大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，采用了大量新材料、新工藝、新技術(shù)，結(jié)構(gòu)體系不斷創(chuàng)新，成為結(jié)構(gòu)方面近50年來最活躍的研究領(lǐng)域。有以剛性桿件組成的網(wǎng)架、網(wǎng)殼等剛性結(jié)構(gòu)體系，有以索膜等柔性材料為特征的懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)、張拉集成體系等柔性結(jié)構(gòu)體系。還有雜交結(jié)構(gòu)體系，以及可展開結(jié)構(gòu)和可折疊結(jié)構(gòu)。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)在整體上出現(xiàn)從較重向輕型體系發(fā)展，從剛性體系向柔性體系發(fā)展，并出現(xiàn)由單一的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展到各種結(jié)構(gòu)形式的合理組合。這種組合旨在集中兩種或幾種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，充分發(fā)揮材料強度，使結(jié)構(gòu)受力更加明確合理，體系更加經(jīng)濟有效。
3 輕型鋼結(jié)構(gòu)
始于20世紀初的輕型鋼結(jié)構(gòu)體系，在第二次世界大戰(zhàn)期間得到了快速發(fā)展，主要用于對可拆卸性和施工速度要求很高的戰(zhàn)地機庫、軍營等。20世紀40年代出現(xiàn)了門式剛架結(jié)構(gòu)，60年代開始大量應(yīng)用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼檁條組成的輕質(zhì)圍護體系。目前輕型鋼結(jié)構(gòu)已成為發(fā)達國家的主要建筑結(jié)構(gòu)形式，英國新建的非居住類房屋建筑中，90％的單層和60％的多層建筑都采用了輕型鋼結(jié)構(gòu)，美國在輕鋼結(jié)構(gòu)體系的分析、設(shè)計、制作上也實現(xiàn)了高度的標(biāo)準化及工廠化[6]。我國自20世紀80年代的寶山鋼鐵公司一期工程開始應(yīng)用輕型鋼結(jié)構(gòu)。該工程采用熱軋H型鋼作為主承重骨架，并首次采用彩色壓型鋼板作為圍護結(jié)構(gòu)，建設(shè)的過程顯現(xiàn)了這種體系輕型、快速和高效的特點，給我國建筑業(yè)帶來了革新。目前國內(nèi)常用的輕鋼結(jié)構(gòu)承重體系包括：焊接門式剛架結(jié)構(gòu)體系、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系、多層房屋鋼結(jié)構(gòu)體系、金屬拱型波紋屋蓋體系等。其中輕型門式剛架結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件和圍護結(jié)構(gòu)的高度系列化和定型化、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、用鋼量省、制作工業(yè)化、安裝實現(xiàn)全部機械連接、施工迅速而周期短、以及經(jīng)濟效益高等特點，自20世紀90年代以來在我國得到了迅速的發(fā)展。應(yīng)用范圍在單層輕型廠房、倉庫、大型商場、體育館和展覽廳等。
4 發(fā)展歷程總結(jié)
從上述鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程我們可以總結(jié)出這樣的規(guī)律：那些新穎、輕巧、受力明確又便于施工，經(jīng)濟效益高，節(jié)省自然資源的鋼結(jié)構(gòu)，也就是能夠凸顯“輕、快、好、省”特點的鋼結(jié)構(gòu)一經(jīng)建成，便具有極大的示范性和推廣性，形成了鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展史上每一個階段的里程碑。它們既有革新意義，同時還具有普遍的適用性，因此能夠不斷擴大鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，并推動鋼結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展。
四 目前我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國自1978年實行改革開放以來，經(jīng)濟建設(shè)有了突飛猛進的發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)也有了前所未有的發(fā)展，而且應(yīng)用領(lǐng)域有了較大的擴展。高層和超高層房屋、多層房屋、單層輕型房屋、體育場館、會展中心、機場候機樓、車站，大型客機檢修庫、自動化高架倉庫等都有采用鋼結(jié)構(gòu)的。盡管我國建筑鋼結(jié)構(gòu)有了飛躍的發(fā)展，但無論從鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量、應(yīng)用范圍和結(jié)構(gòu)體系等方面看還都存在著一些問題。
1 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有待拓寬
