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必須還鋼結構輕、快、好、省的本來面目

作者:沈祖炎    
時間:2011-07-13 14:07:55 [收藏]

    關鍵詞:必須 還 鋼結構
     要:介紹了鋼結構“輕、快、好、省”的特點,并通過闡述高層鋼結構、大跨度屋蓋鋼結構和輕型鋼結構的發展歷程說明了鋼結構的這些優異性能,針對我國當前建筑鋼結構發展中存在的問題予以分析,并對如何使鋼結構做到“輕、快、好、省”提出了建議。以期擴大鋼結構的應用范圍和鋼結構產業的可持續發展。
    關鍵詞:建筑鋼結構 可持續發展 鋼結構體系 設計理念 設計人才 設計環境
     
    一 引言
    隨著我國鋼產量的快速增長和國家實行合理利用鋼材和積極采用鋼結構的政策以來,我國建筑鋼結構的發展日新月異,取得了令世人矚目的成就,但也凸顯了一些引人思考的問題。一方面我國是產鋼大國,但建筑鋼結構用鋼占總鋼產量的比例非常小,只有4左右,同時建筑鋼結構在整個建筑行業所占比例還不到5;另一方面,一些重要的單體建筑鋼結構用鋼指標又非常的大。這些現狀使人們對現代建筑鋼結構的發展方向和發展理念產生了困惑,為了促進鋼結構產業健康持續的發展,本文對這些問題做一探討,以期為工程建設提供參考和建議。
     
    二 鋼結構輕、快、好、省的本來面目
    全世界至2006年已建成的101幢超高層建筑中,鋼筋混凝土結構16幢,純鋼結構 59幢,不同形式的鋼-混凝土混合結構27幢[1];大跨度屋蓋空間結構更是鋼結構的世界。鋼結構的發展促使了建筑業、冶金工業、機械工業、汽車工業、農業、石油工業、商業、交通運輸業等得到迅速發展。為什么鋼結構的生命力越來越強大,這要歸功于它優異的性能,本文簡要概況為“輕、快、好、省”四個特點。
    1
    鋼結構具有輕質高強性。鋼材與混泥土、木材相比,其重力密度與強度的比值最小,因此,就同類建筑結構形式而言,鋼結構自重輕、構件截面小、能夠承受更大的荷載、可以跨越更大的跨度、便于運輸和安裝。例如,在同等荷載條件下,鋼屋架重量只有同等混凝土屋架的1/3~1/4,若采用冷彎薄壁型鋼屋架則只有1/10左右。鋼結構住宅的重量是鋼筋混凝土住宅的50%左右,使用面積比鋼筋凝土住宅提高4%左右[2]
    2
        鋼結構的工業化程度高,工期短。鋼結構都為工廠制作,具備成批大件生產和成品精度高等特點,采用工廠制造、工地高強螺栓安裝的施工方法,有效地縮短工期,為降低造價、發揮投資的經濟效益創造條件。在同等條件下,鋼結構與鋼筋混凝土結構施工工期相比,前者僅是后者的1/3~1/2。
    3
    鋼結構材性好,可靠性高。鋼材質地均勻、各向同性、彈性模量大、有很好的塑性及韌性、為理想的彈性—塑性體。因此,鋼結構不會因為偶然的超載或局部超載而突然斷裂破壞;能夠適應振動荷載;計算模型很好地反映鋼材的力學性能,因而分析準確可靠。
    鋼結構抗震性能好。鋼材具有較高的抗拉和抗壓強度以及較好的塑性和韌性,它的材質均勻使設計易于符合實際受力情況,加上連接構造的耗能、維護材料的蒙皮效應、耗能組件的使用,使結構體系能夠抵御強烈地震作用并表現優異。因此,在國內外的歷次地震中,鋼結構是損壞最輕的結構,已公認為是抗震設防地區特別是強震區的最合適結構。
    鋼結構密封性好。鋼材組織非常密實,通過焊接連接,完全適用于對氣密性或水密性要求高的特種建筑物。
    鋼結構耐熱性好。溫度在250℃以內,鋼材性質變化很小,鋼結構可用于溫度不高于250℃的場合。當溫度達到300℃以上時,強度逐漸下降,在這種場合,對鋼結構必須采取防護措施。
    鋼結構耐久性好。在正常的防腐維護下,建筑鋼結構不會因為日常溫度的變化、日曬、雨淋及一般大氣介質的作用而老化,具有很好的材料耐久性。
    鋼結構易于拆卸。采用螺栓連接的已建成鋼結構易于拆卸、加固和改建。
    4
    單純從目前材料的價格上看,鋼結構比混凝土結構的造價要高,但鋼結構比混凝土結構建設速度要快50%左右,這會節省很多時間成本,而且房屋整體重量也比混凝土結構輕50%以上,這樣基礎處理、運輸量的成本都會下降。建造房屋是一個系統工程,包括設計、制造、運輸、安裝、維修和管理等諸多環節,因此,從整體上看,鋼結構更“省”。
    鋼材具有可回收再利用的特點,相對于目前普遍使用的其他建筑材料,其最有利于節能、節材、節水和節地。
    當然,鋼結構也存在著一些不足,諸如耐火性能及耐腐蝕性能較差的問題,但通過進行結構抗火設計以及采用正確的防火措施和防腐處理完全能夠達到使用要求。并且,隨著新型耐火鋼和耐候鋼的使用,這些缺點正逐步得到弱化[3]。另外,鋼結構低溫脆斷的問題,通過正確的設計也可以防患于未然。
