1 前言
近10多年來鋼結構發(fā)展很快，但鋼結構應用范圍涵蓋面與發(fā)達國家相比還相差甚遠，中國是建筑業(yè)大國，國內(nèi)、國外的建筑市場十分廣闊。如何擴大鋼結構應用范圍，是建筑、結構工程師在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“后建筑時代”也就是低碳、節(jié)能、環(huán)保建筑中所面臨的繼承和創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。
我國鋼結構大量在建筑工程中應用可以說是從廣州新白云國際機場開始，發(fā)展到今天在許多航站樓、會展中心、體育場館、奧運場館、工業(yè)廠房、高層建筑直至現(xiàn)在的高鐵站房。
上海世博會展館的建設，對建筑、結構業(yè)內(nèi)人士來講是一個“萬國建筑博物館”，幾乎所有的展館均采用了鋼結構，創(chuàng)造出了千姿百態(tài)形態(tài)各異的建筑風格，也說明鋼結構可以設計出建筑藝術精品。
80年代中期筆者去歐洲考察時帶回了國外的門式剛架標準設計圖紙以及H型鋼和鋼網(wǎng)架生產(chǎn)線照片。當時有的從事設計工作20多年的工程師卻認為是建筑模型而已。其實一些部屬設計院早在60年代后期門式剛架在援外工程中已有應用了，角鋼、節(jié)點板螺栓連接的鋼網(wǎng)架在高等院校的健身房中也已推廣使用。
80年代后期隨著外資企業(yè)進入中國后，門式剛架才逐步被設計工作者認知，但是對門式剛架的圍護結構采用蒙皮效應設計還是難以推廣。
2 改變傳統(tǒng)理念，提高設計水平
在上世紀80年代以前，設計單層廠房和多層廠房時，往往很自然的會不加思索的采用鋼筋砼結構，屋面結構體系采用預應力薄腹梁、大型屋面板。隨著鋼產(chǎn)量不斷增加，門式剛架重量輕、建設周期短、造價與鋼筋砼結構基本相同等的優(yōu)越性被人們逐步接受。但多、高層鋼結構商住房由于深層次原因，推廣還是困難重重。
鋼結構在建筑領域的發(fā)展勢在必行，鋼結構一方面要得到人們的認知，更重要的是提高從業(yè)人員的設計水平和學術交流。現(xiàn)在有一些建筑、結構設計工程師對鋼結構體系概念并不清楚。都是由建筑師在既定的建筑方案基礎上進行設計與計算。結構體系選擇的優(yōu)劣直接影響結構的經(jīng)濟性、合理性?，F(xiàn)在設計院的結構工程師習慣于“平法表示”，對鋼結構來講，節(jié)點構造和鋼承板鋪設方向?qū)Y構影響和樓板平面剛度尚不夠重視。節(jié)點構造在結構體系中無論對結構功能和用鋼量都占有重要地位，也直接影響造價，在設計圖中節(jié)點構造至少要提供剛接、鉸接的標準節(jié)點，只要圖示清楚就可以由制造廠在深化設計中完成。
隨著城市的快速發(fā)展新的建筑不斷涌現(xiàn)，這些工程是由多專業(yè)交融在一起，業(yè)主、設計、施工盤根錯節(jié)，要創(chuàng)建一個好的、經(jīng)得起時間檢驗和歷史記憶的建筑工程恐怕為數(shù)不多。
中國是一個建筑業(yè)大國，無論在建筑設計、結構設計和施工水平在60年代的“十大建筑”和我國援外的大型公共建筑和高層建筑都曾經(jīng)走在世界前列，引起世界關注。而現(xiàn)在建筑業(yè)大發(fā)展時代很多城市地標建筑成為外國建筑師在中國的試驗場所，但并非完美，卻對中國鋼結構的設計和施工發(fā)展拓寬了視野，推動了鋼結構行業(yè)的快速發(fā)展。
現(xiàn)代建筑鋼結構設計應體現(xiàn)鋼結構的屬性和行至有效的時代特征的藝術品建筑。深厚的控制能力，秉承錯綜復雜的工藝技術，創(chuàng)造性的設計與精湛的施工工藝相結合。
3 結構優(yōu)化設計
優(yōu)化設計是計算機發(fā)展的必然產(chǎn)物，是一門學科，各行各業(yè)都有一個“優(yōu)化”問題，在建筑、結構行業(yè)中的優(yōu)化是降低鋼材消耗為宗旨，而航天器的優(yōu)化設計是減輕自重為主導，企業(yè)管理的優(yōu)化以文化品位為導向等等。
3.1 優(yōu)化設計原則
a.優(yōu)化設計不應以降低結構安全等級和使用年限為代價，“過度優(yōu)化”必然會產(chǎn)生“樓危危”、“樓脆脆”等等，使建筑工程沒有達到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。
b.優(yōu)化設計沒有標準答案，多人計算即使采用同一程序，也可以得出不同結果，計算結果的分析判斷可信度只有自己知道。
c.優(yōu)化設計是以降低造價為目標，在建筑工程中降低造價包括設計、制作、安裝、運輸?shù)榷喾矫娴膬?yōu)化。
