國外建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用概況
作者：劉錫良
時間：2010-01-12 15:37:51 [收藏]
近數(shù)十年來，前蘇聯(lián)、美國、日本三個國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個國家的建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展。而在同一時期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對
近數(shù)十年來，前蘇聯(lián)、美國、日本三個國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個國家的建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展。而在同一時期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對落后。近幾年來，隨著我國改革開放政策的實(shí)行和推進(jìn)，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。在此期間，我國的鋼產(chǎn)量一躍成為世界第一位。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸大關(guān)；1998我國鋼產(chǎn)量已達(dá)11434萬噸，而且每年增產(chǎn)300萬噸。鋼產(chǎn)量的增長為發(fā)展我國建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造
了極好的時機(jī)。但目前，我國與發(fā)達(dá)國家相比在許多方面還存在著明顯的差距,因此,為了推動我國建筑結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，我們急需了解國外建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況。
中國的建筑用鋼總量約占全部鋼產(chǎn)量的20％－25％，而工業(yè)發(fā)達(dá)的國家則占30％以上。如美國和日本，該項(xiàng)指標(biāo)均已越過50％。在我國，鋼在建筑中主要用于建筑用鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土用鋼筋，鋼絞線，鋼絲，門窗等，而其中鋼結(jié)構(gòu)用鋼只占10％左右，在我國一億噸的鋼產(chǎn)量中，真正用于鋼結(jié)構(gòu)上的也就200-300萬噸。
根據(jù)1998年中期美國金屬建筑行業(yè)分布的一些數(shù)據(jù)，美國金屬建筑行業(yè)的發(fā)展和市場的基本情況如下表:
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年代
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年銷售額（百萬美元）
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年加工量（萬噸）
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數(shù)量
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增長倍數(shù)
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數(shù)量
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增長倍數(shù)
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1960
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150
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1
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30
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1
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1970
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300
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2
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65
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2.2
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1980
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1200
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8
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110
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3.7
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1990
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1500
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10
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125
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4.2
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1997
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2200
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15
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190
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6.3
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從表中可以看出，美國的建筑用金屬年銷售額增長很快，估計(jì)目前已經(jīng)超過25億美元，年加工量也已經(jīng)達(dá)到200萬噸以上。
美國金屬建筑的主要市場分布見下表：