    我國建筑行業近年來一直是能源、材料、水和其他資源的使用“大戶”,發展推廣應用鋼結構完全符合國家著力提倡建立節約型社會的倡議,符合當前國家對建筑業提出的可持續化發展的要求。
     
    三 鋼結構發展歷程中輕、快、好、省的一些實例
    20世紀以來,隨著科學技術的飛速發展及人們對物質和文化生活要求的不斷提高,對各類建筑提出了更新、更高的要求。建筑鋼結構由于鋼材的優異性能,制作安裝的高度工業化以及結構體形的新穎和靈巧,已越來越廣泛地得到應用[4]。下面以近幾十年來發展比較活躍的高層鋼結構、大跨度屋蓋鋼結構和輕鋼結構為例進行說明。
    1高層鋼結構
    城市人口集中,用地緊張以及商業競爭的激烈化,促使了現代多、高層建筑的出現與發展。隨著建筑高度的增加,在風荷載和地震作用下,結構的抗側力問題逐漸成為關鍵因素。為了提高結構抗側力剛度,高層結構的體系不斷創新和發展。以下是高層鋼結構發展中一些有代表性的工程,每一個工程的建成,都形成了一種新的高層鋼結構體系,并在以后的高層鋼結構中廣泛應用。
    1885年建成的世界上第一幢現代鋼結構高層建筑——10層高的家庭保險大樓(Home Insurance Building),采用框架結構體系。這種結構體系一直被采用,到1931年建成了381m高的美國紐約帝國大廈(Empire State Building)。1968年,100層高的約翰·漢考克中心(John Hancock Center)的建成使結構上形成了一個新概念——對角支撐桁架型錐形筒體結構體系,結構抗側能力顯著提高。1973年建成的美國紐約世界貿易中心創新性地采用密柱深梁的鋼框架筒體作為結構的主要抗側力體系。1974年,當時的世界第一高樓西爾斯大廈(Sears Tower)又將筒體結構發展為束筒體系。筒中筒和束筒結構體系減小了框筒結構的剪力滯后效應,整體結構的抗側剛度得到進一步的增強。鋼-砼混合結構有:1988年建成的香港中國銀行大樓采用由桿系結構組成的巨型空間結構體系,使得高層建筑具有更大的側向剛度。1998年建成的上海金茂大廈使用伸臂鋼桁架系統將混凝土筒體和巨型柱組合在一起,形成創新的鋼-砼混合結構體系。這種結構體系已經在目前的超高層建筑結構中得以廣泛應用。2008年建成的上海環球金融中心采用了創新的巨型框架-伸臂桁架-核心筒結構體系,形成多重抗側力體系。
    這些不斷出現的創新高層結構體系無論在建筑、技術、材料、設備和施工等方面都體現了鋼結構輕、快、好、省的特點,反映了當時世界最先進的水平。表1列舉了這些代表性工程的概況。從中可以看出高層鋼結構隨著其結構抗側力體系的高效發展,結構用鋼指標也在降低。因此,用鋼指標也應成為衡量一種結構體系和一個結構工程優劣的重要指標[5]。
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    2大跨度鋼結構
    大跨度鋼結構的發展中,采用了大量新材料、新工藝、新技術,結構體系不斷創新,成為結構方面近50年來最活躍的研究領域。有以剛性桿件組成的網架、網殼等剛性結構體系,有以索膜等柔性材料為特征的懸索結構、薄膜結構、張拉集成體系等柔性結構體系。還有雜交結構體系,以及可展開結構和可折疊結構。
    1975年建成的上海體育館,采用網架結構,它的平面為直徑110m的圓形,用鋼指標僅49kg/m2。這是我國早期網架結構的杰出代表,它使這種具有整體工作性能好、抗震性能好、用鋼指標省、施工技術成熟方便等優勢的結構體系在我國得到了迅猛發展,應用范圍普及體育建筑、公共建筑、工業廠房以及飛機維修庫等,使我國在網架結構的覆蓋面積達到世界第一,在設計、制作和安裝技術等方面處于世界先進行列。1997年建成的日本名古屋體育館,采用網殼結構,它是當前世界上跨度最大的單層網殼結構,其結構施工時采用了整體提升的方法將重13000噸的屋蓋提升到位,僅30個月的時間便施工完畢。柔性結構如1953年建成的美國雷里體育館,它被認為是世界上第一座優秀的現代大跨度索網屋蓋結構,它對傳統建筑結構的設計理念產生了深遠的影響,隨后,懸索結構如雨后春筍般地出現在世界各地。又如1967年加拿大蒙特利爾世博會的德國館,它是一個被公認為最早的、真正意義上的現代索膜結構體系,在建筑、結構和景觀上實現了良好的融合,無論是對建筑還是結構都極具創新價值。又如1996年亞特蘭大奧運會主場館——佐治亞索穹頂,其平面為240m×192m的橢圓形,而用鋼指標還不到30 kg/m2,這是因為它采用結構效率極高的索穹頂結構體系,這種體系突出的優勢就是隨著跨度的增加,結構用鋼指標的增加并不明顯,因而在大跨度建筑中極具應用前景。