3.2 優(yōu)化設計方法
在鋼結構行業(yè)中為了降低用鋼量片面的理解為“應力優(yōu)化”，其實不然，建筑結構的“優(yōu)化設計”應從以下幾方面進行考慮。
(4) 節(jié)點優(yōu)化
鋼結構梁、柱連接節(jié)點，其用鋼量占總用鋼量的12%～18%，其節(jié)點構造的優(yōu)劣，直接影響鋼結構的安全度和抗震性能。
(5) 鋼網(wǎng)架的優(yōu)化
雙層或多層網(wǎng)架一般下弦層或中間層采用抽空網(wǎng)格；在局部玻璃采光頂處，可按玻璃的承載能力及玻璃區(qū)格對網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，以避免桿件交錯，取得良好的室內(nèi)視覺效果。
(6) 弦支穹頂預應力優(yōu)化
徑向預應力：如上海南站、北京南站。環(huán)向預應力：如北京奧體羽毛球館和濟南體育館，環(huán)向預應力的效能比徑向預應力效能更經(jīng)濟合理。
東南網(wǎng)架博士后工作站鄭君華博士研究的“預應力鋼結構的施工張拉及優(yōu)化結構”在實際工程建設中具有較高的工程應用價值和創(chuàng)新性。
(7) 桿件截面優(yōu)化
增加截面剛度，減少用鋼量，如悉尼機場管桁架結構采用空腹桁架和交叉柔性腹桿。推廣波型腹板H型鋼梁，但關鍵是翼緣與波型腹板的機械化焊接問題有待開發(fā)。
(8) 節(jié)點計算優(yōu)化
計算假定與構造相一致，結構構造與施工安裝相一致，節(jié)點功能與結構受力相一致。東南網(wǎng)架博士后工作站劉堅博士研究的“鋼結構高階分析理論及應用的關鍵技術研究”具有前瞻性，其中梁、柱節(jié)點半剛性連接的二階彈性分析，可作為鋼結構節(jié)點優(yōu)化設計在工程應用中的理論依據(jù)。
(9) 應力優(yōu)化
提高構件使用應力，降低結構安全度，這是“低俗化”的優(yōu)化，正確的優(yōu)化是將壓彎構件轉(zhuǎn)換成拉、壓二力構件。
4 鋼網(wǎng)架(殼)結構設計與構造
鋼網(wǎng)架(殼)結構經(jīng)過30多年的發(fā)展，應用范圍已十分廣闊，應用領域如體育場館、航站樓、工業(yè)廠房等等。該結構形式由于具有較好的經(jīng)濟性、安全性和可靠性，且包裝、運輸及安裝簡易便捷，因此，特別適用于海外工程。
目前，鋼網(wǎng)架(殼)結構的設計工具也十分先進，如MST經(jīng)過數(shù)次版本升級已日臻完善。
4.1 國內(nèi)鋼網(wǎng)架(殼)結構節(jié)點類型。
我國現(xiàn)行規(guī)范有四種節(jié)點類型，即螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點、嵌入式轂節(jié)點及板式節(jié)點，其中焊接球節(jié)點又分為加肋焊接球節(jié)點和不加肋焊接球節(jié)點。
螺栓球節(jié)點、焊接空心球節(jié)點是應用最廣泛的兩種節(jié)點形式，一般單獨應用，但也可混合應用，如北京首都國際機場T3航站樓，在其他工程中也較常見。嵌入式轂節(jié)點類似加拿大的Triodetic節(jié)點，一般很少采用。板式節(jié)點在20世紀60～70年代使用較多，現(xiàn)仍有使用價值。
4.2 國外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點簡介。
國外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點體系十分豐富，如英國的Spacedeck節(jié)點體系和Nodus節(jié)點體系、德國的Mero節(jié)點體系、法國的SDC節(jié)點體系、美國的Unistrut節(jié)點體系、加拿大的Triodetic節(jié)點體系、日本的 Obayashi節(jié)點體系等等。上述節(jié)點體系有些屬于專利產(chǎn)品，有專門的產(chǎn)品標準和定點工廠生產(chǎn)，國內(nèi)如果設計需要，可以進口。圖5、圖6所示為日本熊本縣綜合公園室內(nèi)運動廣場鋼網(wǎng)殼焊接心球節(jié)點應用情況。
4.3 焊接球與螺栓球混合應用的問題
當同根桿件的一端為焊接球另一端為螺栓球（見圖7）混合使用時，應嚴格按照圖8所示施工程序進行施工，以防焊接收縮變形而使另一側螺栓無法擰到位的現(xiàn)象發(fā)生。
4.4 角鋼、節(jié)點板組成的鋼網(wǎng)架
角鋼桿件與節(jié)點板之間用螺栓連接，螺栓承受剪力，一些工程仍在應用。
4.5 鋼木組合式網(wǎng)架(殼)
