關于現代鋼結構與綠色建筑的幾點思考

本文主要從現代鋼結構綠色建筑的可持續發展方面進行探討，重點探討了在綠色建筑中如何保證優良的鋼結構，并對于現代鋼結構設計關鍵步驟進行分析，希望對于今后的現代鋼結構發展具有一定幫助。

引言

考慮到鋼材具有比較高的強度特點。所以，鋼結構骨架則是由型鋼、鋼板以及高強度的鋼絲進行連接，包括高強度螺栓和焊接等連接方法，這樣也具有一定的綠色建筑的特點。所謂的綠色建筑則是指，最大限度地在建筑的全壽命周期內進行節材、節水、節地和節能，能夠做到減少污染和保護環境，有效為人們提供一定的高效、健康的使用空間，能夠成為和自然和諧共生的建筑。這也是一種能夠最高效率利用能源且最低限度影響環境的建筑物，主要包括整體設計觀、節約能源、尊重地理環境、建筑適應氣候、尊重用戶、材料資源的再生利用等方面。

在進行綠色建筑的可持續發展設計方面，為了能夠滿足功能而消耗最低的能源和資源，則就需要綜合化設計，采用一系列的新工藝、新技術、新設備、新材料以及新的設計方法等。正如美國建筑結構大師Fuller所說，用最少的結構提供最大的承載力則是建筑結構哲學。

由此可見，綠色建筑最重要的內容之一就是鋼結構節材，這也是結構工程師所以一直追求的目標。在我國的綠色建筑中，往往強調于太陽能的利用、建筑墻體的節能等方面，幾乎不談鋼結構骨架的節材問題，這樣，就難免出現怪異且笨重的大型鋼結構情況。

保證優良的鋼結構才算綠色建筑

結構骨架節材應該為優良的鋼結構，還應該在滿足功能的最大限度要求下，能夠對于環境產生最低限度的影響，還包括墻體節能，能夠給人們提供一定的舒適、健康的活動空間，能夠有效保證建筑全壽命周期的可持續發展。

在相關的大跨度鋼屋蓋和高層全鋼結構中，經過00多年的實踐，大量的鋼結構在先進國家中采用，能夠把鋼結構的固有的三大核心價值基本實現，其中，鋼結構數量在日本已經查過70%左右。在美國，世界高層全鋼結構前幾名大都在此，其中，分析世貿中心的箱形柱截面來看，其厚度為7.5～12.5mm，截面則為450mm×450mm，沒有設轉換層，下面柱距增大，全部采用高強度螺栓進行現場拼裝的高三層樓的吊裝件，這不同于我國幾乎100%的現場焊接病狀工藝。其中，密柱加上深梁結構的外框筒方案的存在較為滯后的剪力。對于1974年建設的西爾斯塔樓，其的剪力滯后效應明顯有所降低，則是由于其采用了9個束框筒結構體系，這樣的情況下，西爾斯塔樓比世貿中心高出26米多，但是用鋼卻少了26.5kg/m2。

我國的鋼結構建筑在改革開放以來具有快速的發展，但是，確實存在一些怪異、笨重的鋼結構，這和綠色建筑則是不相符的。有些學者專家指出，近年來涌現出的和輕、快、好、省理念背道而馳的技術現狀，這點是值得令人擔憂的。姚兵則指出，“鋼結構的重點問題不在要多用鋼、有多大的體量，而是要進行合理用鋼的設計，我們并不能把鋼結構建筑建成鋼結構的碉堡”。

對于2008年29屆奧林匹克運動會主場館的“鳥巢”來說，平面桁架系結構則為主結構，次結構存在布置無序。中央開洞尺寸：185.3m×127.5m，平面結構則為橢圓：332.3m×297.3m，實際用鋼量達到了5.2萬t，這樣經過計算，用鋼量道道720～885kg/m2，這可以看作為用鋼量最大的建筑奇跡。

對于中央電視臺新大樓“大褲衩”來說，參數為高度H234m，n=53層，頂上外懸挑則為75m，這樣的設計則嚴重違背了抗震強制性的條文，能夠的用鋼量達到了302kg/m2。

