談我國現代鋼結構建筑的發展★

馬福全 常源朝 高建新 孫 皓

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

談我國現代鋼結構建筑的發展★

馬福全 常源朝 高建新 孫 皓

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了鋼結構建筑的概念及常見的建筑類型，從材料、施工工期、質量、后期改造等方面，闡述了鋼結構建筑優良的工程與經濟特性，并針對制約鋼結構建筑發展的因素，提出了幾點解決對策，有利于促進鋼結構建筑的推廣應用。

鋼結構，建筑類型，鋼材

0 引言

2008年5月12日是一個讓全體中國人民痛心的日子，下午14時28分里氏級別高達8.0級的地震發生在我國四川汶川縣，一時間山崩地裂，無數的房屋倒塌，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，成為我國在唐山大地震后傷亡最嚴重的一次自然災害。回顧歷史我們可以發現，盡管絕大多數鋼筋混凝土建筑在地震中被摧毀，但部分鋼結構建筑卻始終屹立不倒，例如四川綿陽的九州體育館、南河體育中心等不但沒有受到明顯破壞，還成為安置災民的臨時避難所。我國作為一個多地震的國家，其地震級數、破壞程度給我國國民帶來了巨大災難，要想解決這一難題，一方面是大力發展地震預測技術，健全災害防治機制；另一方面必須積極探索我國建筑行業發展的新途徑，大力推進鋼結構建筑形式勢在必行。

1 鋼結構建筑的概念及常見的鋼結構建筑類型

1.1 鋼結構建筑的概念

所謂鋼結構建筑是相對于傳統的鋼筋混凝土建筑結構來說的。傳統的鋼筋混凝土建筑利用鋼筋和混凝土之間良好的粘結性和相近的溫度變形性能使二者緊密的結合為一體，二者互有補充相輔相成構筑建筑物的承重基礎[1]。而鋼結構建筑則是以鋼材作為建筑施工和后期承重的主要材料并結合必要的施工技術而呈現出的用于擔負預定任務、支撐荷載的新型建筑物形式。

1.2 常見的鋼結構建筑類型

近年來，隨著鋼結構的應用范圍不斷擴大，工程上為了有效發揮鋼材的優良特性所采用的結構形式也不相同。目前，鋼結構建筑形式多種多樣，按照鋼結構的類型和用途可以分為五大類，即輕型鋼結構、高層鋼結構、住宅鋼結構、空間鋼結構和橋梁鋼結構，各結構具體特點及主要應用方向如表1所示。

2 鋼結構建筑優良的工程和經濟特性

最近幾年，由于國家大力推進城鎮化進程，高層建筑日益增多，城市建設日新月異，我國鋼結構建筑得到了巨大發展，對于鋼結構的研究和開發也越來越深入。鋼結構建筑相比于傳統的鋼筋混凝土結構優勢突出、特征明顯，具體優勢列舉如下：

1)材料方面。

傳統鋼筋混凝土結構使用的基礎建材如水泥不僅是資源能源消耗大戶，而且對環境也造成了嚴重污染，據統計，傳統建材工業每年要消耗各種不可再生礦產資源70多億噸，每年排放的各類固體廢棄物占到全國工業部門總量的80%，給周邊環境帶來了巨大破壞。相比較而言，鋼結構的主要原料為鋼材，鋼材和其他材料相比優勢明顯。首先，由于鋼的主要組成物質是鐵、合金和少量的碳，組織內部質地均勻，接近各向同性，實際工作性能與計算假定吻合度高，在承擔后期荷載方面可靠度優勢明顯；其次，鋼材的強度較高，塑性和韌性較好。較高的強度使得鋼結構建筑的工程適應性提高，在建筑跨度和承載方面可以更好地適應工程要求；良好的塑性和韌性則使結構能通過自身的變形更好的適應沖擊荷載，避免了結構在動荷載條件下的失穩現象。

表1 常見的鋼結構類型表

2)施工工期和施工質量方面。

傳統鋼筋混凝土建筑由于受施工工藝和施工材料的限制，施工工期較長，施工工序步驟繁雜，現場作業的施工精度不高。而鋼結構建筑的主要承重構件能實現批量化生產，且工序的連貫程度較高，從工廠到工地工人們要做的只是按施工圖進行拼裝和錨固，大大簡化了施工工序，提高施工速度的同時也保證了工程質量。施工工期的縮短減少了作業人員的工資支出和銀行貸款時間，也為建筑物盡快投入使用收回建造成本創造了有利條件。

