必须还钢结构轻、快、好、省的本来面目

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

    关键词:必须 还 钢结构
     要:介绍了钢结构“轻、快、好、省”的特点,并通过阐述高层钢结构、大跨度屋盖钢结构和轻型钢结构的发展历程说明了钢结构的这些优异性能,针对我国当前建筑钢结构发展中存在的问题予以分析,并对如何使钢结构做到“轻、快、好、省”提出了建议。以期扩大钢结构的应用范围和钢结构产业的可持续发展。
    关键词:建筑钢结构 可持续发展 钢结构体系 设计理念 设计人才 设计环境
     
    一 引言
    随着我国钢产量的快速增长和国家实行合理利用钢材和积极采用钢结构的政策以来,我国建筑钢结构的发展日新月异,取得了令世人瞩目的成就,但也凸显了一些引人思考的问题。一方面我国是产钢大国,但建筑钢结构用钢占总钢产量的比例非常小,只有4左右,同时建筑钢结构在整个建筑行业所占比例还不到5;另一方面,一些重要的单体建筑钢结构用钢指标又非常的大。这些现状使人们对现代建筑钢结构的发展方向和发展理念产生了困惑,为了促进钢结构产业健康持续的发展,本文对这些问题做一探讨,以期为工程建设提供参考和建议。
     
    二 钢结构轻、快、好、省的本来面目
    全世界至2006年已建成的101幢超高层建筑中,钢筋混凝土结构16幢,纯钢结构 59幢,不同形式的钢-混凝土混合结构27幢[1];大跨度屋盖空间结构更是钢结构的世界。钢结构的发展促使了建筑业、冶金工业、机械工业、汽车工业、农业、石油工业、商业、交通运输业等得到迅速发展。为什么钢结构的生命力越来越强大,这要归功于它优异的性能,本文简要概况为“轻、快、好、省”四个特点。
    1
    钢结构具有轻质高强性。钢材与混泥土、木材相比,其重力密度与强度的比值最小,因此,就同类建筑结构形式而言,钢结构自重轻、构件截面小、能够承受更大的荷载、可以跨越更大的跨度、便于运输和安装。例如,在同等荷载条件下,钢屋架重量只有同等混凝土屋架的1/3~1/4,若采用冷弯薄壁型钢屋架则只有1/10左右。钢结构住宅的重量是钢筋混凝土住宅的50%左右,使用面积比钢筋凝土住宅提高4%左右[2]
    2
        钢结构的工业化程度高,工期短。钢结构都为工厂制作,具备成批大件生产和成品精度高等特点,采用工厂制造、工地高强螺栓安装的施工方法,有效地缩短工期,为降低造价、发挥投资的经济效益创造条件。在同等条件下,钢结构与钢筋混凝土结构施工工期相比,前者仅是后者的1/3~1/2。
    3
    钢结构材性好,可靠性高。钢材质地均匀、各向同性、弹性模量大、有很好的塑性及韧性、为理想的弹性—塑性体。因此,钢结构不会因为偶然的超载或局部超载而突然断裂破坏;能够适应振动荷载;计算模型很好地反映钢材的力学性能,因而分析准确可靠。
    钢结构抗震性能好。钢材具有较高的抗拉和抗压强度以及较好的塑性和韧性,它的材质均匀使设计易于符合实际受力情况,加上连接构造的耗能、维护材料的蒙皮效应、耗能组件的使用,使结构体系能够抵御强烈地震作用并表现优异。因此,在国内外的历次地震中,钢结构是损坏最轻的结构,已公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。
    钢结构密封性好。钢材组织非常密实,通过焊接连接,完全适用于对气密性或水密性要求高的特种建筑物。
    钢结构耐热性好。温度在250℃以内,钢材性质变化很小,钢结构可用于温度不高于250℃的场合。当温度达到300℃以上时,强度逐渐下降,在这种场合,对钢结构必须采取防护措施。
    钢结构耐久性好。在正常的防腐维护下,建筑钢结构不会因为日常温度的变化、日晒、雨淋及一般大气介质的作用而老化,具有很好的材料耐久性。
    钢结构易于拆卸。采用螺栓连接的已建成钢结构易于拆卸、加固和改建。
    4
    单纯从目前材料的价格上看,钢结构比混凝土结构的造价要高,但钢结构比混凝土结构建设速度要快50%左右,这会节省很多时间成本,而且房屋整体重量也比混凝土结构轻50%以上,这样基础处理、运输量的成本都会下降。建造房屋是一个系统工程,包括设计、制造、运输、安装、维修和管理等诸多环节,因此,从整体上看,钢结构更“省”。
    钢材具有可回收再利用的特点,相对于目前普遍使用的其他建筑材料,其最有利于节能、节材、节水和节地。
    当然,钢结构也存在着一些不足,诸如耐火性能及耐腐蚀性能较差的问题,但通过进行结构抗火设计以及采用正确的防火措施和防腐处理完全能够达到使用要求。并且,随着新型耐火钢和耐候钢的使用,这些缺点正逐步得到弱化[3]。另外,钢结构低温脆断的问题,通过正确的设计也可以防患于未然。
