF住宅市场领域，新日铁在近几年里开发出耐火结构建筑，这使得CFSF住宅突破了三层防火要求，也就是说：按照日本标准，可以用新日铁开发的CFSF住宅技术建设所有3000平方米以下三层住宅(含独立式和集合式住宅)。

        新日铁在防火方面开发出1小时耐火建筑主要从以下三方面着手：

        1)采用耐火性能较高的板材，如不燃水泥基结构用板材(见上文说明)、耐火石膏板等作为基本材料。以延长墙体耐火时间，增强耐火完整性，比原有构造还降低了成本。构造示意如图1(由内至外依次为防火石膏板双层，墙体柱，水泥质结构板，保温材，空气间层，外墙板)。

        2)隔墙采用采用断热桥的方式，不但解决了隔声问题，而且有利于隔墙受火时延缓背火面温度由于龙骨的导热而升温过快。

        3)墙系统中板接缝处增加止火带，以阻止板与板接缝处可能的窜火、漏火情况的发生，提高了耐火性能。

        ·隔热

        新日铁原CFSF住宅体系技术中以整体外保温方式见长，彻底解决了钢结构建筑的冷热桥问题以及结构内部结露等难题，节能效果良好。在寒冷地区住宅的节能效果及其突出，但CFSF住宅体系属于轻质体系，轻质体系的一大特点就是建筑外围护结构热惰性指标较低，热稳定性较差，因此在炎热地区，隔热成为一大课题。新日铁近年来在建筑的隔热方面有所改进，其途径是从解决热辐射入手，重点是通过在复合外墙中增设反射层，提高墙体对辐射热的反射作用，大大降低了辐射热对建筑室内的热环境的影响，经测试比较比未采取反射措施的建筑在夏季的用电量降低30%，节能效果明显。热稳定性也有所提高。

        B、生产方面

        生产方面的创新在于将结构设计与板块生产自动化连为了一体。新日铁新开发出一种称之为“NS—CAD”的软件，该软件大大地提高了设计速度并能实现设计数据与生产设备的完全接口，在设计阶段就能配备齐板块组装所需要的所有连接件。数据输入生产设备的CAM系统，就能实现自动化生产板块和屋架，极大的提高了生产效率，减少了出错率，确保板块的品质。

        C、施工方面

        由于开发出NS—CAD软件，使得住宅工厂化生产的程度更高。原来的技术是在工厂生产好结构墙板，楼板，以及屋架，其他像保温工程等都是需要到现场人工完成。新技术由于设计的完备，完全实现了保温在工厂里一次性制作完成，这就使现场施工的速度大大加快，在一些规模较大的建筑施工中，这种优势就更能体现出来。

        2、将日本多层CFSF技术引入中国可能存在的主要问题及应对策略

        依据课题组各分组的报告结论，以下表格1将归纳总结从日本引入多层CFSF技术可能存在的主要问题以及应对策略，并在表后分别简要说明。其中主要从技术与市场两大方面可能面临的主要困难展开，技术障碍包括技术层面和经济层面的；市场障碍则主要在目标市场的选择与定位上。本节涉及的是存在的主要障碍与核心问题，其他需要完善和改进但并不直接构成障碍的方面将在第3节中说明。

        表1：日本多层CFSF技术进入中国面临的主要问题及应对策略

        A、主要技术障碍(技术层面、经济层面)

        日本CFSF技术进入中国的多层住宅市场，在技术层面可能面临的核心障碍在于结构和防火两方面。这两方面问题都是决定建筑安全性的主要内容，日本技术能否进入中国就需要首先在这两个方面做出回答，否则根本谈不上其他问题。回答这个问题主要从日本技术是否能满足中国现行技术标准规范要求这个角度出发。中日两国技术标准的差异也就成为课题研究的重要组成部分(详见各分组报告)。

        ·结构(技术层面)

