本文主要從現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展方面進行探討，重點探討了在綠色建筑中如何保證優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)，并對于現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設計關(guān)鍵步驟進行分析，希望對于今后的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)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(nèi)進行節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和節(jié)能，能夠做到減少污染和保護環(huán)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(huán)境的建筑物，主要包括整體設計觀、節(jié)約能源、尊重地理環(huán)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(xù)發(fā)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(shù)、新設備、新材料以及新的設計方法等。正如美國建筑結(jié)構(gòu)大師Fuller所說，用最少的結(jié)構(gòu)提供最大的承載力則是建筑結(jié)構(gòu)哲學。

由此可見，綠色建筑最重要的內(nèi)容之一就是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)材，這也是結(jié)構(gòu)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(diào)于太陽能的利用、建筑墻體的節(jié)能等方面，幾乎不談鋼結(jié)構(gòu)骨架的節(jié)材問題，這樣，就難免出現(xiàn)怪異且笨重的大型鋼結(jié)構(gòu)情況。

保證優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才算綠色建筑

結(jié)構(gòu)骨架節(jié)材應該為優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)，還應該在滿足功能的最大限度要求下，能夠?qū)τ诃h(huán)境產(chǎn)生最低限度的影響，還包括墻體節(jié)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(xù)發(fā)展。

在相關(guān)的大跨度鋼屋蓋和高層全鋼結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過00多年的實踐，大量的鋼結(jié)構(gòu)在先進國家中采用，能夠把鋼結(jié)構(gòu)的固有的三大核心價值基本實現(xiàn)，其中，鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量在日本已經(jīng)查過70%左右。在美國，世界高層全鋼結(jié)構(gòu)前幾名大都在此，其中，分析世貿(mào)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(zhuǎn)換層，下面柱距增大，全部采用高強度螺栓進行現(xiàn)場拼裝的高三層樓的吊裝件，這不同于我國幾乎100%的現(xiàn)場焊接病狀工藝。其中，密柱加上深梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，這樣的情況下，西爾斯塔樓比世貿(mào)中心高出26米多，但是用鋼卻少了26.5kg/m2。

我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑在改革開放以來具有快速的發(fā)展，但是，確實存在一些怪異、笨重的鋼結(jié)構(gòu)，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(xiàn)出的和輕、快、好、省理念背道而馳的技術(shù)現(xiàn)狀，這點是值得令人擔憂的。姚兵則指出，“鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑建成鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)則為主結(jié)構(gòu)，次結(jié)構(gòu)存在布置無序。中央開洞尺寸：185.3m×127.5m，平面結(jié)構(gòu)則為橢圓：332.3m×297.3m，實際用鋼量達到了5.2萬t，這樣經(jīng)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(shù)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(jié)構(gòu)，用鋼量能夠達到226kg/m2。其中，存在7類的鑄鋼結(jié)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(jié)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(chuàng)新的展示館分析中，可以發(fā)現(xiàn)其為最為雜亂的創(chuàng)新奇跡。違背結(jié)構(gòu)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(yōu)秀的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，整個的跨度都在100m之內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)方案則具有較強的有效性，能夠有機完美結(jié)合了結(jié)構(gòu)力度和建筑的空間藝術(shù)設計，通過自然地的顯示結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)特點，能夠讓旅客感受到輕快的氛圍，進行了簡潔的轉(zhuǎn)角處理。

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設計關(guān)鍵步驟分析

在進行現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設計過程中，正確地進行結(jié)構(gòu)方案的選擇和正確地進行結(jié)構(gòu)的截面高度的估計則是較為關(guān)鍵的兩個步驟。

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

前兩個步驟極為重要，一般首先要進行結(jié)構(gòu)分類，這樣才能有效進行結(jié)構(gòu)方案的正確選擇。在進行結(jié)構(gòu)分類過程中，屋蓋空間結(jié)構(gòu)則是通過一種由形狀而產(chǎn)生的效益結(jié)構(gòu)，也經(jīng)常稱為形效結(jié)構(gòu)，用鋼量在這類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。分析屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案中，正確對于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案選擇方面則為網(wǎng)殼，為屋蓋空間結(jié)構(gòu)。但是，在進行具體的上機前，由于存在選擇過大的結(jié)構(gòu)的截面高度，用鋼量則能夠高達291kg/m2，根據(jù)美國專家史密斯教授的研究發(fā)現(xiàn)，通過對于166個類似的已經(jīng)建成的大跨度蓋屋的回歸分析，可以看出，這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量則不應該超過80kg/m2。

第二，對于采用徑向管桁架結(jié)構(gòu)的寶安體育館來說，也就是采用相貫節(jié)點，能夠使得中央節(jié)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(jīng)過本國技術(shù)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(nèi)的下旋桿能夠起拱，這樣為了更好發(fā)揮萬向支座的剛度系數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)語

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

（作者單位：曲阜沃特工程有限公司）