    我国建筑行业近年来一直是能源、材料、水和其他资源的使用“大户”,发展推广应用钢结构完全符合国家着力提倡建立节约型社会的倡议,符合当前国家对建筑业提出的可持续化发展的要求。
     
    三 钢结构发展历程中轻、快、好、省的一些实例
    20世纪以来,随着科学技术的飞速发展及人们对物质和文化生活要求的不断提高,对各类建筑提出了更新、更高的要求。建筑钢结构由于钢材的优异性能,制作安装的高度工业化以及结构体形的新颖和灵巧,已越来越广泛地得到应用[4]。下面以近几十年来发展比较活跃的高层钢结构、大跨度屋盖钢结构和轻钢结构为例进行说明。
    1高层钢结构
    城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促使了现代多、高层建筑的出现与发展。随着建筑高度的增加,在风荷载和地震作用下,结构的抗侧力问题逐渐成为关键因素。为了提高结构抗侧力刚度,高层结构的体系不断创新和发展。以下是高层钢结构发展中一些有代表性的工程,每一个工程的建成,都形成了一种新的高层钢结构体系,并在以后的高层钢结构中广泛应用。
    1885年建成的世界上第一幢现代钢结构高层建筑——10层高的家庭保险大楼(Home Insurance Building),采用框架结构体系。这种结构体系一直被采用,到1931年建成了381m高的美国纽约帝国大厦(Empire State Building)。1968年,100层高的约翰·汉考克中心(John Hancock Center)的建成使结构上形成了一个新概念——对角支撑桁架型锥形筒体结构体系,结构抗侧能力显著提高。1973年建成的美国纽约世界贸易中心创新性地采用密柱深梁的钢框架筒体作为结构的主要抗侧力体系。1974年,当时的世界第一高楼西尔斯大厦(Sears Tower)又将筒体结构发展为束筒体系。筒中筒和束筒结构体系减小了框筒结构的剪力滞后效应,整体结构的抗侧刚度得到进一步的增强。钢-砼混合结构有:1988年建成的香港中国银行大楼采用由杆系结构组成的巨型空间结构体系,使得高层建筑具有更大的侧向刚度。1998年建成的上海金茂大厦使用伸臂钢桁架系统将混凝土筒体和巨型柱组合在一起,形成创新的钢-砼混合结构体系。这种结构体系已经在目前的超高层建筑结构中得以广泛应用。2008年建成的上海环球金融中心采用了创新的巨型框架-伸臂桁架-核心筒结构体系,形成多重抗侧力体系。
    这些不断出现的创新高层结构体系无论在建筑、技术、材料、设备和施工等方面都体现了钢结构轻、快、好、省的特点,反映了当时世界最先进的水平。表1列举了这些代表性工程的概况。从中可以看出高层钢结构随着其结构抗侧力体系的高效发展,结构用钢指标也在降低。因此,用钢指标也应成为衡量一种结构体系和一个结构工程优劣的重要指标[5]
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    2大跨度钢结构
    大跨度钢结构的发展中,采用了大量新材料、新工艺、新技术,结构体系不断创新,成为结构方面近50年来最活跃的研究领域。有以刚性杆件组成的网架、网壳等刚性结构体系,有以索膜等柔性材料为特征的悬索结构、薄膜结构、张拉集成体系等柔性结构体系。还有杂交结构体系,以及可展开结构和可折叠结构。
    1975年建成的上海体育馆,采用网架结构,它的平面为直径110m的圆形,用钢指标仅49kg/m2。这是我国早期网架结构的杰出代表,它使这种具有整体工作性能好、抗震性能好、用钢指标省、施工技术成熟方便等优势的结构体系在我国得到了迅猛发展,应用范围普及体育建筑、公共建筑、工业厂房以及飞机维修库等,使我国在网架结构的覆盖面积达到世界第一,在设计、制作和安装技术等方面处于世界先进行列。1997年建成的日本名古屋体育馆,采用网壳结构,它是当前世界上跨度最大的单层网壳结构,其结构施工时采用了整体提升的方法将重13000吨的屋盖提升到位,仅30个月的时间便施工完毕。柔性结构如1953年建成的美国雷里体育馆,它被认为是世界上第一座优秀的现代大跨度索网屋盖结构,它对传统建筑结构的设计理念产生了深远的影响,随后,悬索结构如雨后春笋般地出现在世界各地。又如1967年加拿大蒙特利尔世博会的德国馆,它是一个被公认为最早的、真正意义上的现代索膜结构体系,在建筑、结构和景观上实现了良好的融合,无论是对建筑还是结构都极具创新价值。又如1996年亚特兰大奥运会主场馆——佐治亚索穹顶,其平面为240m×192m的椭圆形,而用钢指标还不到30 kg/m2,这是因为它采用结构效率极高的索穹顶结构体系,这种体系突出的优势就是随着跨度的增加,结构用钢指标的增加并不明显,因而在大跨度建筑中极具应用前景。