淺議國外建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

魏斌 劉毅 張明  （陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司） 

    近數(shù)十年來，前蘇聯(lián)、美國、日本三個(gè)國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個(gè)國家的建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)蓬勃。而在同一時(shí)期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對落后。近幾年來，隨著我國改革開放政策的實(shí)行和推進(jìn)，我國的建設(shè)工作取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。在此期間，我國的鋼產(chǎn)量一躍成為世界第一位。因此，為了推動我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和，我們急需了解國外建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況。如美國和日本，該項(xiàng)指標(biāo)均已超過50%。在我國，鋼在建筑中主要用于建筑用鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土用鋼筋，鋼絞線，鋼絲，門窗等，而其中鋼結(jié)構(gòu)用鋼只占10%左右，在我國一億噸的鋼產(chǎn)量中，真正用于鋼結(jié)構(gòu)上的也就200～300萬噸�！�

　

二、低層、多層建筑鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu) 　　

    美國金屬建筑的主要市場分布：工業(yè)（生產(chǎn)用廠房、倉庫及輔助設(shè)施等）、商業(yè)（商場、旅館、展覽館、、辦公大樓等）、社區(qū)（私有及公有社區(qū)活動中心及建筑如學(xué)校、館、圖書館 、教堂等）、綜合等方面，分別占到46%、31%、14%和9%的份額。
　　

    在美國，低層建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)還是很普遍的。美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會和金屬房屋制造協(xié)會（AISC和MBMA）聯(lián)合編制了低層建筑的設(shè)計(jì)指南。所謂低層建筑是指層高低于18m，層數(shù)不超過5層的工業(yè)廠房、倉庫、辦公室及其他的辦公和社區(qū)建筑等，其中兩層以下的非居住用樓房建筑占70%。
　　

    輕鋼建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑。所謂輕鋼是指以彩鋼板作為屋面和墻面，以薄壁型鋼作檁條和圈梁，以焊接“H”型截面做主與梁，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要結(jié)構(gòu)的一種建筑，再配以零件、扣件、門窗等形成比較完善的建筑體系，即輕鋼結(jié)構(gòu)體系。這種體系由工廠制作，現(xiàn)場按要求拼裝形成。具有自重輕，建設(shè)周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，外表美觀，造價(jià)低，易維護(hù)等特點(diǎn)。由于自重輕，也降低了基礎(chǔ)的造價(jià)。國外輕鋼結(jié)構(gòu)廠商如Butler、BHP、ABC等都已經(jīng)進(jìn)入了中國市場，我國應(yīng)奮起直追，創(chuàng)造條件積極發(fā)展我國自己的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)今后我國建筑鋼結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的要求。

　　

三、高層及超高層鋼結(jié)構(gòu) 　　

    由于人類文化生活不斷提高，對高層、大跨度建筑的要求也就越來越高。而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕，強(qiáng)度高，施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。

 

    巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有的結(jié)構(gòu)。如日本千葉縣43層、高180m的NEC大樓，該建筑內(nèi)部布置大開口和大空間庭院，其巨型結(jié)構(gòu)是由四根巨型結(jié)構(gòu)柱和四個(gè)巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。這種體系具有極強(qiáng)的抗推剛度。另一例是德國法蘭克福1997年建成的商業(yè)銀行新大樓，63層、高298.74m，也是歐洲最高的一棟超高層建筑。該建筑平面為邊長60m的等邊三角形，其結(jié)構(gòu)體系是以三角形頂點(diǎn)的三個(gè)獨(dú)立框筒為“巨型柱”，通過八層樓高的鋼框架為“巨型梁”連接而圍成的巨型筒體系，具有極好的整體效應(yīng)和抗推剛度，其中“巨響梁”產(chǎn)生了巨大的“螺旋箍”效應(yīng)。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結(jié)構(gòu)大廈。
　　
四、大跨度鋼結(jié)構(gòu) 
    大跨度或較大跨度大都采用鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點(diǎn)近年來很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。
　　

