关于现代钢结构建筑的结构特征概述分析

摘 要：本文简论现代钢结构和绿色建筑的特征，点评国内外几个著名的高层全钢结构和大跨度屋盖钢结构工程，说明设计优良的钢结构才是绿色建筑。

关键词：现代钢结构、绿色建筑、屋盖弯矩结构、屋盖空间结构、索穹顶、高层全钢结构、巨型结构；

关于现代结构，美国著名结构大师、康乃尔大学L.C Urquhart教授有如下一段精彩论述：

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(逐步改进设计方法和采用高强材料，使现代结构工程向更经济的结构形式发展，构件的截面尺寸减小、重量减轻。)

由于钢材具有较高的强度和延性（图1），因此，只有通过正确的钢结构设计，由型钢（含钢板）和高强钢丝等组合连接（焊接、高强螺栓）而成的钢结构骨架，就具有绿色建筑的节材特质。
钢结构与绿色建筑特质的比较，如表1所示。

表1 特质比较




图1 钢材的强度高、延性好

1991年兰达·维尔和罗伯特·维尔合著的《绿色建筑———为可持续发展而设计》。发达国家探索可持续建筑之路，名为“绿色建筑挑战”，即采用新材料、新技术、新设计方法、新设备、新工艺，实行综合化设计，使建筑在满足功能时所耗资源、能源最少。

最伟大的美国建筑、结构大师富勒（Fuller）提出结构哲理：少（费）多（用）———以最少的结构提供最大的承载力（Doing the Most with the Least）。

钢结构（骨架）节材是绿色建筑最重要的内容，是结构工程师一生追求的光荣事业。然而建设部工程质量安全监督与行业发展司推行的绿色建筑政策，只谈墙体节能，不谈钢骨架节材。这样，就导致我国不少大型钢结构（鸟巢、CCTV、深圳大运会体育场、合肥创新展示馆等）的笨重和怪异。目前，我国设计与施工的现状是：“设计”创造困难，“施工”也要上。

一 设计优良的钢结构才是绿色建筑

优良的钢结构必须是钢骨架节材，墙体节能，最大限度的满足功能，最低限度的影响环境，为人们提供健康、舒适的活动空间。并能在建筑全寿命周期内，满足可持续发展理念。

在高层全钢结构和大跨度屋盖钢结构中，100多年来，先进国家大量采用钢结构（日本的钢结构数量已超过70%），并能基本上实现钢结构固有的三大核心价值（表1）。我国钢结构设计，任重而道远！

世界高层全钢结构前三名都在美国（图3a），其中，世界贸易中心（World Trade Center）的箱形柱截面仅450mm×450mm，厚度7.5mm~12.5mm（图3b）；下面柱距加大，未设转换层；吊装件高三层楼，现场采用高强螺栓拼装，与我国几乎100%的现场焊接拼装形成鲜明的对比。这种外框筒（密柱+深梁）结构方案的剪力滞后效应比较严重。1974年建成的西尔斯塔（Sears Tower）采用9个束框筒结构方案，剪力滞后效应明显降低。虽然西尔斯塔比世界贸易中心高出26.213m，用钢量却减小26.5 kg/m2。





世界最先进的大跨度屋盖钢结构—美国乔治亚索穹顶(Georgia Dome)，1996年第26届奥运会主场馆（图4a），椭圆平面240.79m×192.02m，（屋顶+外环）用钢量=（30+ ）kg/m2。

世界第1个索网结构是美国雷里竞技场(Raleigh Arena)，用钢30 kg/m2（图4b）。

世界最大跨度开合钢网壳屋盖是日本福冈穹顶(Fukuoka Dome)（图4c，D=222m）。它由三块扇形可旋转球面网壳组成，可形成三种状态：全封闭状态、半开启状态（1/3穹顶露天）和全开启状态（2/3穹顶露天）。由于屋盖装了减震阻尼器，并采取巧妙的构造，扇形球面的跨厚比：106.4/3.5=30.4。







改革开放以来，我国钢结构建筑发展迅速。由于设计理念问题，产生了不少著名的笨重、怪异钢结构，与绿色建筑相佐。

沈祖炎院士在《影响中国—第二届中国钢结构产业高峰论坛》主题报告中严厉批评了下面5个钢结构工程（图5），并严正指出：“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扰”。

中国建筑金属结构协会姚兵会长在《高峰论坛》大会上的讲话也指出：“钢结构不是说体量有多大，或者说要多用钢，而是说要合理用钢，并不是把钢结构建成钢结构碉堡”。

中央电视台新楼CCTV(“大裤衩”)（图5a），n=53层，高H=234m，顶上外悬挑75m，严重违背抗震规范强制性条文，用钢量：14.2万t/47万m2=302kg/m2。创造了世界高层钢结构悬挑最大的建筑奇迹。

鸟巢(Brid’s Nest)（图5b），是2008年第29届奥运会主场馆，设计理念是：无序就是艺术。主结构采用平面桁架系结构，次结构布置无序。结构平面为椭圆：332.3m×297.3m，中央开洞185.3m×127.5m，总用钢为4.1875万t，实际用钢5.2万t，从而，用钢量高达：710~881kg/m2，成为世界屋盖钢结构用钢量最大的建筑奇迹。

合肥创新展示馆（图5c），成为最杂乱的创新奇迹。违背结构是支承作用（Actions———荷载、地震）的骨架；建筑功能与空间也很杂乱；施工时的空间定位极为复杂。

深圳大运会体育场（图5d），是2011年第26届世界大学生运动会的主场馆，多折面格栅刚架结构，用钢量226kg/m2。铸钢结点共7类：7×20个=140个，总重量0.42万t。20个最大的肩谷铸钢结点，每个铸件外形尺寸：5400mm×4600mm×3400mm（10管相交），壁厚400mm，单件重98.6t，与锻打钢管对接焊。