杂交结构中的张弦梁、张弦桁架和弦支穹顶由于充分发挥刚柔两种材料的优势,受力明确、结构形式多样,并且制造、运输、施工简捷方便,目前在我国得到了广泛的应用。如1998年建成的上海浦东机场一期航站楼是最早采用大跨度单向张弦梁结构体系的建筑,最大跨度82.6m。2008年北京奥运会国家体育馆为144.5m×114m的双向张弦桁架。2008年北京奥运会羽毛球馆和2009年建成的济南奥体中心体育馆分别为跨度93m和122m的张弦网壳。开启结构具有回归自然和多功能综合利用的特点,能节约能源,降低整个建筑的造价,产生了非常好的社会经济效益。我国2006年建成的最大跨度达254m的南通体育会展中心主体育馆,其固定屋盖和开启屋盖均为网壳结构。它是世界上首次将机电液压技术、移动台车多点支撑用于巨型开合结构的工程。表2显示了这些代表性大跨度钢结构的概况。
    大跨度钢结构在整体上出现从较重向轻型体系发展,从刚性体系向柔性体系发展,并出现由单一的结构形式发展到各种结构形式的合理组合。这种组合旨在集中两种或几种结构的优点,充分发挥材料强度,使结构受力更加明确合理,体系更加经济有效。
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    3 轻型钢结构
        始于20世纪初的轻型钢结构体系,在第二次世界大战期间得到了快速发展,主要用于对可拆卸性和施工速度要求很高的战地机库、军营等。20世纪40年代出现了门式刚架结构,60年代开始大量应用由彩色压型板及冷弯薄壁型钢檩条组成的轻质围护体系。目前轻型钢结构已成为发达国家的主要建筑结构形式,英国新建的非居住类房屋建筑中,90%的单层和60%的多层建筑都采用了轻型钢结构,美国在轻钢结构体系的分析、设计、制作上也实现了高度的标准化及工厂化[6]。我国自20世纪80年代的宝山钢铁公司一期工程开始应用轻型钢结构。该工程采用热轧H型钢作为主承重骨架,并首次采用彩色压型钢板作为围护结构,建设的过程显现了这种体系轻型、快速和高效的特点,给我国建筑业带来了革新。目前国内常用的轻钢结构承重体系包括:焊接门式刚架结构体系、冷弯薄壁型钢结构体系、多层房屋钢结构体系、金属拱型波纹屋盖体系等。其中轻型门式刚架结构由于结构构件和围护结构的高度系列化和定型化、结构设计合理、用钢量省、制作工业化、安装实现全部机械连接、施工迅速而周期短、以及经济效益高等特点,自20世纪90年代以来在我国得到了迅速的发展。应用范围在单层轻型厂房、仓库、大型商场、体育馆和展览厅等。
    4 发展历程总结
     从上述钢结构的发展历程我们可以总结出这样的规律:那些新颖、轻巧、受力明确又便于施工,经济效益高,节省自然资源的钢结构,也就是能够凸显“轻、快、好、省”特点的钢结构一经建成,便具有极大的示范性和推广性,形成了钢结构发展史上每一个阶段的里程碑。它们既有革新意义,同时还具有普遍的适用性,因此能够不断扩大钢结构的应用范围,并推动钢结构不断向前发展。
     
    四 目前我国钢结构的发展现状
    我国自1978年实行改革开放以来,经济建设有了突飞猛进的发展,建筑钢结构也有了前所未有的发展,而且应用领域有了较大的扩展。高层和超高层房屋、多层房屋、单层轻型房屋、体育场馆、会展中心、机场候机楼、车站,大型客机检修库、自动化高架仓库等都有采用钢结构的。尽管我国建筑钢结构有了飞跃的发展,但无论从钢结构的用钢量、应用范围和结构体系等方面看还都存在着一些问题。
    1 钢结构的应用有待拓宽
    根据世界钢铁协会的统计数据显示[7],1996年,我国粗钢材产量为10124万吨,超过1亿吨,跃居世界第一,2005年达到35579万,2006年达到42266万吨,2007年达到48924万吨,2008年达到50031万吨,2009年达到56784万吨。我国钢产量逐年增加,连续14年位居世界第一,成为世界的产钢大国。同时有资料研究表明[8],从1997 年到2007 年的10 年间,中国粗钢产量增长了3.49倍,平均年增长速度达到了16.2%。这一速度是德国的20倍,日本的11.6倍、韩国的8.5倍、俄罗斯的4倍、意大利的2.2倍,美国10年间粗钢产量没有增长反而下降;是发达国家(日本、美国、德国和意大利)平均年增长速度的7倍;是世界平均年增长速度的3倍。这表明我国钢铁工业的发展速度已远远快于世界其他主要钢铁生产国和地区。但我国钢结构的应用却远远落后于发达国家。以下一些方面有待加强。
    (1)钢结构用钢占钢材产量比应不断提高