對于2011年進行26屆大學生運動會的深圳大運會體育場來說，這是采用了多折面格柵鋼架結構，用鋼量能夠達到226kg/m2。其中，存在7類的鑄鋼結點，共有140個，總重量能夠達到0.42萬t。對于20個肩谷鑄鋼結點來說，400mm則為壁厚，單件重量則為98.6t，則需Φ1400×200進行對接焊處理。

在進行合肥創新的展示館分析中，可以發現其為最為雜亂的創新奇跡。違背結構則是支撐作用的骨架，存在非常欠缺的建筑功能和空間，也存在非常復雜的施工時的空間定位問題。

另外，應該指出我國的優秀的鋼結構建筑的代表之一就是上海浦東機場，張弦梁則是為屋蓋彎矩結構，整個的跨度都在100m之內，這樣的結構方案則具有較強的有效性，能夠有機完美結合了結構力度和建筑的空間藝術設計，通過自然地的顯示結構，能夠說明了袒露也具有一定的美學價值，能夠獲得巧奪天工的震撼效果。同時，成都的雙流國際機場也較為成用應用鋼結構特點，能夠讓旅客感受到輕快的氛圍，進行了簡潔的轉角處理。

現代鋼結構設計關鍵步驟分析

在進行現代鋼結構設計過程中，正確地進行結構方案的選擇和正確地進行結構的截面高度的估計則是較為關鍵的兩個步驟。

在進行鋼結構設計過程中，一般可以分為四個步驟，（1）結構方案、概念設計；（2）結構截面高度；（3）構件布局，包括短程傳力、形態學以及拓撲原理；（4）結點小型化。

前兩個步驟極為重要，一般首先要進行結構分類，這樣才能有效進行結構方案的正確選擇。在進行結構分類過程中，屋蓋空間結構則是通過一種由形狀而產生的效益結構，也經常稱為形效結構，用鋼量在這類結構中比較少。所以，對于跨度L或者直徑D≥100m的大跨度蓋屋的情況下，則應該盡量采用屋蓋空間結構。分析屋蓋彎矩結構的用鋼量來說，其則是按照跨度的平方進行正比的增加，一般往往用在小、中跨度中。

在爭取選擇結構方案中，正確對于結構截面高度進行估計就是第二步工作，可以參考表

下面對于部分三個工程進行一定的評價和分析。

第一，對于國家大劇院進行分析和探討，其跨度>100m，橢圓平面為212m×143m，在結構方案選擇方面則為網殼，為屋蓋空間結構。但是，在進行具體的上機前，由于存在選擇過大的結構的截面高度，用鋼量則能夠高達291kg/m2，根據美國專家史密斯教授的研究發現，通過對于166個類似的已經建成的大跨度蓋屋的回歸分析，可以看出，這種跨度的網殼結構用鋼量則不應該超過80kg/m2。

第二，對于采用徑向管桁架結構的寶安體育館來說，也就是采用相貫節點，能夠使得中央節點小型化得以滿足，其中，最大懸臂為48.3m，跨度D=101.4m，方案中標的法國建筑設計師認為，桁架懸挑處高度為L/10才美觀，但是，經過本國技術人員討論，最終采用為6.5m，這樣能夠滿足懸臂長度1/7.43>1/7.5，保證用鋼量僅為68kg/m2。支座圈內的下旋桿能夠起拱，這樣為了更好發揮萬向支座的剛度系數3kN/mm，能夠起到更好的受力，且更為醒目。

第三，以北京某客站為例進行說明，其結構跨度為L=45.6m<100m，選擇用預應力鋼桁架方案則是正確的，但是選擇桁架高度h=8m=L/5.7則就存在一定問題，應該選擇合理的鋼桁架高度即可，h=L/18～L/15=2.53m～3.05m。對于普通鋼桁架來說，高度一般取L/12～L/10=3.80m～4.56m。

結語

由此可見，結構工程師應該利用自身的力學知識和結構理論進行結構方案的正確選擇，能夠通過有效的方法進行結構截面高度的估計。否則，則會出現選擇錯誤的結構截面高度情況，這樣也就無從談起后續的優化工作。所以，結構工程師則應該重視在鋼結構設計中的關鍵兩步。

（作者單位：曲阜沃特工程有限公司）