文／張春迎 青島建友工程檢測有限公司 山東青島 266400

引言：

鋼結(jié)構(gòu)作為一種先進的建筑材料，以其出色的性能特點，如高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕性和可持續(xù)性，廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。它不僅可以實現(xiàn)大跨度建筑的設(shè)計和施工，還能夠提供靈活性和創(chuàng)新性，以適應(yīng)不同的建筑需求。本論文將深入研究鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用，并重點關(guān)注其在建筑設(shè)計、施工和可持續(xù)性方面的重要性。

1.鋼結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 大跨度建筑

大跨度建筑是現(xiàn)代建筑工程的杰作，而鋼結(jié)構(gòu)的高強度和輕質(zhì)特性使其成為實現(xiàn)這些建筑的理想選擇。這些大跨度建筑包括體育場館、展覽中心、機場終端建筑等，它們的設(shè)計和施工往往需要克服重大挑戰(zhàn)，而鋼結(jié)構(gòu)能夠有效地滿足這些挑戰(zhàn)[1]。

首先，大跨度建筑通常需要創(chuàng)造巨大的開放空間，以容納大量的人群或展覽物品。鋼結(jié)構(gòu)的高強度和抗拉性能使得可以設(shè)計更薄的柱和梁，從而最大限度地減小了視野的遮擋，提供更好的觀賞性。此外，鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性使得建筑自身的重量相對較輕，可以減少地基和基礎(chǔ)工程的復(fù)雜性，降低施工成本。其次，大跨度建筑的功能性要求通常非常高，需要滿足各種活動和需求。鋼結(jié)構(gòu)的靈活性使得可以輕松地實現(xiàn)各種定制化的設(shè)計，從而滿足不同場館的具體需求。鋼結(jié)構(gòu)可以支持大跨度的屋頂覆蓋，提供廣闊的空間，同時還可以容納大型屏幕、燈光和音響設(shè)備，以滿足體育比賽、演唱會和其他大型活動的要求。最后，鋼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑的設(shè)計和施工中具有高度的可持續(xù)性。鋼材可以回收和再利用，減少了資源浪費，而且其輕質(zhì)特性可以減小建筑物的能源消耗，有助于降低碳足跡。這對于現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。鋼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑的設(shè)計和建造中具有無可替代的優(yōu)勢，它不僅實現(xiàn)了更大的開放空間和功能性，還促進了建筑工程的可持續(xù)性發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，我們可以期待看到更多引人注目的大跨度建筑涌現(xiàn)，它們將繼續(xù)塑造現(xiàn)代建筑的面貌。

1.2 獨特建筑形式

鋼結(jié)構(gòu)的可塑性確實為創(chuàng)造獨特建筑形式提供了卓越的機會。其出色的抗拉性能、高強度以及構(gòu)造靈活性，使其成為建筑師們的理想選擇，從而開創(chuàng)了許多獨特的建筑形式。以下是一些關(guān)于獨特建筑形式的示例：

（1）扭曲建筑：利用鋼結(jié)構(gòu)的可塑性，建筑師可以設(shè)計出扭曲和彎曲的建筑形式，如扭曲塔樓或螺旋橋梁。這種建筑形式在城市景觀中引人注目，為觀眾帶來視覺上的愉悅和驚喜。

（2）懸挑結(jié)構(gòu)：通過鋼結(jié)構(gòu)的強大支撐能力，建筑師可以創(chuàng)造出懸挑在空中的建筑物，如懸挑式樓層、天空步道或懸挑式觀景臺。這種形式為人們提供了獨特的體驗，使他們感覺仿佛漂浮在空中。

（3）異形建筑：鋼結(jié)構(gòu)的可調(diào)性和可塑性使得可以實現(xiàn)各種異形建筑，如球形建筑、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者抽象的雕塑形式。這種建筑形式的獨特性能夠吸引人們的目光，成為城市地標(biāo)。

