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<L 7（见表6的注1）等原因，用钢量200kg m2。根据文献[23]：用钢量可降到80kg m2。可见，钢结构设计是硬道理（力学功底、结构稳定理论），硬设计（只会熟悉地使用设计软件，而不知其然）就是任性——笨重与怪异。200kg m2就是硬设计，80kg m2就是硬道理。
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
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（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