        如上文第二章介绍，CFSF技术用于三层以下建筑在发达国家都是非常成熟的技术，在我国也开始了实践并进入到市场。但是多层目前仅在北美有具体实施的项目，日本由于规范的限制(主要是防火方面)，目前只能建设到三层(据最新的消息：日本的规范可能要调整，将允许CFSF住宅建到四层)，所以，此次专家组日本考察看到的CFSF住宅均没有三层以上的项目。根据结构组的报告：多层薄板轻钢房屋CFSF体系最主要的问题是墙体结构。而墙体中最为关键的是如何解决受力与传递荷载的问题，其中分为垂直荷载和水平荷载。专家组认为：考察的CFSF房屋体系墙体对承受和传递垂直荷载而言，由3层改作5~6层是可行的，但底部三层墙体立柱应适当加大截面尺寸；对承受和传递3层以下的住宅或公寓等房屋的水平荷载而言是可行的。但对3层改作5~6层后是否可行，显然是不足的。因此，由低层改为多层薄板轻钢CFSF房屋体系，墙体抗侧力构造必须作适当的改进和增强。由此看出，日本的CFSF住宅技术用于中国的多层市场结构方面的关键是：墙体抗侧力构造能否承受和传递由于层数增加而增大的水平荷载。

        结构组报告总结指出结构方面存在的问题是：(1)单根C型钢墙体立柱尺寸不能满足5~6层竖向荷载下的强度和稳定性要求；(2)抗侧力结构体系不能满足5~6层水平荷载下墙体抗剪和抗倾覆要求。墙体设置的抗拔锚栓及抗剪螺栓尺寸、数量及构造等均有待改进。

        解决方案：问题(1)不难解决：只需加大在房屋底部几层的墙体立柱截面，如立柱可由二根或多根C型截面组合而成或采用新的压型截面以增加强度。问题(2)的解决是关键：首先，需改进并增强墙体抗剪、抗倾覆承载能力，如底层抗拔锚栓可改为双锚栓构造或连接锚栓的悬壁连接件直接落地等措施，以减轻立柱局部受力过大而被拉断或压屈破坏现象。在二层以上层间立柱设置的抗拔锚栓亦可采用新日铁研制的带套管的抗拔锚栓，必要时也可采用双锚栓构造等。其次，在剪力墙体中可设置水平及交叉支撑等措施，以增强墙体抗侧能力。

        总之，将低层CFSF房屋体系用于多层房屋体系时，加强墙体抗水平荷载的构造，是有措施可循的；研发多层CFSF结构体系，从结构安全可靠角度论证是有可能的，也是可行的。

        具体建议是：(1)在充分调研的基础上做试设计(可以选择北京上海等不同抗震设防烈度地区)，并进一步作经济分析。(2)重点对多层CFSF体系墙体抗侧能力作必要的试验研究。(3)建设试点项目并总结推广。

        除上述问题以外，由于截止到目前，国标《冷弯薄壁型钢结构技术规程》GB50018—2002还未修订，多层CFSF结构设计还无法完全依据此标准，在编标准均为三层以下建筑范围，因此“无标准可依”可能也是一段时期内企业向市场推广产品的主要障碍。这个问题的解决可以依托建设部住宅中心，结合示范项目与试验研究，尽快组织实施标准的编制。

        ·防火(技术层面)

        新日铁新开发的CFSF住宅防火性能可以达到日本标准的1小时耐火建筑，这种耐火性能意味着：承重外墙、承重内墙、楼板的耐火时间均为1小时(60分钟带荷载燃烧，撤火后180分钟观察)；屋面的耐火时间为30分钟(30分钟加热，撤火后90分钟观察)。由于日本试验方法严于我国试验方法，因此日本1小时耐火极限的构件，其耐火性能要高于我国的构件。日本的这种1小时耐火建筑能否满足我国多层住宅的防火规范的要求呢？

