鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文簡論現(xiàn)代鋼結構和綠色建筑的特征，點評國內外幾個著名的高層全鋼結構和大跨度屋蓋鋼結構工程，說明設計優(yōu)良的鋼結構才是綠色建筑。
關鍵詞：現(xiàn)代鋼結構、綠色建筑、屋蓋彎矩結構、屋蓋空間結構、索穹頂、高層全鋼結構、巨型結構；
關于現(xiàn)代結構，美國著名結構大師、康乃爾大學L.C Urquhart教授有如下一段精彩論述：
Modern structural engineering tends to progress toward more economic structures through gradually improved methods of design and the use of higher strength materials.This results in a reduction of cross-sectional dimensions and consequent weight savings(逐步改進設計方法和采用高強材料，使現(xiàn)代結構工程向更經濟的結構形式發(fā)展，構件的截面尺寸減小、重量減輕。)
由于鋼材具有較高的強度和延性（圖1），因此，只有通過正確的鋼結構設計，由型鋼（含鋼板）和高強鋼絲等組合連接（焊接、高強螺栓）而成的鋼結構骨架，就具有綠色建筑的節(jié)材特質。
鋼結構與綠色建筑特質的比較，如表1所示。
表1 特質比較
圖1 鋼材的強度高、延性好
1991年蘭達·維爾和羅伯特·維爾合著的《綠色建筑———為可持續(xù)發(fā)展而設計》。發(fā)達國家探索可持續(xù)建筑之路，名為“綠色建筑挑戰(zhàn)”，即采用新材料、新技術、新設計方法、新設備、新工藝，實行綜合化設計，使建筑在滿足功能時所耗資源、能源最少。
最偉大的美國建筑、結構大師富勒（Fuller）提出結構哲理：少（費）多（用）———以最少的結構提供最大的承載力（Doing the Most with the Least）。
鋼結構（骨架）節(jié)材是綠色建筑最重要的內容，是結構工程師一生追求的光榮事業(yè)。然而建設部工程質量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司推行的綠色建筑政策，只談墻體節(jié)能，不談鋼骨架節(jié)材。這樣，就導致我國不少大型鋼結構（鳥巢、CCTV、深圳大運會體育場、合肥創(chuàng)新展示館等）的笨重和怪異。目前，我國設計與施工的現(xiàn)狀是：“設計”創(chuàng)造困難，“施工”也要上。
一 設計優(yōu)良的鋼結構才是綠色建筑
優(yōu)良的鋼結構必須是鋼骨架節(jié)材，墻體節(jié)能，最大限度的滿足功能，最低限度的影響環(huán)境，為人們提供健康、舒適的活動空間。并能在建筑全壽命周期內，滿足可持續(xù)發(fā)展理念。
在高層全鋼結構和大跨度屋蓋鋼結構中，100多年來，先進國家大量采用鋼結構（日本的鋼結構數(shù)量已超過70%），并能基本上實現(xiàn)鋼結構固有的三大核心價值（表1）。我國鋼結構設計，任重而道遠！
世界高層全鋼結構前三名都在美國（圖3a），其中，世界貿易中心（World Trade Center）的箱形柱截面僅450mm×450mm，厚度7.5mm~12.5mm（圖3b）；下面柱距加大，未設轉換層；吊裝件高三層樓，現(xiàn)場采用高強螺栓拼裝，與我國幾乎100%的現(xiàn)場焊接拼裝形成鮮明的對比。這種外框筒（密柱+深梁）結構方案的剪力滯后效應比較嚴重。1974年建成的西爾斯塔（Sears Tower）采用9個束框筒結構方案，剪力滯后效應明顯降低。雖然西爾斯塔比世界貿易中心高出26.213m，用鋼量卻減小26.5 kg/m2。
圖3 a) 高層全鋼結構前三名都在美國—科學發(fā)展觀
圖3 b) 世界貿易中心詳圖
世界最先進的大跨度屋蓋鋼結構—————美國喬治亞索穹頂(Georgia Dome)，1996年第26屆奧運會主場館（圖4a），橢圓平面240.79m×192.02m，（屋頂+外環(huán)）用鋼量=（30+ ）kg/m2。
