住宅产业化史话：四、美国的住宅产业化（6）
（四）美国的冷轧轻钢住宅
1、冷轧轻钢建筑历史
早在1928年，在纽约就已经建造了冷轧轻钢构件住宅。在第二次世界大战之后，凭借战争成果，有了丰富的钢材，很多钢材公司都指望把住宅建筑当作利用制造能力获利的手段。
在1930年的时候，有很多公司都开发出了新的焊接技术，首先开始的就是建造钢材骨架住宅，努力为这些新技术创造巨大的新市场。
1932年芝加哥世界展览会就已经展示了钢材骨架住宅。
在1940年末，1950年初，许多公司就开始用冷轧轻钢构件建造住宅。这些公司中做著名的就是Lustron住宅公司了。他们在靠近美国钢材生产中心的俄亥俄州和宾夕法尼亚州建造了100套，或许是1000套住宅。
1946年，康奈尔大学的乔治·温特尔博士首次为冷轧轻钢构件制定了规范。
二战后，镀锌钢板问世。
Lustron住宅公司和其它的公司发现无法和低成本的木材竞争。他们也遇到了热力和生锈问题。从当时的（技术和成本）情况来看，这些住宅可能都没有使用镀锌材料。
到了1950年后期，冷轧轻钢构件在美国高层建筑里变得很普通。早在1970年，期待优质住宅的高端住宅买家就已经开始在他们的建筑中使用冷轧轻钢构件替代木材。
在1980年，冷轧轻钢构件定制住宅市场开始兴旺起来，并且许多公司都活跃起来，例如亚特兰大的Advanced Framing公司、德克萨斯州的Tri-Steel公司和洛杉矶的California Homes都开始供货（图4-20）。
图4-20
在1980年后期，由于伐木工业首先结束了采伐原始森林，建造商开始全面经历木材产品的质量下降。木材产业开始用工程木材产品应对昂贵的实心的锯木木材。
生产建造商开始寻找可以替代的产品。在1991年末和1992初，在4个月里木材的价格增加了80%，并且许多的建造商立即开始使用冷轧轻钢构件，迫使转包商在全然不了解冷轧轻钢构件之前就开始使用冷轧轻钢构件。
这个突然的变化对于冷轧轻钢构件既有好的一面，也有坏的一面。好消息是许多人开始认识冷轧轻钢构件，坏消息是许多分包商还没有摆脱过去失败的阴影，还未准备好购买并与冷轧轻钢构件打交道。
即使你可能听到过和冷轧轻钢构件打交道是多么困难的故事，但好的消息也不绝于耳，在1990年初，钢材、工具和紧固件制造商就开始关注冷轧轻钢构件了。在过去的十多年里，由于产业自身的发展，和冷轧轻钢构件打交道已经变得200%容易。
退回到1994年，当木材销售价格是178美元/m3时，用冷轧钢材生产骨架项目就可以和木材竞争了。今天当木材销售价格是148美元/m3时，就必须要激烈竞争了。
在1992年初，木材销售价格是212美元/m3。今天的木材销售价格大概是121美元/m3。带有许多重复设计的汽车旅馆和疗养院可以和木材竞争，如今采用轻规格钢材刚好和低成本木材处于平手。
冷轧轻钢构件从来就没有过像20世纪90年代那样的大范围的用在住宅建筑上。在20世纪90年代初期，美国大约有55000套住宅是采用冷轧轻钢构件建造的。
1996年，由美国钢铁协会（AISI）开发，由美国钢铁协会住宅咨询组的说明性方法小组委员会领导。由美国钢铁协会（AISI）、美国住宅和城市发展部（HUD）和美国全国住宅建造商协会（NAHB）提供资助，由美国全国住宅建造商协会研究中心（NAHBRC）执行，历时4年，完成了《住宅冷轧钢骨架说明性方法96版》。这项研究和开发程序得到了指导、咨询和工程委员会的帮助和指导。这些委员会分别代表钢材制造商、钢材生产商、规范官员、学术团体、研究人员、专业工程师和有冷轧轻钢构件经验的建造商的利益。
紧接着于1997年又推出了《住宅冷轧钢骨架说明性方法97版》。
在1998年，美国钢铁协会（AISI）的成员公司成立了住宅钢材合作企业（RSP）。这个组织的使命是创造一个能够和鼓励在住宅建筑里应用、节约和普遍使用钢材的环境。住宅钢材合作企业（RSP）的活动将包括创造标准、培训骨架施工人员和其它的商业伙伴、定义有效的分销渠道和在新住宅买家市场里促进消费钢材骨架。
2000年，在早先的二个版本（即96版和97版）基础上，根据《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986），由Nader R. Elhajj专业工程师和Kevin Bielat为北美钢材骨架联盟（NASFA）开发出了《住宅冷轧钢材骨架说明性方法2000版》。
到2000年左右，美国就激增到325000套镀锌钢材新住宅。
2001年，根据美国钢铁协会《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999），编著推出了《住宅冷轧钢骨架说明性方法2001版》。
2004年，又根据美国钢铁协会《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999），编著推出了2001年颁布，2004年勘误的《冷轧钢骨架标准——一和二个家庭住所说明性方法》。
当前是什么力量在驱使着住宅建筑里大量使用钢材骨架？大部分都归结于木材市场上的二个变化对它的它的影响。首先，木材价格正在上升，并且非常的不稳定。第二，木材质量下降，因为木材公司只有较小的树木可砍伐（大部分老树都已经砍伐光，并且在公众土地上的树木受到了保护）。
