鋼結構建筑的應用與發展

倪澤陽　苗秀梅　趙海峰

摘 要：隨著我國建筑業和鋼材的發展，鋼結構建筑日益增多。鋼結構體系因其本身所具有的自重輕、強度高、施工快等優點，與鋼筋混凝土結構相比，更具有在”高、大、輕”三個方面發展的獨特優勢。因此在高層建筑、大型工廠、大跨度空間結構、交通能源工程、住宅建筑中更能發揮鋼結構的自身優勢。隨著國家經濟的快速發展，“節能環保”不斷出現在各大會議中，被譽為“綠色建筑”的鋼結構建筑的快速發展，鋼結構的應用與良好發展已成國際上的大勢所趨。

關鍵詞：鋼結構；性能；應用；展望

1 鋼結構的特點

鋼結構與其他建筑結構入混凝土結構、磚石結構和木結構相比，具有三個顯著特點：一是力學性能；二是物理性能，鋼材是一種低碳建筑材料，可以循環利用；三是化學性能。具體如下：（1）材料強度高，塑性和韌性好。鋼材和其他建筑材料相比，強度要高很多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構件和結構。鋼結構還具有塑性和韌性好的特點。塑性好，結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂；韌性好，結構對動力荷載的適應性強。良好的吸能性能和延性還使鋼結構具有優越的抗震性能。（2）材質均勻，和力學計算的假定比較符合。鋼材內部組織比較接近于勻質和各向同性體，而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以嚴格控制，材質博動的范圍小。（3）鋼結構制造簡便，施工周期短。鋼結構所有的材料單純而且成材，加工比較簡便，并能使用機械操作。構件在工地拼裝，可以采用安裝簡便的普通螺栓或者高強螺栓，有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的但愿再行吊裝，以縮短施工周期。（4）鋼結構質量較輕，鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料的密度大，但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕，原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣的荷載，鋼屋架的質量最多不過鋼筋混凝土屋架的1/4-1/3，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10，為吊裝提供了方便。對于需要遠距離運輸的結構，質量輕也是一個重要的有利條件。同時，屋蓋結構質量輕，對抵抗地震作用也十分有利。（5）鋼結構腐蝕性差，耐熱但不耐火，必須對結構注意防護。尤其是暴露在大氣中的結構，如橋梁等更加應該注意。但近幾年出現的耐候鋼具有較好的抗銹蝕性能，已經逐步推廣應用。另外，鋼材長期經受100℃，幾乎沒有多大變化，具有一定的耐熱性能；但是鋼材不耐火，重要結構必須注意采取防火措施。例如利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。

2 鋼結構的應用

鋼結構的合理應用范圍不僅取決于鋼材本身的特點，還受影響于國民經濟的發展情況。由于鋼材短缺，從建國到90年代，鋼結構只用于鋼筋混凝土不能代替的地方。直到1996年鋼產量達到一億噸，局面猜得到改變，鋼結構的技術政策改成“合理使用鋼材”。而國外鋼結構應用遠遠走在了我們前面，美國鋼結構建筑主要市場分布：工業、商業、社區等等各個方面。所以，鋼結構在土建工程中的應用日益擴展。

2.1 高層、超高層建筑由中外合作到國產化的起步。隨著國人生活水平、文化水平的不斷提高，對于高層、大跨度建筑的需求也越來越高，而鋼結構自身的特點，所以，對于高層、大跨度、超高層來講，鋼結構是非常理想的結構類型。我國有名的高層、超高層建筑大多是中外合作的產物，如上海金茂大廈、環球金融中心、深圳地王大廈、北京京廣中心，北京鳥巢等。中外合作設計鋼結構建筑對于掌握國外先進技術及鍛煉培養人才起到了促進和推動作用。

2.2 輕鋼結構。事實上，輕鋼結構建筑在一些發達國家已被廣泛應用，例如工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等等。輕鋼結構是一種年輕而極具生命力的鋼結構體系，已廣泛應用于一般工農業、商業、服務性建筑，如辦公樓、別墅、倉庫、體育場館、娛樂、旅游建筑和低、多層住宅建筑等領域，還可用于舊房增層、改造、加固和建材缺乏地區、運輸不便地區、工期緊、活動式可拆遷建筑等，倍受業主青睞。這種結構的房屋具有自重輕，建設周期短，適應性強，外表美觀，造價低，易維護等特點。國外輕鋼結構廠商都已經慢慢進入中國市場，我過也應該借助機遇，趨利避害，積極發展我國自己的輕鋼結構體系，以適應今后我國建筑鋼結構不斷發展的要求。