世界第1個索網結構是美國雷里競技場(Raleigh Arena)，用鋼30 kg/m2（圖4b）。
世界最大跨度開合鋼網殼屋蓋是日本福岡穹頂(Fukuoka Dome)（圖4c，D=222m）。它由三塊扇形可旋轉球面網殼組成，可形成三種狀態(tài)：全封閉狀態(tài)、半開啟狀態(tài)（1/3穹頂露天）和全開啟狀態(tài)（2/3穹頂露天）。由于屋蓋裝了減震阻尼器，并采取巧妙的構造，扇形球面的跨厚比：106.4/3.5=30.4。
a) Georgia Dome（1996）———世界最先進的索膜穹頂（Cable Membrane Dome）
b) Raleigh Arena（1953）—————世界第1個索網結構（用鋼量30kg/m2）[10]
圖4c) Fukuoka Dome（1993）———世界最大球網殼開合結構（D=222m）
改革開放以來，我國鋼結構建筑發(fā)展迅速。由于設計理念問題，產生了不少著名的笨重、怪異鋼結構，與綠色建筑相佐。
沈祖炎院士在《影響中國—————第二屆中國鋼結構產業(yè)高峰論壇》主題報告中嚴厲批評了下面5個鋼結構工程（圖5），并嚴正指出：“近年來涌現(xiàn)的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術現(xiàn)狀令人擔擾”。
中國建筑金屬結構協(xié)會姚兵會長在《高峰論壇》大會上的講話也指出：“鋼結構不是說體量有多大，或者說要多用鋼，而是說要合理用鋼，并不是把鋼結構建成鋼結構碉堡”。
中央電視臺新樓CCTV(“大褲衩”)（圖5a），n=53層，高H=234m，頂上外懸挑75m，嚴重違背抗震規(guī)范強制性條文，用鋼量：14.2萬t/47萬m2=302kg/m2。創(chuàng)造了世界高層鋼結構懸挑最大的建筑奇跡。
鳥巢(Brid’s Nest)（圖5b），是2008年第29屆奧運會主場館，設計理念是：無序就是藝術。主結構采用平面桁架系結構，次結構布置無序。結構平面為橢圓：332.3m×297.3m，中央開洞185.3m×127.5m，總用鋼為4.1875萬t，實際用鋼5.2萬t，從而，用鋼量高達：710~881kg/m2，成為世界屋蓋鋼結構用鋼量最大的建筑奇跡。
合肥創(chuàng)新展示館（圖5c），成為最雜亂的創(chuàng)新奇跡。違背結構是支承作用（Actions———荷載、地震）的骨架；建筑功能與空間也很雜亂；施工時的空間定位極為復雜。
深圳大運會體育場（圖5d），是2011年第26屆世界大學生運動會的主場館，多折面格柵剛架結構，用鋼量226kg/m2。鑄鋼結點共7類：7×20個=140個，總重量0.42萬t。20個最大的肩谷鑄鋼結點，每個鑄件外形尺寸：5400mm×4600mm×3400mm（10管相交），壁厚400mm，單件重98.6t，與鍛打鋼管對接焊。
水立方（Water Cube）（圖5e），平面：176.5389m×176.5389m，高29m，結構跨度 l =117m，屋蓋厚：h=7.211m，墻體厚：3.472m和5.876m。根據(jù)L. Kelvin“泡沫”（“Foam”）理論命題：將三維空間細分為若干小部分，要求每個部分體積相同，且接觸表面積最小，這些細小部分應該是什么形狀？這種命題與結構受力毫無共同之處。“水立方”由6個14面體和2個12面體合成的基本單元體，經旋轉、切割等復雜計算后成為屋蓋和墻體，是簡單問題復雜化的建筑奇跡。筆者曾建議：按平板網架設計，在現(xiàn)場用高強螺栓拼裝網架和“泡沫”單元體，則可節(jié)約大量鋼材和施工（制造、安裝）費用，且便于“泡沫”單元折換，很遺憾，建議未采用。
a) 中央電視臺（2008）
b) 鳥巢（2008）
c) 合肥創(chuàng)新展示館（2010）
d) 深圳大運會體育場（2010）
e) 水立方（2008）
圖5 中國幾個標志性鋼結構工程
必須指出，上海浦東機場（圖6a）是一座優(yōu)秀的鋼結構建筑，張弦梁（String beam）屬于屋蓋彎矩結構（Moment-Resisting Structures）范疇（表2），機場1、2期工程張弦梁的跨度都未超過100m，說明結構工程師選結構方案OK。機場鋼屋蓋建筑的造型是：把結構力度與建筑的空間藝術美有機地結合起來，即袒露具有美學價值的結構部分———自然地顯示結構，達到巧奪天工的震憾效果。
