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國外建筑鋼結構應用概況

作者：劉錫良     
時間：2010-01-12 15:37:51 [收藏]
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發展。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
    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發展。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，我國的經濟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。1996年，我國鋼產量首次突破億噸大關；1998我國鋼產量已達11434萬噸，而且每年增產300萬噸。鋼產量的增長為發展我國建筑鋼結構建設事業創造
    了極好的時機。但目前，我國與發達國家相比在許多方面還存在著明顯的差距,因此,為了推動我國建筑結構的進一步發展和應用，我們急需了解國外建筑鋼結構的應用概況。
        中國的建筑用鋼總量約占全部鋼產量的20％－25％，而工業發達的國家則占30％以上。如美國和日本，該項指標均已越過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。
        根據1998年中期美國金屬建筑行業分布的一些數據，美國金屬建筑行業的發展和市場的基本情況如下表:

    年代
    年銷售額（百萬美元）
    年加工量（萬噸）
    數量
    增長倍數
    數量
    增長倍數
    1960
    150
    1
    30
    1
    1970
    300
    2
    65
    2.2
    1980
    1200
    8
    110
    3.7
    1990
    1500
    10
    125
    4.2
    1997
    2200
    15
    190
    6.3

         從表中可以看出，美國的建筑用金屬年銷售額增長很快，估計目前已經超過25億美元，年加工量也已經達到200萬噸以上。
        美國金屬建筑的主要市場分布見下表：

    工業
    生產用廠房，倉庫及輔助設施等
    46%
    商業
    商場，旅館，展覽館，醫院，辦公大樓等
    31%
    社會
    私有及公有社會活動中心及建筑，如學校，體育館，圖書館，教堂等
    14%
    混合
     