        我国住宅的防火要求主要遵循两本国标《建筑设计防火规范》GB50016-2006和《住宅建筑规范》GB50368-2005。《住宅建筑规范》GB50368-2005是建设部于2005年组织编写的我国第一部全文强制性标准，也是第一部以住宅功能和性能要求为基础的标准(2006年3月实施)。而《建筑设计防火规范》GB50016-2006(2006年12月实施)是对原《建筑设计防火规范》GBJ16-87的一次全面修订。两本规范对住宅防火要求的规定有所不同，为了协调统一，《建筑设计防火规范》GB50016-2006特别在第5.1.1条的注5中规定：住宅建筑构件的耐火极限和燃烧性能可按照现行国家标准《住宅建筑规范》GB50368的规定执行。

        根据防火组的报告：在下表2中可以看出防火问题的关键所在：日本现有CFSF住宅的耐火性能在楼板和屋顶承重结构两项上都能满足我国现行防火规范的要求，但承重外墙、承重隔墙、疏散楼梯三项的耐火性能却不能满足我国规范要求。在国内标准的执行问题上，由于GB50368和GB50016均为国标，我们以针对住宅防火要求相对较宽的GB50368为依据(可建至9层住宅)，本课题防火方面的重点就是如何提高承重墙以及疏散楼梯的耐火性能，具体指标是将日本承重墙1小时耐火提高为1.5小时耐火；将疏散楼梯0.5小时耐火提高为0.75小时。防火组的报告指出：提高承重墙体的耐火性能主要通过“增加石膏板的厚度或敷设层数，改变填充材料等方式来实现。同时，建议CFSF体系住宅内外墙及屋面至少应为难燃烧体。

        表2中日多层住宅防火规范要求的对比

        除了构件的耐火时间外，防火方面另一个值得注意的方面是：防火分区的问题，因为这将直接影响到CFSF多层住宅的户型设计，实际上也就直接关系到CFSF多层住宅产品的形式和规格。尽管GB50368在防火分区上未作具体规定(该规范的9.2.2条文解释为“考虑到住宅分隔特点及其火灾特点，本规范强调住宅建筑户与户之间、单元与单元之间的防火分隔要求，不再对防火分区做出规定)。这实际上给标准执行带来了一定的难度。因为根据GB50016-2006特别在第5.1.1条的注5中只是明确了住宅建筑构件的耐火极限和燃烧性能可按照现行国家标准《住宅建筑规范》GB50368的规定执行。是否可以理解为：此外的相关内容如防火分区等还是要执行GB50016。如果这样，GB50016第5.1.7条的规定三—五层民用建筑防火分区最大允许建筑面积为1200m2。如果建到六层，防火分区的要求如何执行标准就有问题了。如果建五层住宅，防火分区1200m2，就会要求各单元面积不能超过1200m2,这需要产品策划和设计充分考虑，同时对单元分隔墙体可能要求达到防火墙的耐火性能，防火墙的耐火时间是3小时等等这些都会直接影响到产品的构造与成本，是值得企业充分考虑认证的。

        ·成本经济指标(经济层面)

        按照课题组的分工，成本经济指标主要由北新相关人员组成的成本小组完成。北新成本小组按照多层(以六层住宅为例)的防火要求做出墙体的试设计构造做法，在此基础上作初步核算，建筑单方造价约为2000元/m2左右。目前的试算属于静态分析，没有考虑产业化程度、规模效应、以及对资金周转的动态影响因素等等。从咨询公司的市场调研报告看：由于目前我国市场还没有多层CFSF住宅，因此没有相关的可比性数据供参考，但多层的重钢结构、热钢结构体系住宅是存在的，如莱钢建设公司的热轧H型钢结构住宅，赛博思金属结构公司的钢框架住宅体系等其造价都在1100—1500元/m2之间。钢结构以外住宅市场如砖混一般造价为800—1000元/m2；钢筋混凝土结构住宅为1000—1200元/m2。以上数据均为北京、上海等一线城市数据，二线城市相对造价更低。因此，在经济层面可能面临的最大问题是CFSF多层住宅的成本如何更具有竞争力，如果直接与其他传统结构体系的多层住宅产品直接竞争，在成本上目前还不具备优势。