采用木材或厚層膠合板作為桿件，用螺栓、銷釘和專用配件的鋼木組合式網(wǎng)架(殼)國外應用也較多。
4.6 鋼網(wǎng)架(殼)桿件接長與焊接球連接問題
4.6.1鋼管桿件的選用
有的設計要求全部桿件均采用無縫鋼管，其實無縫鋼管壁厚很不均勻，難以控制桿件的強度，而高頻直縫焊管壁厚較均勻，易于控制桿件的強度。但是高頻焊管大部分是冷彎成型，其延伸率有所下降；同時還有人擔心高頻焊管在壓力作用下會裂開，其實只要是正規(guī)廠家生產(chǎn)的高頻直縫焊管，質(zhì)量是可靠的。另外冷彎薄壁鋼管有時效現(xiàn)象，經(jīng)過一段時間以后延伸率會上升，與冷彎前非常接近，達到了節(jié)能和降低成本的效果。
4.6.2桿件的對接接長
現(xiàn)行“網(wǎng)殼結構技術規(guī)程”和即將發(fā)布的“空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程”規(guī)定，對接桿件數(shù)允許不超過桿件總數(shù)的20%，但不得集中使用，每根桿件只允許一條對接焊縫，焊縫等級要求達到一級焊縫，比過去只允許10%接長大大放松，降低了鋼材的損耗率。
4.6.3桿件與焊接空心球的連接
“網(wǎng)殼結構技術規(guī)程”規(guī)定當桿件匯交相貫時，主桿要求全截面焊接在球面上，另一桿件與主桿坡口焊接連接，但必須保證另一桿件有3/4的截面焊接在球面上，這就是搭接率只允許15%，與鋼管桁架允許的搭接率25%≤≤100%嚴格得多，是否可以放松，值得商榷。
4.7 鋼網(wǎng)架(殼)支座設計
支座作為上部鋼網(wǎng)架(殼)與下部結構連接的重要部件，理論上是一個具有“運動副”的機構，廣泛的應用于鋼網(wǎng)架(殼)工程中。鋼網(wǎng)架(殼)的支座設計對設計工程師來講應認真研究解決支座的假定。
4.7.1主要功能及選型準則
(1) 將上部結構反力可靠地集中傳遞到下部結構，固定支座可起到這種作用；
(2) 有些反力傳遞給下部結構時，將使下部結構處于非常不利的復雜受力狀態(tài)，在各種隨機荷載作用下，釋放這些反力使其不至于傳遞到下部結構。鉸接支座和橡膠支座可釋放彎矩或水平推力作用；
(3) 大跨度鋼網(wǎng)架(殼)基于風力或溫度應力在支座上產(chǎn)生較大水平剪力，可采用有限滑移、轉(zhuǎn)動的鉸接支座，釋放部分水平剪力；
(4) 支座還應具有抗震、減震和隔振作用的功能，以減少隨機荷載峰值，以確保下部結構的安全度；
(5) 支座的安全等級及設計使用年限與鋼網(wǎng)架(殼)的安全等級及設計使用年限應相一致，特別是支座設計時其輔助材料必須考慮耐久性和可更換性。
4.7.2幾個典型案例
(1) 鋼網(wǎng)架(殼)不允許所有支座假定為雙向滑移，計算軟件難以反映出其雙向滑移的結果，但實際情況會產(chǎn)生鋼網(wǎng)架(殼)整體浮動，不受任何方向水平力，實際上是分離狀態(tài)；
(2) 鋼網(wǎng)架支承在排架柱頂上，即使柱頂設置了連系梁，其抗側剛度不滿足柱頂位移情況時：
5.2 合攏溫度
超大型鋼網(wǎng)架(殼)和大跨度管桁架結構無論采用什么安裝方案，都是逐塊、逐條順序安裝，逐步形成整體的過程。設計人員或施工技術人員應根據(jù)擬建地區(qū)的氣溫條件提出最終合攏區(qū)段的合攏溫度要求。合攏時應特別注意以下問題：
(1) 合攏區(qū)段的構件應以原設計的幾何尺寸和連接構造為準。不應隨意修改合擾區(qū)段的構件幾何尺寸和連接構造，更不允許采用嵌入構件來彌補施工安裝中的收縮變形；
(2) 當合攏溫度與設計要求不符時，可采取二種對策。對策一：可根據(jù)晝夜溫差確定合適的時間進行合攏。對策二：施工期內(nèi)，晝夜溫差難以解決時，必須對溫差組合效應進行優(yōu)化計算；對超應力桿件更換是不現(xiàn)實的，要么加固，要么對局部桿件可按低階塑性狀態(tài)計算，然后按結構整體校核，其變形在設計允許范圍內(nèi)也是可行的。
(3) 加強合攏區(qū)段施工期間的監(jiān)管，并做好相關的記錄，歸入驗收檔案。
6 結束語
鋼結構設計中需要探討的問題較多，文中僅提到問題的幾個方面且僅是個人觀念，有不妥之處請指正。
參考文獻
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[6]《高層建筑結構概念設計》高立人等箸，中國計劃出版社.
[7]《世界建筑結構設計精品選》日本篇 陳以一主編，中國建筑工業(yè)出版社.
[8]《網(wǎng)架網(wǎng)殼設計與施工》丁蕓孫等編著，中國建筑工業(yè)出版社.
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