国外建筑钢结构应用概况

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作者：刘锡良
时间：2010-01-12 15:37:51 [收藏]

近数十年来，前苏联、美国、日本三个国家一直是世界上钢产量居前三位的国家，其钢产量轮流位居世界第一位。因此，这几个国家的建筑钢结构建设事业蓬勃发展。而在同一时期，我国在这方面的发展则比较缓慢，水平也相对

近数十年来，前苏联、美国、日本三个国家一直是世界上钢产量居前三位的国家，其钢产量轮流位居世界第一位。因此，这几个国家的建筑钢结构建设事业蓬勃发展。而在同一时期，我国在这方面的发展则比较缓慢，水平也相对落后。近几年来，随着我国改革开放政策的实行和推进，我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展。在此期间，我国的钢产量一跃成为世界第一位。1996年，我国钢产量首次突破亿吨大关；1998我国钢产量已达11434万吨，而且每年增产300万吨。钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造
了极好的时机。但目前，我国与发达国家相比在许多方面还存在着明显的差距,因此,为了推动我国建筑结构的进一步发展和应用，我们急需了解国外建筑钢结构的应用概况。
中国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20％－25％，而工业发达的国家则占30％以上。如美国和日本，该项指标均已越过50％。在我国，钢在建筑中主要用于建筑用钢结构，钢筋混凝土用钢筋，钢绞线，钢丝，门窗等，而其中钢结构用钢只占10％左右，在我国一亿吨的钢产量中，真正用于钢结构上的也就200-300万吨。
根据1998年中期美国金属建筑行业分布的一些数据，美国金属建筑行业的发展和市场的基本情况如下表:

年代	年销售额（百万美元）		年加工量（万吨）
年代	数量	增长倍数	数量	增长倍数
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

从表中可以看出，美国的建筑用金属年销售额增长很快，估计目前已经超过25亿美元，年加工量也已经达到200万吨以上。
美国金属建筑的主要市场分布见下表：

工业	生产用厂房，仓库及辅助设施等	46%
商业	商场，旅馆，展览馆，医院，办公大楼等	31%
社会	私有及公有社会活动中心及建筑，如学校，体育馆，图书馆，教堂等	14%
混合		9%