        成本问题从某种角度看仍然是技术层面的问题。解决途径是：一方面优化CFSF住宅构造，对建筑整体配套进行国产化研究，从技术层面上挖掘潜力，在这方面作为建材行业的国家住宅产业化基地北新是有优势的。另一方面，动态的研究成本问题。随着中国劳动力市场越来越紧缺，广东等沿海发达地区今年甚至出现“民工荒”。近年来我国经济高速发展，“三农”问题的解决，农业税的取消等等都将使得劳动力成本不断上升将成为必然趋势。对于产业化程度高的CFSF住宅来说，成本的竞争力反而呈现增强的趋势，加上该技术大大缩短建设工期，这又将大大降低项目的整体运行成本。因此动态的测算项目建设的总体成本(而这又反过来关系到企业的运营模式)，跳出传统建设模式的框框，是成本分析的关键。

        B、一般技术问题

        除了以上技术层面的主要障碍外课题组还对日本CFSF住宅技术的热工、建筑配套等“非进入障碍性问题”作了考察，并给出相关建议。

        ·热工

        热工组的报告指出：日本的CFSF住宅外保温方式有良好的保温节能效果，能满足现行标准规范要求。但CFSF住宅属于轻形结构体系，其热惰性指标D值较小，一般小于2.5，绝大多数甚至小于1.5。能否满足《热工规范》规定的夏季隔热要求，以及围护结构构造内部能否避免冬季冷凝受潮(简称防潮)是热工方面问题的关键。经过计算，日本现有CFSF住宅外墙外侧带通风间层的构造形式，能够满足夏季隔热要求，但内侧须至少采用双层石膏板且总厚度必须达到27.5毫米，以保证围护结构的内表面的衰减倍数不致过低。如果采用封闭间层，无论有无铝箔，都不能满足夏季隔热要求。由于外保温方式保证了墙体型钢空间中的温度始终高于露点，不会产生冬季结露。

        给出的建议是：(1)从简化构造，降低造价出发，其围护结构仍可适当改进。但改进仍应以外保温层外侧带通风间层这种构造形式为基础来进行。例如可考虑采用具有一定支承和抗弯能力的夹芯保温板材作为外保温层，层板钢骨框架适当简化；(2)外保温层外侧带通风间层的构造形式已能满足夏季隔热要求，保温层外侧可不做铝箔，因铝箔层妨碍水蒸汽散发，而且其长期效果也令人怀疑。(3)尽管日本的CFSF住宅热工性能良好，但是轻质建筑热惰性低的客观现实不容忽视。我国分为五大热工分区，各区域气候条件差异较大，相应的CFSF住宅一定存在最适宜地区。这也需要与目标市场定位结合起来考虑。

        ·隔声

        隔声问题一直是钢结构建筑的弱项，尤其是CFSF住宅这种轻质钢结构建筑。其中固体传声是隔声问题的主要方面。如何解决楼板、墙板的隔声问题成为CFSF住宅应面对的重要课题。新日铁CFSF住宅隔声技术的原理是：阻断固体传声通道。具体的是将楼板结构层与吊顶层完全分开设置，避免结构层接收到的固体传声直接传送到吊顶层，而影响到楼板下的室内声环境。这有别于一般钢结构住宅中楼板吊顶直接安装于楼板结构层之上的做法；同时，又在复合楼板中填充吸声材料如玻璃棉等材料，使得楼板的隔声性能大大优于一般钢结构建筑。据日本测试数据表明：新日铁的CFSF住宅的分户墙结构,在特定的条件下可确保满足日本工业规格Rr-50等级(即相当于钢筋混凝土厚度18cm以上墙体)的隔声(空气传播音)并已取得国土交通大臣认定；住宅楼板的隔声(对冲击音)性能,可确保达到相当于厚度为11cm以上混凝土墙的隔声效果。现已测试评估完毕,正在申请国土交通大臣认定。这些指标，都能满足GB50368-2005中7.1.2条和7.1.3条关于住宅隔声方面的要求。

