钢结构房屋的应用与优势论文

摘要：
我国钢产量连年居世界首位，钢结构建筑的建筑条件基本成熟，但钢结构技术仍未得到特别有力的推广，我国钢结构建筑的发展相对国外有些滞后。主要表现在：国产Ｈ型钢、方钢管、可搭接的斜卷边冷弯薄壁Ｚ型钢、抗腐蚀性能更好的镀铝锌薄板等型材的品种、规格还不能满足建筑需要。厚板的可焊接性差是国产建筑钢材存在的主要问题。建筑用高强度低合金钢品种还太少，高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决。钢结构住宅的造价和选择、开发外墙板，在一定程度上制约了钢结构住宅建筑的大面积推广应用。尽管目前还存在着种种不尽如人意或有待提高的方面，但钢结构的发展潜力巨大，前景广阔。
关键词：钢产量、钢结构、大面积推广、潜力、前景
1.国外钢结构的发展和应用举例
1.1 钢结构在国外的发展
目前，发达国家钢结构建筑呈现出用途广泛和用钢量大的特点，钢结构的优越性已经从先进国家的实际应用中得到肯定。钢结构广泛应用于高层、超高层建筑，大跨度和大空间建筑，量大面广的中小型工业、商业、社区、文教卫生等建筑，以及大部分的低层非居住型建筑中。在欧洲、美洲、日`本、台湾等地，厂房兴建全部采用钢结构。在美国，大约70％的非民居和两层及以下的建筑，均采用轻钢架体系。钢结构的广泛应用，拉动了建筑用钢量的不断增长。在美国、日`本等发达国家，钢结构用钢量已占到钢产量的30％以上，钢结构建筑面积占总建筑面积约40％以上。
1.2 国外钢结构的应用举例
1.2.1 低层钢结构和轻钢结构
美国金属建筑的主要市场分布在工业、商业、社区、综合等方面，分别占到46%、31%、14%和9%的份额。
在美国，低层建筑中钢结构应用很普遍。美国钢结构学会和金属房屋制造协会联合编制了低层建筑的设计指南。低层建筑是指层高低于18米，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。轻钢建筑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。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，易维护等特点。国外轻钢结构厂商如BUTLER、BHP、ABC等都已经进入了中国市场。
1.2.2 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，最大的结构采用的多是钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。
(一) 巨型钢结构　
巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，它是为满足特殊功能或综合功能而产生的，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M2，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，1～100层设4个柱，101～150层设3个柱，151～200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。

(二) 大跨度钢结构　
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。历届奥运会、博览会等体育场馆都代表了当时钢结构的最先进水平。
大跨度或较大跨度大都采用钢结构，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91M×122M（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，186M×235M），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），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M2，总预算7.58亿英镑。馆内将以“标新立异时代”为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M2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），1996年美国亚特兰大乔治亚穹顶（ 186M×235M索穹顶）。2000年澳大利亚悉尼主体育场（11万人，两个220M×70M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（2-153M×90M）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。