雜交結構中的張弦梁、張弦桁架和弦支穹頂由于充分發揮剛柔兩種材料的優勢,受力明確、結構形式多樣,并且制造、運輸、施工簡捷方便,目前在我國得到了廣泛的應用。如1998年建成的上海浦東機場一期航站樓是最早采用大跨度單向張弦梁結構體系的建筑,最大跨度82.6m。2008年北京奧運會國家體育館為144.5m×114m的雙向張弦桁架。2008年北京奧運會羽毛球館和2009年建成的濟南奧體中心體育館分別為跨度93m和122m的張弦網殼。開啟結構具有回歸自然和多功能綜合利用的特點,能節約能源,降低整個建筑的造價,產生了非常好的社會經濟效益。我國2006年建成的最大跨度達254m的南通體育會展中心主體育館,其固定屋蓋和開啟屋蓋均為網殼結構。它是世界上首次將機電液壓技術、移動臺車多點支撐用于巨型開合結構的工程。表2顯示了這些代表性大跨度鋼結構的概況。
    大跨度鋼結構在整體上出現從較重向輕型體系發展,從剛性體系向柔性體系發展,并出現由單一的結構形式發展到各種結構形式的合理組合。這種組合旨在集中兩種或幾種結構的優點,充分發揮材料強度,使結構受力更加明確合理,體系更加經濟有效。
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    3 輕型鋼結構
        始于20世紀初的輕型鋼結構體系,在第二次世界大戰期間得到了快速發展,主要用于對可拆卸性和施工速度要求很高的戰地機庫、軍營等。20世紀40年代出現了門式剛架結構,60年代開始大量應用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼檁條組成的輕質圍護體系。目前輕型鋼結構已成為發達國家的主要建筑結構形式,英國新建的非居住類房屋建筑中,90%的單層和60%的多層建筑都采用了輕型鋼結構,美國在輕鋼結構體系的分析、設計、制作上也實現了高度的標準化及工廠化[6]。我國自20世紀80年代的寶山鋼鐵公司一期工程開始應用輕型鋼結構。該工程采用熱軋H型鋼作為主承重骨架,并首次采用彩色壓型鋼板作為圍護結構,建設的過程顯現了這種體系輕型、快速和高效的特點,給我國建筑業帶來了革新。目前國內常用的輕鋼結構承重體系包括:焊接門式剛架結構體系、冷彎薄壁型鋼結構體系、多層房屋鋼結構體系、金屬拱型波紋屋蓋體系等。其中輕型門式剛架結構由于結構構件和圍護結構的高度系列化和定型化、結構設計合理、用鋼量省、制作工業化、安裝實現全部機械連接、施工迅速而周期短、以及經濟效益高等特點,自20世紀90年代以來在我國得到了迅速的發展。應用范圍在單層輕型廠房、倉庫、大型商場、體育館和展覽廳等。
    4 發展歷程總結
     從上述鋼結構的發展歷程我們可以總結出這樣的規律:那些新穎、輕巧、受力明確又便于施工,經濟效益高,節省自然資源的鋼結構,也就是能夠凸顯“輕、快、好、省”特點的鋼結構一經建成,便具有極大的示范性和推廣性,形成了鋼結構發展史上每一個階段的里程碑。它們既有革新意義,同時還具有普遍的適用性,因此能夠不斷擴大鋼結構的應用范圍,并推動鋼結構不斷向前發展。
     
    四 目前我國鋼結構的發展現狀
    我國自1978年實行改革開放以來,經濟建設有了突飛猛進的發展,建筑鋼結構也有了前所未有的發展,而且應用領域有了較大的擴展。高層和超高層房屋、多層房屋、單層輕型房屋、體育場館、會展中心、機場候機樓、車站,大型客機檢修庫、自動化高架倉庫等都有采用鋼結構的。盡管我國建筑鋼結構有了飛躍的發展,但無論從鋼結構的用鋼量、應用范圍和結構體系等方面看還都存在著一些問題。
    1 鋼結構的應用有待拓寬
    根據世界鋼鐵協會的統計數據顯示[7],1996年,我國粗鋼材產量為10124萬噸,超過1億噸,躍居世界第一,2005年達到35579萬,2006年達到42266萬噸,2007年達到48924萬噸,2008年達到50031萬噸,2009年達到56784萬噸。我國鋼產量逐年增加,連續14年位居世界第一,成為世界的產鋼大國。同時有資料研究表明[8],從1997 年到2007 年的10 年間,中國粗鋼產量增長了3.49倍,平均年增長速度達到了16.2%。這一速度是德國的20倍,日本的11.6倍、韓國的8.5倍、俄羅斯的4倍、意大利的2.2倍,美國10年間粗鋼產量沒有增長反而下降;是發達國家(日本、美國、德國和意大利)平均年增長速度的7倍;是世界平均年增長速度的3倍。這表明我國鋼鐵工業的發展速度已遠遠快于世界其他主要鋼鐵生產國和地區。但我國鋼結構的應用卻遠遠落后于發達國家。以下一些方面有待加強。
