重視屋蓋、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量指標

【摘要】本文用建筑工程案例，說明我國屋蓋、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量，比世界先進國家大得多。為了踐行鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價值[1]，設(shè)計者應(yīng)努力遵循鋼結(jié)構(gòu)哲理[2][3][4]——用最少的結(jié)構(gòu)提供最大的結(jié)構(gòu)承載力，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟的完美結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】單位面積用鋼量;省鋼材;綠色建筑;結(jié)構(gòu)分類;結(jié)構(gòu)方案

地面以上（全）鋼結(jié)構(gòu)的單位面積用鋼量（簡稱用鋼量）定義是：一幢鋼結(jié)構(gòu)總用鋼除以建筑面積。為何要強調(diào)用鋼量指標？一般來說，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計越笨重（焊縫密集、厚鋼板焊接等），材料、施工費猛增，施工更艱難，對抗震不利。我國（全）鋼結(jié)構(gòu)用鋼量比世界先進國家的大得多。

圖1所示，深圳漢京金融中心——我國為數(shù)不多的高層全鋼結(jié)構(gòu)，地面以上建筑面積16.5萬m2，總用鋼量6.275萬t，從而，用鋼量6.275萬t/16.5萬m2=380kg/m2（n=61層，高350m）。

圖2所示海花島國際會展中心（海南省西海岸填海造島），橢圓平面145m×83m（圖2a），采用箱形懸伸鋼梁（梁高3m）彎矩結(jié)構(gòu)（圖2b），用鋼量高達432kg/m2。

a） 結(jié)構(gòu)布局? ? ? ? ? ? ? ? b） 剖面

圖3所示深圳大運會體育場——多折面剛架-格柵彎矩結(jié)構(gòu)（圖3a），由20個形狀相近的單元組成（圖3b）。單元懸挑長度51.9m-68.4m（圖3d）。

鑄鋼結(jié)點7類[5]——背谷、肩谷、冠峰、內(nèi)環(huán)、冠谷、肩峰、背峰（圖3b），總數(shù)7×20個=140個，總重量0.42萬t。肩谷結(jié)點最大，外形尺寸：5.4m×4.6m×3.4m（10管相交，圖3b），壁厚400mm，與鋼管（厚200mm）對接焊，最大鑄鋼結(jié)點的單件重高達98.6t。

圖4所示，合肥創(chuàng)新展示館，鋼骨架穿過屋頂，看似一堆廢鋼場。建筑功能與空間亂相，成為最雜亂的“創(chuàng)新奇跡”。我國不少鋼結(jié)構(gòu)，名為創(chuàng)新，實為怪異。

某演藝中心（圖5），屋蓋跨度135m，采用巨型鋼桁架體系（圖5b）——屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)。

文獻[6]第5.1.2條：屋蓋鋼結(jié)構(gòu)跨度大于100m時，應(yīng)優(yōu)先采用屋蓋形效結(jié)構(gòu)。屋蓋形效結(jié)構(gòu)定義見本文表3的注解。

a） 外景? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b） 屋蓋平、剖面

我國在地震區(qū)大量建造高層混合結(jié)構(gòu)（mixed structure——外鋼框架+內(nèi)混凝土核心筒）已成時尚，結(jié)構(gòu)非常笨重，且我國混合結(jié)構(gòu)的建造高度，遠遠超過我國四本現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范（程）[7][8][9][10]高度限值[H]（表1），鋼材、混凝土用料驚人。如廣州東塔（圖6），高H=518.15m，總用鋼16.8萬t（型鋼10.8萬t，鋼筋6萬t），混凝土20萬m3。其中，鋼骨混凝土RCS（圖6c），施工十分艱難。

我國現(xiàn)行高鋼規(guī)程（JGJ 99-2015）[11]是（全）鋼構(gòu)，未將高層混合結(jié)構(gòu)列入。美國、日本等先進國家不允許高層混合結(jié)構(gòu)在地震區(qū)建造[7][12][13][14]，而我國高層混合結(jié)構(gòu)在地震區(qū)大量建造，且沖擊世界高層高度（表2）。關(guān)于高層混合結(jié)構(gòu)，我國現(xiàn)行抗震規(guī)范[7]P.385：“對于混凝土核心筒-鋼框架混合結(jié)構(gòu)（Mixed Structure ），在美國主要用于非抗震設(shè)防區(qū)，且認為不宜大于150m。在日本，1992年建了兩幢，其高度分別為78m和107m，結(jié)合這兩項工程開展了一些研究，但并未推廣”。

