馬福全 常源朝 高建新 孫 皓

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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談我國現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展★

馬福全 常源朝 高建新 孫 皓

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了鋼結(jié)構(gòu)建筑的概念及常見的建筑類型，從材料、施工工期、質(zhì)量、后期改造等方面，闡述了鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)良的工程與經(jīng)濟特性，并針對制約鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的因素，提出了幾點解決對策，有利于促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用。

鋼結(jié)構(gòu)，建筑類型，鋼材

0 引言

2008年5月12日是一個讓全體中國人民痛心的日子，下午14時28分里氏級別高達(dá)8.0級的地震發(fā)生在我國四川汶川縣，一時間山崩地裂，無數(shù)的房屋倒塌，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，成為我國在唐山大地震后傷亡最嚴(yán)重的一次自然災(zāi)害?；仡櫄v史我們可以發(fā)現(xiàn)，盡管絕大多數(shù)鋼筋混凝土建筑在地震中被摧毀，但部分鋼結(jié)構(gòu)建筑卻始終屹立不倒，例如四川綿陽的九州體育館、南河體育中心等不但沒有受到明顯破壞，還成為安置災(zāi)民的臨時避難所。我國作為一個多地震的國家，其地震級數(shù)、破壞程度給我國國民帶來了巨大災(zāi)難，要想解決這一難題，一方面是大力發(fā)展地震預(yù)測技術(shù)，健全災(zāi)害防治機制；另一方面必須積極探索我國建筑行業(yè)發(fā)展的新途徑，大力推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑形式勢在必行。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的概念及常見的鋼結(jié)構(gòu)建筑類型

1.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的概念

所謂鋼結(jié)構(gòu)建筑是相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)來說的。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑利用鋼筋和混凝土之間良好的粘結(jié)性和相近的溫度變形性能使二者緊密的結(jié)合為一體，二者互有補充相輔相成構(gòu)筑建筑物的承重基礎(chǔ)[1]。而鋼結(jié)構(gòu)建筑則是以鋼材作為建筑施工和后期承重的主要材料并結(jié)合必要的施工技術(shù)而呈現(xiàn)出的用于擔(dān)負(fù)預(yù)定任務(wù)、支撐荷載的新型建筑物形式。

1.2 常見的鋼結(jié)構(gòu)建筑類型

近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不斷擴大，工程上為了有效發(fā)揮鋼材的優(yōu)良特性所采用的結(jié)構(gòu)形式也不相同。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑形式多種多樣，按照鋼結(jié)構(gòu)的類型和用途可以分為五大類，即輕型鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)、住宅鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)和橋梁鋼結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)具體特點及主要應(yīng)用方向如表1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)良的工程和經(jīng)濟特性

最近幾年，由于國家大力推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，高層建筑日益增多，城市建設(shè)日新月異，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑得到了巨大發(fā)展，對于鋼結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)也越來越深入。鋼結(jié)構(gòu)建筑相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)勢突出、特征明顯，具體優(yōu)勢列舉如下：

1)材料方面。

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的基礎(chǔ)建材如水泥不僅是資源能源消耗大戶，而且對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染，據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)建材工業(yè)每年要消耗各種不可再生礦產(chǎn)資源70多億噸，每年排放的各類固體廢棄物占到全國工業(yè)部門總量的80%，給周邊環(huán)境帶來了巨大破壞。相比較而言，鋼結(jié)構(gòu)的主要原料為鋼材，鋼材和其他材料相比優(yōu)勢明顯。首先，由于鋼的主要組成物質(zhì)是鐵、合金和少量的碳，組織內(nèi)部質(zhì)地均勻，接近各向同性，實際工作性能與計算假定吻合度高，在承擔(dān)后期荷載方面可靠度優(yōu)勢明顯；其次，鋼材的強度較高，塑性和韌性較好。較高的強度使得鋼結(jié)構(gòu)建筑的工程適應(yīng)性提高，在建筑跨度和承載方面可以更好地適應(yīng)工程要求；良好的塑性和韌性則使結(jié)構(gòu)能通過自身的變形更好的適應(yīng)沖擊荷載，避免了結(jié)構(gòu)在動荷載條件下的失穩(wěn)現(xiàn)象。

表1 常見的鋼結(jié)構(gòu)類型表

2)施工工期和施工質(zhì)量方面。

傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑由于受施工工藝和施工材料的限制，施工工期較長，施工工序步驟繁雜，現(xiàn)場作業(yè)的施工精度不高。而鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要承重構(gòu)件能實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，且工序的連貫程度較高，從工廠到工地工人們要做的只是按施工圖進(jìn)行拼裝和錨固，大大簡化了施工工序，提高施工速度的同時也保證了工程質(zhì)量。施工工期的縮短減少了作業(yè)人員的工資支出和銀行貸款時間，也為建筑物盡快投入使用收回建造成本創(chuàng)造了有利條件。