3)后期改造方面。

傳統鋼筋混凝土結構由于結構形式笨重，后期拆遷重建困難較大，而且經常產生大量的建筑垃圾，回收難度大，綜合利用率較低。但鋼材屬于綠色材料，可以達到100%的回收率，當既有的鋼結構建筑不符合社會經濟發展要求時，整個結構可以在短時間內拆遷和搬移，并且大部分結構構件可以重復利用，節約了后期造價成本的同時對周圍環境也不會產生較大的影響。

3 我國鋼結構建筑的發展狀況及對策分析

3.1 我國鋼結構建筑的發展狀況

我國首次把熟鐵應用于工程建筑中最早可以追溯到公元60年的兩漢時期，最著名的就是大渡河瀘定橋，充分顯示出了我國古代高超的金屬結構技術。近代以來，由于清政府盲目自大、閉關鎖國切斷了和外界的交流導致鋼產量持續下跌，鋼材在建筑業的應用發展緩慢。新中國成立之初，千瘡百孔、百廢待興，受制于我國當時一窮二白的發展現狀，鋼結構建筑在挫折中緩慢前行。20世紀70年代末期，我國大力推行改革開放政策，我國的一些沿海地區率先從國外引進了輕鋼技術，一大批鋼結構廠房和多棟高層鋼結構建筑的建成迎來了我國鋼結構發展的第一次高潮。此后，鋼結構建筑在我國快速發展，在過去的30年里取得了令人欣喜的成績：

1)高層和超高層鋼結構建筑發展方面。

改革開放初期，由于我國高層鋼結構設計和施工技術發展不健全，建筑模式基本上都是國外設計和施工承建，比較著名的如上海金茂大廈、深圳地王大廈等。20世紀末期，隨著我國技術規范的完善和經驗的積累，我國逐漸開始探索自主設計和施工的新模式，1998年大連遠洋大廈的竣工標志著我國高層鋼結構建筑邁向國產化進程。

2)輕鋼結構建筑發展方面。

20世紀90年代以來大批國外公司涌入中國市場，輕鋼結構以其施工方便、綜合造價低等諸多優點在國內迅猛發展，國家也在全國很多地區建立了輕鋼結構住宅試點工程，目前我國建設部已將輕鋼結構住宅列為重點推廣項目，全國每年約有300萬m2輕鋼建筑竣工[4]，其中比較有代表性的如黑龍江省2002年竣工的號稱鋼鐵巨人的龍塔就采用了這種輕鋼結構。

3)空間鋼結構建筑發展方面。

由于空間鋼結構建筑具有獨特的現代建筑美感，在國內大型體育館、展覽中心應用廣泛，如國家大劇院、國家體育館鳥巢等，其中國家體育館鳥巢在2014年入選“中國當代十大建筑”，它在建造過程中采用大量焊接箱形構件，構件尺寸巨大而且內部存在大量空間扭曲構件，建造難度前所未有，充分體現了我國空間鋼結構建筑的建造水平。

4)橋梁鋼結構建筑方面。

雖然我國鋼橋工作起步較晚，但經過幾十年的發展和積累鋼結構橋梁技術已日趨成熟，在很多領域處于世界領先地位。2003年竣工的上海盧浦大橋，全橋主跨達550 m，是世界上首座采用箱形拱結構的特大型拱橋；2008年1月份，重慶朝天門大橋主拱成功合龍，跨度超越盧浦大橋2 m，再一次刷新了大跨度橋梁的世界紀錄，而且值得一提的是，在汶川地震發生后經過有關單位的檢測大橋完好無損，并未受到大地震的影響。

3.2 對我國鋼結構發展的建議

目前我國鋼結構用鋼的比例不到6%，在關鍵的住宅和橋梁結構中，鋼結構建筑所占比例更是不到1%，遠不及發達國家20%～30%之間的發展水平。為了促進我國鋼結構建筑的發展，現將有關建議列舉如下：

