重视屋盖、高层建筑钢结构的用钢量指标

【摘要】本文用建筑工程案例，说明我国屋盖、高层建筑钢结构的用钢量，比世界先进国家大得多。为了践行钢结构固有的三大核心价值[1]，设计者应努力遵循钢结构哲理[2][3][4]——用最少的结构提供最大的结构承载力，实现安全、经济的完美结合。

【关键词】单位面积用钢量;省钢材;绿色建筑;结构分类;结构方案

地面以上（全）钢结构的单位面积用钢量（简称用钢量）定义是：一幢钢结构总用钢除以建筑面积。为何要强调用钢量指标？一般来说，钢结构设计越笨重（焊缝密集、厚钢板焊接等），材料、施工费猛增，施工更艰难，对抗震不利。我国（全）钢结构用钢量比世界先进国家的大得多。

图1所示，深圳汉京金融中心——我国为数不多的高层全钢结构，地面以上建筑面积16.5万m2，总用钢量6.275万t，从而，用钢量6.275万t/16.5万m2=380kg/m2（n=61层，高350m）。

图2所示海花岛国际会展中心（海南省西海岸填海造岛），椭圆平面145m×83m（图2a），采用箱形悬伸钢梁（梁高3m）弯矩结构（图2b），用钢量高达432kg/m2。

a） 结构布局                b） 剖面

图3所示深圳大运会体育场——多折面刚架-格栅弯矩结构（图3a），由20个形状相近的单元组成（图3b）。单元悬挑长度51.9m-68.4m（图3d）。

铸钢结点7类[5]——背谷、肩谷、冠峰、内环、冠谷、肩峰、背峰（图3b），总数7×20个=140个，总重量0.42万t。肩谷结点最大，外形尺寸：5.4m×4.6m×3.4m（10管相交，图3b），壁厚400mm，与钢管（厚200mm）对接焊，最大铸钢结点的单件重高达98.6t。

图4所示，合肥创新展示馆，钢骨架穿过屋顶，看似一堆废钢场。建筑功能与空间乱相，成为最杂乱的“创新奇迹”。我国不少钢结构，名为创新，实为怪异。

某演艺中心（图5），屋盖跨度135m，采用巨型钢桁架体系（图5b）——屋盖弯矩结构。

文献[6]第5.1.2条：屋盖钢结构跨度大于100m时，应优先采用屋盖形效结构。屋盖形效结构定义见本文表3的注解。

a） 外景                         b） 屋盖平、剖面

我国在地震区大量建造高层混合结构（mixed structure——外钢框架+内混凝土核心筒）已成时尚，结构非常笨重，且我国混合结构的建造高度，远远超过我国四本现行设计规范（程）[7][8][9][10]高度限值[H]（表1），钢材、混凝土用料惊人。如广州东塔（图6），高H=518.15m，总用钢16.8万t（型钢10.8万t，钢筋6万t），混凝土20万m3。其中，钢骨混凝土RCS（图6c），施工十分艰难。

我国现行高钢规程（JGJ 99-2015）[11]是（全）鋼构，未将高层混合结构列入。美国、日本等先进国家不允许高层混合结构在地震区建造[7][12][13][14]，而我国高层混合结构在地震区大量建造，且冲击世界高层高度（表2）。关于高层混合结构，我国现行抗震规范[7]P.385：“对于混凝土核心筒-钢框架混合结构（Mixed Structure ），在美国主要用于非抗震设防区，且认为不宜大于150m。在日本，1992年建了两幢，其高度分别为78m和107m，结合这两项工程开展了一些研究，但并未推广”。

由于混凝土结构（开裂）和钢结构（不开裂）两种结构的混合，在强震作用下的结构性能、延性比和破坏机理的巨大差异，以及美国阿拉斯加地震（1964年）高层混合结构破坏的历史教训[12]。必须引起我国政府和专家的关注。

1.结构分类与现代钢结构轻量化设计理念

本文提出按“传力维”来分的结构分类[15]，打破了几十年按“几何维”的分类方法。

按“传力维”分类，把建筑结构分为两大类：弯矩结构和轴力结构（形效结构）（表3）。

注：屋盖形效结构（Roof Formative Structures）是一种由于形状而产生效益的结构，因此，它们具有三大特点：1.曲线（面）状（按形态学、拓朴原理构成），有封闭边缘构件;2.节材;3.造形美观、现代。