    钢结构(统计包括工业与民用建筑、铁路与公路桥梁、水电与火电建设、城市建设等)用钢占钢材产量2002年为4.3%,2004年为4.8%,2005年为4.26%,2006年为4.12%,2007年为4.28%,预计2010年为5.5%[2]。而其中建筑钢结构用钢占钢材总产量的比例更小。国家十五计划是每年建筑钢结构用钢材占总钢材产量的3%,2015年建筑钢结构的发展目标是争取每年建筑钢结构用钢占总钢材产量的6%。而发达国家目前这一比例已达10%以上,美国、日本等国家更达到30%左右。从这些数据可以看出,我国建筑钢结构用钢量严重偏低,与钢产量的快速增长形成了巨大的反差,这也是造成我国钢材总体供大于求的一个主要原因。但同时也说明,中国钢结构发展具有极大的空间和潜力。
    (2)高性能钢材的研究应认真加强
    我国目前钢材的质量和规格基本满足建筑结构的要求,但随着建筑钢结构的快速发展,建筑钢结构对钢材的性能提出了更高的要求。如高层钢结构今后将大量需要高强度、高韧性、低屈强比、抗层状撕裂能力、高焊接性、耐火性等高性能钢材。对于冷弯钢材,需开发Q345以上的高强冷弯钢以及厚度在6~25mm的厚壁冷弯型钢。钢材质量和规格的提高,高性能钢材的生产,必将有利于降低钢结构的成本,扩大其应用范围。从总体上讲,我们应该从追求钢铁产品的数量转为提高钢材产品的质量、优化产品的结构,创新钢材的品种,以适应建筑钢结构用钢的需求,同时也促使钢铁产业的持续发展。
    (3)钢结构的应用范围亟需扩大
    我国房屋建筑中,混凝土结构占到90%以上,钢结构还不到5%,而日本等地震高发地区的建筑中钢结构占38%,木结构占35%,混凝土结构只占20%多[9]。我国建筑钢结构还仅集中使用于高层、超高层建筑、大空间公共建筑与工业建筑中,普通办公楼,学校、医院建筑等多高层建筑应用钢结构的少;低层、多层及高层住宅中钢结构应用的少。我国每年竣工6亿平方米的城镇住宅建设,却只有5%采用钢结构[2]。我国即使是在2008年汶川震后灾区的重建工作中,新建的住宅中仍然是砖混和钢筋混凝土结构的传统住宅一统天下的局面,抗震性能优异的钢结构住宅的贡献仍然微不足道[10]。而日本在20世纪90年代末,预制装配住宅中钢结构比例就已达到71% [11]
    2 网架和门式刚架结构在我国发展的经验值得推广
    在大跨度建筑中,以网架和网壳结构为代表的网格结构50多年来成为我国发展最快,应用最广的结构,无论在使用范围、结构型式、安装施工等方面均具有中国建筑结构的特色。据中国钢结构协会空间结构分会统计:网架和网壳的生产2005年~2008年已趋于平稳状态,每年建造1500座,约250万平方米。
    门式刚架轻型钢结构体系自20世纪80年代在我国采用以来,迅速发展,每年建造约800万m2,在单层轻型工业厂房和仓库建筑中几乎都采用这种结构体系。
    这两种结构体系之所以能够得到迅猛发展和推广,主要是充分体现了钢结构轻、快、好、省的特点。这两种结构体系都采用了轻屋面,结构构件都经过千方百计的优化,使结构的自重减到极轻,体现了钢结构轻的特点。这两种都是体系化结构,具有高度的工厂化、标准化和模数化,现场施工几乎不用焊接,因此施工速度极快,体现了钢结构快的特点。有专用设计规范和商用软件,能够保证设计质量,高度工厂化生产,构件形式标准化,可以在自动生产线上加工,能够保证制作质量,体现了钢结构质量好的特点。结构用钢指标优异,以门式刚架钢结构为例,用钢指标可降低到10~30 kg/m2。结构体系化以后,可以形成批量生产,产生规模效应,明显降低生产成本,门式刚架钢结构的造价可降低到400~600元/ m2,因此体现了钢结构省的特点。
    为什么在当前巨大的住宅市场中,钢结构没有推广应用开来,这中间有很多问题需要研究和解决。从技术层面上来讲,可以借鉴网架结构和门式刚架结构在短期内迅速发展成为建筑业中新兴专门行业的经验,也就是一定要走体系化的道路。要开发成套的钢结构住宅产品,使钢结构住宅的建造实现标准化、模数化;还要开发新型的围护材料,使这些维护材料既适用于钢结构,又符合我国居住者的使用习惯,而且还具有良好的保温隔热、隔声、防潮、防渗性能,从而提高建筑的使用舒适度。
    3 近年来涌现的与轻、快、好、省理念背道而驰的技术现状令人担忧
    近20年来,随着我国国民经济的高速发展,大型公共建筑的建设也得到了空前的发展,涌现出了像金茂大厦,上海大剧院等一批体现中国民族特色和时代气息,结构设计和施工技术体现科技和工程新发展,并具有强烈先进示范性的钢结构建筑,但也涌现出了与国际上倡导的可持续发展理念背道而驰、与国家基本建设原则背道而驰、与钢结构“轻、快、好、省”理念背道而驰的工程,其中以国家大剧院、鸟巢,水立方和CCTV主楼为代表。
