1、国外建筑钢结构应用概况1 建筑用钢占总钢产量的比重近数十年来，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年我国钢产量已达11434万 t，而且每年增产300 万 t。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
2、的差距，因此，为了推动我国建筑钢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，该项指标均已超过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200300万吨。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 情况是：在20世纪50、60、70、80和90年代，以百万美元计的年销售额/以万吨计的年加工量分别为150/30、300/
3、65、1200/110、1500/125和2200/190，如以50年代为例相应的增长倍数 分别达到1、2/22 、8/37 、10/57 和15/6.3倍。从中可以看出，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。2 低层、多层建筑钢结构和轻钢结构美国金属建筑的主要市场分布：工业(生产用厂房、仓库及辅助设施等) 、商业(商场、旅馆 、展览馆、医院、办公大楼等)、社区( 私有及公有社区活动中心及建筑如学校、体育馆、图书馆 、教堂等)、综合等方面，分别占到 46%、31%、14%和9% 的份额。在美国，低层建筑中采用钢结构还是很普遍的。美国钢
4、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18m，层数不超过5层的工业厂房、仓库、办公室及其他的办公和社区建筑等，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“型截面做主与梁，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚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
5、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 Butler、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，以适应今后我国建筑钢结构不断发展的要求。3 高层及超高层钢结构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38
6、1m 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 417m 的美国纽约世界贸易中心(南北两座)；1970 年建成的 110 层、高 443m 的美国芝加哥西尔斯大厦；1996 年建成的高 450m 的马来西亚双塔石油大厦 (KLCC，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 421m，结构高度 395m，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 460m)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 279m，为世界上最高的全部采用钢管混凝
7、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、高 180m 的 NEC 大楼，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福 1997 年建成的商业银行新大楼，63层、高 298.74m，也是欧洲最高的一栋超高层建筑。该建筑平面为边长 60m 的等边三角形，其结构体系是以三角形顶点的三个独立框筒为“巨型柱“，通
8、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“巨响梁“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 800m，地上 200 层，地下 7 层，总建筑面积 150 万 m，由 12 个巨型单元体组成。每个单元体是一个直径50m、高 50 层(200m) 的框筒柱，1100 层设 4 个柱，101150 层设 3 个柱，151200 层设 1 个柱，每 50 层设置一道巨型梁。结构上设有主动控制系统，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。4 大跨度钢结构大跨度或较大跨度大都采用
9、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，博览馆，候机厅，飞机库等。最早跨 度最大的平板网架是 60 年代美国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆 91m122m(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196m)及新 奥尔良超级穹顶(Superdome，直径 207m)。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 229.6m，结构直径 187.2m，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
10、室内体育馆是美国 1996 年奥运会的主体育馆棗亚特兰大体育馆(拟椭圆形平面， 186m235m)，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 222m，是当今最大的开合钢结构屋顶，而使 1989 年建成的加拿大多伦多天空穹顶(Skydo me，直径 203m)，降为世界第二跨度最大的开合结构。超过 300m 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交(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千年穹顶(The Millenium Dome)
11、，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 格林尼治，是当今世界跨度最大的屋盖，穹顶酷像飞碟，直径 320m。穹顶由 12 根包括 10m 支座在内的高 100m 桅杆塔柱( 柱本身 90m)通过总长度70km 的钢缆绳悬挂起来的，桅杆塔 柱布置在直径 200m 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 50m，中间设有中心索桁架和 70m 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 m，总预算 7.58 亿英镑。馆内将以 “标新立异时代“ 为
12、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 12 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 3.22km 的短程线网壳，覆盖纽约市第 23-59 号街区，网壳重 8 万 t。日本巴组铁工所曾提出跨度 200m、500m 及 1000m 网壳蓝图，其中 500m 为全天候多功能体育娱乐活动厅，1000m 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。虽然这种设想在现实当中能否实现还有待于深入
13、研究，但在桥梁方面，1000m 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 890m；最大的悬索桥为日本的名石大桥 (1991m)，公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥 (悬索桥1377m)。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 7.48 万 m体育场的索网建筑群)，1976 年加拿大蒙特利尔， 1980 年莫斯科，1984 年美国洛杉矶，1988 年韩国汉城(120m 直径体操馆及 93m 直径击剑馆都是索穹顶) ，1992 年西班牙巴塞罗那圣乔地体育馆(128m)
14、，1996 年美国亚特兰大乔治亚穹顶( 186m235m 索穹顶) 。2000 年澳大利亚悉尼主体育场(11 万人，两个 220m70m 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(2-153m90m)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、马来西亚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
15、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。5 我国建筑钢结构的前景与差距从美国、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 50mm 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 100mm 的厚钢板，具有以下类型：有高强度低预热型( 以前预热 75，现在预热 50)的厚钢板 590N/mm级(HT590 级)；抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材(
16、HT590 HT780 级)和低屈服点钢板，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屈服 ，保证主要 结构减少地震损失；防火厚钢板。有 400N/mm及 490N/mm，当其在 600 时屈服强 度还能达到常温下的 2/3；装饰用的奥氏体不锈钢板及铁素体不锈钢板(沿海用，优于前者 )。目前，国内高层钢结构钢材几乎都从国外进口，工程总承包由国外承担，制造和安装则由国内廉价劳动力承包，这种局面应从速扭转，因为这与我国产钢大国的地位很不相称。大跨度钢结构钢材不象高层钢结构那样突出，但设计方案(包括建筑和结构) 经常国外中标，这种局 面与中央强调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。
