用冷彎成型鋼結構能建多高的建築？答案可能會讓你大吃一驚

如果你想用冷彎成型鋼（CFS）框架結構來做建築，你能建多高？

雖然有人說10層樓的高度已經是冷彎成型框架結構的極限了，但是如果讓結構工程師跳出「慣性思維」，他會怎麼說？

鋼結構工業協會（SFIA）決定找到這個答案。該協會委託Patrick Ford，位於威斯康星州Waukesha的Matsen Ford Design負責人和SFIA的技術總監，通過創建一個CFS框架的高層建築來探求冷彎成型鋼結構究竟能做多高。2016年4月，在美國鋼鐵協會會議上，Ford公布了SFIA Matsen Tower，這是一座40層的住宅，以他的合作夥伴John P. Matsen命名。

SFIA Matsen Tower 設計圖

SFIA Matsen Tower項目打開了冷彎成型框架結構通向高層建築的新通道。

「現在是時候讓結構工程師和正在學校上學的未來工程師看看用冷彎成型鋼結構究竟能做些什麼了。」SFIA執行董事拉里威廉斯表示：「冷彎成型鋼結構可能比以前想像要能建更高的建築，比任何木結構都要高。」(可參考集成匯之前介紹的最大的木結構建築MGA新作，美國最大的木結構建築將建在新澤西）

冷彎成型鋼結構高層的意義

從2000年左右，冷彎薄壁輕鋼開始被介紹到中國，當時有日本的KC體系，加拿大的無比鋼體系，使用的設備主要是海斯，頂峰（後來被Framecad，scottdales，以及國內的鑫華宏（你見過輕鋼還能做椅子的么？這家公司簡直把這種結構運用到了極致！）所取代），雖然使用設備有變化，但輕鋼工廠始終在做3層以下的低層建築，除了零星的別墅地產項目和新農村建設項目，國外出口項目，很少有體量較大的住宅項目，都是在承接自建房項目。低層輕鋼住宅項目由於體量小，也使很多輕鋼企業很難形成規模，都處在尋找商業模式和市場方向的階段。如果冷彎輕鋼能做高層，是不是就有撥雲見日的意義了？

高層住宅的市場情況

據聯合國（UN）統計，全球城市人口從1950年的7.46億迅速增長到2014年的39億。今天，全球54％的人口居住在城市，預計到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。

由於城市空間有限，未來的業主將通過在垂直方向上滿足住宅需求。而對於業主來說，在垂直方向的建造體系越多越好。

然而，並非所有的建築師、工程師和承包商都知道冷彎成型鋼結構框架的高強度和延展性。有些人可能會將冷彎成型鋼結構視為僅適用於室內牆隔斷，和各種外部建築物飾面的框架支撐的輕型材料。

冷彎成型鋼結構是否適合40層建築的承重支撐？答案是肯定的。冷彎成型鋼結構的重力和側向抗彎性能使其成為中高層建築結構承重材料的絕佳選擇。儘管10層是目前冷彎成型結構C型龍骨和格柵的高度極限，但SFIA Matsen Tower這個項目則證明並不是這樣。

「雖然目前已經提出了幾個非常好的技術評論問題，但我們可以正式確定SFIA Matsen Tower的施工設計，」福特表示。

下面我們就來看看SFIA Matsen Tower的設計情況。

立面圖

設計使用常規的冷彎成型鋼型材和厚度，SFIA Matsen Tower是R3類住宅公寓。立面圖顯示建築兩側的前後牆開口更寬，承重牆開口更窄。

設計嚴格限於冷彎成型鋼龍骨，托梁和其他常用於CFS承重結構的部件。中心間距僅限於行業典型的12「（30.48厘米），16」（40.64厘米）和24「（60.96厘米）。允許雙龍骨結構，但僅適用於系統的重複部件。SFIA Matsen Tower設計用於使用常見的冷彎成型鋼型材（CFS）和厚度，並且不需要開發任何專門的CFS框架產品。