根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[7]，1996年，我國粗鋼材產(chǎn)量為10124萬噸，超過1億噸，躍居世界第一，2005年達到35579萬，2006年達到42266萬噸，2007年達到48924萬噸，2008年達到50031萬噸，2009年達到56784萬噸。我國鋼產(chǎn)量逐年增加，連續(xù)14年位居世界第一，成為世界的產(chǎn)鋼大國。同時有資料研究表明[8]，從1997 年到2007 年的10 年間，中國粗鋼產(chǎn)量增長了3.49倍，平均年增長速度達到了16.2％。這一速度是德國的20倍，日本的11.6倍、韓國的8.5倍、俄羅斯的4倍、意大利的2.2倍，美國10年間粗鋼產(chǎn)量沒有增長反而下降；是發(fā)達國家（日本、美國、德國和意大利）平均年增長速度的7倍；是世界平均年增長速度的3倍。這表明我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展速度已遠遠快于世界其他主要鋼鐵生產(chǎn)國和地區(qū)。但我國鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用卻遠遠落后于發(fā)達國家。以下一些方面有待加強。
（1）鋼結(jié)構(gòu)用鋼占鋼材產(chǎn)量比應(yīng)不斷提高
鋼結(jié)構(gòu)（統(tǒng)計包括工業(yè)與民用建筑、鐵路與公路橋梁、水電與火電建設(shè)、城市建設(shè)等）用鋼占鋼材產(chǎn)量2002年為4.3％，2004年為4.8％，2005年為4.26％，2006年為4.12％，2007年為4.28％，預(yù)計2010年為5.5％[2]。而其中建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼占鋼材總產(chǎn)量的比例更小。國家十五計劃是每年建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材占總鋼材產(chǎn)量的3％，2015年建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)是爭取每年建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼占總鋼材產(chǎn)量的6％。而發(fā)達國家目前這一比例已達10%以上，美國、日本等國家更達到30%左右。從這些數(shù)據(jù)可以看出，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量嚴重偏低，與鋼產(chǎn)量的快速增長形成了巨大的反差，這也是造成我國鋼材總體供大于求的一個主要原因。但同時也說明，中國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展具有極大的空間和潛力。
（2）高性能鋼材的研究應(yīng)認真加強
我國目前鋼材的質(zhì)量和規(guī)格基本滿足建筑結(jié)構(gòu)的要求，但隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的性能提出了更高的要求。如高層鋼結(jié)構(gòu)今后將大量需要高強度、高韌性、低屈強比、抗層狀撕裂能力、高焊接性、耐火性等高性能鋼材。對于冷彎鋼材，需開發(fā)Q345以上的高強冷彎鋼以及厚度在6～25mm的厚壁冷彎型鋼。鋼材質(zhì)量和規(guī)格的提高，高性能鋼材的生產(chǎn)，必將有利于降低鋼結(jié)構(gòu)的成本，擴大其應(yīng)用范圍。從總體上講，我們應(yīng)該從追求鋼鐵產(chǎn)品的數(shù)量轉(zhuǎn)為提高鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新鋼材的品種，以適應(yīng)建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼的需求，同時也促使鋼鐵產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
（3）鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍亟需擴大
我國房屋建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)占到90%以上，鋼結(jié)構(gòu)還不到5%，而日本等地震高發(fā)地區(qū)的建筑中鋼結(jié)構(gòu)占38%，木結(jié)構(gòu)占35%，混凝土結(jié)構(gòu)只占20%多[9]。我國建筑鋼結(jié)構(gòu)還僅集中使用于高層、超高層建筑、大空間公共建筑與工業(yè)建筑中，普通辦公樓，學(xué)校、醫(yī)院建筑等多高層建筑應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的少；低層、多層及高層住宅中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的少。我國每年竣工6億平方米的城鎮(zhèn)住宅建設(shè)，卻只有5%采用鋼結(jié)構(gòu)[2]。我國即使是在2008年汶川震后災(zāi)區(qū)的重建工作中，新建的住宅中仍然是磚混和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)住宅一統(tǒng)天下的局面，抗震性能優(yōu)異的鋼結(jié)構(gòu)住宅的貢獻仍然微不足道[10]。而日本在20世紀90年代末，預(yù)制裝配住宅中鋼結(jié)構(gòu)比例就已達到71% [11]。
2 網(wǎng)架和門式剛架結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的經(jīng)驗值得推廣