（4）自支撐結(jié)構(gòu)：有些建筑師通過鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了自支撐的建筑形式，減少了對傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的依賴。這種創(chuàng)新形式為建筑帶來了輕盈感和獨特性。鋼結(jié)構(gòu)的可塑性不僅允許建筑師實現(xiàn)獨特的建筑形式，還促進了建筑領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。這些獨特的建筑形式不僅令人印象深刻，還為城市景觀增添了色彩，推動了建筑界的不斷進步。它們代表了建筑設(shè)計的無限可能性，將繼續(xù)啟發(fā)建筑師們的創(chuàng)造力[2]。

2.鋼結(jié)構(gòu)在建筑施工中的應(yīng)用

2.1 快速施工

首先，預(yù)制的鋼構(gòu)件生產(chǎn)可以在控制良好的工廠環(huán)境中進行。這意味著不受不利天氣條件的影響，生產(chǎn)過程更為高效。工程團隊可以提前計劃并協(xié)調(diào)施工進程，確保材料和構(gòu)件準(zhǔn)時送達現(xiàn)場。這種工廠制造的方法有助于縮短施工時間，降低施工風(fēng)險，并提高了質(zhì)量控制。

其次，鋼結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計允許不同部分在同一時間并行制造，然后在現(xiàn)場進行快速組裝。這種并行工作的方式加速了整個工程的進行。模塊化設(shè)計還使得工程團隊能夠更好地規(guī)劃和協(xié)調(diào)，確保不同部分的順暢安裝，從而縮短了工程周期。最后，鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性減小了施工現(xiàn)場的荷載，降低了對地基的要求。這意味著可以更快地準(zhǔn)備施工現(xiàn)場，減少土方工程時間。此外，鋼結(jié)構(gòu)的輕量設(shè)計也使得施工設(shè)備更容易操作，加速了整個建筑工程的進展。鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制和模塊化特性以及輕質(zhì)設(shè)計使其成為實現(xiàn)更快速施工的理想選擇。這種施工方法不僅有助于節(jié)省時間和成本，還提高了工程的質(zhì)量和可控性。對于需要緊急完成的項目和建筑工程來說，鋼結(jié)構(gòu)的快速施工能力至關(guān)重要，促使建筑領(lǐng)域不斷追求高效和創(chuàng)新的解決方案。

2.2 施工安全

鋼結(jié)構(gòu)在施工安全方面提供了多重優(yōu)勢，首先，它的輕質(zhì)特性減少了建筑施工中的負(fù)荷和風(fēng)險。傳統(tǒng)建筑材料如混凝土和磚塊通常較重，需要更多的人力和機械設(shè)備來處理和搬運，從而增加了施工現(xiàn)場的危險性。相比之下，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常更輕便，使得搬運和組裝變得更為容易，減少了施工中的人員傷害風(fēng)險。其次，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈活性為安全措施的采取提供了更多的空間。建筑師可以在設(shè)計中考慮到施工安全，例如增加支撐結(jié)構(gòu)、設(shè)置臨時防護欄桿、規(guī)劃安全通道等。這些措施有助于降低工人在施工現(xiàn)場的意外傷害風(fēng)險。第三，鋼結(jié)構(gòu)的高強度和可塑性使其在地震和其他自然災(zāi)害情況下具有更好的抗震性能。這意味著即使在極端情況下，建筑結(jié)構(gòu)也有更大的抵抗能力，減少了施工過程中的災(zāi)害風(fēng)險。最后，鋼結(jié)構(gòu)的高精度制造可以減少施工現(xiàn)場的調(diào)整和修復(fù)工作。預(yù)制的構(gòu)件通常在工廠中進行精確制造，減少了施工現(xiàn)場的錯誤和修正。這有助于提高施工質(zhì)量，減少了施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險。鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性、設(shè)計靈活性、高強度和高精度制造等特點使其在施工安全方面表現(xiàn)出色。通過合理的設(shè)計和施工規(guī)范，建筑師和施工團隊可以最大程度地降低工人在施工現(xiàn)場的風(fēng)險，創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。這些特性使得鋼結(jié)構(gòu)成為建筑行業(yè)中安全施工的有力支持者[3]。

3.鋼結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性

鋼結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性在現(xiàn)代建筑工程中扮演著至關(guān)重要的角色。以下是關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)可持續(xù)性的四個關(guān)鍵方面：