其他基本規則適用於塔樓：10"-0「（3米）層高和25"-6」（7.77米）中心到中心的隔牆間距，可創建大約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構框架創建40層建築的？

建築材料清單包括金屬屋頂使用輕質三元乙丙橡膠，0.6厚的C型結構地板上使用輕質1-1 / 2「石膏混凝土，建築金屬的輕質外牆飾面，EIFS或成品外牆水泥板面板。

以下是一些細節：

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

走廊牆體：這也是承重牆，支持較淺的走廊框架。

外牆：冷彎成型鋼龍骨，GWB和具有剛性絕緣的建築金屬面板，EIFS或水泥面板。除了承載自重和陽台之外，正面牆體和後牆體不承重。

鋁陽台：它們是翼牆支撐的，並安裝在每個單元。但是，它們也可以放置在外牆上的雙層龍骨或角柱中。

視覺區域：在前部和後部提供開口，在端部承重牆上具有較小的開口。開口限於承重牆的寬度為4"-0「（1.22米），典型外牆的寬度為6"-0」（1.83米）。

強度因素：重複C型龍骨

是什麼讓這座40層的塔樓如此堅實？從結構上來說，它具有用於主要重力承載框架的重複C型龍骨和托梁。

冷彎成型鋼結構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澆混凝土剪力核心筒必須是高強度（7,000 psi）的混凝土，厚度範圍從頂層的8英寸（20.32厘米）到底層20英寸（50.8厘米）。

塔樓的設計可承受高達115英里/小時的風速。

「這可以在美國的絕大多數城市建成，」Ford說。 「颶風沿海地區可能有問題。高地震區可能有問題，但我不這麼認為。」

C型龍骨設計用於風荷載和托梁偏心軸向負載的最壞情況。撓度標準考慮了包括牆體構件的L / 360的極限情況和地板構件活載荷的L / 480的情況。

龍骨組件設計考慮了最壞情況，由托梁承受均勻的橫向和偏心活載荷和總載荷

龍骨間距和預製牆體

如果實際修建SFIA Matsen Tower，有兩個要素至關重要：第一個涉及冷彎成型鋼龍骨的間距。負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生在兩個位置。一個是34層24「o.c.到16」o.c.。 另一個是在30層從16「o.c.減少到12」o.c。在第30層。更堅固的管件 - HSS 6「x 3 x 1/4」和HSS 6 x 4 x 5/16「連續，並且獨立——帶有頂板和底板。

塔樓的第二個關鍵要求是預製牆體。在牆體框架被焊接之前，需要真正地將龍骨組裝在底座上，並做好固定。強烈建議焊接連接。

橋接力將積聚在牆體上。但是這些力量將通過交叉和扭轉冷壓成型的鋼結構和角落構件來加以解決。可偶爾使用T型支架，但只有在最高層時才需要。

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

48層冷彎成型結構框架？

總之，SFIA Matsen Tower是一個保守的設計。在計算冷壓成型鋼結構構件的要求時，幾乎沒有減少承載力。例如，風荷載嚴重地影響到每個冷壓成型龍骨的力矩。但是，並沒有計算風力載荷的減少量，這將允許設計更經濟的框架結構。

此外，牆體的活載減少量僅基於來自牆體構件上每個托梁的進入支流荷載面積。由於每個支撐構件計算的支流面積為進入跨度的三分之一，而牆壁作為一個獨立的支承構件——在某些範圍中完全可以接受的方法——SFIA Matsen Tower的高度將變成48層。

建築業主是否會擁抱建造40層的冷彎成型鋼結構建築？也許在未來，如果設計被證明是經濟的。

「我們沒有聲稱這是建造40層高樓的最有效方式，」福特說。

儘管如此，SFIA Matsen Tower展示了冷彎成型鋼結構的實力優勢遠勝於許多建築師，工程師和承包商可能意識到的。

根據福特的說法，「冷彎成型鋼結構的市場前景遠遠超過它現在的市場範圍。」

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