    大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能場館，會議展覽中心，博覽館，候機(jī)廳，飛機(jī)庫等。最早跨度最大的平板網(wǎng)架是60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館91m×122m（正放四角錐）。最大的雙層網(wǎng)殼是70年代也是在美國建造的休斯敦宇宙穹頂（Astrodome，直徑196m）及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207m）。90年代在日本名古屋又興建了當(dāng)今世界上最大跨度的單層網(wǎng)殼，建筑直徑229.6m，結(jié)構(gòu)直徑187.2m，采用三向網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)為能承受軸力和彎矩的剛性節(jié)點(diǎn)。世界上最大的室內(nèi)體育館是美國1996年奧運(yùn)會的主體育館棗亞特蘭大體育館（擬橢圓形平面，186m×235m），采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索、桿、膜組成，是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種新型空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，從角度講，跨度再大的結(jié)構(gòu)也是有可能實(shí)現(xiàn)的，為此，日本、美國學(xué)者和研究單位都在進(jìn)行研究。在橋梁方面，1000m左右跨度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，世界上跨度最大的斜拉索橋?yàn)槿毡镜亩喽嗔_大橋全長為890m；最大的懸索橋?yàn)槿毡镜拿�石大橋�?991m），公路鐵路兩用最大跨度橋?yàn)橄愀鄣那囫R大橋（懸索橋1377m）。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是著名的美國雷里競技館。國際上以及我國都在流行一種波浪形曲面，樹狀支承以及直接交匯的相貫節(jié)點(diǎn)的立體桁架體系�？雌饋硇蹓讯�美觀。我國深圳機(jī)場、首都機(jī)場、上海浦東機(jī)場就是典型的例子。
　　
五、我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的前景與差距
　　
    從美國、日本、歐洲一些發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)看，建筑業(yè)即將成為鋼材的主要市場。而目前我國與之相比還有差距。因此我國的高層建筑鋼材到目前為止還都從國外進(jìn)口，特別是大于50mm的厚鋼板，國產(chǎn)產(chǎn)品的Z向性能尚達(dá)不到要求。國外不僅鋼板厚度較大，而且可以滿足各種性能要求。如日本已經(jīng)能夠生產(chǎn)的100mm的厚鋼板，具有以下類型：
　　

    （1）有高強(qiáng)度低預(yù)熱型（以前預(yù)熱75℃，現(xiàn)在預(yù)熱50℃）的厚鋼板590N/mm2級（HT590級）；（2）抗地震的厚鋼板，主要有低屈服比高強(qiáng)度鋼材（HT590～HT780級）和低屈服點(diǎn)鋼板，這種鋼材日本重點(diǎn)生產(chǎn)，用于次要結(jié)構(gòu)上，當(dāng)?shù)卣饡r(shí)這種材料先屈服，保證主要結(jié)構(gòu)減少地震損失；（3）防火厚鋼板。有400N/mm2及490N/mm2，當(dāng)其在600℃時(shí)屈服強(qiáng)度還能達(dá)到常溫下的2/3；（4）裝飾用的奧氏體不銹鋼板及鐵素體不銹鋼板（沿海用，優(yōu)于前者）。
　　

    目前，國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材幾乎都從國外進(jìn)口，工程總承包由國外承擔(dān)，制造和安裝則由國內(nèi)廉價(jià)勞動力承包，這種局面應(yīng)從速扭轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@與我國產(chǎn)鋼大國的地位很不相稱。大跨度鋼結(jié)構(gòu)鋼材不像高層鋼結(jié)構(gòu)那樣突出，但設(shè)計(jì)方案（包括建筑和結(jié)構(gòu)）經(jīng)常國外中標(biāo)，這種局面與中央強(qiáng)調(diào)建立我們自己的創(chuàng)新體系的號召相距甚遠(yuǎn)，應(yīng)該引起我國建筑界的關(guān)注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。