鋼結(jié)構(gòu)具有力學性能好、工業(yè)化程度高、材料環(huán)保等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢在高層建筑、大型空間設(shè)施、商業(yè)設(shè)施、工廠和倉庫、成套設(shè)備結(jié)構(gòu)等建造方面尤為突出。盡管鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)間的差價約為工程總投資的5%~10%，但鋼結(jié)構(gòu)具有更好的綜合經(jīng)濟效益和社會效益。當前，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應用和發(fā)展進入了黃金時期。由于我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)政策的有力推動，建筑市場產(chǎn)業(yè)化改革的現(xiàn)實需要以及解決鋼材產(chǎn)能過剩問題的直接動力，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展空間也越來越廣闊。

本文通過總結(jié)近年來我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，分析鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)勢和特點，以及適合應用鋼結(jié)構(gòu)的建筑領(lǐng)域，并介紹作者在鋼結(jié)構(gòu)推廣與應用方面做出的工作，以期對未來鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供有效的建議。

內(nèi) 容

Contents

1 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 政策支持

近年來，國家和地方政府相繼出臺了關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的相關(guān)政策，包括黨的十九大報告、國務(wù)院關(guān)于裝配式建筑、綠色建筑的頂層設(shè)計文件，以及發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的行業(yè)內(nèi)指導性意見。規(guī)定了必須采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑類別，以及可以進行政策補貼的建筑形式。意在推進裝配式建筑的發(fā)展，實現(xiàn)建筑工業(yè)化生產(chǎn)，促進建筑行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑作為裝配式建筑的重要體系，將迎來新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。

1.2 建筑行業(yè)市場與鋼鐵消費

當前，我國建設(shè)投資比重不斷提高。2016年全國建筑安裝類投資占固定資產(chǎn)總投資的69.8%，是我國社會固定投資的主要部分。

與發(fā)達國家相比，我國的鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的應用比例較低，如圖1所示。民用建筑結(jié)構(gòu)體系中，鋼結(jié)構(gòu)僅占5%，而發(fā)達國家已有20%~35%。此外，鋼結(jié)構(gòu)在學校、醫(yī)院、住宅等建筑中的利用率很低。因此，鋼結(jié)構(gòu)在我國有很大的發(fā)展空間。

我國建筑業(yè)對鋼鐵的需求最大。如圖2所示，2016年全國建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占鋼產(chǎn)量的5.5%，鋼結(jié)構(gòu)制造量逐年遞增，呈指數(shù)增長形式，而鋼材產(chǎn)量增長從2013年開始放緩，這是因為我國鋼材產(chǎn)能過剩所致。因此，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對解決我國鋼鐵產(chǎn)能過剩問題具有重要意義，可以促進鋼鐵生產(chǎn)的發(fā)展，提高國民經(jīng)濟的增長。

 各國家鋼結(jié)構(gòu)占比情況

 我鋼材產(chǎn)量和鋼結(jié)構(gòu)制造量

2  鋼結(jié)構(gòu)特點

2.1  結(jié)構(gòu)性能

鋼材的比強度大于混凝土材料，且鋼結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕30%~50%，有助于降低建筑的建造成本。此外，經(jīng)自重的減少，結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)力在地震中明顯降低。

與其他建筑材料相比，鋼材具有更好的塑性和韌性，不會因為結(jié)構(gòu)的過載而突然斷裂，而且對動態(tài)載荷的調(diào)節(jié)能力也很強。鋼材良好的耗能能力和延性，使鋼結(jié)構(gòu)在抗震和抗風條件下表現(xiàn)良好。在大變形時，結(jié)構(gòu)不易倒塌，提高了安全性。鋼結(jié)構(gòu)適合用于受大振動和沖擊載荷的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，可作防災和儲備基地。此外，鋼管混凝土柱和抗震鋼的使用可以減少建筑物的晃動，提高建筑物的舒適度。