    (1)鋼結構用鋼占鋼材產量比應不斷提高
    鋼結構(統計包括工業與民用建筑、鐵路與公路橋梁、水電與火電建設、城市建設等)用鋼占鋼材產量2002年為4.3%,2004年為4.8%,2005年為4.26%,2006年為4.12%,2007年為4.28%,預計2010年為5.5%[2]。而其中建筑鋼結構用鋼占鋼材總產量的比例更小。國家十五計劃是每年建筑鋼結構用鋼材占總鋼材產量的3%,2015年建筑鋼結構的發展目標是爭取每年建筑鋼結構用鋼占總鋼材產量的6%。而發達國家目前這一比例已達10%以上,美國、日本等國家更達到30%左右。從這些數據可以看出,我國建筑鋼結構用鋼量嚴重偏低,與鋼產量的快速增長形成了巨大的反差,這也是造成我國鋼材總體供大于求的一個主要原因。但同時也說明,中國鋼結構發展具有極大的空間和潛力。
    (2)高性能鋼材的研究應認真加強
    我國目前鋼材的質量和規格基本滿足建筑結構的要求,但隨著建筑鋼結構的快速發展,建筑鋼結構對鋼材的性能提出了更高的要求。如高層鋼結構今后將大量需要高強度、高韌性、低屈強比、抗層狀撕裂能力、高焊接性、耐火性等高性能鋼材。對于冷彎鋼材,需開發Q345以上的高強冷彎鋼以及厚度在6~25mm的厚壁冷彎型鋼。鋼材質量和規格的提高,高性能鋼材的生產,必將有利于降低鋼結構的成本,擴大其應用范圍。從總體上講,我們應該從追求鋼鐵產品的數量轉為提高鋼材產品的質量、優化產品的結構,創新鋼材的品種,以適應建筑鋼結構用鋼的需求,同時也促使鋼鐵產業的持續發展。
    (3)鋼結構的應用范圍亟需擴大
    我國房屋建筑中,混凝土結構占到90%以上,鋼結構還不到5%,而日本等地震高發地區的建筑中鋼結構占38%,木結構占35%,混凝土結構只占20%多[9]。我國建筑鋼結構還僅集中使用于高層、超高層建筑、大空間公共建筑與工業建筑中,普通辦公樓,學校、醫院建筑等多高層建筑應用鋼結構的少;低層、多層及高層住宅中鋼結構應用的少。我國每年竣工6億平方米的城鎮住宅建設,卻只有5%采用鋼結構[2]。我國即使是在2008年汶川震后災區的重建工作中,新建的住宅中仍然是磚混和鋼筋混凝土結構的傳統住宅一統天下的局面,抗震性能優異的鋼結構住宅的貢獻仍然微不足道[10]。而日本在20世紀90年代末,預制裝配住宅中鋼結構比例就已達到71% [11]
    2 網架和門式剛架結構在我國發展的經驗值得推廣
    在大跨度建筑中,以網架和網殼結構為代表的網格結構50多年來成為我國發展最快,應用最廣的結構,無論在使用范圍、結構型式、安裝施工等方面均具有中國建筑結構的特色。據中國鋼結構協會空間結構分會統計:網架和網殼的生產2005年~2008年已趨于平穩狀態,每年建造1500座,約250萬平方米。
    門式剛架輕型鋼結構體系自20世紀80年代在我國采用以來,迅速發展,每年建造約800萬m2,在單層輕型工業廠房和倉庫建筑中幾乎都采用這種結構體系。
    這兩種結構體系之所以能夠得到迅猛發展和推廣,主要是充分體現了鋼結構輕、快、好、省的特點。這兩種結構體系都采用了輕屋面,結構構件都經過千方百計的優化,使結構的自重減到極輕,體現了鋼結構輕的特點。這兩種都是體系化結構,具有高度的工廠化、標準化和模數化,現場施工幾乎不用焊接,因此施工速度極快,體現了鋼結構快的特點。有專用設計規范和商用軟件,能夠保證設計質量,高度工廠化生產,構件形式標準化,可以在自動生產線上加工,能夠保證制作質量,體現了鋼結構質量好的特點。結構用鋼指標優異,以門式剛架鋼結構為例,用鋼指標可降低到10~30 kg/m2。結構體系化以后,可以形成批量生產,產生規模效應,明顯降低生產成本,門式剛架鋼結構的造價可降低到400~600元/ m2,因此體現了鋼結構省的特點。
    為什么在當前巨大的住宅市場中,鋼結構沒有推廣應用開來,這中間有很多問題需要研究和解決。從技術層面上來講,可以借鑒網架結構和門式剛架結構在短期內迅速發展成為建筑業中新興專門行業的經驗,也就是一定要走體系化的道路。要開發成套的鋼結構住宅產品,使鋼結構住宅的建造實現標準化、模數化;還要開發新型的圍護材料,使這些維護材料既適用于鋼結構,又符合我國居住者的使用習慣,而且還具有良好的保溫隔熱、隔聲、防潮、防滲性能,從而提高建筑的使用舒適度。
    3 近年來涌現的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術現狀令人擔憂
    近20年來,隨著我國國民經濟的高速發展,大型公共建筑的建設也得到了空前的發展,涌現出了像金茂大廈,上海大劇院等一批體現中國民族特色和時代氣息,結構設計和施工技術體現科技和工程新發展,并具有強烈先進示范性的鋼結構建筑,但也涌現出了與國際上倡導的可持續發展理念背道而馳、與國家基本建設原則背道而馳、與鋼結構“輕、快、好、省”理念背道而馳的工程,其中以國家大劇院、鳥巢,水立方和CCTV主樓為代表。