    2007年建成的国家大剧院(图1),为了追求建筑效果,竟在歌剧院、音乐厅和戏剧场三幢独立的建筑上用一个没有任何使用功能的椭圆形半球壳体覆盖,用钢指标达263kg/m2,建成后的运营费和维护费极其惊人,仅每月电费就高达400万元,造成能源的过度消耗和投资的巨大浪费。显然它是一个是典型的形式主义产物,完全不符合钢结构好、省的特点。
    2008年建成的鸟巢(图2),建筑师为了实现杂乱无规律的外表图像,极端忽略结构受力合理性,采用交叉平面桁架结构体系,致使交汇于菱形内柱腹杆的数量多达13根,被迫采用非常复杂的空间扭曲构件,受力最大的部位不得不采用昂贵的Q460、厚度达110mm的厚钢板,整个工程设计、制作和安装的复杂性前所未有。尽管几经“瘦身”,但结构的不合理仍然导致了惊世骇俗的用钢指标,高达712kg/m2,并使结构自重占到总荷载的70%以上,这种为了建筑视觉效果完全违背钢结构轻、快、好、省特点的做法,简直令人发指。
    2008年建成的水立方(图3),不知建筑师为何心血来潮地采用了一种十分怪异的、莫明其妙的网架构件布置,使2万根构件、1万个节点各不相同,施工图纸达3万多张,绘制费时1年,大大增加了制作难度和制作费用,这种毫无益处、徒增施工难度,延长施工期限的做法、完全违背钢结构快、好特点,实在令人难以接受。
        2009年建成的CCTV主楼(图4),建筑方案为高空大悬挑75m的倾覆性不平衡体型,结构设计则要扶其不倒,用钢指标仍高达296kg/m2。该设计所追求的整体前倾且在高空悬臂外伸75m的奇特建筑造型已无法得到抗震合理的结构体系,这给主楼的抗震设计留下无法弥补的隐患。这种完全违背工程结构技术合理性,完全违背了钢结构轻、快、好、省特点的做法,令人无法容忍。
        这些工程造型各异,但本质相同,那就是极端强调建筑造型和视觉效果,忽视结构体系的合理性和经济性、忽视环境与生态、忽视社会责任,使钢结构完全失去“轻、快、好、省”的本来面目,导致需要加倍地投入人力、物力和财力去保证诸如抗震,抗风,防火和防意外爆炸与撞击等结构安全问题。这四大建筑无视钢结构特点的设计思想的传染性很强,这种只求视觉冲击力,无视成本和代价的潮流正在各地兴起,资源和技术为形式服务之风正在形成。以下列举一些刚刚建成和正在建造的、与上述四大建筑有同质特点的怪异钢结构建筑。
    2010年5月建成的广州歌剧院(图5),造型为圆润双砾的大石头,由64个面、41个转角、104 条棱线倾斜交错组成不规则折面,形成没有一个面对称,没有一个节点相同的异型形体。所采用的空间折板式三向斜交单层网格结构体系力学性能和经济性都不优越,杆件任意交错,节点极其复杂,全部采用铸钢节点,单个节点最大重量达到39t。整个结构总用钢量约1.2万t。由于设计是完全无规律的组合,所以每一个节点从制造到安装都要空中三维定位,每一个杆件都要分段铸造再现场拼接,施工难度比起鸟巢“有过之而无不及”。
    2010年6月封顶的深圳证券交易所营运中心(图6),高245m,由塔楼和“漂浮平台”两部分组成。立柱型大厦的底座被抬升至30多米高,形成巨大的“漂浮平台”,其东西向悬挑36m,南北向悬挑22m,是世界上最大的悬挑结构,成为“世界上最大空中花园”。“漂浮平台”单个节点最大重量达171t,总用钢量2.8万t,整个工程用钢量约4.2万t,比深圳地王大厦多1.75万t。为了解决在30多米高空悬空建造奇特建筑造型的施工难题,使用了国内最大的两台塔式起重机,并首次在国内民用钢结构工程采用沙箱卸载技术。
    2010年8月封顶的大连国际会议中心(图7),形似一只大海龟。建筑设计追求解构主义,导致结构方案极其复杂而无规律,形成了多支撑筒体大悬挑大跨度复杂空间体系,其点为“二大、三多”——大悬挑:平台桁架周边(长700m)均为悬挑结构,最大悬挑长度40m。大跨度:由17个分布不均匀的竖向筒体支撑平台和屋盖层,屋盖跨度最大达110m。竖向承载构件转换多;钢结构类型多,包括箱型结构,管桁架结构,大悬挑桁架结构,大跨度桁架结构,空间倾斜柱,空间方管柱等。形式各异的节点数量多,达8.5万个。钢结构的用钢量达3.5万t。整个工程设计、制作和施工难度超过“鸟巢”和“水立方”,被称为“在桌面上建房子”。
    将于2010年年底竣工的合肥创新展示馆(图8),设计创意来自游戏棒,由346根长短不一的钢管岸形成乱向自由分布的交叉杆棚罩,被称为“合肥版鸟巢”。钢结构杆件无一相同,分布复杂,最多处有11根杆件交汇于一点,节点也无一相同。受杆件三维不规则影响,常规的平、立、剖图纸无法将杆件的空间关系表达清楚,制作和施工难度极大,堪比CCTV主楼。
    其它类似的工程还有深圳湾体育中心大屋盖和海南国际会展中心等,限于篇幅,不再一一列举。
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    五 钢结构如何做到轻、快、好、省?