第一，鋼結(jié)構(gòu)的可回收性為可持續(xù)建筑和資源管理提供了強有力的支持。首先，鋼材的可回收性意味著廢棄的鋼結(jié)構(gòu)可以被回收并再次利用，而且這一過程對質(zhì)量和性能幾乎沒有損害。這意味著即使是舊的鋼結(jié)構(gòu)也可以得到有效的再利用，延長其使用壽命，減少資源浪費，降低環(huán)境負(fù)荷。通過回收和再利用鋼材，可以降低新鋼材的生產(chǎn)需求。新鋼材的生產(chǎn)通常需要大量的資源，包括鐵礦石、能源和水。減少新鋼材的需求意味著減少了這些資源的開采和消耗，從而有助于減少對自然資源的壓力。此外，鋼材生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放也會減少，因為回收鋼材需要較少的能源和排放?；厥蘸驮倮娩摬挠兄跍p少建筑廢料的產(chǎn)生。廢棄的鋼結(jié)構(gòu)通常會被送往廢棄物填埋場，占用寶貴的土地資源，同時也可能對環(huán)境造成污染。通過回收廢舊的鋼結(jié)構(gòu)，可以減少填埋場的使用，降低廢棄物管理的成本，并改善環(huán)境質(zhì)量。這對于可持續(xù)建筑和資源管理至關(guān)重要，有助于減輕建筑廢物對環(huán)境的不良影響。鋼結(jié)構(gòu)的可回收性為可持續(xù)建筑和資源管理提供了寶貴的工具。通過回收和再利用鋼材，不僅可以減少建筑廢料的產(chǎn)生，還可以降低新材料的生產(chǎn)需求，減少資源開采和能源消耗，從而降低碳排放，有助于減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。這一可回收性特點使鋼結(jié)構(gòu)成為建筑業(yè)可持續(xù)性的重要組成部分，為可持續(xù)建筑的實踐提供了堅實的基礎(chǔ)[4]。

第二，鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性在建筑行業(yè)中發(fā)揮了重要的能源效益作用。首先，由于鋼結(jié)構(gòu)相對較輕，建筑物在其基礎(chǔ)上的負(fù)荷較小，因此降低了對地基的要求。這意味著不需要過度加強地基或采取復(fù)雜的地基工程，從而減少了土方工程和能源密集型基礎(chǔ)設(shè)施的需求。這有助于減小能源消耗和環(huán)境影響，同時降低了建筑工程的成本。輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)有助于提高建筑物的運輸和組裝效率，從而減少了建筑工程期間的能源消耗。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常在工廠中預(yù)制并在現(xiàn)場組裝，這意味著更少的施工時間和資源用于建筑物的組裝。較短的工程周期減少了工程期間的能源消耗，減輕了對能源資源的需求。此外，由于輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)可以更容易地運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，減少了長途運輸?shù)哪茉闯杀?，有助于減少碳排放。鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性在降低建筑物的能源消耗方面發(fā)揮了積極的作用。通過減小地基要求和提高建筑物的運輸和組裝效率，鋼結(jié)構(gòu)有助于降低施工期間和建筑物運營階段的能源消耗，從而減少了環(huán)境影響，提高了能源效益。這為可持續(xù)建筑和能源節(jié)約提供了重要的技術(shù)支持，有助于建設(shè)更加環(huán)保和高效的建筑。

第三，鋼結(jié)構(gòu)的高強度和卓越的耐久性是建筑業(yè)中的巨大優(yōu)勢，對于延長建筑物的使用壽命和減少資源浪費都具有顯著意義。首先，高強度的鋼結(jié)構(gòu)可以支撐更大的負(fù)荷，使建筑物能夠經(jīng)受更長時間的使用和各種環(huán)境挑戰(zhàn)，如風(fēng)暴、地震和自然侵蝕。這意味著建筑物可以在更長的時間內(nèi)繼續(xù)為社會提供服務(wù)，減少了資源和能源的浪費。耐久的鋼結(jié)構(gòu)降低了建筑物的維護和修復(fù)成本。由于其抗腐蝕性和長期穩(wěn)定性，鋼結(jié)構(gòu)相對較少需要維護和修復(fù)。這減少了對新材料和資源的需求，以及維護工作的時間和成本。同時，降低了維護帶來的不便和業(yè)務(wù)中斷，使建筑物能夠保持高效運營。鋼結(jié)構(gòu)的高強度和耐久性在建筑領(lǐng)域產(chǎn)生積極的環(huán)保和經(jīng)濟效益。它們有助于延長建筑物的使用壽命，減少資源浪費和廢棄物產(chǎn)生，降低了維護成本，為可持續(xù)建筑和資源管理提供了重要的支持。這些特性使鋼結(jié)構(gòu)成為一種可持續(xù)和經(jīng)濟的建筑材料，有助于減輕對有限資源的依賴。