在大跨度建筑中，以網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為代表的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)50多年來成為我國發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)，無論在使用范圍、結(jié)構(gòu)型式、安裝施工等方面均具有中國建筑結(jié)構(gòu)的特色。據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會空間結(jié)構(gòu)分會統(tǒng)計：網(wǎng)架和網(wǎng)殼的生產(chǎn)2005年～2008年已趨于平穩(wěn)狀態(tài)，每年建造1500座，約250萬平方米。
門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系自20世紀80年代在我國采用以來，迅速發(fā)展，每年建造約800萬m2，在單層輕型工業(yè)廠房和倉庫建筑中幾乎都采用這種結(jié)構(gòu)體系。
這兩種結(jié)構(gòu)體系之所以能夠得到迅猛發(fā)展和推廣，主要是充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)輕、快、好、省的特點。這兩種結(jié)構(gòu)體系都采用了輕屋面，結(jié)構(gòu)構(gòu)件都經(jīng)過千方百計的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的自重減到極輕，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)輕的特點。這兩種都是體系化結(jié)構(gòu)，具有高度的工廠化、標(biāo)準化和模數(shù)化，現(xiàn)場施工幾乎不用焊接，因此施工速度極快，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)快的特點。有專用設(shè)計規(guī)范和商用軟件，能夠保證設(shè)計質(zhì)量，高度工廠化生產(chǎn)，構(gòu)件形式標(biāo)準化，可以在自動生產(chǎn)線上加工，能夠保證制作質(zhì)量，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量好的特點。結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)優(yōu)異，以門式剛架鋼結(jié)構(gòu)為例，用鋼指標(biāo)可降低到10～30 kg/m2。結(jié)構(gòu)體系化以后，可以形成批量生產(chǎn)，產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，明顯降低生產(chǎn)成本，門式剛架鋼結(jié)構(gòu)的造價可降低到400～600元/ m2，因此體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)省的特點。
為什么在當(dāng)前巨大的住宅市場中，鋼結(jié)構(gòu)沒有推廣應(yīng)用開來，這中間有很多問題需要研究和解決。從技術(shù)層面上來講，可以借鑒網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和門式剛架結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)迅速發(fā)展成為建筑業(yè)中新興專門行業(yè)的經(jīng)驗，也就是一定要走體系化的道路。要開發(fā)成套的鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品，使鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造實現(xiàn)標(biāo)準化、模數(shù)化；還要開發(fā)新型的圍護材料，使這些維護材料既適用于鋼結(jié)構(gòu)，又符合我國居住者的使用習(xí)慣，而且還具有良好的保溫隔熱、隔聲、防潮、防滲性能，從而提高建筑的使用舒適度。
3 近年來涌現(xiàn)的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術(shù)現(xiàn)狀令人擔(dān)憂
近20年來，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，大型公共建筑的建設(shè)也得到了空前的發(fā)展，涌現(xiàn)出了像金茂大廈，上海大劇院等一批體現(xiàn)中國民族特色和時代氣息，結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)體現(xiàn)科技和工程新發(fā)展，并具有強烈先進示范性的鋼結(jié)構(gòu)建筑，但也涌現(xiàn)出了與國際上倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念背道而馳、與國家基本建設(shè)原則背道而馳、與鋼結(jié)構(gòu)“輕、快、好、省”理念背道而馳的工程，其中以國家大劇院、鳥巢，水立方和CCTV主樓為代表。
2007年建成的國家大劇院（圖1），為了追求建筑效果，竟在歌劇院、音樂廳和戲劇場三幢獨立的建筑上用一個沒有任何使用功能的橢圓形半球殼體覆蓋，用鋼指標(biāo)達263kg/m2，建成后的運營費和維護費極其驚人，僅每月電費就高達400萬元，造成能源的過度消耗和投資的巨大浪費。顯然它是一個是典型的形式主義產(chǎn)物，完全不符合鋼結(jié)構(gòu)好、省的特點。