由于混凝土結(jié)構(gòu)（開裂）和鋼結(jié)構(gòu)（不開裂）兩種結(jié)構(gòu)的混合，在強震作用下的結(jié)構(gòu)性能、延性比和破壞機理的巨大差異，以及美國阿拉斯加地震（1964年）高層混合結(jié)構(gòu)破壞的歷史教訓[12]。必須引起我國政府和專家的關(guān)注。

1.結(jié)構(gòu)分類與現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計理念

本文提出按“傳力維”來分的結(jié)構(gòu)分類[15]，打破了幾十年按“幾何維”的分類方法。

按“傳力維”分類，把建筑結(jié)構(gòu)分為兩大類：彎矩結(jié)構(gòu)和軸力結(jié)構(gòu)（形效結(jié)構(gòu)）（表3）。

注：屋蓋形效結(jié)構(gòu)（Roof Formative Structures）是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu)，因此，它們具有三大特點：1.曲線（面）狀（按形態(tài)學、拓樸原理構(gòu)成），有封閉邊緣構(gòu)件;2.節(jié)材;3.造形美觀、現(xiàn)代。

幾十年來，結(jié)構(gòu)按“幾何維”分類，已經(jīng)導致專業(yè)人士的力學概念混亂，如2008年，某出版社出版的《空間結(jié)構(gòu)》一書論述：“空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)點一般表現(xiàn)為：（1）自重輕;（2）便于工業(yè)化生產(chǎn);（3）剛度好;（4）造型美觀……。如我國的鳥巢、美國的喬治亞穹頂……，這些建筑物的建造也極大的推動了空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展和受關(guān)注程度”。

實際情況是，按“傳力維”分類，鳥巢是彎矩結(jié)構(gòu)，交叉門式剛架結(jié)構(gòu)[3]或平面桁架式結(jié)構(gòu)[17]，用鋼量710-961kg/m2，喬治亞穹頂是形效結(jié)構(gòu)，用鋼量僅30kg/m2。

按“傳力維”分類的結(jié)構(gòu)分類框圖見圖7。

2014年，規(guī)程[6]首先刊出現(xiàn)代（全）鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計理念——二、三、四觀點（表5）。

2.我國與世界先進國家鋼結(jié)構(gòu)的耗鋼比較

2.1 鳥巢、倫敦碗的總用鋼（t）

鳥巢（圖8a）——第29屆奧運會主場館（2008年），工地全焊接拼裝，座位8萬人，總用鋼5.24萬t[19][20]，最厚鋼板110mm。

倫敦碗（圖8b）——第30屆奧運會主場館（2012年），工地高強螺栓裝配，座位8萬人，總用鋼1萬t[21]。

全景? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?主結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)大樣? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 膜材施工

a） 鳥巢（Brids Nest）（2008）

（交叉門式剛架結(jié)構(gòu)[3]——屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)）

夜景? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?剖面

結(jié)構(gòu)體系? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?工地高強螺栓裝配

b） 倫敦碗（2012）

（輪輻式索網(wǎng)結(jié)構(gòu)[21]——屋蓋形效結(jié)構(gòu)體系）

圖8? 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)鳥巢、倫敦碗用鋼量的比較

倫敦碗（圖8b）由五層結(jié)構(gòu)環(huán)組成：（1）天蓬支架環(huán)（舊鋼管）;（2）裝飾圍護環(huán)（纖維布）;（3）看臺面板環(huán)（低碳混凝土）;（4）看臺支架環(huán)（舊鋼管）;（5）地面看臺環(huán)（低碳混凝土）。倫敦碗很好地貫徹了可持續(xù)發(fā)展理念，為了解決場館的賽后利用和奧運遺產(chǎn)保存問題，奧運會后，體育場將保留鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)看臺上的2.5萬永久座位，5.5萬個座席移做其他場館重復使用（物盡其用）。