    2007年建成的國家大劇院(圖1),為了追求建筑效果,竟在歌劇院、音樂廳和戲劇場三幢獨立的建筑上用一個沒有任何使用功能的橢圓形半球殼體覆蓋,用鋼指標達263kg/m2,建成后的運營費和維護費極其驚人,僅每月電費就高達400萬元,造成能源的過度消耗和投資的巨大浪費。顯然它是一個是典型的形式主義產物,完全不符合鋼結構好、省的特點。
    2008年建成的鳥巢(圖2),建筑師為了實現雜亂無規律的外表圖像,極端忽略結構受力合理性,采用交叉平面桁架結構體系,致使交匯于菱形內柱腹桿的數量多達13根,被迫采用非常復雜的空間扭曲構件,受力最大的部位不得不采用昂貴的Q460、厚度達110mm的厚鋼板,整個工程設計、制作和安裝的復雜性前所未有。盡管幾經“瘦身”,但結構的不合理仍然導致了驚世駭俗的用鋼指標,高達712kg/m2,并使結構自重占到總荷載的70%以上,這種為了建筑視覺效果完全違背鋼結構輕、快、好、省特點的做法,簡直令人發指。
    2008年建成的水立方(圖3),不知建筑師為何心血來潮地采用了一種十分怪異的、莫明其妙的網架構件布置,使2萬根構件、1萬個節點各不相同,施工圖紙達3萬多張,繪制費時1年,大大增加了制作難度和制作費用,這種毫無益處、徒增施工難度,延長施工期限的做法、完全違背鋼結構快、好特點,實在令人難以接受。
        2009年建成的CCTV主樓(圖4),建筑方案為高空大懸挑75m的傾覆性不平衡體型,結構設計則要扶其不倒,用鋼指標仍高達296kg/m2。該設計所追求的整體前傾且在高空懸臂外伸75m的奇特建筑造型已無法得到抗震合理的結構體系,這給主樓的抗震設計留下無法彌補的隱患。這種完全違背工程結構技術合理性,完全違背了鋼結構輕、快、好、省特點的做法,令人無法容忍。
        這些工程造型各異,但本質相同,那就是極端強調建筑造型和視覺效果,忽視結構體系的合理性和經濟性、忽視環境與生態、忽視社會責任,使鋼結構完全失去“輕、快、好、省”的本來面目,導致需要加倍地投入人力、物力和財力去保證諸如抗震,抗風,防火和防意外爆炸與撞擊等結構安全問題。這四大建筑無視鋼結構特點的設計思想的傳染性很強,這種只求視覺沖擊力,無視成本和代價的潮流正在各地興起,資源和技術為形式服務之風正在形成。以下列舉一些剛剛建成和正在建造的、與上述四大建筑有同質特點的怪異鋼結構建筑。
    2010年5月建成的廣州歌劇院(圖5),造型為圓潤雙礫的大石頭,由64個面、41個轉角、104 條棱線傾斜交錯組成不規則折面,形成沒有一個面對稱,沒有一個節點相同的異型形體。所采用的空間折板式三向斜交單層網格結構體系力學性能和經濟性都不優越,桿件任意交錯,節點極其復雜,全部采用鑄鋼節點,單個節點最大重量達到39t。整個結構總用鋼量約1.2萬t。由于設計是完全無規律的組合,所以每一個節點從制造到安裝都要空中三維定位,每一個桿件都要分段鑄造再現場拼接,施工難度比起鳥巢“有過之而無不及”。
    2010年6月封頂的深圳證券交易所營運中心(圖6),高245m,由塔樓和“漂浮平臺”兩部分組成。立柱型大廈的底座被抬升至30多米高,形成巨大的“漂浮平臺”,其東西向懸挑36m,南北向懸挑22m,是世界上最大的懸挑結構,成為“世界上最大空中花園”。“漂浮平臺”單個節點最大重量達171t,總用鋼量2.8萬t,整個工程用鋼量約4.2萬t,比深圳地王大廈多1.75萬t。為了解決在30多米高空懸空建造奇特建筑造型的施工難題,使用了國內最大的兩臺塔式起重機,并首次在國內民用鋼結構工程采用沙箱卸載技術。
    2010年8月封頂的大連國際會議中心(圖7),形似一只大海龜。建筑設計追求解構主義,導致結構方案極其復雜而無規律,形成了多支撐筒體大懸挑大跨度復雜空間體系,其點為“二大、三多”——大懸挑:平臺桁架周邊(長700m)均為懸挑結構,最大懸挑長度40m。大跨度:由17個分布不均勻的豎向筒體支撐平臺和屋蓋層,屋蓋跨度最大達110m。豎向承載構件轉換多;鋼結構類型多,包括箱型結構,管桁架結構,大懸挑桁架結構,大跨度桁架結構,空間傾斜柱,空間方管柱等。形式各異的節點數量多,達8.5萬個。鋼結構的用鋼量達3.5萬t。整個工程設計、制作和施工難度超過“鳥巢”和“水立方”,被稱為“在桌面上建房子”。