2008年建成的鳥巢（圖2），建筑師為了實現(xiàn)雜亂無規(guī)律的外表圖像，極端忽略結(jié)構(gòu)受力合理性，采用交叉平面桁架結(jié)構(gòu)體系，致使交匯于菱形內(nèi)柱腹桿的數(shù)量多達13根，被迫采用非常復(fù)雜的空間扭曲構(gòu)件，受力最大的部位不得不采用昂貴的Q460、厚度達110mm的厚鋼板，整個工程設(shè)計、制作和安裝的復(fù)雜性前所未有。盡管幾經(jīng)“瘦身”，但結(jié)構(gòu)的不合理仍然導(dǎo)致了驚世駭俗的用鋼指標(biāo)，高達712kg/m2，并使結(jié)構(gòu)自重占到總荷載的70％以上，這種為了建筑視覺效果完全違背鋼結(jié)構(gòu)輕、快、好、省特點的做法，簡直令人發(fā)指。
2008年建成的水立方（圖3），不知建筑師為何心血來潮地采用了一種十分怪異的、莫明其妙的網(wǎng)架構(gòu)件布置，使2萬根構(gòu)件、1萬個節(jié)點各不相同，施工圖紙達3萬多張，繪制費時1年，大大增加了制作難度和制作費用，這種毫無益處、徒增施工難度，延長施工期限的做法、完全違背鋼結(jié)構(gòu)快、好特點，實在令人難以接受。
2009年建成的CCTV主樓（圖4），建筑方案為高空大懸挑75m的傾覆性不平衡體型，結(jié)構(gòu)設(shè)計則要扶其不倒，用鋼指標(biāo)仍高達296kg/m2。該設(shè)計所追求的整體前傾且在高空懸臂外伸75m的奇特建筑造型已無法得到抗震合理的結(jié)構(gòu)體系，這給主樓的抗震設(shè)計留下無法彌補的隱患。這種完全違背工程結(jié)構(gòu)技術(shù)合理性，完全違背了鋼結(jié)構(gòu)輕、快、好、省特點的做法，令人無法容忍。
這些工程造型各異，但本質(zhì)相同，那就是極端強調(diào)建筑造型和視覺效果，忽視結(jié)構(gòu)體系的合理性和經(jīng)濟性、忽視環(huán)境與生態(tài)、忽視社會責(zé)任，使鋼結(jié)構(gòu)完全失去“輕、快、好、省”的本來面目，導(dǎo)致需要加倍地投入人力、物力和財力去保證諸如抗震，抗風(fēng)，防火和防意外爆炸與撞擊等結(jié)構(gòu)安全問題。這四大建筑無視鋼結(jié)構(gòu)特點的設(shè)計思想的傳染性很強，這種只求視覺沖擊力，無視成本和代價的潮流正在各地興起，資源和技術(shù)為形式服務(wù)之風(fēng)正在形成。以下列舉一些剛剛建成和正在建造的、與上述四大建筑有同質(zhì)特點的怪異鋼結(jié)構(gòu)建筑。
2010年5月建成的廣州歌劇院（圖5），造型為圓潤雙礫的大石頭，由64個面、41個轉(zhuǎn)角、104 條棱線傾斜交錯組成不規(guī)則折面，形成沒有一個面對稱，沒有一個節(jié)點相同的異型形體。所采用的空間折板式三向斜交單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系力學(xué)性能和經(jīng)濟性都不優(yōu)越，桿件任意交錯，節(jié)點極其復(fù)雜，全部采用鑄鋼節(jié)點，單個節(jié)點最大重量達到39t。整個結(jié)構(gòu)總用鋼量約1.2萬t。由于設(shè)計是完全無規(guī)律的組合，所以每一個節(jié)點從制造到安裝都要空中三維定位，每一個桿件都要分段鑄造再現(xiàn)場拼接，施工難度比起鳥巢“有過之而無不及”。
2010年6月封頂?shù)纳钲谧C券交易所營運中心（圖6），高245m，由塔樓和“漂浮平臺”兩部分組成。立柱型大廈的底座被抬升至30多米高，形成巨大的“漂浮平臺”，其東西向懸挑36m，南北向懸挑22m，是世界上最大的懸挑結(jié)構(gòu)，成為“世界上最大空中花園”。“漂浮平臺”單個節(jié)點最大重量達171t，總用鋼量2.8萬t，整個工程用鋼量約4.2萬t，比深圳地王大廈多1.75萬t。為了解決在30多米高空懸空建造奇特建筑造型的施工難題，使用了國內(nèi)最大的兩臺塔式起重機，并首次在國內(nèi)民用鋼結(jié)構(gòu)工程采用沙箱卸載技術(shù)。
2010年8月封頂?shù)拇筮B國際會議中心（圖7），形似一只大海龜。建筑設(shè)計追求解構(gòu)主義，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案極其復(fù)雜而無規(guī)律，形成了多支撐筒體大懸挑大跨度復(fù)雜空間體系，其特點為“二大、三多”——大懸挑：平臺桁架周邊（長700m）均為懸挑結(jié)構(gòu)，最大懸挑長度40m。大跨度：由17個分布不均勻的豎向筒體支撐平臺和屋蓋層，屋蓋跨度最大達110m。豎向承載構(gòu)件轉(zhuǎn)換多；鋼結(jié)構(gòu)類型多，包括箱型結(jié)構(gòu)，管桁架結(jié)構(gòu)，大懸挑桁架結(jié)構(gòu)，大跨度桁架結(jié)構(gòu)，空間傾斜柱，空間方管柱等。形式各異的節(jié)點數(shù)量多，達8.5萬個。鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量達3.5萬t。整個工程設(shè)計、制作和施工難度超過“鳥巢”和“水立方”，被稱為“在桌面上建房子”。
將于2010年年底竣工的合肥創(chuàng)新展示館（圖8），設(shè)計創(chuàng)意來自游戲棒，由346根長短不一的鋼管岸形成亂向自由分布的交叉桿棚罩，被稱為“合肥版鳥巢”。鋼結(jié)構(gòu)桿件無一相同，分布復(fù)雜，最多處有11根桿件交匯于一點，節(jié)點也無一相同。受桿件三維不規(guī)則影響，常規(guī)的平、立、剖圖紙無法將桿件的空間關(guān)系表達清楚，制作和施工難度極大，堪比CCTV主樓。