圖9所示，鋼屋架（屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)）與索穹頂（屋蓋形效結(jié)構(gòu)）的用鋼量，圖上標注幾個工程案例。

2.2? CCTV新電視塔與美國World Trade Center的用鋼量（kg/m2）

CCTV新電視塔（圖10a）——n=53層，高H=234m，工地全焊接拼裝，鋼材屈服強度maxQ460，鋼板厚130mm，用鋼量302kg/m2。

美國World Trade Center（圖10b）——n=110層，高

H=416.138m，工地高強螺栓拼裝，fy=700MPa，鋼板厚7.5mm→22.5mm，用鋼量186.6kg/m2。

3.鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的四大步驟

（1）結(jié)構(gòu)方案（概念設(shè)計）

（2）結(jié)構(gòu)截面高度

（3）構(gòu)件布局（短程傳力）

（4）結(jié)點小型化

3.1 正確選擇結(jié)構(gòu)方案

廣東省東莞體育館（圖11）[22]——弦支穹頂結(jié)構(gòu)，支座平面：110m×80m，用鋼量73kg/m2（總用鋼850t），比原設(shè)計鋼桁架總用鋼3100t少2250t。

全景

單層網(wǎng)殼

弦支

3.2正確選擇結(jié)構(gòu)截面高度

規(guī)程[6]列出結(jié)構(gòu)截面高度限值[h]（表6）

注：1. 對于懸臂實腹梁的適用范圍：L=10m～15m，取h=L/10;懸臂桁架（網(wǎng)架）：L=<50m，h=L/6～L/8。2. 對于重屋面或重荷載，[h]可增大，適用跨度L可減少。3. 單層圓柱面網(wǎng)殼L≤30m;雙層圓柱面網(wǎng)殼L≤100m，h=L/20～L/50。4.門式剛架L≤40m。

廣東奧林匹克體育場——懸挑屋架結(jié)構(gòu)（圖12c）。由于屋架支座處的桁架高度取值為L/10

a）全景

b）平面

c）剖面

3.3 構(gòu)件布局（短程傳力）

廣東湛江電廠干煤棚（圖13）[24]——四柱支承平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，腹桿棋盤式布置（八面坡水），柱距79.8m，暗柱帽。屋面采用陶粒混凝土預(yù)制板（重力密度14.5kN/m3），用鋼量70.3kg/m2。

3.4 結(jié)點小型化

深圳寶安體育館（圖14）[25]——懸伸交叉屋架體系，跨度101.4m（圖14c），用鋼量68kg/m2。

原設(shè)計的構(gòu)件布局（圖14d）與圖14b不同，中央下弦出現(xiàn)一個直徑3.644m的鑄鋼大結(jié)點。

4. 小結(jié)

4.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計笨重

我國（全）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計多數(shù)笨重，且現(xiàn)場幾乎全焊接或栓焊拼裝，施工十分艱難，與綠色建筑相佐。我國粗鋼產(chǎn)量8億t（圖15），鋼結(jié)構(gòu)用鋼約5600萬t，占7%。若實行鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，減少用鋼量，我國每年可至少多建造一倍以上的鋼結(jié)構(gòu)。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計哲理

4.2.1 現(xiàn)代（全）鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是硬道理（力學功底，結(jié)構(gòu)理論），硬設(shè)計（只會熟練的運用設(shè)計軟件，而不知其所以然）就是任性——笨重與怪異，與綠色建筑相佐。

4.2.2 綠色建筑、裝配式鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵詞（表7）

裝配式鋼結(jié)構(gòu)——工地高強螺栓裝配，才能保證質(zhì)量和裝配效率。

4.2.3 最簡潔的鋼結(jié)構(gòu)（非復雜結(jié)構(gòu)），往往就是最好的結(jié)構(gòu)。

目前，在我國大力推進高質(zhì)量發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑將越建越多，努力踐行鋼結(jié)構(gòu)固有的三個核心價值——最輕的結(jié)構(gòu)、最短的工期和最好的延性（抗震性能好），將創(chuàng)造鋼結(jié)構(gòu)建筑的輝煌！

參考文獻

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（作者單位：廣東省鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會）

【中圖分類號】TU391

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2019）08-0044-06