2.3 大跨度鋼結構。大跨度鋼結構大多應用于多功能場館，會議展覽中心，飛機庫，候機廳等。世界上最大的室內體育館，美國亞特蘭大體育館，采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索、桿、膜等組成，是當今最有發展前途的一種新型空間結構。事實上，從力學上講，跨度再大的結構都是有可能實現的，為此，英國、美國等學者和研究單位都在進行相關研究。近幾年，波浪形曲面開始流行，樹樁支撐以及直接交匯相關節點，看起來十分優美壯觀。深圳機場、北京首都機場、上海浦東國際機場都是典型的例子。

2.4 其他鋼結構建筑類型。如，重型廠房結構、空間結構、可拆卸結構等到其他結構。即使在地基條件差的環境下，鋼結構也因其良好的韌性和強度以及質輕的有點，能夠很好的適應；在底價較高的地區，鋼結構則以其占用土地面積小而突顯出它的優越性。工期短，投資及早得到匯報，是有利于選用鋼結構的又一項重要因素。因此，鋼結構因其諸多有點而廣泛應用于其他非住宅類型建筑。

3 鋼結構建筑的前景展望

縱觀發達國家鋼結構建筑的發展軌跡，結合我國的實際情況，不難看出我國鋼結構發展前景光明，同時也會存在許多不同于發達國家的特點。結合鋼結構的特點以及優勢，我過鋼結構建筑存在著巨大的市場潛力和發展前景。（1）我國能源建設不斷加快，火力電廠的主廠房和鍋爐鋼架用鋼量不斷增加。鋼產量自96年以來，產量超過一億噸，位居世界首位。鋼鐵和其他材料工業的發展，為鋼結構行業提供品質優良、規格齊全的材料和條件。（2）交通工程中的地鐵、輕軌和橋梁工程日益增加，隨著城市經濟的發展，地鐵出行成為一種快速、便捷的新方式。鋼結構以其自身特點，近幾年來在地鐵、橋梁建設中發揮這越來越重要的作用，我國部分地鐵、橋梁等普遍采用鋼結構形式，如滬高速、跨海、跨江大橋等等。隨著經濟的發展，鋼結構在交通工程中會有更多更好的應用。（3）鋼結構住宅將增加，國家提倡建設節能省地住宅，有關鋼結構住宅的設計規范及配套技術，材料基本具備。目前我國鋼結構住宅占比較少，發達國家卻達到占總量的40—50%以上，如我國每年竣工6億平方米的城鎮住宅建設只有5%采用鋼結構，由于中國鋼材價格比國際價格低，勞動力成本低，鋼結構的制作和施工質量優良，所以國際工程市場有較強的競爭力。（4）制約鋼結構產業發展的一些不利因素。我國鋼產量連年居世界第一，而且鋼結構建筑的建筑條件基本成熟，但鋼結構技術仍未得到特別有力的推廣，我國鋼結構建筑的發展相對國外任然有些滯后。主要表現在：國產H型鋼、方鋼管、可搭接的斜卷邊冷彎薄壁Z型鋼、抗腐蝕性能更好的鍍鋁鋅薄板等型材的品種、規格還不能滿足建筑需要。厚板的可焊接性差是國產建筑鋼材存在的主要問題。建筑用高強度低合金鋼品種還太少，高強度低合金結構鋼在冷彎薄壁型鋼中的應用尚未解決。鋼結構住宅的造價和選擇、開發外墻板，在一定程度上制約了鋼結構住宅建筑的大面積推廣應用。盡管目前還存在著種種不盡如人意或有待提高的方面，但鋼結構的發展潛力巨大，前景廣闊。

展望未來，隨著經濟建設的蓬勃發展和交流的進一步擴大，要建造更多的高層建筑、橋梁和大型公共場所等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛。這將為鋼結構的發展提供更多的機會，鋼結構產業興旺發展的新局面就在眼前。