    將于2010年年底竣工的合肥創新展示館(圖8),設計創意來自游戲棒,由346根長短不一的鋼管岸形成亂向自由分布的交叉桿棚罩,被稱為“合肥版鳥巢”。鋼結構桿件無一相同,分布復雜,最多處有11根桿件交匯于一點,節點也無一相同。受桿件三維不規則影響,常規的平、立、剖圖紙無法將桿件的空間關系表達清楚,制作和施工難度極大,堪比CCTV主樓。
    其它類似的工程還有深圳灣體育中心大屋蓋和海南國際會展中心等,限于篇幅,不再一一列舉。
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    五 鋼結構如何做到輕、快、好、?。?/span>
    上述這些極具“挑戰力”的建筑的建成,表明中國人能夠實現國外建筑師只知道造型而不知道做法的設計方案。我們的設計人員、施工人員包括科研人員用智慧和心血解決了諸多“人為制造的技術難題”,創造了很多“代價高昂的世界第一”,但結構復雜,施工難度大,用鋼量大并不意味著技術的進步。對比前述鋼結構發展歷程中那些建筑藝術與結構技術高度融合的鋼結構建筑典范,可以看出真正的技術進步是實現鋼結構輕、快、好、省的特點,能夠經得起自然災害和歷史的考驗。以下就如何使鋼結構做到輕、快、好、省,從方案、理念、人才、技術和環境等方面談幾點意見。
    1 設計方案的優選
    前文列舉的這些與鋼結構“輕、快、好、省”特點完全相反的奇特建筑,其結構受力復雜之程度,施工困難之程度,資源消耗之程度,建設費用高昂之程度,達到令人稱奇的地步。這些現狀與我國當前的國情是否相符?與國家建立的“適用、安全、經濟、美觀”的建筑方針是否相符?它們的建成使人們對其方案的中標過程產生質疑,到底方案中標的評價標準是什么?我國目前的重大工程幾乎都采用國外建筑師的奇特方案,方案中標與否完全決取于評審人對建筑造型的審美,而非建筑功能、結構、施工、造價、環境、節能等更多重要因素,這種方案中標評選機制的缺陷,導致當前中國產生了一大批世界上都罕見的“浪費建筑”。因此,要產生“輕、快、好、省”的鋼結構,毋庸置疑,必須要完善目前的方案評選機制,杜絕“浪費建筑”的產生。方案的評審,應該由涵蓋建造過程的建筑、結構、施工、造價、能耗等主要專業領域里的專家組成評審組,分專業進行評價,最后綜合這些指標選取最優方案,而不能簡單地以建筑造型取勝。如果在某一專業方面嚴重不合理的,應該“一票否決”。中標的方案還應接受社會的監督,增加透明度。
    2 設計理念的更新
    1) 首選化
    改革開放前,受鋼產量的限制,在“節約用鋼”基本國策的指導下,建筑鋼結構僅在重型工業廠房、大跨度公共建筑以及塔桅結構中采用。改革開放后,隨著鋼產量的大幅度增加,國家的政策變為“合理用鋼”和“積極用鋼”,但由于多方面的原因,鋼結構仍然集中在高層,大跨公共建筑和工業建筑,民用建筑應用的很少。這造成了設計人員一直以來形成的理念是鋼結構是工程造價高、設計和施工復雜的建筑結構體系,除重要的大型工程外,普通建筑很少采用。加上設計人員認識的不全面,對鋼結構耐火、防腐、剛性水平等存在疑慮,設計時首先不會想到采用鋼結構,使理念與實踐形成了一種惡性循環。本文闡述了各種鋼結構體系的發展,揭示了其“輕、快、好、省”的本質特點,希望有助于設計人員積極轉變設計理念,設計時優先考慮采用鋼結構
    2) 一體化
    目前,我國設計界通常的做法是確立建筑方案后,再去考慮結構、施工和造價等問題。以至于把“鋼結構”作為技術手段去實現“新、奇、特”的建筑造型,而非發揮鋼結構本身優異的性能。鋼結構建筑有其自身的特點,結構體系、構件和節點在很大程度上制約并決定著建筑的造型和空間,而結構體系和施工技術是否高效合理,又關系著建造成本,維護成本和拆除成本等建筑物全壽命的成本問題。因此,鋼結構建筑的建筑造型與結構設計應該從整體出發,實現一體化設計。建筑造型富有很強的力學原理,一些造型本身就決定著抗風性能和抗震性能的優劣。國內外歷次大地震均表明特別不規則的建筑都受到嚴重破壞。因此,在初步設計階段就應該通過科學、理性的一體化設計將那些“先天不足”的建筑造型剔除,以免后續被動地在結構上“創新”去彌補這些“先天不足”,造成資金和資源的巨大浪費一體化的設計需要建筑師、結構工程師和其他相關學科的技術人員全力合作,實現建筑藝術與結構技術的完美結合
    (3) 優化
    目前,國內設計院的建筑師和結構工程師對鋼筋混凝土結構較為熟悉,相對來說,對鋼結構設計并不很熟悉,特別是在鋼結構結構體系選擇、節點構造處理和構件優化問題上。結構體系選擇的優劣是影響結構性能和結構造價的關鍵;鋼結構的節點在整個結構中非常重要,節點的用鋼量也在結構用鋼量中占很大比例。節點構造處理得好,會改善結構性能,也能降低結構造價。對于構件優化這個問題,設計院幾乎都不做這個工作,設計師也不考慮這個問題。應當采用激勵的機制發揮設計師的能動性以改變這一現狀。