在美国，低层建筑中采用钢结构还是很普遍的。美国钢结构学会和金属房屋制造协会（AISC和MBMA）联合编制了低层建筑的设计指南。所谓低层建筑是指层高低于18米，层数不超过5层的工业厂房、仓库、办共室及其他的办公和社会建筑等，其中两层以下的非居住用楼房建筑占70％。
　　轻钢建筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂，仓库，体育馆，展览馆，超市等建筑。所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，以焊接“H”型截面做柱与梁，现场用螺栓或焊接拼接的门式钢架为主要结构的一种建筑，再配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。国外轻钢结构厂商如Bulter,BHP,ABC等都已经进入了中国市场。我国企业应奋起直追，创造条件积极发展我国自己的轻钢结构体系，以适应今后我内建筑钢结构不断发展的要求。
　　由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高。而钢结构本身具备自重轻，强度高，施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。目前世界上最高，最大的结构采用的都是钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。世界上目前已经建成的几个纯钢结构建筑为目前世界上最高的超高层建筑，它们是：
　　1931年建成的102层高381米的美国纽约帝国大厦（1969年以前一直是最高的）
　　1969年建成的110层高443术的美国芝加哥西尔斯大厦
　　1996年建成的高450米的马来西亚双塔石油大厦（KLCC，已号称目前世界最高，但美国的西尔斯大厦有异议）
　　我国于1997年建成的上海金茂大厦为95层，建筑高度421米，结构高度395米，也跻身于世界最高行列。如果上海浦东环球金融中心大厦（95层460米）建成，则堪称世界最高，实为我国一大光荣。深圳赛格广场大厦70层，高279米，为世界上最高的全部采用钢管混凝土的超高层建筑，这又是我国的一大光荣。
　　巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的。它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展的结构。如日本千叶县43层180米高的NEC大楼（见图1），该建筑内部布置大开口和大空间庭院，其巨型结构是由四根巨型结构柱和四个巨型的空间桁架梁组成的巨型空间桁架体系。经分析这种体系具有极强的抗推刚度。另一例是德国法兰克富1997年建成的商业银行新大楼（见图2），63层高298.74米，也是欧洲最高的一栋超高层建筑。该建筑平面为边长60米的等边三角形，其结构体系为三角形顶点的三个独立框筒为“巨型柱”，通过八层楼高的钢框架为“巨型梁”连接而围成的巨型筒体系。具有极好的整体效应和抗推刚度，其中“巨型梁”产生了巨大的“螺旋箍”效应。第三例是日本拟建的动力智能大厦（DIB－200），高800米，地上200层，地下7层，总建筑面积150万平米，由十二个巨型单元体组成（见图3）。每个单元体是个直径50米，高50层（200米）的框筒柱，1到100层设4个柱，101到150层设3个柱，151层到200设1个柱，每50层设置一道巨型梁。结构上安有主动控制系统，进一步削弱地震反应。香港汇丰银行也属于一巨型钢结构大厦，是诺尔曼.福尔特设计的。
　　大跨度或较大跨度大都采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。
　　大跨度钢结构多用于多功能体育场馆，会议展览中心，博览会，候机厅，飞机库等。最早跨度最大的平板网架是60年代美国洛杉叽加里福尼业大学体育馆91米×122米（正放四角锥）。最大的双层网壳是70年代也是在美国建造的休斯敦宇宙穹顶（Astrodome，直径196米），及新奥尔良超级穹顶（Superdome，直径207米）。90年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳，建筑直径229.6米，结构直径187.2米，采用三向网格，节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。世界上最大的室内体育馆是美国1996年奥运会的主体育馆——亚特兰大体育馆（拟椭圆形平面，186米×235米），采用的是张拉整体体系的屋盖，主要由索，杆，膜组成，是当今最有发展前途的一种新型空间结构。1993年日本建成的福冈体育馆，直径222米，是当今最大的开合钢结构屋顶。1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶（Skydome），直径203米，落为世界第二跨度最大的开合结构。超过300米的屋盖结构全部使用钢板和型钢组成，并不是最优方案，近年来研究较为成功的是杂并（混合）结构，即杆，索，膜混合使用。最为典型的例子就是千禧之年世纪之交的干年穹顶（The MilleniumDome），1997年6月开始拟建，仅用一年时间施工，1998年6月举行升顶仪式，该馆位于英国伦敦泰晤士河南岸格林威治，是当今世界跨度最大的屋盖，穹顶酷像飞碟，直径320米（见图4）。穹顶由12根包括10米支座在内的高100米桅杆塔柱（柱本身90米），通过总长度70公里的钢缆绳悬挂起来的。桅杆塔柱布置在直径200米圆周上。穹顶网格由72根成对径向索和7根环向索做成。穹顶高50米，中间设有中心索桁架和70米直径环。上覆盖144块双层巨幅白色涂以特福隆（Teflon）的玻璃纤维布。工程总面积8万平方米，总预算7.58亿英镑。馆内将以“标新立异时代”为主题举行展览会以迎接21世纪的到来。馆内设有“人体探秘’、“时光课堂”、“金融之窗”、“地球奇迹”、“展望未来”等十二个展区。当然，从理论角度讲跨度再大的结构也是有可能实现的，为此，日本，美国学者和研究单位都在进行研究，如1959年富勒曾提出建造一个直径3.22公里的短程线网壳，覆盖纽约市第23-59号街区，网壳重8万吨。日本巴组铁工所曾提出200米，500米及1000米网壳蓝图，其中50O米为全天候多功能体育娱乐活动厅，1000米为创造理想未来城市，体现工作，居住，娱乐一体化的丰富日常生活环境。虽然这种设计在现实当中能否实现还有待深入研究，但在桥梁方面（顺便提一下），1000米左右跨度已经实现，世界上跨度最大的斜拉索桥为日本的多多罗大桥全长为890米；最大的悬索桥为日本的名石大桥（1991米），公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥（悬索桥1377米）。世界最早的双曲抛物面悬索屋盖是著名的美国雷里竞技馆。另外历届奥运会、博览会等都可以显示钢结构的发展水平。如1972年德国慕尼黑（覆盖74800平方米体育场的索网建筑群），1976年加拿大蒙特利尔，1980年的莫斯科，1984年的美国洛杉矾，1988年韩国汉城（120米直径体操馆及93米直径击剑馆都是索穹顶），1992年西班牙巴塞罗纳圣乔地体育馆（128米），1996年美国亚特兰大乔治亚穹顶（186米×235米索穹顶）。2000年澳大利亚总悉尼主体育场（11万人，两个22O米×70m米的双曲抛物面网壳）。机场和机库都属于大跨度结构，在工程中基本上也都采用钢结构。如英国伦敦希思罗机库（一、二期）应是规模比较大的工程。而我国近年来建成的首都机库（2-153米×90米）采用三层斜放四角锥网格、焊接球节点平板网架，其跨度规模之大，在国际上是数一数二的，这是我国在钢结构方面的又一大殊荣。机场的钢结构屋盖由于建筑上的要求比较高，更是绚丽多彩。香港机场，马来西业机场都采用大面积单体网壳形式。目前，国际上以及我国都在流行一种波浪形曲面，树状支承以及直接交汇的相贯节点的立体桁架体系。看起来雄壮而美观。我国深圳机场，首都机场，上海浦东机场就是典型的例子。

图１采用巨型框架体系的NEC大楼图2 法兰克福商业银行新大楼图3 DBI-200的结构竖剖图

从美国，日本，欧洲一些发达国家的经验看，建筑业即将成为钢材应用的主要市场。而目前我国与之相比还有差距。因此我国的高层建筑钢材到目前为止还都从国外进口，特别是大于50毫米的厚钢板，国产产品的Z向性能尚达不到要求。国外不仅钢板厚度较大，而且可以满足各种性能要求。如日本已经能够生产的100毫米的厚钢板，具有以下类型：（1）有高强度低预热型（以前预热75℃现在预热50）的厚钢板590N／mm2级（HT590级）；（2）抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材（HT590－HT780级）利低屈服点钢板，这种钢材日本重点生产，用于次要结构上，当地震时这种材料先坏，保证主要结构减少地震损失；（3）防火厚钢板。有400N／mm2及490N／mm2，当其在600℃时其屈服强度还能达到常温下的2／3；（4）装饰用的奥氏体不锈钢板及铁索体不锈钢板（沿海用，优于前者）。

��x�m��۲�۲�۲��v�v�v쥨ky 深圳机场，长春体育馆，深圳市民中心，广州歌剧院，上海浦东机场，厦门汇展中心等。这种局面与中央号召建立我们自己的科技创新体系的号召相距甚远，应该引起我国建筑界的关注，是水平低还是其它原因，值得我们深思。
限于篇幅，本文的参考文献未能—一列出，在此特向文献作者们表示谢意：
江颖，李国强，蓝天，沈世钊，陆赐麟，郑廷银，付光耀，张朝生，王国周，王元清，施永久，陈禄如，侯文葳，侯兆欣等。

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