3)后期改造方面。

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式笨重，后期拆遷重建困難較大，而且經(jīng)常產(chǎn)生大量的建筑垃圾，回收難度大，綜合利用率較低。但鋼材屬于綠色材料，可以達(dá)到100%的回收率，當(dāng)既有的鋼結(jié)構(gòu)建筑不符合社會經(jīng)濟發(fā)展要求時，整個結(jié)構(gòu)可以在短時間內(nèi)拆遷和搬移，并且大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以重復(fù)利用，節(jié)約了后期造價成本的同時對周圍環(huán)境也不會產(chǎn)生較大的影響。

3 我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展?fàn)顩r及對策分析

3.1 我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展?fàn)顩r

我國首次把熟鐵應(yīng)用于工程建筑中最早可以追溯到公元60年的兩漢時期，最著名的就是大渡河瀘定橋，充分顯示出了我國古代高超的金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)。近代以來，由于清政府盲目自大、閉關(guān)鎖國切斷了和外界的交流導(dǎo)致鋼產(chǎn)量持續(xù)下跌，鋼材在建筑業(yè)的應(yīng)用發(fā)展緩慢。新中國成立之初，千瘡百孔、百廢待興，受制于我國當(dāng)時一窮二白的發(fā)展現(xiàn)狀，鋼結(jié)構(gòu)建筑在挫折中緩慢前行。20世紀(jì)70年代末期，我國大力推行改革開放政策，我國的一些沿海地區(qū)率先從國外引進(jìn)了輕鋼技術(shù)，一大批鋼結(jié)構(gòu)廠房和多棟高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的建成迎來了我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的第一次高潮。此后，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國快速發(fā)展，在過去的30年里取得了令人欣喜的成績：

1)高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展方面。

改革開放初期，由于我國高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)發(fā)展不健全，建筑模式基本上都是國外設(shè)計和施工承建，比較著名的如上海金茂大廈、深圳地王大廈等。20世紀(jì)末期，隨著我國技術(shù)規(guī)范的完善和經(jīng)驗的積累，我國逐漸開始探索自主設(shè)計和施工的新模式，1998年大連遠(yuǎn)洋大廈的竣工標(biāo)志著我國高層鋼結(jié)構(gòu)建筑邁向國產(chǎn)化進(jìn)程。

2)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展方面。

20世紀(jì)90年代以來大批國外公司涌入中國市場，輕鋼結(jié)構(gòu)以其施工方便、綜合造價低等諸多優(yōu)點在國內(nèi)迅猛發(fā)展，國家也在全國很多地區(qū)建立了輕鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程，目前我國建設(shè)部已將輕鋼結(jié)構(gòu)住宅列為重點推廣項目，全國每年約有300萬m2輕鋼建筑竣工[4]，其中比較有代表性的如黑龍江省2002年竣工的號稱鋼鐵巨人的龍塔就采用了這種輕鋼結(jié)構(gòu)。

3)空間鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展方面。

由于空間鋼結(jié)構(gòu)建筑具有獨特的現(xiàn)代建筑美感，在國內(nèi)大型體育館、展覽中心應(yīng)用廣泛，如國家大劇院、國家體育館鳥巢等，其中國家體育館鳥巢在2014年入選“中國當(dāng)代十大建筑”，它在建造過程中采用大量焊接箱形構(gòu)件，構(gòu)件尺寸巨大而且內(nèi)部存在大量空間扭曲構(gòu)件，建造難度前所未有，充分體現(xiàn)了我國空間鋼結(jié)構(gòu)建筑的建造水平。

4)橋梁鋼結(jié)構(gòu)建筑方面。

雖然我國鋼橋工作起步較晚，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展和積累鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)已日趨成熟，在很多領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。2003年竣工的上海盧浦大橋，全橋主跨達(dá)550 m，是世界上首座采用箱形拱結(jié)構(gòu)的特大型拱橋；2008年1月份，重慶朝天門大橋主拱成功合龍，跨度超越盧浦大橋2 m，再一次刷新了大跨度橋梁的世界紀(jì)錄，而且值得一提的是，在汶川地震發(fā)生后經(jīng)過有關(guān)單位的檢測大橋完好無損，并未受到大地震的影響。

3.2 對我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的建議

目前我國鋼結(jié)構(gòu)用鋼的比例不到6%，在關(guān)鍵的住宅和橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)建筑所占比例更是不到1%，遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家20%～30%之間的發(fā)展水平。為了促進(jìn)我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，現(xiàn)將有關(guān)建議列舉如下：