火災是鋼結(jié)構(gòu)的主要威脅。對此，鋼結(jié)構(gòu)必須采取防火措施。其中鋼構(gòu)件可以采用外包裹混凝土(或砌體磚法)、刷防火涂料、附防火覆板等方法進行防火。具備耐火或防火能力的鋼結(jié)構(gòu)可視為耐火建筑。

2.2  建筑需求

鋼結(jié)構(gòu)承載能力高，可增加建筑空間的有效利用，打造隨意空間，還可以在結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用靈活隔斷，可以實現(xiàn)房間的自由布局。如圖3a所示，在相同的跨度下，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面可以縮小。如圖3b所示，在構(gòu)件截面相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的跨度比混凝土結(jié)構(gòu)大。

由于鋼材良好的加工性能，可以實現(xiàn)富有魅力的建筑設(shè)計?？沙浞掷貌牧系母邚姸?，實現(xiàn)對細長構(gòu)件的自由加工和曲線的自由伸展。此外，隨著外部裝飾行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，鋼材可以與木材、玻璃、金屬、石材等其他材料相結(jié)合，在建筑的室內(nèi)外裝飾設(shè)計上進行創(chuàng)新。

 鋼結(jié)構(gòu)與RC結(jié)構(gòu)的對比

2.3  生產(chǎn)施工

鋼結(jié)構(gòu)作為一種高度工業(yè)化的工程結(jié)構(gòu)，工業(yè)化不僅反映在結(jié)構(gòu)本身，而且涵蓋了一套完整的墻體，屋架，裝飾，廚電、水和天然氣等集成設(shè)施。可集樓宇自動控制、雨水收集、太陽能、地熱能和智能技術(shù)于一體。鋼結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)設(shè)計的標準化、構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化、現(xiàn)場施工的裝配化、完整建筑產(chǎn)品供應的社會化。鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展是實現(xiàn)建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)化的良好途徑。

2.4  綠色環(huán)保

鋼結(jié)構(gòu)作為一種綠色環(huán)保材料，具有以下優(yōu)點：1)可以分解、重組、再利用，節(jié)約自然資源；2)提高耐久性，減輕環(huán)境負擔；3)不含建筑垃圾，可循環(huán)利用，使用可持續(xù)的材料。鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展符合綠色發(fā)展理念。

3 鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的優(yōu)勢

應用領(lǐng)域廣泛  如圖4所示，高層建筑、大空間設(shè)施、商業(yè)設(shè)施、工廠與倉庫、成套設(shè)備結(jié)構(gòu)物等建筑領(lǐng)域適用于發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。實現(xiàn)了大空間、自由布局的要求，且良好的抗震和抗風性能提高了建筑安全性和舒適性。

經(jīng)濟效益好  通過對兩個住宅項目不同結(jié)構(gòu)體系的比較，反映了鋼結(jié)構(gòu)建筑在成本控制方面的成果和鋼結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)勢，如表1所示。總體而言，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)造價相對較高，二者間的總的差價約為工程總投資的 5%～10%，但鋼結(jié)構(gòu)施工周期更短，能夠較大地節(jié)約財務(wù)資本。因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有更好的綜合經(jīng)濟效益和社會效益。

鋼結(jié)構(gòu)建筑類型

表1 8度區(qū)兩個工程項目造價對比

4 鋼結(jié)構(gòu)推廣

作者及其團隊所在的中國建筑標準設(shè)計研究院在鋼結(jié)構(gòu)推廣方面開展了廣泛的工作，包括鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)標準的編制與修訂、鋼結(jié)構(gòu)體系的研究與開發(fā)、代表性工程設(shè)計與咨詢等。

4.1 標準的編制與修訂

標準的編制和修訂是鋼結(jié)構(gòu)推廣過程中的一個重要環(huán)節(jié)。作者主持或修訂的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標準》《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計、抗震設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等要求進行了系統(tǒng)規(guī)定，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了標準化指導。

4.2 施工實例

以國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)和大連鞍山鋼鐵金融中心高層鋼結(jié)構(gòu)為例，介紹了作者在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計咨詢方面的工作。