2.钢结构在我国国内的应用举例
我国自1949年全国解放后，钢结构就在大跨重型工业厂房、大型公共建筑和高耸结构中得到了应用。尤其是近20年来，钢结构更加广泛应用于土木工程的公共建筑中，比如沈阳桃仙国际机场屋盖，北京天文馆新馆工程等，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。
当前，我国建筑业发展的总目标是：提高建筑业的整体素质、生产工业与技术装备水平，达到在国际建筑市场中具有较强的竞争能力，并充分发挥建筑业在带动国民经济增长和结构调整澡的先导产业作用，到2010年使建筑业成为名副其实的国民经济支柱产业，加快发展钢结构工程是一个很重要的方面。
2.1 高层建筑钢结构
近年来如雨后春笋般的拔地而起，发展很迅速。我国80年代建成的11幢高层建筑钢结构最高为208米，而90年代以来正在建造或设计的高层建筑钢结构共约72幢，最高的达420米（已建）和460米（设计）。最近在大连兴建的高度200米高层建筑钢结构的远洋大厦钢结构，设计、制造、安装和材料全部是由国内承担和供应的，这说明完全由我国自己来建造超高层钢结构是可以做到的。
2.2 大跨度空间钢结构
大跨度空间钢结构最先让人们了解的是网架工程，其发展的速度较快，计算也比较成熟，国内有许多专用网架计算和绘图程序，是其迅速发展的重要原因。网壳在我国已在应用，已建成的网壳工程以球面和柱面较多，还有双曲抛物面、双曲扁壳等形式。它比网架又有许多优点，特别是在超大跨度时。悬索及斜拉结构、膜和索膜结构在国内应用也较多，主要用于体育馆、车站等大空间公共建筑中。其他大跨度空间钢结构还包括立体桁架、预应力拱结构、弓式结构、悬吊结构、网格结构、索杆杂交结构、索穹顶结构等在全国各地均有实例。
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。
2.3 轻型钢结构
轻钢结构是近十看来发展最快的领域，这种结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量大，已引起结构设计人员认识。轻钢结构房屋的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的一个重要方向，目前已经有多种的低层、多层和高层的设计方案和实例。因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的房屋结构模式产生较大冲击。
轻型钢结构及其适用范围：
　　所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。
1． 适用范围
　　根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
2． 主要优点
　　⑴施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45d至2个月，而若采用钢筋混凝土建筑则要8～12个月左右。
　　⑵综合经济效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感；因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资；由于采用了聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。
　　⑶抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。
　　⑷宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
　　钢结构近年来得到迅速的发展，正是由于轻钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用，主要用于：
单层或多层厂房、仓库
单层或多层厂房、仓库，有单跨或多跨，跨度一般不超过30m，省材、施工速度快、造价低、耗用资源少，吊车为轻级工作制且起重量一般不超过20t，单层的承重结构用钢量一般为10～30kg/m2,多层承重框架用钢量一般为30～60kg/m2。
多层住宅、办公楼
多层住宅、办公楼柱距一般为6～9米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。
小别墅
轻钢小别墅一般2～3层。造型多变、功能齐全、建造速度快、工业化程度高、造价略高。
3.钢结构在房屋建筑中应用钢结构的优势主要体现
钢结构在国外建筑业中的重要地位，是由钢结构的优势所必然形成的。
钢结构建筑呈现5大优势：
（1）质量好。钢管混凝土柱子充分合理利用了钢和混凝土的料特性，提高相应的强度来缩小截面，其抗压、抗侧弯强度，均比混凝土柱高1.5倍，大大增加了抗强震的能力；克服了传统建筑中的“肥梁胖柱”的弊病，增大了有效空间。