1)制定有利于鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策，在政策和經(jīng)濟上給予支持。

目前，鋼結(jié)構(gòu)施工資質(zhì)的企業(yè)約有3 000家，而且企業(yè)規(guī)模普遍偏小，行業(yè)競爭十分激烈。這種競爭不僅局限于鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)之間的業(yè)務(wù)爭斗，更重要的是還要抵抗本就實力強大的傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)行業(yè)。而且由于傳統(tǒng)觀念的影響，人們對鋼結(jié)構(gòu)還處于認(rèn)知階段，對鋼結(jié)構(gòu)的特性還存在著種種擔(dān)憂，大大阻撓了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。所以國家要想推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展改變我國傳統(tǒng)建造行業(yè)格局就必須進(jìn)行宏觀調(diào)控，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。

2)促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)與高中專院校之間的交流，大力培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才。

國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展對鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才的專業(yè)素養(yǎng)有了更高要求，相關(guān)企業(yè)應(yīng)加強與高中專院校的合作，培養(yǎng)大量鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工專業(yè)人才，走產(chǎn)學(xué)研合作道路，形成鋼結(jié)構(gòu)理論、技術(shù)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化的良性循環(huán)道路。

3)加強對鋼鐵行業(yè)的管理，提高國產(chǎn)鋼材的競爭力。

最近幾年，我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩，鋼鐵企業(yè)規(guī)模參差不齊，產(chǎn)品中粗鋼所占的比重過高，一些高質(zhì)量的鋼材又不能實現(xiàn)國產(chǎn)。所以，相關(guān)部門必須強化市場監(jiān)管體系，對于規(guī)模小、耗能高、污染大的企業(yè)予以整治和關(guān)停，培育產(chǎn)業(yè)集群，支持龍頭企業(yè)做大做強。

4)重視研究鋼結(jié)構(gòu)建筑本身的局限性，力爭有所突破。

近年來鋼結(jié)構(gòu)建筑方興未艾，但不可否定的是鋼材本身也存在屬性上的不足。一方面，鋼在冶煉和澆筑的過程中存在冶煉缺陷，如化學(xué)成分在鋼材內(nèi)部分布不均勻而產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象往往會造成磷、硫等有害元素富集在鋼材某一區(qū)域，嚴(yán)重影響了鋼材的工程特性。另一方面，鋼材對不利環(huán)境的抵抗能力較差，如果后期防護不到位就極易被腐蝕，且往往后期的防護費用會大大增加鋼結(jié)構(gòu)建筑的總造價；同時鋼材雖然有一定的耐熱能力，但對火災(zāi)產(chǎn)生的高溫抵抗性能較差，如911事件中紐約世貿(mào)大樓的倒塌。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)濟耐久、施工快速、自重較輕、堅固耐用且回收利用率高，具備傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑無法比擬的工程和經(jīng)濟優(yōu)勢，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑符合我國建筑產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，符合國家的經(jīng)濟政策趨向，更加體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。隨著我國對經(jīng)濟發(fā)展過程中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用方面日趨成熟，鋼結(jié)構(gòu)建筑正在迎來發(fā)展的春天?？梢酝茰y，21世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展不可限量，終有一天鋼結(jié)構(gòu)建筑將替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為建筑首選的結(jié)構(gòu)類型。

[1] 賈艷敏，高 力.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 白尚平.國內(nèi)外綠色建材發(fā)展綜述[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2007(35):156-158.

[3] 馬 健.淺析鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展前景及關(guān)鍵問題[J].工程經(jīng)濟,2015(1):60-64.

[4] 雷宏剛.21世紀(jì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及展望[J].山西建筑,2002，28(2):4-6.

[5] 梁新文.淺析橋梁鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[A].2013中國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會論文集[C].中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(China Steel Construction Society),國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心(National Engineering Research Center for Steel Construction),2013.

On the development of modern steel structure building in China★

Ma Fuquan Chang Yuanchao Gao Jianxin Sun Hao

(School of Civil Engi., Northeast Forestry Univ., Harbin 150040, China)

The paper introduces the concept of the steel structure buildings and common architectural types, from the material, construction period, quality, late reformation and so on, illustrates the engineering and economic features of the steel structure buildings, and points out some solutions according to the factors restraining the steel structure development, so as to enhance the application of the steel structure buildings.

steel structure, architectural type, steel material

1009-6825(2016)12-0007-03

2016-02-19

馬福全(1994- )，男，在讀本科生； 常源朝(1993- )，男，在讀本科生； 高建新(1994- )，男，在讀本科生； 孫 皓(1994- )，男，在讀本科生

TU391

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★:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(項目編號：2572014CB21)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(項目編號：201510225171)