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200～300万吨。
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、300/65、 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、2/2?2、8/3?7、10/5?7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381m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(图1)，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(图2)。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。
4 大跨度钢结构
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(图3)。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。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。

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：①有高强度低预热型(以前预热75℃，现在预热50℃)的厚钢板590N/mm２级(HT590级)；②抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材(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；③防火厚钢板。有400N/mm２及490N/mm２，当其在600℃ 时屈服强度还能达到常温下的2/3；④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。
6 感谢
限于篇幅，本文的参考文献未能一一列出，在此特向文献作者们王肇民、项海帆、沈祖炎、 董石麟、江颖、李国强、蓝天、沈士钊、陆赐麟、郑廷银、张朝生、王元清、陈禄如、侯文葳、侯兆欣等表示感谢。