（2）造价低。由于钢包混凝土的共同作用与互补优势，梁柱的断面可以缩小50％以上，因此，轻型房屋钢结构的用钢量比混凝土结构的用钢量下降15％左右，混凝土减少50％，人工费用下降75％，运费下降75％，基础处理费下降20％～30％
。虽然轻型房屋钢结构采用的合金钢的价格要比普通钢高，复合墙体的价格要比砌
体墙高得多，但这些造价与降价的费用相抵，总体投资还是比传统钢筋混凝土体系
下降5％～15％。
（3）自重轻。采用轻质的各种材料，组成高强、防火、防水、绝热、隔音、
节能的复合墙体，替代传统的粘土砖和其它笨重的砌体材料。采用轻型钢结构体系
，混凝上用量可降低50％，房屋整体重量比混凝土建筑重量下降75％。
（4）施工周期短。采用轻型房屋钢结构体系，不需要现场绑扎钢筋，不需要
制作模板，楼板现浇混凝土时，不需要临时支撑，这样，可以大大地加快施工现场
的拼装速度。因此，轻型房屋钢结构体系的建设周期，可以比传统结构模式缩短5
0％～75％，可以大大缩短投资资金的占用周期，提高资金的使用效率。
（5）可再利用。钢结构及其配套技术的相应部件，绝大部分可以工厂化制作
，实现产品化。钢结构住宅的材料，具有可再生利用性、可改造性。
4.钢结构市场的前景展望
钢结构的发展趋势表明，我国发展钢结构存在着巨大的市场潜力和发展前景。
1. 我国自１９９６年开始钢产量超过一亿吨，居世界首位。１９９８年投产的轧制Ｈ型钢系列给钢结构发展创造了良好的物质基础。钢铁和其他材料工业的发展，为钢结构行业提供品质优良、规格齐全的材料。根据市场需求，今后二三年将有一批彩色钢板生产线建成，热轧Ｈ型钢也将增加一条生产线，大型冷弯机组也即将上马。到那时候我国能自行生产彩色钢板１００多万吨、热轧Ｈ型钢１００多万吨及冷弯大中型矩形管、圆管，加上现有的焊接薄壁Ｈ型钢、中厚板、薄板及其他建筑钢材，完全可以满足钢结构行业发展的需要。而且随着钢材产量和质量持续提高，其价格正逐步下降，钢结构的造价也相应有较大幅度的降低。与钢结构配套使用的保温隔热、防腐材料、防火涂料、各种焊接材料及螺栓连接等产品和新型建材的技术也将不断创新提高。
2. 高效的焊接工艺和新的焊接、切割设备的应用以及焊接材料的开发应用，都为发展钢结构工程创造了良好的技术条件。在普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢混凝土组合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨混凝土结构等方面的设计、施工、验收规范规程及行业标准已发行２０余本。有关钢结构的规范、规程的不断完善为钢结构体系的应用奠定了必要的技术基础和依据。
3. 目前，门式刚架轻钢结构和压型钢板拱壳结构的单位面积造价，与同类单层钢筋混凝土结构大致持平，甚至更低；而且轻型钢结构的商品化程度较高，制作和安装速度可达到每台班７００--１０００平方米，远快于钢筋混凝土结构，近年市场扩展很快。高层钢结构的综合价格虽高出同类钢筋混凝土结构４％--５％，但其抗震性能好、施工速度快，特别是在超高层建筑中必须采用。１９９７年１１月建设部发布的《中国建筑技术政策》中，明确提出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求，使我国长期以来实行的 "合理用钢"政策转变为"鼓励用钢"政策。将为促进钢结构的推广应用起到积极的作用。
4. 钢结构行业将出现一批有特色有实力的专业设计院、研究所，年产量超过２０万吨的大型钢结构制造厂，有几十家技术一流、设备先进的施工安装企业，上千家中小企业相互补充、协调发展，逐步形成较规范的竞争市场。经过１０年左右的时间，钢结构行业的产值将从４００--５００亿元发展到１５００亿元。
制约钢结构产业发展的一些不利因素:
我国钢产量连年居世界首位，钢结构建筑的建筑条件基本成熟，但钢结构技术仍未得到特别有力的推广，我国钢结构建筑的发展相对国外有些滞后。主要表现在：国产Ｈ型钢、方钢管、可搭接的斜卷边冷弯薄壁Ｚ型钢、抗腐蚀性能更好的镀铝锌薄板等型材的品种、规格还不能满足建筑需要。厚板的可焊接性差是国产建筑钢材存在的主要问题。建筑用高强度低合金钢品种还太少，高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决。钢结构住宅的造价和选择、开发外墙板，在一定程度上制约了钢结构住宅建筑的大面积推广应用。尽管目前还存在着种种不尽如人意或有待提高的方面，但钢结构的发展潜力巨大，前景广阔。
展望未来，随着经济建设的蓬勃发展和交流的进一步扩大，要建造更多的高层建筑、桥梁和大型公共场所等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛。这将为钢结构的发展提供更多的机会，钢结构产业兴旺发展的新局面就在眼前。