其它類似的工程還有深圳灣體育中心大屋蓋和海南國際會展中心等，限于篇幅，不再一一列舉。
五 鋼結(jié)構(gòu)如何做到輕、快、好、省？
上述這些極具“挑戰(zhàn)力”的建筑的建成，表明中國人能夠?qū)崿F(xiàn)國外建筑師只知道造型而不知道做法的設(shè)計方案。我們的設(shè)計人員、施工人員包括科研人員用智慧和心血解決了諸多“人為制造的技術(shù)難題”，創(chuàng)造了很多“代價高昂的世界第一”，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，用鋼量大并不意味著技術(shù)的進步。對比前述鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程中那些建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)技術(shù)高度融合的鋼結(jié)構(gòu)建筑典范，可以看出真正的技術(shù)進步是實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)輕、快、好、省的特點，能夠經(jīng)得起自然災(zāi)害和歷史的考驗。以下就如何使鋼結(jié)構(gòu)做到輕、快、好、省，從方案、理念、人才、技術(shù)和環(huán)境等方面談幾點意見。
1 設(shè)計方案的優(yōu)選
前文列舉的這些與鋼結(jié)構(gòu)“輕、快、好、省”特點完全相反的奇特建筑，其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜之程度，施工困難之程度，資源消耗之程度，建設(shè)費用高昂之程度，達到令人稱奇的地步。這些現(xiàn)狀與我國當(dāng)前的國情是否相符？與國家建立的“適用、安全、經(jīng)濟、美觀”的建筑方針是否相符？它們的建成使人們對其方案的中標(biāo)過程產(chǎn)生質(zhì)疑，到底方案中標(biāo)的評價標(biāo)準是什么？我國目前的重大工程幾乎都采用國外建筑師的奇特方案，方案中標(biāo)與否完全決取于評審人對建筑造型的審美，而非建筑功能、結(jié)構(gòu)、施工、造價、環(huán)境、節(jié)能等更多重要因素，這種方案中標(biāo)評選機制的缺陷，導(dǎo)致當(dāng)前中國產(chǎn)生了一大批世界上都罕見的“浪費建筑”。因此，要產(chǎn)生“輕、快、好、省”的鋼結(jié)構(gòu)，毋庸置疑，必須要完善目前的方案評選機制，杜絕“浪費建筑”的產(chǎn)生。方案的評審，應(yīng)該由涵蓋建造過程的建筑、結(jié)構(gòu)、施工、造價、能耗等主要專業(yè)領(lǐng)域里的專家組成評審組，分專業(yè)進行評價，最后綜合這些指標(biāo)選取最優(yōu)方案，而不能簡單地以建筑造型取勝。如果在某一專業(yè)方面嚴重不合理的，應(yīng)該“一票否決”。中標(biāo)的方案還應(yīng)接受社會的監(jiān)督，增加透明度。
2 設(shè)計理念的更新
（1） 首選化
改革開放前，受鋼產(chǎn)量的限制，在“節(jié)約用鋼”基本國策的指導(dǎo)下，建筑鋼結(jié)構(gòu)僅在重型工業(yè)廠房、大跨度公共建筑以及塔桅結(jié)構(gòu)中采用。改革開放后，隨著鋼產(chǎn)量的大幅度增加，國家的政策變?yōu)?ldquo;合理用鋼”和“積極用鋼”，但由于多方面的原因，鋼結(jié)構(gòu)仍然集中在高層，大跨公共建筑和工業(yè)建筑，民用建筑應(yīng)用的很少。這造成了設(shè)計人員一直以來形成的理念是鋼結(jié)構(gòu)是工程造價高、設(shè)計和施工復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)體系，除重要的大型工程外，普通建筑很少采用。加上設(shè)計人員認識的不全面，對鋼結(jié)構(gòu)耐火、防腐、剛性水平等存在疑慮，設(shè)計時首先不會想到采用鋼結(jié)構(gòu)，使理念與實踐形成了一種惡性循環(huán)。本文闡述了各種鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，揭示了其“輕、快、好、省”的本質(zhì)特點，希望有助于設(shè)計人員積極轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，設(shè)計時優(yōu)先考慮采用鋼結(jié)構(gòu)。
（2） 一體化
目前，我國設(shè)計界通常的做法是確立建筑方案后，再去考慮結(jié)構(gòu)、施工和造價等問題。以至于把“鋼結(jié)構(gòu)”作為技術(shù)手段去實現(xiàn)“新、奇、特”的建筑造型，而非發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)本身優(yōu)異的性能。鋼結(jié)構(gòu)建筑有其自身的特點，結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件和節(jié)點在很大程度上制約并決定著建筑的造型和空間，而結(jié)構(gòu)體系和施工技術(shù)是否高效合理，又關(guān)系著建造成本，維護成本和拆除成本等建筑物全壽命的成本問題。因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該從整體出發(fā)，實現(xiàn)一體化設(shè)計。建筑造型富有很強的力學(xué)原理，一些造型本身就決定著抗風(fēng)性能和抗震性能的優(yōu)劣。國內(nèi)外歷次大地震均表明特別不規(guī)則的建筑都受到嚴重破壞。因此，在初步設(shè)計階段就應(yīng)該通過科學(xué)、理性的一體化設(shè)計將那些“先天不足”的建筑造型剔除，以免后續(xù)被動地在結(jié)構(gòu)上“創(chuàng)新”去彌補這些“先天不足”，造成資金和資源的巨大浪費。一體化的設(shè)計需要建筑師、結(jié)構(gòu)工程師和其他相關(guān)學(xué)科的技術(shù)人員全力合作，實現(xiàn)建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)技術(shù)的完美結(jié)合。