國家體育場  總建筑面積25.8萬平方米，建筑高度68.5米。大跨度屋頂由24根桁架柱支撐。主體結(jié)構(gòu)與箱梁交錯，與屋頂、立面形成“鳥巢”的特殊建筑形態(tài)。國家體育場跨度大，外形獨特，構(gòu)件尺寸大，空間扭轉(zhuǎn)構(gòu)件數(shù)量多。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了許多新材料、新技術(shù)和新工藝，設(shè)計和研究成果達到了國際先進水平。

國家體育場的鋼材完全是國產(chǎn)的。主體結(jié)構(gòu)的厚鋼板以Q345GJ鋼為主。與Q345鋼相比，Q345GJ鋼的磷、硫含量明顯降低，可滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對鋼的屈服比、伸長率和冷彎性能的要求，具有良好的力學性能和焊接性能。此外，在桁架柱上應力最大的位置使用高強度Q460鋼，最大厚度達到110mm[16]。這是目前國內(nèi)建筑工程中使用的強度等級最高的鋼板，其性能要求遠遠高于目前國內(nèi)外的技術(shù)標準。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究成果：豐富了現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,包括風振系數(shù)和方管桁架組件，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計，畸變構(gòu)件設(shè)計，箱形截面桁架節(jié)點設(shè)計、特殊立柱基礎(chǔ)設(shè)計，大跨度溫度場計算，火災風險分析和施工過程仿真分析，以及結(jié)構(gòu)地震分析計算方法[17]。

開發(fā)了基于ANSYS的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計功能模塊。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)的特點，將大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范引入ANSYS軟件，實現(xiàn)了大跨結(jié)構(gòu)計算分析與設(shè)計技術(shù)的集成，填補了國內(nèi)空白。編制了將地震波轉(zhuǎn)換成反應譜和合成地震波的程序，實現(xiàn)了大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震設(shè)計的振型分解反應譜分析和彈塑性時程分析。

大連鞍山鋼鐵金融中心  由一座51層超高層塔樓和一座5層裙樓組成?？偨ㄖ娣e13.3萬平方米。該塔是由鋼筋混凝土核心筒和外部支撐框架組成的框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)。大型支撐框架由矩形鋼管混凝土柱框架和鋼支撐組成。核心筒各墻肢厚度由一層的900/600/300mm逐漸減少到頂層的500/300/250mm，混凝土強度等級由C60降低到C40。外框37層以下為矩形鋼管混凝土柱，上部為矩形鋼管柱。此項目建筑高度超過了設(shè)計規(guī)范限制，通過對外部框架和重要的墻肢進行調(diào)整，加強薄弱部位，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠[19]。

結(jié)束語

Summary

政策扶持、產(chǎn)業(yè)化需求，以及鋼材產(chǎn)量的增加極大地推動了鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、滿足建筑需求、工業(yè)化程度高、材料綠色環(huán)保等一系列優(yōu)點，應當重點在能夠發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的領(lǐng)域應用鋼結(jié)構(gòu)建筑；鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有更好的綜合經(jīng)濟效益和社會效益；鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)標準的編制和修訂對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了標準化指導，為鋼結(jié)構(gòu)的推廣做出了重要的貢獻。

全文獲取鏈接

1.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG   

2.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/Detail?pykm=GJIG&dbcode=STMJ   

3.http://gjg.ic-mag.com/CN/abstract/abstract19643.shtml    

中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司副院長、總工程師，教授級高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，享受政府特殊津貼專家，西安建筑科技大學碩士生導師，全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會委員，中國建筑學會資深會員，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會副會長，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分會副理事長，中國建筑學會建筑結(jié)構(gòu)分會理事等。

主持設(shè)計的“數(shù)字北京大廈”獲2008年度全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計銀質(zhì)獎。擔任國內(nèi)外多個重大工程項目的結(jié)構(gòu)負責人，如國家體育場（鳥巢）、中關(guān)村金融中心、天津新華世紀金融中心、鞍山市體育中心、阿爾及利亞奧蘭體育場等。

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