成都雙流國際機場（圖6b），屋蓋結構方案也很成功—網架（屋蓋空間結構）。旅客置身其中，感到輕快、溫馨。轉角處理簡潔。
a) 上海浦東機場（屋蓋彎矩結構—張弦梁結構）
b) 成都雙流國際機場（屋蓋空間結構———網殼結構）
圖6 兩個成功作品
二 現(xiàn)代鋼結構設計最關鍵的兩大步驟———正確選擇結構方案和正確估計結構的截面高度
鋼結構精心設計的四大步驟：
1 結構方案（概念設計）
2 結構截面高度
3 構件布局（短程傳力、形態(tài)學與拓樸原理）
4 結點（node）小型化
其中，第1、2步極為重要。為了正確選擇結構方案（概念設計），首先必須進行結構分類。
注：在進行結構分類時，必須嚴格區(qū)分結構（structures）與構件（structural members）。
表2所示的屋蓋空間結構是一種由形狀而產生效益的結構，也叫形效結構（Formative Structures），圖7曲線a所示的索穹頂結構用鋼量很少，因此，大跨度屋蓋（直徑D或跨度L≥100m時）鋼結構必須采用屋蓋空間結構；桁架結構（屋蓋彎矩結構）的用鋼量則按跨度的平方成正比快速增加（圖7曲線b），只能用于中、小跨度中。
正確選擇結構方案是鋼結構精心設計的第1步，第2步就是結構工程師在上電子計算機前，必須正確估計結構截面高度。
下面對一些鋼結構工程進行點評：
實例1 深圳寶安體育館
寶安體育館采用徑向管桁架結構（相貫節(jié)點），跨度D=101.4m，最大外懸48.295m，實現(xiàn)了中央節(jié)點小型化。法國建筑師（方案中標者）認為：桁架懸挑處的高度取5m（=L/10）才美觀，經過作者力爭，最后采用6.5m，它是懸臂長度的1/7.43＞1/7.5。OK，用鋼量僅68kg/m2。
為了發(fā)揮萬向支座的作用，取剛度系數(shù)3kN/mm；支座圈內的下弦桿起拱，受力更合理。
圖8 深圳寶安體育館（2002）
實例2 國家大劇院
國家大劇院（圖9a），橢圓平面：212m×143m，跨度＞100m，結構方案選屋蓋空間結構—————網殼（表2）正確OK。但在上機前，結構師把結構的截面高度選得太大，用鋼量高達292 kg/m2。根據(jù)1963年美國教授司密斯（Smith M.G）對166個已建大跨度屋蓋（11種）進行回歸分析 ，這種跨度的網殼結構用鋼量不超過80 kg/m2（圖9b）。
圖9a) 外景
圖9b) 美國M.G.Smith統(tǒng)計166個工程
實例3 廣東奧林匹克體育場
廣東奧林匹克體育場的建筑理念是：珠江的水、波濤滾滾（圖10a），美國Nixon Ellerbe Racket公司中標。主桁架MT懸臂L=52.4m（圖10c），用鋼量高達200kg/m2。為了減少桁架弦桿的應力： ，筆者認為：
① 將原主桁架MT的等高度h=5.2m（圖10c）改為變高度：h=3m～7m桁架；
② 將MT弦桿開口型H截面：H 570×450×125×125改為閉口圓鋼管，有效提高Φ值；
③ 用弱支撐連接兩片“波濤”，以滿足抗震的兩階段設計：“小震”時弱支撐不壞，整體剛度好；“大震”時，支撐壞，剛度降低，地震力減小，整個結構不倒；
④ 拉索由2—337Φ7改為2—150Φ7，把索的安全系數(shù)控制在2.5~3。
通過上述四點改進，用鋼量可由原200 kg/m2降低到約80 kg/m2。
a）實景—珠江的水，波濤滾滾
c) MT徑向主桁架
圖10 廣東奧林匹克體育場
實例4 北京某客站
北京某客站一個結構跨度L=45.6m＜100m，選擇用預應力鋼桁架方案是正確的（OK），但桁架高度h=8m= L/5.7就選得不對。預應力鋼桁架的合理高度取h=L/18~L/15=2.53m~3.04m。即使普通鋼桁架，高度取h = L/12~L/10=3.80m~4.56m即可?？梢姡O計是硬道理，“硬”設計就沒有道理!硬道理在哪里？就是結構工程師要利用力學功底和結構理論正確選擇結構方案，并在上電子計算機前，正確估計結構截面高度（表3）。否則，后續(xù)的所謂優(yōu)化幾乎是無用的!
小結：為了實現(xiàn)鋼結構固有的三大核心價值（表1），鋼結構精心設計的最關鍵的兩大步驟，對結構工程師來說極為重要！
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