水立方（Water Cube）（图5e），平面：176.5389m×176.5389m，高29m，结构跨度 l =117m，屋盖厚：h=7.211m，墙体厚：3.472m和5.876m。根据L. Kelvin“泡沫”（“Foam”）理论命题：将三维空间细分为若干小部分，要求每个部分体积相同，且接触表面积最小，这些细小部分应该是什么形状？这种命题与结构受力毫无共同之处。“水立方”由6个14面体和2个12面体合成的基本单元体，经旋转、切割等复杂计算后成为屋盖和墙体，是简单问题复杂化的建筑奇迹。笔者曾建议：按平板网架设计，在现场用高强螺栓拼装网架和“泡沫”单元体，则可节约大量钢材和施工（制造、安装）费用，且便于“泡沫”单元折换，很遗憾，建议未采用。











图5 中国几个标志性钢结构工程

必须指出，上海浦东机场（图6a）是一座优秀的钢结构建筑，张弦梁（String beam）属于屋盖弯矩结构（Moment-Resisting Structures）范畴（表2），机场1、2期工程张弦梁的跨度都未超过100m，说明结构工程师选结构方案OK。机场钢屋盖建筑的造型是：把结构力度与建筑的空间艺术美有机地结合起来，即袒露具有美学价值的结构部分———自然地显示结构，达到巧夺天工的震憾效果。

成都双流国际机场（图6b），屋盖结构方案也很成功—网架（屋盖空间结构）。旅客置身其中，感到轻快、温馨。转角处理简洁。




图6 两个成功作品

二 现代钢结构设计最关键的两大步骤———正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度

钢结构精心设计的四大步骤：

1 结构方案（概念设计）

2 结构截面高度

3 构件布局（短程传力、形态学与拓朴原理）

4 结点（node）小型化

其中，第1、2步极为重要。为了正确选择结构方案（概念设计），首先必须进行结构分类。

注：在进行结构分类时，必须严格区分结构（structures）与构件（structural members）。

表2所示的屋盖空间结构是一种由形状而产生效益的结构，也叫形效结构（Formative Structures），图7曲线a所示的索穹顶结构用钢量很少，因此，大跨度屋盖（直径D或跨度L≥100m时）钢结构必须采用屋盖空间结构；桁架结构（屋盖弯矩结构）的用钢量则按跨度的平方成正比快速增加（图7曲线b），只能用于中、小跨度中。
正确选择结构方案是钢结构精心设计的第1步，第2步就是结构工程师在上电子计算机前，必须正确估计结构截面高度。


下面对一些钢结构工程进行点评：

实例1 深圳宝安体育馆

宝安体育馆采用径向管桁架结构（相贯节点），跨度D=101.4m，最大外悬48.295m，实现了中央节点小型化。法国建筑师（方案中标者）认为：桁架悬挑处的高度取5m（=L/10）才美观，经过作者力争，最后采用6.5m，它是悬臂长度的1/7.43＞1/7.5。OK，用钢量仅68kg/m2。

为了发挥万向支座的作用，取刚度系数3kN/mm；支座圈内的下弦杆起拱，受力更合理。

图8 深圳宝安体育馆（2002）


实例2 国家大剧院

国家大剧院（图9a），椭圆平面：212m×143m，跨度＞100m，结构方案选屋盖空间结构—————网壳（表2）正确OK。但在上机前，结构师把结构的截面高度选得太大，用钢量高达292 kg/m2。根据1963年美国教授司密斯（Smith M.G）对166个已建大跨度屋盖（11种）进行回归分析 ，这种跨度的网壳结构用钢量不超过80 kg/m2（图9b）。

图9a) 外景

图9b) 美国M.G.Smith统计166个工程


实例3 广东奥林匹克体育场
广东奥林匹克体育场的建筑理念是：珠江的水、波涛滚滚（图10a），美国Nixon Ellerbe Racket公司中标。主桁架MT悬臂L=52.4m（图10c），用钢量高达200kg/m2。为了减少桁架弦杆的应力：

笔者认为：

① 将原主桁架MT的等高度h=5.2m（图10c）改为变高度：h=3m～7m桁架；

② 将MT弦杆开口型H截面：H 570×450×125×125改为闭口圆钢管，有效提高Φ值；

③ 用弱支撑连接两片“波涛”，以满足抗震的两阶段设计：“小震”时弱支撑不坏，整体刚度好；“大震”时，支撑坏，刚度降低，地震力减小，整个结构不倒；

④ 拉索由2—337Φ7改为2—150Φ7，把索的安全系数控制在2.5~3。

通过上述四点改进，用钢量可由原200 kg/m2降低到约80 kg/m2。

a）实景—珠江的水，波涛滚滚

c) MT径向主桁架

图10 广东奥林匹克体育场


实例4 北京某客站

北京某客站一个结构跨度L=45.6m＜100m，选择用预应力钢桁架方案是正确的（OK），但桁架高度h=8m= L/5.7就选得不对。预应力钢桁架的合理高度取h=L/18~L/15=2.53m~3.04m。即使普通钢桁架，高度取h = L/12~L/10=3.80m~4.56m即可。可见，设计是硬道理，“硬”设计就没有道理!硬道理在哪里？就是结构工程师要利用力学功底和结构理论正确选择结构方案，并在上电子计算机前，正确估计结构截面高度（表3）。否则，后续的所谓优化几乎是无用的!


小结：为了实现钢结构固有的三大核心价值（表1），钢结构精心设计的最关键的两大步骤，对结构工程师来说极为重要！