几十年来，结构按“几何维”分类，已经导致专业人士的力学概念混乱，如2008年，某出版社出版的《空间结构》一书论述：“空间结构的优点一般表现为：（1）自重轻;（2）便于工业化生产;（3）刚度好;（4）造型美观……。如我国的鸟巢、美国的乔治亚穹顶……，这些建筑物的建造也极大的推动了空间结构的发展和受关注程度”。

实际情况是，按“传力维”分类，鸟巢是弯矩结构，交叉门式刚架结构[3]或平面桁架式结构[17]，用钢量710-961kg/m2，乔治亚穹顶是形效结构，用钢量仅30kg/m2。

按“传力维”分类的结构分类框图见图7。

2014年，规程[6]首先刊出现代（全）钢结构轻量化设计理念——二、三、四观点（表5）。

2.我国与世界先进国家钢结构的耗钢比较

2.1 鸟巢、伦敦碗的总用钢（t）

鸟巢（图8a）——第29届奥运会主场馆（2008年），工地全焊接拼装，座位8万人，总用钢5.24万t[19][20]，最厚钢板110mm。

伦敦碗（图8b）——第30届奥运会主场馆（2012年），工地高强螺栓装配，座位8万人，总用钢1万t[21]。

全景                               主结构

结构大样                            膜材施工

a） 鸟巢（Brids Nest）（2008）

（交叉门式刚架结构[3]——屋盖弯矩结构）

夜景                                 剖面

结构体系                           工地高強螺栓装配

b） 伦敦碗（2012）

（轮辐式索网结构[21]——屋盖形效结构体系）

图8  屋盖钢结构鸟巢、伦敦碗用钢量的比较

伦敦碗（图8b）由五层结构环组成：（1）天蓬支架环（旧钢管）;（2）装饰围护环（纤维布）;（3）看台面板环（低碳混凝土）;（4）看台支架环（旧钢管）;（5）地面看台环（低碳混凝土）。伦敦碗很好地贯彻了可持续发展理念，为了解决场馆的赛后利用和奥运遗产保存问题，奥运会后，体育场将保留钢筋混凝土结构看台上的2.5万永久座位，5.5万个座席移做其他场馆重复使用（物尽其用）。

图9所示，钢屋架（屋盖弯矩结构）与索穹顶（屋盖形效结构）的用钢量，图上标注几个工程案例。

2.2  CCTV新电视塔与美国World Trade Center的用钢量（kg/m2）

CCTV新电视塔（图10a）——n=53层，高H=234m，工地全焊接拼装，钢材屈服强度maxQ460，钢板厚130mm，用钢量302kg/m2。

美国World Trade Center（图10b）——n=110层，高

H=416.138m，工地高强螺栓拼装，fy=700MPa，钢板厚7.5mm→22.5mm，用钢量186.6kg/m2。

3.钢结构轻量化设计的四大步骤

（1）结构方案（概念设计）

（2）结构截面高度

（3）构件布局（短程传力）

（4）结点小型化

3.1 正确选择结构方案

广东省东莞体育馆（图11）[22]——弦支穹顶结构，支座平面：110m×80m，用钢量73kg/m2（总用钢850t），比原设计钢桁架总用钢3100t少2250t。

全景

单层网壳

弦支

3.2正确选择结构截面高度

规程[6]列出结构截面高度限值[h]（表6）

注：1. 对于悬臂实腹梁的适用范围：L=10m～15m，取h=L/10;悬臂桁架（网架）：L=<50m，h=L/6～L/8。2. 对于重屋面或重荷载，[h]可增大，适用跨度L可减少。3. 单层圆柱面网壳L≤30m;双层圆柱面网壳L≤100m，h=L/20～L/50。4.门式刚架L≤40m。

广东奥林匹克体育场——悬挑屋架结构（图12c）。由于屋架支座处的桁架高度取值为L/10

a）全景

b）平面

c）剖面

3.3 构件布局（短程传力）

广东湛江电厂干煤棚（图13）[24]——四柱支承平板网架结构，腹杆棋盘式布置（八面坡水），柱距79.8m，暗柱帽。屋面采用陶粒混凝土预制板（重力密度14.5kN/m3），用钢量70.3kg/m2。