    上述这些极具“挑战力”的建筑的建成,表明中国人能够实现国外建筑师只知道造型而不知道做法的设计方案。我们的设计人员、施工人员包括科研人员用智慧和心血解决了诸多“人为制造的技术难题”,创造了很多“代价高昂的世界第一”,但结构复杂,施工难度大,用钢量大并不意味着技术的进步。对比前述钢结构发展历程中那些建筑艺术与结构技术高度融合的钢结构建筑典范,可以看出真正的技术进步是实现钢结构轻、快、好、省的特点,能够经得起自然灾害和历史的考验。以下就如何使钢结构做到轻、快、好、省,从方案、理念、人才、技术和环境等方面谈几点意见。
    1 设计方案的优选
    前文列举的这些与钢结构“轻、快、好、省”特点完全相反的奇特建筑,其结构受力复杂之程度,施工困难之程度,资源消耗之程度,建设费用高昂之程度,达到令人称奇的地步。这些现状与我国当前的国情是否相符?与国家建立的“适用、安全、经济、美观”的建筑方针是否相符?它们的建成使人们对其方案的中标过程产生质疑,到底方案中标的评价标准是什么?我国目前的重大工程几乎都采用国外建筑师的奇特方案,方案中标与否完全决取于评审人对建筑造型的审美,而非建筑功能、结构、施工、造价、环境、节能等更多重要因素,这种方案中标评选机制的缺陷,导致当前中国产生了一大批世界上都罕见的“浪费建筑”。因此,要产生“轻、快、好、省”的钢结构,毋庸置疑,必须要完善目前的方案评选机制,杜绝“浪费建筑”的产生。方案的评审,应该由涵盖建造过程的建筑、结构、施工、造价、能耗等主要专业领域里的专家组成评审组,分专业进行评价,最后综合这些指标选取最优方案,而不能简单地以建筑造型取胜。如果在某一专业方面严重不合理的,应该“一票否决”。中标的方案还应接受社会的监督,增加透明度。
    2 设计理念的更新
    1) 首选化
    改革开放前,受钢产量的限制,在“节约用钢”基本国策的指导下,建筑钢结构仅在重型工业厂房、大跨度公共建筑以及塔桅结构中采用。改革开放后,随着钢产量的大幅度增加,国家的政策变为“合理用钢”和“积极用钢”,但由于多方面的原因,钢结构仍然集中在高层,大跨公共建筑和工业建筑,民用建筑应用的很少。这造成了设计人员一直以来形成的理念是钢结构是工程造价高、设计和施工复杂的建筑结构体系,除重要的大型工程外,普通建筑很少采用。加上设计人员认识的不全面,对钢结构耐火、防腐、刚性水平等存在疑虑,设计时首先不会想到采用钢结构,使理念与实践形成了一种恶性循环。本文阐述了各种钢结构体系的发展,揭示了其“轻、快、好、省”的本质特点,希望有助于设计人员积极转变设计理念,设计时优先考虑采用钢结构
    2) 一体化
    目前,我国设计界通常的做法是确立建筑方案后,再去考虑结构、施工和造价等问题。以至于把“钢结构”作为技术手段去实现“新、奇、特”的建筑造型,而非发挥钢结构本身优异的性能。钢结构建筑有其自身的特点,结构体系、构件和节点在很大程度上制约并决定着建筑的造型和空间,而结构体系和施工技术是否高效合理,又关系着建造成本,维护成本和拆除成本等建筑物全寿命的成本问题。因此,钢结构建筑的建筑造型与结构设计应该从整体出发,实现一体化设计。建筑造型富有很强的力学原理,一些造型本身就决定着抗风性能和抗震性能的优劣。国内外历次大地震均表明特别不规则的建筑都受到严重破坏。因此,在初步设计阶段就应该通过科学、理性的一体化设计将那些“先天不足”的建筑造型剔除,以免后续被动地在结构上“创新”去弥补这些“先天不足”,造成资金和资源的巨大浪费一体化的设计需要建筑师、结构工程师和其他相关学科的技术人员全力合作,实现建筑艺术与结构技术的完美结合
    (3) 优化
    目前,国内设计院的建筑师和结构工程师对钢筋混凝土结构较为熟悉,相对来说,对钢结构设计并不很熟悉,特别是在钢结构结构体系选择、节点构造处理和构件优化问题上。结构体系选择的优劣是影响结构性能和结构造价的关键;钢结构的节点在整个结构中非常重要,节点的用钢量也在结构用钢量中占很大比例。节点构造处理得好,会改善结构性能,也能降低结构造价。对于构件优化这个问题,设计院几乎都不做这个工作,设计师也不考虑这个问题。应当采用激励的机制发挥设计师的能动性以改变这一现状
    3 技术人才的培养
    建筑钢结构的应用范围和数量将很大程度上取决于结构设计人员在结构设计方案阶段的决策,以及他们对业主的建议的信服度。目前我国钢结构专业技术人员比较缺乏,这已经成为影响整个建筑钢结构行业发展的主要因素。从这个角度讲,加快对设计人员的培养,系统地提高设计人员在建筑钢结构领域的知识及设计水平至关重要