最后，預(yù)制和模塊化設(shè)計可以減少浪費。通過在工廠中制造構(gòu)件，并將它們精確運送到現(xiàn)場，可以減少材料浪費和減小工地上的材料剩余。這減少了資源消耗，降低了建筑項目的環(huán)境足跡。精確規(guī)劃和設(shè)計減少了現(xiàn)場調(diào)整的需求。精確計算和設(shè)計可以降低建筑項目中的錯誤和調(diào)整次數(shù)，減少了不必要的資源和材料浪費。這不僅有助于環(huán)保，還提高了施工質(zhì)量和效率。資源的有效利用有助于降低建筑項目的整體環(huán)境足跡。減少資源和能源的消耗對于減小碳足跡和降低環(huán)境影響非常重要。通過鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和施工，可以減少建筑項目對資源的需求，有助于推動更可持續(xù)的建筑實踐。

鋼結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性體現(xiàn)在其可回收性、輕質(zhì)特性、高強度和耐久性、以及資源有效利用的設(shè)計和施工過程中。這些特性使得鋼結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)代建筑工程中的可持續(xù)性材料，有助于減少資源浪費、能源消耗和環(huán)境影響，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

4.挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢

例如，預(yù)制裝配框架系統(tǒng)V2.0 是一種適用于雙層和多層框架建筑，注重裝配率的創(chuàng)新設(shè)計。該系統(tǒng)主要由甲殼柱、甲殼梁、鋼次梁以及鋼筋桁架樓承板組成，它們的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)同工作，為建筑提供了高效的裝配解決方案。甲殼柱采用四角方管和波紋側(cè)板焊接組成，內(nèi)部充填混凝土，實現(xiàn)了輕量化且堅固的結(jié)構(gòu)。在施工階段，甲殼柱可以通過機械吊裝，無需模板和支撐，具備出色的防火性能和延性。相較于傳統(tǒng)的混凝土柱，甲殼柱的性能顯著提升，包括抗壓能力提高了40%，抗剪承載力提高了150%，抗彎承載力提高了22%。此外，甲殼柱上下柱的巧妙連接方式確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而內(nèi)部的十字拉板設(shè)計有助于在澆筑過程中保持外殼不變形。這一創(chuàng)新系統(tǒng)為建筑工程提供了更高的效率和性能，同時提高了施工安全和質(zhì)量。盡管鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中有著顯著的優(yōu)勢，但也面臨一些挑戰(zhàn)，如成本、材料可持續(xù)性和抗腐蝕性。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展趨勢可能包括使用高性能材料、采用數(shù)字化設(shè)計和施工技術(shù)，以及提高鋼結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性。

甲殼梁采用了創(chuàng)新的波紋腹板構(gòu)造，內(nèi)部設(shè)計了預(yù)置套管，用以容納后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線。這一獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計在多個方面帶來了顯著的優(yōu)勢。首先，它免去了通常需要的高支模，減少了施工的復(fù)雜性和成本。高支模通常需要額外的時間和資源來安裝和移除，而甲殼梁的設(shè)計消除了這一需要，使施工更為高效。其次，波紋腹板的設(shè)計賦予了甲殼梁卓越的剛度和高承載能力。這意味著甲殼梁能夠承受更大的荷載，從而在建筑中實現(xiàn)更長的跨度和更高的安全性。這對于大型建筑結(jié)構(gòu)的支撐至關(guān)重要，尤其是在需要承受重大荷載或自然災(zāi)害的地區(qū)。最后，甲殼梁的設(shè)計保持了輕巧的自重，這是降低現(xiàn)場澆筑混凝土成本的關(guān)鍵因素。較輕的自重意味著減少了基礎(chǔ)和支撐結(jié)構(gòu)的要求，降低了施工成本，并有助于提高建筑物的整體效率?？偟膩碚f，甲殼梁通過其獨特的構(gòu)造設(shè)計，提供了高效、經(jīng)濟和高性能的解決方案，適用于各種建筑項目[5]。