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工業(yè)
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生產(chǎn)用廠房，倉庫及輔助設(shè)施等
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46%
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商業(yè)
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商場，旅館，展覽館，醫(yī)院，辦公大樓等
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31%
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社會
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私有及公有社會活動中心及建筑，如學(xué)校，體育館，圖書館，教堂等
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14%
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混合
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9%
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在美國，低層建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)還是很普遍的。美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會和金屬房屋制造協(xié)會（AISC和MBMA）聯(lián)合編制了低層建筑的設(shè)計(jì)指南。所謂低層建筑是指層高低于18米，層數(shù)不超過5層的工業(yè)廠房、倉庫、辦共室及其他的辦公和社會建筑等，其中兩層以下的非居住用樓房建筑占70％。
輕鋼建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于工廠，倉庫，體育館，展覽館，超市等建筑。所謂輕鋼是指以彩鋼板作為屋面和墻面，以薄壁型鋼作檁條和圈梁，以焊接“H”型截面做柱與梁，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼接的門式鋼架為主要結(jié)構(gòu)的一種建筑，再配以零件、扣件、門窗等形成比較完善的建筑體系，即輕鋼結(jié)構(gòu)體系。這種體系由工廠制作，現(xiàn)場按要求拼裝形成。具有自重輕，建設(shè)周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，外表美觀，造價(jià)低，易維護(hù)等特點(diǎn)。由于自重輕，也降低了基礎(chǔ)的造價(jià)。國外輕鋼結(jié)構(gòu)廠商如Bulter,BHP,ABC等都已經(jīng)進(jìn)入了中國市場。我國企業(yè)應(yīng)奮起直追，創(chuàng)造條件積極發(fā)展我國自己的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)今后我內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的要求。
由于人類文化生活不斷提高，對高層、大跨度建筑的要求也就越來越高。而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕，強(qiáng)度高，施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。目前世界上最高，最大的結(jié)構(gòu)采用的都是鋼結(jié)構(gòu)，而歷屆奧運(yùn)會的場館也多采用鋼結(jié)構(gòu)。世界上目前已經(jīng)建成的幾個純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑，它們是：
1931年建成的102層高381米的美國紐約帝國大廈（1969年以前一直是最高的）
1969年建成的110層高443術(shù)的美國芝加哥西爾斯大廈
1996年建成的高450米的馬來西亞雙塔石油大廈（KLCC，已號稱目前世界最高，但美國的西爾斯大廈有異議）
我國于1997年建成的上海金茂大廈為95層，建筑高度421米，結(jié)構(gòu)高度395米，也躋身于世界最高行列。如果上海浦東環(huán)球金融中心大廈（95層460米）建成，則堪稱世界最高，實(shí)為我國一大光榮。深圳賽格廣場大廈70層，高279米，為世界上最高的全部采用鋼管混凝土的超高層建筑，這又是我國的一大光榮。
巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展的結(jié)構(gòu)。如日本千葉縣43層180米高的NEC大樓（見圖1），該建筑內(nèi)部布置大開口和大空間庭院，其巨型結(jié)構(gòu)是由四根巨型結(jié)構(gòu)柱和四個巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。經(jīng)分析這種體系具有極強(qiáng)的抗推剛度。另一例是德國法蘭克富1997年建成的商業(yè)銀行新大樓（見圖2），63層高298.74米，也是歐洲最高的一棟超高層建筑。該建筑平面為邊長60米的等邊三角形，其結(jié)構(gòu)體系為三角形頂點(diǎn)的三個獨(dú)立框筒為“巨型柱”，通過八層樓高的鋼框架為“巨型梁”連接而圍成的巨型筒體系。具有極好的整體效應(yīng)和抗推剛度，其中“巨型梁”產(chǎn)生了巨大的“螺旋箍”效應(yīng)。第三例是日本擬建的動力智能大廈（DIB－200），高800米，地上200層，地下7層，總建筑面積150萬平米，由十二個巨型單元體組成（見圖3）。每個單元體是個直徑50米，高50層（200米）的框筒柱，1到100層設(shè)4個柱，101到150層設(shè)3個柱，151層到200設(shè)1個柱，每50層設(shè)置一道巨型梁。結(jié)構(gòu)上安有主動控制系統(tǒng)，進(jìn)一步削弱地震反應(yīng)。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結(jié)構(gòu)大廈，是諾爾曼.福爾特設(shè)計(jì)的。
