淺議國外建筑鋼結構的應用

魏斌 劉毅 張明  （陜西省建筑設計研究院有限責任公司） 

    近數十年來，前蘇聯、美國、日本三個國家一直是世界上鋼產量居前三位的國家，其鋼產量輪流位居世界第一位。因此，這幾個國家的建筑鋼結構建設事業蓬勃。而在同一時期，我國在這方面的發展則比較緩慢，水平也相對落后。近幾年來，隨著我國改革開放政策的實行和推進，我國的建設工作取得了突飛猛進的進展。在此期間，我國的鋼產量一躍成為世界第一位。因此，為了推動我國建筑鋼結構的進一步發展和，我們急需了解國外建筑鋼結構的應用概況。如美國和日本，該項指標均已超過50%。在我國，鋼在建筑中主要用于建筑用鋼結構，鋼筋混凝土用鋼筋，鋼絞線，鋼絲，門窗等，而其中鋼結構用鋼只占10%左右，在我國一億噸的鋼產量中，真正用于鋼結構上的也就200～300萬噸。　

　

二、低層、多層建筑鋼結構和輕鋼結構 　　

    美國金屬建筑的主要市場分布：工業（生產用廠房、倉庫及輔助設施等）、商業（商場、旅館、展覽館、、辦公大樓等）、社區（私有及公有社區活動中心及建筑如學校、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構還是很普遍的。美國鋼結構學會和金屬房屋制造協會（AISC和MBMA）聯合編制了低層建筑的設計指南。所謂低層建筑是指層高低于18m，層數不超過5層的工業廠房、倉庫、辦公室及其他的辦公和社區建筑等，其中兩層以下的非居住用樓房建筑占70%。
　　

    輕鋼建筑在一些發達國家已被廣泛應用于工廠、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，現場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要結構的一種建筑，再配以零件、扣件、門窗等形成比較完善的建筑體系，即輕鋼結構體系。這種體系由工廠制作，現場按要求拼裝形成。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。由于自重輕，也降低了基礎的造價。國外輕鋼結構廠商如Butler、BHP、ABC等都已經進入了中國市場，我國應奮起直追，創造條件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。

　　

三、高層及超高層鋼結構 　　

    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。而鋼結構本身具備自重輕，強度高，施工快等獨特優點，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結構更是非常理想。

 

    巨型鋼結構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生的。它具有良好的建筑適應性和潛在的高效結構性能，是一種很有的結構。如日本千葉縣43層、高180m的NEC大樓，該建筑內部布置大開口和大空間庭院，其巨型結構是由四根巨型結構柱和四個巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。這種體系具有極強的抗推剛度。另一例是德國法蘭克福1997年建成的商業銀行新大樓，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，其結構體系是以三角形頂點的三個獨立框筒為“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和抗推剛度，其中“巨響梁”產生了巨大的“螺旋箍”效應。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結構大廈。
　　
四、大跨度鋼結構 
    大跨度或較大跨度大都采用鋼結構，當然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點近年來很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。
　　

    大跨度鋼結構多用于多功能場館，會議展覽中心，博覽館，候機廳，飛機庫等。最早跨度最大的平板網架是60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學體育館91m×122m（正放四角錐）。最大的雙層網殼是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今世界上最大跨度的單層網殼，建筑直徑229.6m，結構直徑187.2m，采用三向網格，節點為能承受軸力和彎矩的剛性節點。世界上最大的室內體育館是美國1996年奧運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，是當今最有發展前途的一種新型空間結構。當然，從角度講，跨度再大的結構也是有可能實現的，為此，日本、美國學者和研究單位都在進行研究。在橋梁方面，1000m左右跨度已經實現，世界上跨度最大的斜拉索橋為日本的多多羅大橋全長為890m；最大的懸索橋為日本的名石大橋（1991m），公路鐵路兩用最大跨度橋為香港的青馬大橋（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點的立體桁架體系。看起來雄壯而美觀。我國深圳機場、首都機場、上海浦東機場就是典型的例子。
　　
五、我國建筑鋼結構的前景與差距
　　
    從美國、日本、歐洲一些發達國家的經驗看，建筑業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口，特別是大于50mm的厚鋼板，國產產品的Z向性能尚達不到要求。國外不僅鋼板厚度較大，而且可以滿足各種性能要求。如日本已經能夠生產的100mm的厚鋼板，具有以下類型：
　　

    （1）有高強度低預熱型（以前預熱75℃，現在預熱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度鋼材（HT590～HT780級）和低屈服點鋼板，這種鋼材日本重點生產，用于次要結構上，當地震時這種材料先屈服，保證主要結構減少地震損失；（3）防火厚鋼板。有400N/mm2及490N/mm2，當其在600℃時屈服強度還能達到常溫下的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，優于前者）。
　　

    目前，國內高層鋼結構鋼材幾乎都從國外進口，工程總承包由國外承擔，制造和安裝則由國內廉價勞動力承包，這種局面應從速扭轉，因為這與我國產鋼大國的地位很不相稱。大跨度鋼結構鋼材不像高層鋼結構那樣突出，但設計方案（包括建筑和結構）經常國外中標，這種局面與中央強調建立我們自己的創新體系的號召相距甚遠，應該引起我國建筑界的關注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。