钢材作为建筑材料，提供了极其稳定的价格，也提供了出众的性能特性。钢材的尺寸稳定，质量始终如一。钢材不会腐烂、翘曲、劈开、破裂或蠕动。白蚁不会吃它，并且不会燃烧。所有这些优点，加上木材的难题长期存在，所以世界各国的钢材产业和建筑产业都在加紧参与这个新市场。澳大利亚、新西兰、美国、加拿大、日本和欧洲，都在加紧推广冷轧钢材骨架住宅。最近几年来，冷轧钢材骨架住宅的新技术、新材料、新工艺和新体系正在不断的推陈出新，日新月异，让人有点目不暇接。
关于冷轧钢材骨架技术的详细资料，笔者有一系列的书籍介绍，这里就不在详细叙述了。
2、冷轧轻钢构件标准（ASD & LRFD）
1939年，由美国钢铁学会（AISI）出资，由康耐尔大学（Cornell University）的乔治·温特（George Winter）教授负责对薄壁冷轧钢材构件进行实验和设计理论研究。
1946年，第一本薄壁冷轧钢材构件的容许应力设计（ASD）规范问世。
1986年，美国钢铁学会（AISI）首次采用屈曲强度理论和允许应力设计（ASD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1986）。笔者据此编写了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算I》（ASD）。笔者在编写本书时，是采用Excel电子数据表进行计算的，即便这样，计算过程也是冗长和痛苦的。
1996年，美国钢铁学会（AISI）首次采用荷载和抵抗系数设计（LRFD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1996）。笔者据此编写了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II》（LRFD）（未出版）。笔者在编写本书时，除了采用Excel电子数据表进行计算外，还采用了AISIWIN7.0程序进行验算。
3、直接强度法（DSM）
2004年，美国钢铁学会（AISI）首次采用直接强度方法（DSM）编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 2004）。笔者据此编写了本书《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算III》（DSM）。笔者在采用直接强度法编写本书时，使用的是有限条（有限元的一个变种）软件——CUFSM2.6b版，感觉真是幸福，太简单和容易了！CUFSM软件的版本升级速度太快了，笔者2006年初写这本书时，它是CUFSM2.5版，年中为CUFSM2.6b版，到2006年末，书稿快完成时的版本已经升到CUFSM3.11
在《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算I》（ASD）这本书出版之中和出版之后，从编辑到读者都向我提出了无数的疑问——这是吗玩意儿（即有效宽度迭代计算方法，以及很多屈曲强度和冷轧硬化强度运算符号），咱怎么从来都没有见过？看过这二本书的读者恐怕都深有体会，不要说自己去计算，就是能够从头到尾看下来，也是一件非常痛苦之事。
当今的科学技术真是飞速发展（绝不仅仅是IT行业），很多中国结构工程师还没有开始尝试采用迭代法计算薄壁冷轧钢材构件的有效宽度，它就成了过眼烟云，马上就要转向直接强度方法了，读者们在本书中又要遇到很多以前在传统材料力学和结构力学中所没有遇见过的新概念和新名词了。
即便是在美国，对于日常事务来说，许多结构工程师长期以来一直嘲笑冷轧钢材设计太复杂、迟钝、冗长乏味或深奥。不足为奇，冷轧钢材截面需要许多额外的计算，特别是和它们的双对称、紧凑、热轧钢材兄弟相比较时。然而，当问题为不对称截面时，就可以非常有效的利用薄壁冷轧钢材构件的局部屈曲效应，并且很值得结构工程师们去关注，以便节省钢材。
美国钢铁学会（AISI）冷轧钢材结构构件规范的使用者深刻的感觉到当前设计计算的复杂棘手：通过坚持翻来覆去的迭代计算有效宽度方法，无止境的弹性屈曲计算，所有这一切只是为了得到简单的横截面特性。
现在好了，有了一种新的设计方法：已经利用有限条方法，开发出直接强度方法，打算减轻当前计算的复杂性，使其容易计算，提供非常实用和灵活的设计程序，并且使其与有用的，公认的数字方法结合。
结构工程师们终于逃过了多次迭代法计算有效宽度这一劫，现在可以幸福的直接迈入直接强度方法了。
直接强度方法的使用需要，⑴确定构件的弹性屈曲行为，⑵利用一系列的最终强度曲线资料预测强度。这个方法的完成规范已经开发出来，并且在美国钢铁学会（AISI）规范委员会上讨论通过。在www.ce.jhu.edu/bschafer/direct_strength上可以找到全部详细资料。对于步骤⑴，已经做了充分的探究和概述，传统的手工解和数字解这二种示性分析方法，都可以用来准确计算弹性屈曲行为。部分利用AISI基金开发的免费可用程序：
CUFSM（www.ce.jhu.edu/bschafer/cufsm），包括指南和范例都是可以用来帮助弹性屈曲计算。对于步骤⑵的强度预测，考虑了冷轧钢材梁和柱子的局部、扭曲和整体屈曲最终强度曲线，连同在ASD或LRFD格式里所用的适当的安全和抵抗系数一起都已经开发出来。
还要按照当前的规范同样的数据和喜好去校核直接强度方法，并且因此不会降低它在应用方面与生俱来的可靠性。程序采用和有效宽度方法同样的基本经验假设：最终强度是弹性屈曲应力（或荷载）或材料的屈服应力（或荷载）的函数。针对梁和柱子的方法已经广泛的探究，而且已经开发出针对它的应用范围的规范术语。
直接强度方法设计的关键优势包括：
日常设计改进：