    9%

    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18米，層數不超過5層的工業廠房、倉庫、辦共室及其他的辦公和社會建筑等，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”型截面做柱與梁，現場用螺栓或焊接拼接的門式鋼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Bulter,BHP,ABC等都已經進入了中國市場。我國企業應奮起直追，創造條件積極發展我國自己的輕鋼結構體系，以適應今后我內建筑鋼結構不斷發展的要求。
    　　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。目前世界上最高，最大的結構采用的都是鋼結構，而歷屆奧運會的場館也多采用鋼結構。世界上目前已經建成的幾個純鋼結構建筑為目前世界上最高的超高層建筑，它們是：
    　　1931年建成的102層高381米的美國紐約帝國大廈（1969年以前一直是最高的）
    　　1969年建成的110層高443術的美國芝加哥西爾斯大廈
    　　1996年建成的高450米的馬來西亞雙塔石油大廈（KLCC，已號稱目前世界最高，但美國的西爾斯大廈有異議）
    　　我國于1997年建成的上海金茂大廈為95層，建筑高度421米，結構高度395米，也躋身于世界最高行列。如果上海浦東環球金融中心大廈（95層460米）建成，則堪稱世界最高，實為我國一大光榮。深圳賽格廣場大廈70層，高279米，為世界上最高的全部采用鋼管混凝土的超高層建筑，這又是我國的一大光榮。
    　　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，是一種很有發展的結構。如日本千葉縣43層180米高的NEC大樓（見圖1），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。經分析這種體系具有極強的抗推剛度。另一例是德國法蘭克富1997年建成的商業銀行新大樓（見圖2），63層高298.74米，也是歐洲最高的一棟超高層建筑。該建筑平面為邊長60米的等邊三角形，其結構體系為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“巨型梁”產生了巨大的“螺旋箍”效應。第三例是日本擬建的動力智能大廈（DIB－200），高800米，地上200層，地下7層，總建筑面積150萬平米，由十二個巨型單元體組成（見圖3）。每個單元體是個直徑50米，高50層（200米）的框筒柱，1到100層設4個柱，101到150層設3個柱，151層到200設1個柱，每50層設置一道巨型梁。結構上安有主動控制系統，進一步削弱地震反應。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結構大廈，是諾爾曼.福爾特設計的。
    　　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體育場館，會議展覽中心，博覽會，候機廳，飛機庫等。最早跨度最大的平板網架是60年代美國洛杉嘰加里福尼業大學體育館91米×122米（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196米），及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207米）。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229.6米，結構直徑187.2米，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——亞特蘭大體育館（擬橢圓形平面，186米×235米），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。1993年日本建成的福岡體育館，直徑222米，是當今最大的開合鋼結構屋頂。1989年建成的加拿大多倫多天空穹頂（Skydome），直徑203米，落為世界第二跨度最大的開合結構。超過300米的屋蓋結構全部使用鋼板和型鋼組成，并不是最優方案，近年來研究較為成功的是雜并（混合）結構，即桿，索，膜混合使用。最為典型的例子就是千禧之年世紀之交的干年穹頂（The MilleniumDome），1997年6月開始擬建，僅用一年時間施工，1998年6月舉行升頂儀式，該館位于英國倫敦泰晤士河南岸格林威治，是當今世界跨度最大的屋蓋，穹頂酷像飛碟，直徑320米（見圖4）。穹頂由12根包括10米支座在內的高100米桅桿塔柱（柱本身90米），通過總長度70公里的鋼纜繩懸掛起來的。桅桿塔柱布置在直徑200米圓周上。穹頂網格由72根成對徑向索和7根環向索做成。穹頂高50米，中間設有中心索桁架和70米直徑環。上覆蓋144塊雙層巨幅白色涂以特福?。═eflon）的玻璃纖維布。工程總面積8萬平方米，總預算7.58億英鎊。館內將以“標新立異時代”為主題舉行展覽會以迎接21世紀的到來。館內設有“人體探秘’、“時光課堂”、“金融之窗”、“地球奇跡”、“展望未來”等十二個展區。當然，從理論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，如1959年富勒曾提出建造一個直徑3.22公里的短程線網殼，覆蓋紐約市第23-59號街區，網殼重8萬噸。日本巴組鐵工所曾提出200米，500米及1000米網殼藍圖，其中50O米為全天候多功能體育娛樂活動廳，1000米為創造理想未來城市，體現工作，居住，娛樂一體化的豐富日常生活環境。雖然這種設計在現實當中能否實現還有待深入研究，但在橋梁方面（順便提一下），1000米左右跨度已經實現，世界上跨度最大的斜拉索橋為日本的多多羅大橋全長為890米；最大的懸索橋為日本的名石大橋（1991米），公路鐵路兩用最大跨度橋為香港的青馬大橋（懸索橋1377米）。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。另外歷屆奧運會、博覽會等都可以顯示鋼結構的發展水平。如1972年德國慕尼黑（覆蓋74800平方米體育場的索網建筑群），1976年加拿大蒙特利爾，1980年的莫斯科，1984年的美國洛杉礬，1988年韓國漢城（120米直徑體操館及93米直徑擊劍館都是索穹頂），1992年西班牙巴塞羅納圣喬地體育館（128米），1996年美國亞特蘭大喬治亞穹頂（186米×235米索穹頂）。2000年澳大利亞總悉尼主體育場（11萬人，兩個22O米×70m米的雙曲拋物面網殼）。機場和機庫都屬于大跨度結構，在工程中基本上也都采用鋼結構。如英國倫敦希思羅機庫（一、二期）應是規模比較大的工程。而我國近年來建成的首都機庫（2-153米×90米）采用三層斜放四角錐網格、焊接球節點平板網架，其跨度規模之大，在國際上是數一數二的，這是我國在鋼結構方面的又一大殊榮。機場的鋼結構屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。香港機場，馬來西業機場都采用大面積單體網殼形式。目前，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?？雌饋硇蹓讯烙^。我國深圳機場，首都機場，上海浦東機場就是典型的例子。

    \       \        \

    圖１ 采用巨型框架體系的NEC大樓      圖2 法蘭克福商業銀行新大樓    圖3 DBI-200的結構豎剖圖

    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應用的主要市場。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50毫米的厚鋼板，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100毫米的厚鋼板，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）利低屈服點鋼板，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壞，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℃時其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索體不銹鋼板（沿海用，優于前者）。

    ??x?m??????????v?v?v?ky深圳機場，長春體育館，深圳市民中心，廣州歌劇院，上海浦東機場，廈門匯展中心等。這種局面與中央號召建立我們自己的科技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。
        限于篇幅，本文的參考文獻未能—一列出，在此特向文獻作者們表示謝意：
        江穎，李國強，藍天，沈世釗，陸賜麟，鄭廷銀，付光耀，張朝生，王國周，王元清，施永久，陳祿如，侯文葳，侯兆欣等。

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