（3） 優(yōu)化
目前，國內(nèi)設(shè)計院的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較為熟悉，相對來說，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計并不很熟悉，特別是在鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系選擇、節(jié)點構(gòu)造處理和構(gòu)件優(yōu)化問題上。結(jié)構(gòu)體系選擇的優(yōu)劣是影響結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)造價的關(guān)鍵；鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點在整個結(jié)構(gòu)中非常重要，節(jié)點的用鋼量也在結(jié)構(gòu)用鋼量中占很大比例。節(jié)點構(gòu)造處理得好，會改善結(jié)構(gòu)性能，也能降低結(jié)構(gòu)造價。對于構(gòu)件優(yōu)化這個問題，設(shè)計院幾乎都不做這個工作，設(shè)計師也不考慮這個問題。應(yīng)當(dāng)采用激勵的機制發(fā)揮設(shè)計師的能動性以改變這一現(xiàn)狀。
3 技術(shù)人才的培養(yǎng)
建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和數(shù)量將很大程度上取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案階段的決策，以及他們對業(yè)主的建議的信服度。目前我國鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)人員比較缺乏，這已經(jīng)成為影響整個建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的主要因素。從這個角度講，加快對設(shè)計人員的培養(yǎng)，系統(tǒng)地提高設(shè)計人員在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的知識及設(shè)計水平至關(guān)重要。
（1） 提高社會責(zé)任感
古人講“天下興亡，匹夫有責(zé)”，在資源問題日益突出的時代，我們可以講“資源有無，匹夫有責(zé)”。國家現(xiàn)在一直在提倡“低碳經(jīng)濟，節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展”的理念。目前，人們開始重視提高建筑物運營過程的節(jié)能問題，但對建筑節(jié)能的另一個重要方面——建造過程的節(jié)能還沒有引起足夠的重視，這方面的浪費還極其嚴重。這種浪費有可能從根源上就埋下禍根，也就是設(shè)計本身不合理帶來的后果。目前技術(shù)的發(fā)展幾乎可以解決一切工程問題，即使再不符合力學(xué)原理的建筑也都能造的出來，但以付出巨大的資源和能源為代價。對于結(jié)構(gòu)工程師來講，其責(zé)任并不是僅僅幫助建筑師去實現(xiàn)建筑造型，應(yīng)該主動創(chuàng)新，應(yīng)用新材料，優(yōu)化和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，最小限度地使用材料和能源并使結(jié)構(gòu)的受力達到最優(yōu)。
（2） 深化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計知識
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)的剛性很大的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，無論是建筑方面還是結(jié)構(gòu)方面都有著很大的不同。一般建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面由寬厚比較大的板件構(gòu)成，截面也相對較小，甚至是本身沒有彎曲剛度的索、膜構(gòu)件，這使設(shè)計中出現(xiàn)了較明顯的非線性問題、穩(wěn)定問題，甚至是一般結(jié)構(gòu)設(shè)計中不會存在、理論上也十分困難的“逆問題”，如柔性結(jié)構(gòu)普遍存在的找形問題。另外，建筑鋼結(jié)構(gòu)相對較輕較柔，地震及風(fēng)載下結(jié)構(gòu)整體變形或振動的控制問題將更為突出。這些問題的解決需要設(shè)計人員具備扎實的鋼結(jié)構(gòu)知識及力學(xué)理論基礎(chǔ)，而從總體上看，設(shè)計人員的這些知識還相當(dāng)薄弱。