    (1) 提高社会责任感
    古人讲“天下兴亡,匹夫有责”,在资源问题日益突出的时代,我们可以讲“资源有无,匹夫有责”。国家现在一直在提倡“低碳经济,节能减排和可持续发展”的理念。目前,人们开始重视提高建筑物运营过程的节能问题,但对建筑节能的另一个重要方面——建造过程的节能还没有引起足够的重视,这方面的浪费还极其严重。这种浪费有可能从根源上就埋下祸根,也就是设计本身不合理带来的后果。目前技术的发展几乎可以解决一切工程问题,即使再不符合力学原理的建筑也都能造的出来,但以付出巨大的资源和能源为代价。对于结构工程师来讲,其责任并不是仅仅帮助建筑师去实现建筑造型,应该主动创新,应用新材料,优化和创新结构,最小限度地使用材料和能源并使结构的受力达到最优。
    (2) 深化钢结构设计知识
    钢结构设计与传统的刚性很大的混凝土结构设计相比,无论是建筑方面还是结构方面都有着很大的不同。一般建筑钢结构构件截面由宽厚比较大的板件构成,截面也相对较小,甚至是本身没有弯曲刚度的索、膜构件,这使设计中出现了较明显的非线性问题、稳定问题,甚至是一般结构设计中不会存在、理论上也十分困难的“逆问题”,如柔性结构普遍存在的找形问题。另外,建筑钢结构相对较轻较柔,地震及风载下结构整体变形或振动的控制问题将更为突出。这些问题的解决需要设计人员具备扎实的钢结构知识及力学理论基础,而从总体上看,设计人员的这些知识还相当薄弱。
    现代钢结构从传统的重钢厂房到轻钢、薄钢厂房;从多层的框架到各种高层、超高层建筑钢结构体系;从传统的网架、网壳等刚性大跨空间结构体系到各式各样的可跨越更大跨度的现代半刚性、柔性或杂交空间结构体系等。不同体系可能带来不同、甚至全新的设计概念、理论知识及设计方法等。加上新材料,新工艺,新技术不断的出现,设计人员很难实现知识的同步更新,这都要求设计人员加强再教育,再学习[3]
    4 设计、制作、施工技术的完善
    (1) 钢结构设计理论的深入与完善
    任何一个行业的市场发展必将与本行业科技进步与技术储备的程度具有密切的关联度。钢结构行业的科研人员经过50年多年的不断努力,对高层和超高层钢结构、刚性和柔性大跨度钢结构,轻型钢结构,重型工业厂房钢结构,桅杆钢结构,钢板钢结构等结构体系的基本理论和分析设计方法等方面做出了突出的成就,但还有许多问题需要解决和完善。例如现有的抗震设计方法对钢结构很不利。它未能充分发挥钢结构延性好的优点,如果按规范做,钢结构的抗震作用要比混凝土结构大,用钢量通常会增加10%~20%。实际上考虑钢结构的延性后,不应该出现这种情况。抗震设计时,高层和超高层建筑往往是位移控制的,如何合理确定位移限值也是降低用钢量和造价的重要方面。这些都是钢结构抗震设计方法中的问题。另外,我们还需要积极探索和研究更为高效的构件、节点和结构体系。随之需要对采用新材料的构件提出合理的设计方法、研究新结构体系的有效分析方法、提出结构抗震、抗风、抗火等防灾设计理念和方法等。
    (2) 各种标准规范的更新与完善
    我国现有的规范体系基本涵盖了建筑钢结构的基本结构用钢材及基本应用领域。但随着新材料、新技术、新结构体系、新应用领域不断出现,对现有建筑钢结构设计规范的更新、补充与完善以及对新型结构体系及新的应用领域的建筑钢结构设计规范的编制工作显得非常迫切[3]。例如在使用新材料上,近几年来,一些工程中都采用国产的Q345GJZ厚板,其突出的优点是可比普通Q345钢提高设计强度18%,可降低相关用钢量及造价10%以上,但现有的钢结构设计规范都一直未对上述钢材新标准的变化做出积极的反映,致使现有设计规范与钢材新产品标准间的矛盾日益突出[12]。国际规范通常3~5 年修订一次,我国往往5~10 年才修改。由于我国规范强制条文多、灵活度小、修改不及时,难免会在规范中出现一些内容不全面、意思不明确、规定不合理之处,对设计人员的使用造成困难。因此,及时补充新的科研成果对提高规范水平至关重要[13]
    (3) 配套设计软件的编制与完善