大跨度或較大跨度大都采用鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點(diǎn)近年來很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館，會議展覽中心，博覽會，候機(jī)廳，飛機(jī)庫等。最早跨度最大的平板網(wǎng)架是60年代美國洛杉嘰加里福尼業(yè)大學(xué)體育館91米×122米（正放四角錐）。最大的雙層網(wǎng)殼是70年代也是在美國建造的休斯敦宇宙穹頂（Astrodome，直徑196米），及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207米）。90年代在日本名古屋又興建了當(dāng)今世界上最大跨度的單層網(wǎng)殼，建筑直徑229.6米，結(jié)構(gòu)直徑187.2米，采用三向網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)為能承受軸力和彎矩的剛性節(jié)點(diǎn)。世界上最大的室內(nèi)體育館是美國1996年奧運(yùn)會的主體育館——亞特蘭大體育館（擬橢圓形平面，186米×235米），采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索，桿，膜組成，是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種新型空間結(jié)構(gòu)。1993年日本建成的福岡體育館，直徑222米，是當(dāng)今最大的開合鋼結(jié)構(gòu)屋頂。1989年建成的加拿大多倫多天空穹頂（Skydome），直徑203米，落為世界第二跨度最大的開合結(jié)構(gòu)。超過300米的屋蓋結(jié)構(gòu)全部使用鋼板和型鋼組成，并不是最優(yōu)方案，近年來研究較為成功的是雜并（混合）結(jié)構(gòu)，即桿，索，膜混合使用。最為典型的例子就是千禧之年世紀(jì)之交的干年穹頂（The MilleniumDome），1997年6月開始擬建，僅用一年時間施工，1998年6月舉行升頂儀式，該館位于英國倫敦泰晤士河南岸格林威治，是當(dāng)今世界跨度最大的屋蓋，穹頂酷像飛碟，直徑320米（見圖4）。穹頂由12根包括10米支座在內(nèi)的高100米桅桿塔柱（柱本身90米），通過總長度70公里的鋼纜繩懸掛起來的。桅桿塔柱布置在直徑200米圓周上。穹頂網(wǎng)格由72根成對徑向索和7根環(huán)向索做成。穹頂高50米，中間設(shè)有中心索桁架和70米直徑環(huán)。上覆蓋144塊雙層巨幅白色涂以特福隆（Teflon）的玻璃纖維布。工程總面積8萬平方米，總預(yù)算7.58億英鎊。館內(nèi)將以“標(biāo)新立異時代”為主題舉行展覽會以迎接21世紀(jì)的到來。館內(nèi)設(shè)有“人體探秘’、“時光課堂”、“金融之窗”、“地球奇跡”、“展望未來”等十二個展區(qū)。當(dāng)然，從理論角度講跨度再大的結(jié)構(gòu)也是有可能實(shí)現(xiàn)的，為此，日本，美國學(xué)者和研究單位都在進(jìn)行研究，如1959年富勒曾提出建造一個直徑3.22公里的短程線網(wǎng)殼，覆蓋紐約市第23-59號街區(qū)，網(wǎng)殼重8萬噸。日本巴組鐵工所曾提出200米，500米及1000米網(wǎng)殼藍(lán)圖，其中50O米為全天候多功能體育娛樂活動廳，1000米為創(chuàng)造理想未來城市，體現(xiàn)工作，居住，娛樂一體化的豐富日常生活環(huán)境。雖然這種設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中能否實(shí)現(xiàn)還有待深入研究，但在橋梁方面（順便提一下），1000米左右跨度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，世界上跨度最大的斜拉索橋?yàn)槿毡镜亩喽嗔_大橋全長為890米；最大的懸索橋?yàn)槿毡镜拿髽颍?991米），公路鐵路兩用最大跨度橋?yàn)橄愀鄣那囫R大橋（懸索橋1377米）。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是著名的美國雷里競技館。另外歷屆奧運(yùn)會、博覽會等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。如1972年德國慕尼黑（覆蓋74800平方米體育場的索網(wǎng)建筑群），1976年加拿大蒙特利爾，1980年的莫斯科，1984年的美國洛杉礬，1988年韓國漢城（120米直徑體操館及93米直徑擊劍館都是索穹頂），1992年西班牙巴塞羅納圣喬地體育館（128米），1996年美國亞特蘭大喬治亞穹頂（186米×235米索穹頂）。2000年澳大利亞總悉尼主體育場（11萬人，兩個22O米×70m米的雙曲拋物面網(wǎng)殼）。機(jī)場和機(jī)庫都屬于大跨度結(jié)構(gòu)，在工程中基本上也都采用鋼結(jié)構(gòu)。如英國倫敦希思羅機(jī)庫（一、二期）應(yīng)是規(guī)模比較大的工程。而我國近年來建成的首都機(jī)庫（2-153米×90米）采用三層斜放四角錐網(wǎng)格、焊接球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架，其跨度規(guī)模之大，在國際上是數(shù)一數(shù)二的，這是我國在鋼結(jié)構(gòu)方面的又一大殊榮。機(jī)場的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。香港機(jī)場，馬來西業(yè)機(jī)場都采用大面積單體網(wǎng)殼形式。目前，國際上以及我國都在流行一種波浪形曲面，樹狀支承以及直接交匯的相貫節(jié)點(diǎn)的立體桁架體系?？雌饋硇蹓讯烙^。我國深圳機(jī)場，首都機(jī)場，上海浦東機(jī)場就是典型的例子。
圖１ 采用巨型框架體系的NEC大樓 圖2 法蘭克福商業(yè)銀行新大樓 圖3 DBI-200的結(jié)構(gòu)豎剖圖
從美國，日本，歐洲一些發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)看，建筑業(yè)即將成為鋼材應(yīng)用的主要市場。而目前我國與之相比還有差距。因此我國的高層建筑鋼材到目前為止還都從國外進(jìn)口，特別是大于50毫米的厚鋼板，國產(chǎn)產(chǎn)品的Z向性能尚達(dá)不到要求。國外不僅鋼板厚度較大，而且可以滿足各種性能要求。如日本已經(jīng)能夠生產(chǎn)的100毫米的厚鋼板，具有以下類型：（1）有高強(qiáng)度低預(yù)熱型（以前預(yù)熱75℃現(xiàn)在預(yù)熱50）的厚鋼板590N／mm2級（HT590級）；（2）抗地震的厚鋼板，主要有低屈服比高強(qiáng)度鋼材（HT590－HT780級）利低屈服點(diǎn)鋼板，這種鋼材日本重點(diǎn)生產(chǎn)，用于次要結(jié)構(gòu)上，當(dāng)?shù)卣饡r這種材料先壞，保證主要結(jié)構(gòu)減少地震損失；（3）防火厚鋼板。有400N／mm2及490N／mm2，當(dāng)其在600℃時其屈服強(qiáng)度還能達(dá)到常溫下的2／3；（4）裝飾用的奧氏體不銹鋼板及鐵索體不銹鋼板（沿海用，優(yōu)于前者）。
深圳機(jī)場，長春體育館，深圳市民中心，廣州歌劇院，上海浦東機(jī)場，廈門匯展中心等。這種局面與中央號召建立我們自己的科技創(chuàng)新體系的號召相距甚遠(yuǎn)，應(yīng)該引起我國建筑界的關(guān)注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。
限于篇幅，本文的參考文獻(xiàn)未能—一列出，在此特向文獻(xiàn)作者們表示謝意：
江穎，李國強(qiáng)，藍(lán)天，沈世釗，陸賜麟，鄭廷銀，付光耀，張朝生，王國周，王元清，施永久，陳祿如，侯文葳，侯兆欣等。
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