在優(yōu)端梁的兩端采用了甲殼梁構(gòu)造，通過內(nèi)部混凝土澆筑，實現(xiàn)了端部下翼緣由混凝土受壓，而跨中則采用了輕量的鋼梁。這一設(shè)計不僅便于與樓板結(jié)合，還減輕了整體結(jié)構(gòu)的自重，降低了工程造價。優(yōu)弦梁作為鋼次梁，底部采用矩形鋼管內(nèi)穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線，結(jié)合波紋腹板和不同厚度的鋼板，既確保了承載能力，又有效節(jié)省了鋼材的使用。此外，節(jié)點的抗剪性能出色，強度高，節(jié)點焊接在柱外，避開了梁柱根部的彎矩最大位置，從而無需使用螺栓，安裝更為便捷，降低了安裝費用。預(yù)制裝配框架系統(tǒng)V2.0的核心技術(shù)在于采用四角小鋼管混凝土，為構(gòu)件提供卓越的壓彎承載力和剛度，同時提高了抗震性能；周邊的橫肋波紋鋼板具有較低的軸壓剛度，主要用于側(cè)向約束核心混凝土，幾乎不承擔(dān)縱向荷載；橫肋波紋鋼板還為構(gòu)件提供高抗剪承載能力；該系統(tǒng)免去了核心混凝土澆筑時的模板需求；最終，鋼甲殼結(jié)構(gòu)具備出色的局部穩(wěn)定性和側(cè)向承載能力，便于運輸和安裝。這一系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計和技術(shù)特點共同推動了建筑領(lǐng)域的進步[6]。

從未來的發(fā)展趨勢上看：近年來，人們對生活環(huán)境的健康關(guān)注日益增強，特別是新冠狀肺炎疫情的爆發(fā)使健康話題備受關(guān)注。居住環(huán)境對健康的需求也日益迫切，而傳統(tǒng)建筑帶來的污染和居住空間中的健康隱患明顯不符合現(xiàn)代人對居住環(huán)境的更高要求。為滿足綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)運而生，成為未來居住環(huán)境健康標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。如今，住所已不再僅僅是提供庇護和基本生活需要的地方?，F(xiàn)代社會的進步和科技的發(fā)展為人們創(chuàng)造了更多更好的生活條件，也提高了對住宅品質(zhì)的要求?；ヂ?lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為未來居家辦公創(chuàng)造了可能性，因此，對住宅品質(zhì)的要求也將成為未來住宅建設(shè)的主要趨勢。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅由于其工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化特點，可以更容易實現(xiàn)綠色、安全、可持續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)。這與我國住宅市場的需求相吻合，將推動住宅工業(yè)化迅速發(fā)展。然而，我國在鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域相對較晚起步，體系相對不完整，技術(shù)條件仍有待提高。因此，整個行業(yè)需要不斷學(xué)習(xí)和改進技術(shù)和管理水平，同時需要國家政策的支持和相關(guān)從業(yè)者的共同努力，以確保裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足多樣化、綠色、健康的高品質(zhì)住宅建筑需求。

結(jié)語：

鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用是多方面的，從設(shè)計到施工，再到可持續(xù)性。它為建筑行業(yè)提供了更多的靈活性、創(chuàng)新性和效率。然而，應(yīng)對挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢是至關(guān)重要的，以確保鋼結(jié)構(gòu)繼續(xù)在建筑工程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，滿足未來的需求。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將繼續(xù)推動建筑行業(yè)的發(fā)展，為人們創(chuàng)造更好的建筑環(huán)境。