        因此隔声方面的建议是：采用新日铁现有隔声楼板、墙板技术。材料可以完全国产化，成本并不增加太多，室内声环境会远优于一般钢结构住宅。

        ·建筑配套

        日本住宅产业化程度非常高，各种建筑部品配套设施完善，因此建筑结构体系很容易与部品体系相结合，构成性能良好的住宅产品。而我国住宅产业化环境还不够完善，还没有建立起完整的部品体系。因此，如何用国产化的部品集成填充新型结构体系，成为建筑配套组的主要课题。配套组具体提出室内八大配套系统和五大支撑技术以解决CFSF住宅建筑配套国产化的问题。(另详见配套组报告)。

        C、市场障碍(市场层面)

        CFSF技术进入中国市场在市场层面可能面临的主要问题在于：目标市场的确定。前文已经概要的说明了世界各国尤其是发达国家CFSF技术的发展与应用情况，同时也指出CFSF多层住宅进入中国可能面临的技术层面与经济层面的主要障碍。我们发现目标市场的定位不同，可能会得到完全不同的结果。比如：如果CFSF技术直接运用于中国的多层住宅市场，将直接面对着砖混、钢筋混凝土、普通钢结构、热轧轻型钢结构等多种产品的竞争，按照目前静态的成本分析，还存在较大的弱势(CFSF住宅比传统结构造价高约30%--50%)。发达国家由于人工成本其高，CFSF住宅工厂化程度高，成本反而具有优势，中国则正好相反，劳动力成本低廉(尽管劳动力成本呈现上升趋势，但毕竟需要时间)，CFSF住宅的成本优势缺失了，对于中国住宅房地产开发商这个价格敏感度极高的客户，市场的障碍是可想而知的了。另外，由于宏观调控，土地资源正日益稀缺等因素，多层住宅正在逐渐从一线城市消失，仅在城乡结合地区或者二线城市出现，且趋势是在逐渐减少。二线城市的经济水平低于一线城市，因此对造价、成本的要求会更高，这也有可能对CFSF多层住宅形成冲击。

        解决途径：重新审视CFSF技术，细分市场，结合企业自身特点找到生存和发展的最佳目标市场。我们可以看到：同样是运用CFSF技术，国外发达国家的成熟企业经营的模式各有特色，专注的也是适合各自发展的细分市场。如：美国的华星顿，他们的产品涉及住宅、公寓、旅馆、办公楼等不同的细分市场；日本新日铁的CFSF技术也不只是运用于住宅，还广泛的使用到学生公寓、老年人福利院、儿童活动室、医疗所甚至工业建筑的屋面系统、墙体系统等等。澳洲博思格除了住宅市场、公共建筑市场甚至还向上延伸到建筑屋面体系、复合墙体体系等(这些企业的典型模式将在第四章中简要说明和介绍)。北新的目标市场如何定位，的确可能是能否成功的关键。

        3、结论

        综上所述，日本CFSF住宅技术引入到中国存在的最主要的技术障碍在于结构和防火以及成本造价三方面(其中，结构的核心问题是解决抗侧力体系的墙体构造以及现行标准的制定出台；防火的核心是解决承重墙体耐火极限的提高；成本问题是如何将日本技术国产化降低成本)而市场方面的障碍主要在于目标市场的定位。这些障碍在经过深入地研究，充分的国产化后都是能得到解决的。

        四、国内外典型相关企业的运营模式(调研成果)

        国内外从事钢结构住宅产业化的成功企业不少，且各有不同的运营模式，他们经营有何异同？对北新引入新技术有何启示？课题组为此还调研了部分企业，以下简要介绍代表企业的情况，供北新参考。

        1、华星顿(WORTHINGTON)