    3 技術人才的培養
    建筑鋼結構的應用范圍和數量將很大程度上取決于結構設計人員在結構設計方案階段的決策,以及他們對業主的建議的信服度。目前我國鋼結構專業技術人員比較缺乏,這已經成為影響整個建筑鋼結構行業發展的主要因素。從這個角度講,加快對設計人員的培養,系統地提高設計人員在建筑鋼結構領域的知識及設計水平至關重要。
    (1) 提高社會責任感
    古人講“天下興亡,匹夫有責”,在資源問題日益突出的時代,我們可以講“資源有無,匹夫有責”。國家現在一直在提倡“低碳經濟,節能減排和可持續發展”的理念。目前,人們開始重視提高建筑物運營過程的節能問題,但對建筑節能的另一個重要方面——建造過程的節能還沒有引起足夠的重視,這方面的浪費還極其嚴重。這種浪費有可能從根源上就埋下禍根,也就是設計本身不合理帶來的后果。目前技術的發展幾乎可以解決一切工程問題,即使再不符合力學原理的建筑也都能造的出來,但以付出巨大的資源和能源為代價。對于結構工程師來講,其責任并不是僅僅幫助建筑師去實現建筑造型,應該主動創新,應用新材料,優化和創新結構,最小限度地使用材料和能源并使結構的受力達到最優。
    (2) 深化鋼結構設計知識
    鋼結構設計與傳統的剛性很大的混凝土結構設計相比,無論是建筑方面還是結構方面都有著很大的不同。一般建筑鋼結構構件截面由寬厚比較大的板件構成,截面也相對較小,甚至是本身沒有彎曲剛度的索、膜構件,這使設計中出現了較明顯的非線性問題、穩定問題,甚至是一般結構設計中不會存在、理論上也十分困難的“逆問題”,如柔性結構普遍存在的找形問題。另外,建筑鋼結構相對較輕較柔,地震及風載下結構整體變形或振動的控制問題將更為突出。這些問題的解決需要設計人員具備扎實的鋼結構知識及力學理論基礎,而從總體上看,設計人員的這些知識還相當薄弱。
    現代鋼結構從傳統的重鋼廠房到輕鋼、薄鋼廠房;從多層的框架到各種高層、超高層建筑鋼結構體系;從傳統的網架、網殼等剛性大跨空間結構體系到各式各樣的可跨越更大跨度的現代半剛性、柔性或雜交空間結構體系等。不同體系可能帶來不同、甚至全新的設計概念、理論知識及設計方法等。加上新材料,新工藝,新技術不斷的出現,設計人員很難實現知識的同步更新,這都要求設計人員加強再教育,再學習[3]
    4 設計、制作、施工技術的完善
    (1) 鋼結構設計理論的深入與完善
    任何一個行業的市場發展必將與本行業科技進步與技術儲備的程度具有密切的關聯度。鋼結構行業的科研人員經過50年多年的不斷努力,對高層和超高層鋼結構、剛性和柔性大跨度鋼結構,輕型鋼結構,重型工業廠房鋼結構,桅桿鋼結構,鋼板鋼結構等結構體系的基本理論和分析設計方法等方面做出了突出的成就,但還有許多問題需要解決和完善。例如現有的抗震設計方法對鋼結構很不利。它未能充分發揮鋼結構延性好的優點,如果按規范做,鋼結構的抗震作用要比混凝土結構大,用鋼量通常會增加10%~20%。實際上考慮鋼結構的延性后,不應該出現這種情況。抗震設計時,高層和超高層建筑往往是位移控制的,如何合理確定位移限值也是降低用鋼量和造價的重要方面。這些都是鋼結構抗震設計方法中的問題。另外,我們還需要積極探索和研究更為高效的構件、節點和結構體系。隨之需要對采用新材料的構件提出合理的設計方法、研究新結構體系的有效分析方法、提出結構抗震、抗風、抗火等防災設計理念和方法等。
    (2) 各種標準規范的更新與完善
    我國現有的規范體系基本涵蓋了建筑鋼結構的基本結構用鋼材及基本應用領域。但隨著新材料、新技術、新結構體系、新應用領域不斷出現,對現有建筑鋼結構設計規范的更新、補充與完善以及對新型結構體系及新的應用領域的建筑鋼結構設計規范的編制工作顯得非常迫切[3]。例如在使用新材料上,近幾年來,一些工程中都采用國產的Q345GJZ厚板,其突出的優點是可比普通Q345鋼提高設計強度18%,可降低相關用鋼量及造價10%以上,但現有的鋼結構設計規范都一直未對上述鋼材新標準的變化做出積極的反映,致使現有設計規范與鋼材新產品標準間的矛盾日益突出[12]。國際規范通常3~5 年修訂一次,我國往往5~10 年才修改。由于我國規范強制條文多、靈活度小、修改不及時,難免會在規范中出現一些內容不全面、意思不明確、規定不合理之處,對設計人員的使用造成困難。因此,及時補充新的科研成果對提高規范水平至關重要[13]。
    (3) 配套設計軟件的編制與完善