        随着钢结构的快速发展,国内许多系列的钢结构设计软件相继问世,可分别适应我国普钢、多高层钢结构、轻钢结构、空间结构的设计需要。但在技术上还与国外还有很大的差距。如美国在轻型钢结构上专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价[6]。而我国虽然已经有专门设计轻型钢结构的软件,但达不到国外那种完善的水平。又如国外已经开始采用基于建筑信息模型(Building Information Modeling,简称BIM)的设计软件,BIM集成了建筑工程项目各种相关信息的数字化描述,能够应用于设计、建造、管理的全过程,为建筑、结构、设备等各个专业的设计师实现了三维协同工作平台,实现了同步和高效的工作模式。基于BIM的技术革新,不仅改变了传统的设计方法,而且对当前钢结构加工制作、现场施工和质量控制技术也有了新的提升[14]而目前国内开发的设计软件一般是一体化CAD协同设计平台,主要是二维,还无法同时完成主结构、次结构、附件配置、材料统计等设计与构造工作。因此,急需开发自主软件。
    (4) 钢结构制作、施工工业化的深化与完善
    在建筑钢结构加工制作方面,随着钢结构应用市场的扩大,国内钢结构加工企业从几十家很快发展壮大到上千家。大型企业的装备水平、生产技术、经营管理能力,接近国际水平,生产线的主体设备是国外引进,能承担我国国家级工程的钢结构制造。而中、小型钢结构加工企业总体上装备较落后,技术水平还比较低,容易形成行业内的恶性竞争。从总体上看,产业集中度较低,加工企业分布面广,加工能力和构件质量参差不齐,尚未形成大型企业集团[3],因此,需要加快这些企业工业化的进程。要提高工业化水平,首先要提高设备仪器等装备的现代化程度,以现代化的装备实现集约化生产。随着工业化的发展,还应该形成设计、制作、施工一体化和合作链条,以大企业为主、中小企业为辅的产业链,推动钢结构产业发展到一个新的水平
    5 建设环境的改善
    最后要提到的是目前工程建设的大环境问题。当前我国是世界上每年新建建筑量最大的国家,每年新建面积达20亿平方米[15],建设规模和速度史无前例,城市化的进程令世人惊异,但许多建筑是政绩工程和开发商商业利益的产物。市场竞争激烈之程度使建筑师和结构工程师疲于赶制工期,并使一些科研人员也忙于工程咨询,为了更快、更多的完成任务,建筑形式上流于盲目模仿,结构体系上安全地使用熟悉的体系,这样就不可避免的出现“复制”建筑和“放大比例”的建筑,导致中国大江南北的建筑同质化,几乎没有任何地方特色,同时也导致中国设计师在重大工程项目上竞争能力不足没有相对宽松的环境,没有思考的时间,如何创新?如何使钢结构做得更轻,更好,更快,更省?与其仓促上马,重复建造“高投资、高能耗、低效益”的建筑,不如放慢一些建设的步伐,一则节省国家资源并减缓对生态和环境的压力,一则节省出的资金可以用一部分来缓解中国建设行业人员的生存状况,也给他们留出些思考的空间,专心攻克关键技术,提升自主创新的能力,这样也有利于加强和完善建筑产业链的各项工作,实现本土设计师自主设计和建造有中国特色的建筑。
     
    六 结语
    本文通过对钢结构发展历程的总结,揭示了钢结构“轻、快、好、省”的本质特点,针对目前我国建筑钢结构发展过程中凸显的问题,进行了比较和分析,希望读者能够加以思考和辨别,对钢结构有一个正确和理性的认识,还钢结构“轻、快、好、省”的本来面目,扩大钢结构的应用范围,促进钢结构产业的健康持续发展。
     
    参考文献
    [02] 陈禄如,中国钢结构行业发展概况,中国钢铁业, 2008, 5
    [03] 沈祖炎、李元齐,促进我国建筑钢结构产业发展的几点思考,建筑钢结构进展,2009
    [04] 沈祖炎,钢结构学,北京:中国建工出版社,2005
    [05] 沈祖炎、王烨华、李元齐,论结构创新,同济大学学报,2010
    [06] 王元清、石永久、陈宏等,现代轻钢结构建筑及其在我国的应用,建筑结构学报,2002
    [08] 何金祥,对我国钢铁工业发展的若干战略性思考,国土资源情报, 2009,第3
    [10] 李自钢,宝钢发展钢结构住宅的思考2010年全国钢结构学术年会2010
          [12] 刘树屯,奥体工程大跨度钢结构设计施工若干问题的建议,钢结构中国品牌2010国际峰会,上海, 2010
    [13] 沈祖炎、温东辉、李元齐,中国建筑钢结构技术发展现状与展望,建筑结构, 2009
        [14] 高承勇,浅析建筑信息模型对体型复杂钢结构设计与施工技术的革新,钢结构中国品牌2010国际峰会,上海, 2010
    [15] 仇保兴,我国建筑节能潜力最大的六大领域及其展望,建筑节能, 2010
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