現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的重鋼廠房到輕鋼、薄鋼廠房；從多層的框架到各種高層、超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系；從傳統(tǒng)的網(wǎng)架、網(wǎng)殼等剛性大跨空間結(jié)構(gòu)體系到各式各樣的可跨越更大跨度的現(xiàn)代半剛性、柔性或雜交空間結(jié)構(gòu)體系等。不同體系可能帶來不同、甚至全新的設(shè)計概念、理論知識及設(shè)計方法等。加上新材料，新工藝，新技術(shù)不斷的出現(xiàn)，設(shè)計人員很難實現(xiàn)知識的同步更新，這都要求設(shè)計人員加強再教育，再學(xué)習(xí)[3]。
4 設(shè)計、制作、施工技術(shù)的完善
（1） 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的深入與完善
任何一個行業(yè)的市場發(fā)展必將與本行業(yè)科技進步與技術(shù)儲備的程度具有密切的關(guān)聯(lián)度。鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科研人員經(jīng)過50年多年的不斷努力，對高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)、剛性和柔性大跨度鋼結(jié)構(gòu)，輕型鋼結(jié)構(gòu)，重型工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)，桅桿鋼結(jié)構(gòu)，鋼板鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系的基本理論和分析設(shè)計方法等方面做出了突出的成就，但還有許多問題需要解決和完善。例如現(xiàn)有的抗震設(shè)計方法對鋼結(jié)構(gòu)很不利。它未能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)延性好的優(yōu)點，如果按規(guī)范做，鋼結(jié)構(gòu)的抗震作用要比混凝土結(jié)構(gòu)大，用鋼量通常會增加10%～20%。實際上考慮鋼結(jié)構(gòu)的延性后，不應(yīng)該出現(xiàn)這種情況。抗震設(shè)計時，高層和超高層建筑往往是位移控制的，如何合理確定位移限值也是降低用鋼量和造價的重要方面。這些都是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法中的問題。另外，我們還需要積極探索和研究更為高效的構(gòu)件、節(jié)點和結(jié)構(gòu)體系。隨之需要對采用新材料的構(gòu)件提出合理的設(shè)計方法、研究新結(jié)構(gòu)體系的有效分析方法、提出結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗火等防災(zāi)設(shè)計理念和方法等。
（2） 各種標(biāo)準規(guī)范的更新與完善
我國現(xiàn)有的規(guī)范體系基本涵蓋了建筑鋼結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)用鋼材及基本應(yīng)用領(lǐng)域。但隨著新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)體系、新應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)，對現(xiàn)有建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的更新、補充與完善以及對新型結(jié)構(gòu)體系及新的應(yīng)用領(lǐng)域的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的編制工作顯得非常迫切[3]。例如在使用新材料上，近幾年來，一些工程中都采用國產(chǎn)的Q345GJZ厚板，其突出的優(yōu)點是可比普通Q345鋼提高設(shè)計強度18％，可降低相關(guān)用鋼量及造價10％以上，但現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范都一直未對上述鋼材新標(biāo)準的變化做出積極的反映，致使現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范與鋼材新產(chǎn)品標(biāo)準間的矛盾日益突出[12]。國際規(guī)范通常3～5 年修訂一次，我國往往5～10 年才修改。由于我國規(guī)范強制條文多、靈活度小、修改不及時，難免會在規(guī)范中出現(xiàn)一些內(nèi)容不全面、意思不明確、規(guī)定不合理之處,對設(shè)計人員的使用造成困難。因此，及時補充新的科研成果對提高規(guī)范水平至關(guān)重要[13]。
（3） 配套設(shè)計軟件的編制與完善