3.4 结点小型化

深圳宝安体育馆（图14）[25]——悬伸交叉屋架体系，跨度101.4m（图14c），用钢量68kg/m2。

原设计的构件布局（图14d）与图14b不同，中央下弦出现一个直径3.644m的铸钢大结点。

4. 小结

4.1 钢结构设计笨重

我国（全）钢结构设计多数笨重，且现场几乎全焊接或栓焊拼装，施工十分艰难，与绿色建筑相佐。我国粗钢产量8亿t（图15），钢结构用钢约5600万t，占7%。若实行钢结构轻量化设计，减少用钢量，我国每年可至少多建造一倍以上的钢结构。

4.2 钢结构设计哲理

4.2.1 现代（全）钢结构轻量化设计是硬道理（力学功底，结构理论），硬设计（只会熟练的运用设计软件，而不知其所以然）就是任性——笨重与怪异，与绿色建筑相佐。

4.2.2 绿色建筑、装配式钢结构的关键词（表7）

装配式钢结构——工地高强螺栓装配，才能保证质量和装配效率。

4.2.3 最简洁的钢结构（非复杂结构），往往就是最好的结构。

目前，在我国大力推进高质量发展，钢结构建筑将越建越多，努力践行钢结构固有的三个核心价值——最轻的结构、最短的工期和最好的延性（抗震性能好），将创造钢结构建筑的辉煌！

参考文献

[1]王仕统.提高我国（全）钢结构设计的结构效率，实现钢结构的三大核心价值.钢结构与建筑业，2009年第1期.

[2]王仕统.大跨度空间钢结构的概念设计与结构哲理（中国工程院工程科技论坛第39场特邀报告论文集《论大型公共建筑工程建设——问题与建议》.中国建筑工业出版社，2006.12.

[3]王仕统，薛素铎，关富玲，陈务军，姜正荣，石开荣.现代屋盖钢结构分析与设计.中国建筑工业出版社，2014年4月.

[4]王仕统.钢结构设计.华南理工大学出版社，2010.7.

[5]曹富荣.深圳大运会主体育场铸钢结点制作新技术.钢结构与建筑业，2009（19）.

[6]钢结构设计规程（DBJ 15-102-2014）.中国城市出版社，2016.1月.

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[8]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）.中国建筑工业出版社，2011年6月.

[9]高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-98）.中国建筑工业出版社，1998年.

[10] 高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程（CECS230：2008），2008

[11] 高層民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-2015）.中国建筑工业出版社，2016.4.

[12] 刘大海，杨翠如. 高楼钢结构设计（钢结构、钢-砼混合结构）.中国建筑工业出版社，2003年9月.

[13] 王仕统.质疑我国高层混合结构设计.第14届全国现代结构工程学术研讨会，工业建筑，2014增刊.

[14] 王仕统.我国高层混合结构设计探讨.中国建筑金属结构，2015年第2期P62.

[15] 王仕统.简论空间结构新分类.空间结构，2008（3）.

[16] 王仕统，郑廷银.现代高层钢结构分析与设计，机械工业出版社，2018年6月.

[17] 董石麟，陈兴刚.鸟巢形网架的构形、受力特性和简化计算方法.建筑结构，2003（10）.

[18] 王仕统.浅谈钢结构的精心设计（第三届全国现代结构工程学术研讨会特邀报告）.工业建筑，2003增刊.

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[20] 刘子祥，戴为志.国家体育场鸟巢钢结构工程施工技术.化学工业出版社，2011年5月.

[21] 薛素铎，李雄彦.2012伦敦奥运场馆结构体系概述.工业建筑，2012年增刊.

[22] 姜正荣，王仕统，石开荣等.厚街体育馆大跨度椭圆抛物面弦支穹顶结构的非线性屈曲分析.土木工程学报，2013.

[23] 王仕统，姜正荣.点评国际中标方案——广东奥林匹克体育场的结构设计.第四届全国现代结构工程学术研究会，（《工业建筑》增刊2004）

[24] 王仕统，肖展朋，杨叔庸，李焜鸿.湛江电厂干煤棚四柱支承（113.4m×113.4m）屋盖网架结构.空间结构，1996 （2）.

[25] 王仕统，姜正荣.宝安体育馆钢屋盖（140m×140m）结构设计.钢结构，2003（5）.

[26] 岳清瑞.对我国钢结构发展瓶颈及对策的几点思考.钢构之窗，2016年第2期.

（作者单位：广东省钢结构协会）

【中图分类号】TU391

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2019）08-0044-06