1)制定有利于鋼結構產業的發展政策，在政策和經濟上給予支持。

目前，鋼結構施工資質的企業約有3 000家，而且企業規模普遍偏小，行業競爭十分激烈。這種競爭不僅局限于鋼結構企業之間的業務爭斗，更重要的是還要抵抗本就實力強大的傳統鋼筋混凝土結構行業。而且由于傳統觀念的影響，人們對鋼結構還處于認知階段，對鋼結構的特性還存在著種種擔憂，大大阻撓了鋼結構的發展。所以國家要想推進鋼結構建筑發展改變我國傳統建造行業格局就必須進行宏觀調控，促進鋼結構產業發展壯大。

2)促進鋼結構企業與高中專院校之間的交流，大力培養相關專業技術人才。

國內鋼結構的快速發展對鋼結構專業人才的專業素養有了更高要求，相關企業應加強與高中專院校的合作，培養大量鋼結構設計、施工專業人才，走產學研合作道路，形成鋼結構理論、技術研發和成果轉化的良性循環道路。

3)加強對鋼鐵行業的管理，提高國產鋼材的競爭力。

最近幾年，我國鋼鐵行業產能過剩，鋼鐵企業規模參差不齊，產品中粗鋼所占的比重過高，一些高質量的鋼材又不能實現國產。所以，相關部門必須強化市場監管體系，對于規模小、耗能高、污染大的企業予以整治和關停，培育產業集群，支持龍頭企業做大做強。

4)重視研究鋼結構建筑本身的局限性，力爭有所突破。

近年來鋼結構建筑方興未艾，但不可否定的是鋼材本身也存在屬性上的不足。一方面，鋼在冶煉和澆筑的過程中存在冶煉缺陷，如化學成分在鋼材內部分布不均勻而產生的偏析現象往往會造成磷、硫等有害元素富集在鋼材某一區域，嚴重影響了鋼材的工程特性。另一方面，鋼材對不利環境的抵抗能力較差，如果后期防護不到位就極易被腐蝕，且往往后期的防護費用會大大增加鋼結構建筑的總造價；同時鋼材雖然有一定的耐熱能力，但對火災產生的高溫抵抗性能較差，如911事件中紐約世貿大樓的倒塌。

4 結語

鋼結構建筑經濟耐久、施工快速、自重較輕、堅固耐用且回收利用率高，具備傳統鋼筋混凝土建筑無法比擬的工程和經濟優勢，發展鋼結構建筑符合我國建筑產業化的目標，符合國家的經濟政策趨向，更加體現了可持續發展的目標。隨著我國對經濟發展過程中產業結構的調整和相關技術應用方面日趨成熟，鋼結構建筑正在迎來發展的春天。可以推測，21世紀鋼結構發展不可限量，終有一天鋼結構建筑將替代傳統鋼筋混凝土結構成為建筑首選的結構類型。

[1] 賈艷敏，高 力.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 白尚平.國內外綠色建材發展綜述[J].科技情報開發與經濟,2007(35):156-158.

[3] 馬 健.淺析鋼結構建筑在我國的發展前景及關鍵問題[J].工程經濟,2015(1):60-64.

[4] 雷宏剛.21世紀建筑鋼結構的應用及展望[J].山西建筑,2002，28(2):4-6.

[5] 梁新文.淺析橋梁鋼結構的發展現狀與前景[A].2013中國鋼結構行業大會論文集[C].中國鋼結構協會(China Steel Construction Society),國家鋼結構工程技術研究中心(National Engineering Research Center for Steel Construction),2013.

On the development of modern steel structure building in China★

Ma Fuquan Chang Yuanchao Gao Jianxin Sun Hao

(School of Civil Engi., Northeast Forestry Univ., Harbin 150040, China)

The paper introduces the concept of the steel structure buildings and common architectural types, from the material, construction period, quality, late reformation and so on, illustrates the engineering and economic features of the steel structure buildings, and points out some solutions according to the factors restraining the steel structure development, so as to enhance the application of the steel structure buildings.

steel structure, architectural type, steel material

1009-6825(2016)12-0007-03

2016-02-19

馬福全(1994- )，男，在讀本科生； 常源朝(1993- )，男，在讀本科生； 高建新(1994- )，男，在讀本科生； 孫 皓(1994- )，男，在讀本科生

TU391

A

★:中央高校基本科研業務費專項資金項目(項目編號：2572014CB21)；大學生創新訓練計劃項目(項目編號：201510225171)