隨著鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，國內(nèi)許多系列的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件相繼問世，可分別適應(yīng)我國普鋼、多高層鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要。但在技術(shù)上還與國外還有很大的差距。如美國在輕型鋼結(jié)構(gòu)上專用設(shè)計軟件可在短時間內(nèi)完成設(shè)計、繪圖、工程量統(tǒng)計及工程報價[6]。而我國雖然已經(jīng)有專門設(shè)計輕型鋼結(jié)構(gòu)的軟件，但達不到國外那種完善的水平。又如國外已經(jīng)開始采用基于建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）的設(shè)計軟件，BIM集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的數(shù)字化描述，能夠應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的全過程，為建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各個專業(yè)的設(shè)計師實現(xiàn)了三維協(xié)同工作平臺，實現(xiàn)了同步和高效的工作模式。基于BIM的技術(shù)革新，不僅改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，而且對當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)加工制作、現(xiàn)場施工和質(zhì)量控制技術(shù)也有了新的提升[14]。而目前國內(nèi)開發(fā)的設(shè)計軟件一般是一體化CAD協(xié)同設(shè)計平臺，主要是二維，還無法同時完成主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)、附件配置、材料統(tǒng)計等設(shè)計與構(gòu)造工作。因此，急需開發(fā)自主軟件。
（4） 鋼結(jié)構(gòu)制作、施工工業(yè)化的深化與完善
在建筑鋼結(jié)構(gòu)加工制作方面，隨著鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用市場的擴大，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)從幾十家很快發(fā)展壯大到上千家。大型企業(yè)的裝備水平、生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)營管理能力，接近國際水平，生產(chǎn)線的主體設(shè)備是國外引進，能承擔(dān)我國國家級工程的鋼結(jié)構(gòu)制造。而中、小型鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)總體上裝備較落后，技術(shù)水平還比較低，容易形成行業(yè)內(nèi)的惡性競爭。從總體上看，產(chǎn)業(yè)集中度較低，加工企業(yè)分布面廣，加工能力和構(gòu)件質(zhì)量參差不齊，尚未形成大型企業(yè)集團[3]，因此，需要加快這些企業(yè)工業(yè)化的進程。要提高工業(yè)化水平，首先要提高設(shè)備儀器等裝備的現(xiàn)代化程度，以現(xiàn)代化的裝備實現(xiàn)集約化生產(chǎn)。隨著工業(yè)化的發(fā)展，還應(yīng)該形成設(shè)計、制作、施工一體化和合作鏈條，以大企業(yè)為主、中小企業(yè)為輔的產(chǎn)業(yè)鏈，推動鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一個新的水平。
5 建設(shè)環(huán)境的改善
最后要提到的是目前工程建設(shè)的大環(huán)境問題。當(dāng)前我國是世界上每年新建建筑量最大的國家，每年新建面積達20億平方米[15]，建設(shè)規(guī)模和速度史無前例，城市化的進程令世人驚異，但許多建筑是政績工程和開發(fā)商商業(yè)利益的產(chǎn)物。市場競爭激烈之程度使建筑師和結(jié)構(gòu)工程師疲于趕制工期，并使一些科研人員也忙于工程咨詢，為了更快、更多的完成任務(wù)，建筑形式上流于盲目模仿，結(jié)構(gòu)體系上安全地使用熟悉的體系，這樣就不可避免的出現(xiàn)“復(fù)制”建筑和“放大比例”的建筑，導(dǎo)致中國大江南北的建筑同質(zhì)化，幾乎沒有任何地方特色，同時也導(dǎo)致中國設(shè)計師在重大工程項目上競爭能力不足。沒有相對寬松的環(huán)境，沒有思考的時間，如何創(chuàng)新？如何使鋼結(jié)構(gòu)做得更輕，更好，更快，更??？與其倉促上馬，重復(fù)建造“高投資、高能耗、低效益”的建筑，不如放慢一些建設(shè)的步伐，一則節(jié)省國家資源并減緩對生態(tài)和環(huán)境的壓力，一則節(jié)省出的資金可以用一部分來緩解中國建設(shè)行業(yè)人員的生存狀況，也給他們留出些思考的空間，專心攻克關(guān)鍵技術(shù)，提升自主創(chuàng)新的能力，這樣也有利于加強和完善建筑產(chǎn)業(yè)鏈的各項工作，實現(xiàn)本土設(shè)計師自主設(shè)計和建造有中國特色的建筑。
六 結(jié)語
本文通過對鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程的總結(jié)，揭示了鋼結(jié)構(gòu)“輕、快、好、省”的本質(zhì)特點，針對目前我國建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中凸顯的問題，進行了比較和分析，希望讀者能夠加以思考和辨別，對鋼結(jié)構(gòu)有一個正確和理性的認識，還鋼結(jié)構(gòu)“輕、快、好、省”的本來面目，擴大鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，促進鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
參考文獻
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