        华星顿公司(WORTHINGTON)是美国一家大型的钢结构加工制造公司，纳斯达克100工业指数股之一。公司成立于1955年，主要产品为：钢材加工、钢结构、压力容器、金属连接件(配合建筑钢结构)四大类。钢材加工涉及到的行业有汽车、金属器具、航空、建筑等十多个领域。在美国，钢铁产业竞争非常有序，上游的钢铁企业主要以生产钢材为主，绝对不会涉足钢材加工等中游产品，钢铁的使用者又不可能使用直接由钢铁公司生产出来的原钢，因此钢铁加工制造企业就应运而生。华星顿的创始人JohnH.McConnell就是靠抵押自己的汽车借来的600美元起家购买了第一卷钢带从而创立了华星顿。可以说，哪个领域需要钢材，华星顿就会关注哪个领域。在近40年的发展中，华星顿在钢材加工、压力容器等领域成为北美最大的生产商。华星顿涉足钢结构建筑领域是1996年开始的，由于对钢结构建筑市场非常看好，华星顿又具备加工各类钢材的能力，于是1996年华星顿收购了美国Dietrich公司，Dietrich是美国的一家优秀的钢结构公司，尽管规模不大，但在钢结构设计、建筑钢结构技术专利、施工、建筑钢结构市场方面都有很大的优势，尤其是这些方面正是华星顿所不具备的。自此，华星顿成为北美最大的钢结构建筑商，占据美国钢结构建筑市场40%份额，运营上以总承包的方式承接项目，其中设计、构件的加工制作自行掌握，安装施工采取外包。华星顿也因此不断扩张，现已发展成为拥有8000名员工，遍及全球10个国家的63家工厂的大型企业。2005年，华星顿钢结构筹划进军中国市场，目前已在常熟建设完成一栋6层住宅样板楼(可以参看北新杨朋飞出差考察报告)。

        2、新日铁(NSC)

        新日铁(NSC)始建于1901年，是日本最大的钢铁企业，也是世界级钢铁巨头之一。公司业务涉及：钢铁冶炼、制造、环境与水务、化学、能源、建筑、新材料、城市开发等诸多领域。薄板钢结构技术的开发实际上是为公司的钢材产品服务的。新日铁在CFSF技术产业链上重点抓住的是技术的研发、型钢的制造、连接件的制造；其他业务如建筑单体的设计、板块的制作、建筑安装、房屋的销售都分别由社会上的设计所、板块制作工厂、公务店完成，新日铁在CFSF业务上的盈利主要来自于技术的专利使用费、技术转让、技术指导与支持、型钢制作、连接件的制作等环节。

        3、博思格(BLUESCOPE)

        博思格钢铁是2002年从BHP-Billiton公司分离出来的。而BHP是澳洲最大、历史最悠久的钢铁公司。博思格钢铁将自己定义为：全球性钢铁/建筑解决方案供应商。从传统的钢铁生产企业转为专注于建筑领域，博思格在诞生两年后于2004年收购了美国的巴特勒公司，巴特勒也是一家有上百年历史的建筑钢结构公司。博思格钢铁大举进军中国市场，投资5亿澳元，在苏州建设了大型的镀锌、彩涂钢板生产线为博思格建筑系统供应原材料。博思格建筑涉及的范围较广，包括工业建筑、公共建筑、住宅等，从单层厂房到高层建筑都有涉及。公司在中国设立了住宅研发中心，能独立设计并提供个性化的解决方案。紧紧围绕公司基础产品如镀锌钢板、彩涂钢板、金属构件、落水系统等来开发新部品，创造出新的细分市场。比如，博思格的住宅屋面系统，复合墙体系统等部品的开发，都能广泛地运用到各类建筑之中，大大扩展了市场领域。同时，注重研发和服务，为不同客户量身订制方案。公司自行完成销售(开始尝试销售代理)、设计、研发、构件的加工制作，施工外包。

        4、莱钢(LAIGANGCONSTRUCTION)