        隨著鋼結構的快速發展,國內許多系列的鋼結構設計軟件相繼問世,可分別適應我國普鋼、多高層鋼結構、輕鋼結構、空間結構的設計需要。但在技術上還與國外還有很大的差距。如美國在輕型鋼結構上專用設計軟件可在短時間內完成設計、繪圖、工程量統計及工程報價[6]。而我國雖然已經有專門設計輕型鋼結構的軟件,但達不到國外那種完善的水平。又如國外已經開始采用基于建筑信息模型(Building Information Modeling,簡稱BIM)的設計軟件,BIM集成了建筑工程項目各種相關信息的數字化描述,能夠應用于設計、建造、管理的全過程,為建筑、結構、設備等各個專業的設計師實現了三維協同工作平臺,實現了同步和高效的工作模式。基于BIM的技術革新,不僅改變了傳統的設計方法,而且對當前鋼結構加工制作、現場施工和質量控制技術也有了新的提升[14]。而目前國內開發的設計軟件一般是一體化CAD協同設計平臺,主要是二維,還無法同時完成主結構、次結構、附件配置、材料統計等設計與構造工作。因此,急需開發自主軟件。
    (4) 鋼結構制作、施工工業化的深化與完善
    在建筑鋼結構加工制作方面,隨著鋼結構應用市場的擴大,國內鋼結構加工企業從幾十家很快發展壯大到上千家。大型企業的裝備水平、生產技術、經營管理能力,接近國際水平,生產線的主體設備是國外引進,能承擔我國國家級工程的鋼結構制造。而中、小型鋼結構加工企業總體上裝備較落后,技術水平還比較低,容易形成行業內的惡性競爭。從總體上看,產業集中度較低,加工企業分布面廣,加工能力和構件質量參差不齊,尚未形成大型企業集團[3],因此,需要加快這些企業工業化的進程。要提高工業化水平,首先要提高設備儀器等裝備的現代化程度,以現代化的裝備實現集約化生產。隨著工業化的發展,還應該形成設計、制作、施工一體化和合作鏈條,以大企業為主、中小企業為輔的產業鏈,推動鋼結構產業發展到一個新的水平
    5 建設環境的改善
    最后要提到的是目前工程建設的大環境問題。當前我國是世界上每年新建建筑量最大的國家,每年新建面積達20億平方米[15],建設規模和速度史無前例,城市化的進程令世人驚異,但許多建筑是政績工程和開發商商業利益的產物。市場競爭激烈之程度使建筑師和結構工程師疲于趕制工期,并使一些科研人員也忙于工程咨詢,為了更快、更多的完成任務,建筑形式上流于盲目模仿,結構體系上安全地使用熟悉的體系,這樣就不可避免的出現“復制”建筑和“放大比例”的建筑,導致中國大江南北的建筑同質化,幾乎沒有任何地方特色,同時也導致中國設計師在重大工程項目上競爭能力不足。沒有相對寬松的環境,沒有思考的時間,如何創新?如何使鋼結構做得更輕,更好,更快,更省?與其倉促上馬,重復建造“高投資、高能耗、低效益”的建筑,不如放慢一些建設的步伐,一則節省國家資源并減緩對生態和環境的壓力,一則節省出的資金可以用一部分來緩解中國建設行業人員的生存狀況,也給他們留出些思考的空間,專心攻克關鍵技術,提升自主創新的能力,這樣也有利于加強和完善建筑產業鏈的各項工作,實現本土設計師自主設計和建造有中國特色的建筑。
     
    六 結語
    本文通過對鋼結構發展歷程的總結,揭示了鋼結構“輕、快、好、省”的本質特點,針對目前我國建筑鋼結構發展過程中凸顯的問題,進行了比較和分析,希望讀者能夠加以思考和辨別,對鋼結構有一個正確和理性的認識,還鋼結構“輕、快、好、省”的本來面目,擴大鋼結構的應用范圍,促進鋼結構產業的健康持續發展。
     
    參考文獻
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    [03] 沈祖炎、李元齊,促進我國建筑鋼結構產業發展的幾點思考,建筑鋼結構進展,2009
    [04] 沈祖炎,鋼結構學,北京:中國建工出版社,2005
    [05] 沈祖炎、王燁華、李元齊,論結構創新,同濟大學學報,2010
    [06] 王元清、石永久、陳宏等,現代輕鋼結構建筑及其在我國的應用,建筑結構學報,2002
    [08] 何金祥,對我國鋼鐵工業發展的若干戰略性思考,國土資源情報, 2009,第3
    [10] 李自鋼,寶鋼發展鋼結構住宅的思考2010年全國鋼結構學術年會,2010
          [12] 劉樹屯,奧體工程大跨度鋼結構設計施工若干問題的建議,鋼結構中國品牌2010國際峰會,上海, 2010
    [13] 沈祖炎、溫東輝、李元齊,中國建筑鋼結構技術發展現狀與展望,建筑結構, 2009
        [14] 高承勇,淺析建筑信息模型對體型復雜鋼結構設計與施工技術的革新,鋼結構中國品牌2010國際峰會,上海, 2010
    [15] 仇保興,我國建筑節能潛力最大的六大領域及其展望,建筑節能, 2010
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