        莱钢集团始建于1970年，年产钢超过1000万吨，居国内同行业第六位。主产品有热轧带钢、螺纹钢、特殊钢、热轧H型钢系列。莱钢建设是莱钢集团的控股子公司，围绕公司的主打产品热轧H型钢，莱钢建设主要向其下游延伸从事：钢结构建筑、房地产等业务。多年来莱钢建设一直独立开发钢结构绿色节能住宅建筑体系，并取得了一系列成果：包括结构体系、墙板体系、建筑节能体系等。莱钢是我国在热钢结构住宅领域实施项目最多的企业，共建设约100万平方米。尽管与CFSF体系不同，但是从我们调研中也看到莱钢在住宅产业化进程中的不易，这与北新面临的问题有着相似性。据莱钢方面介绍：莱钢的钢结构体系成本要高出传统结构20%--30%，为了推广自行开发的产品，公司进入房地产开发领域，在自己开发的楼盘上采用自己的钢结构住宅产品，将企业利润在内部分配，总体上是微利经营。莱钢认为钢结构住宅面临的最大难题是：老百姓的认可程度和成本两方面。因此公司不断加大研发投入，开发出一批配合钢结构使用的墙板产品，并通过不断优化设计等措施进一步降低成本。公司在运营上实施项目总承包，自行设计研发(拥有一个甲级设计院，一个乙级设计院)，钢结构加工制作来自集团内，拥有固定的30多家外包施工队伍，对安装施工实施项目管理。

        5、万科(VANKE)

        万科是我国最大的房地产企业，也是新近被建设部批准的国家住宅产业化基地之一。在调研中我们了解到：万科从1999年就开始提出“走住宅产业化的道路”，2003年标准化项目启动，2004年成立工厂化研究中心立志发展工业化住宅。作为房地产行业的领头羊，万科对于住宅质量问题是有着切肤之痛的，因此认为不走住宅产业化道路，企业已经无法继续发展壮大了。万科每年在住宅研发方面的投入都在数千万元以上，这在房地产企业中是不多见的。和前面介绍的企业不同，万科是处在产业链条的下端，其特点在于距离终端客户近，市场的把握上有绝对的优势；劣势在于没有自己的核心产品，业务链条过长，资金的占用量极大。基于这种情况，万科发挥自身优势，靠集成的方式，选择最适合的技术和产品集成到万科的住宅之中，当然这是建立在对住宅产品的充分研究基础之上的。万科早在1999年就成立了建筑研究中心，由集团总部负责把关各一线公司的产品设计，并在几年中形成了一批万科专利户型产品，如城市花园系列、四季花城系列等。在工业化住宅的研究中也经历了结构体系的选择阶段，据万科介绍：由于万科产品的市场定位主要集中在小高层和高层，因此最终选择了混凝土全预制PC住宅体系。从公司运营上可以看出：万科主要是抓住市场、资金、研发、设计几大块，施工等方面主要采用项目管理的方式外包，关键在于通过研发建立标准指导集成。据最新的消息：万科也有意逐渐将设计等业务外包，而将精力集中在市场、资金、研发、甚至管理模式的输出。

        可以看出，尽管都做产业化住宅，但上述企业分别处于产业链条的不同位置，这是企业根据自身基础和对市场的定位做出的选择，事实证明他们都是成功的。北新应处于产业链条的什么位置最有利于企业的发展，是值得深思的问题。

        五、结语

        在近四个月的时间里，课题组根据确立的目标有组织的开展工作，全体成员充分发挥各自的特长，为课题研究献计献策,辛勤工作。尽管专家们来自全国各地，但在课题研究阶段都能协同作战，资源共享，提高工作效率，使得在较短时间里取得了一系列的研究成果，对北新拟引入的CFSF新技术给予了客观的评价，对引进过程中可能遇到的障碍和问题做出了分析，并一一提出了解决的建议，基本达成了课题目标。CFSF多层住宅技术在全世界范围也是较为领先的课题，三个月的时间不可能做出绝对透彻、全面的研究，各报告中一定还存在因调研不充分造成的观点片面和认识不足。如果课题的研究成果能够在北新的决策中起到一定的作用，我们也就感到无比欣慰了。我们也将一如既往的支持北新住宅产业基地的发展，并关注课题的后续进程，为我国住宅产业化事业做出贡献。

        在此感谢课题组全体成员的辛勤劳动，感谢北新对住宅产业化事业的支持与投入!
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