任 洹，楊晨鑫

(1.筑福(北京)城市更新建設(shè)集團有限公司，北京 102300；2.東風(fēng)設(shè)計研究院有限公司南方公司，廣東 廣州 510000)

0 前 言

鋼結(jié)構(gòu)作為21世紀(jì)的綠色建筑，其構(gòu)件適宜工廠化生產(chǎn)，可大大提高建筑工業(yè)化、商品化水平。鋼結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用歷史已經(jīng)有近百年，但我國的鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于商用建筑、工業(yè)建筑以及部分超高層和大跨度建筑，目前國內(nèi)民用住宅仍然以混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為主，反觀日本、歐美等發(fā)達國家鋼結(jié)構(gòu)住宅已占據(jù)一定規(guī)模，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用距發(fā)達國家還有一定的差距，且我國建筑的用鋼量也與發(fā)達國家有著不小的差距。隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的增長、住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢、國家對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鼓勵政策、社會環(huán)保意識的增強以及鋼結(jié)構(gòu)自身相對于普通混凝土建筑的優(yōu)點,鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑在我國具有良好的發(fā)展空間。

1 國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史

我國的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史根據(jù)不同的歷史背景可以簡要概述為四個階段：第一階段為20世紀(jì)50年代初期，這是我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的起始階段，在前蘇聯(lián)的156個援建項目下我國的鋼結(jié)構(gòu)開始了起步發(fā)展，期間通過了我國第一本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，但由于鋼材匱乏，當(dāng)時主張節(jié)約鋼材；第二階段為20世紀(jì)60年代中到改革開放初期，此時我國的鋼結(jié)構(gòu)項目嚴(yán)重減少，鋼結(jié)構(gòu)人才緊缺，因鋼材短缺故限制建筑用鋼；第三階段為改革開放初期到20世紀(jì)90年代中后期，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國鋼材產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列，鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用趨于多樣化，我國對建筑用鋼的策略也從限制使用轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠硎褂?；第四階段是20世紀(jì)90年代中后期至今，國家一直在鼓勵綠色建筑、鼓勵建筑工業(yè)化發(fā)展，再加上我國對環(huán)境保護的重視程度越來越高，而混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中現(xiàn)場濕作業(yè)、工地?fù)P塵多，對環(huán)境并不友好，多方面因素促進了我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]。

21世紀(jì)以來，我國住建部便在全國各地開始推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅的使用。建設(shè)部在2001年發(fā)布《鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則》[2]，通過該技術(shù)導(dǎo)則指出了鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的總體原則以及相關(guān)規(guī)定，針對鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的基本內(nèi)容，如住宅平面布局、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、圍護及分隔系統(tǒng)、裝修、鋼構(gòu)件連接節(jié)點、鋼結(jié)構(gòu)材料的選用等分別進行了闡述，對于我國的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展進程來說，這是我國發(fā)布的首部鋼結(jié)構(gòu)住宅體系指導(dǎo)文件。2002年，經(jīng)建設(shè)部批準(zhǔn)，我國第一個國家住宅產(chǎn)業(yè)化基地在天津市成立。次年，天津市便發(fā)布了《鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計規(guī)程》用于指導(dǎo)本市鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。2004年，建設(shè)部通過發(fā)布《關(guān)于推廣應(yīng)用新技術(shù)和限制、禁止使用落后技術(shù)的公告》[3]，明確了新興技術(shù)和落后技術(shù)的范圍，并把作為新興技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)住宅列為住宅產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的最重要的推廣技術(shù)。2019年住建部發(fā)布《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)建筑市場監(jiān)管司2019年工作要點》,提出了要求各地省市積極建設(shè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅試點。選擇部分地區(qū)開展試點，明確試點工作內(nèi)容、任務(wù)和保障措施，穩(wěn)步鋼結(jié)構(gòu)住宅在當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展進程。推動鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，規(guī)定在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅試點地區(qū)范圍內(nèi)新建保障性住房、裝配式住宅建設(shè)和農(nóng)村危房改造、扶貧項目中的住宅房中采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式建造方式的最低比例，并立項追蹤試點項目的進展，記錄項目的推進情況。山東、湖南、四川、浙江四省也提出“要著力培育鋼結(jié)構(gòu)建筑新興產(chǎn)業(yè)集群，加快推進鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展；明確提出試點建設(shè)范圍、建設(shè)目標(biāo)、實現(xiàn)目標(biāo)的具體策略及具體政策支持”[4]，尤此可見鋼結(jié)構(gòu)在我國將迎來大的發(fā)展機遇。

2 鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有自重輕，強度高，塑性變形能力強，抗震性能好，跨度大，無需養(yǎng)護，地震時產(chǎn)生的地震力小，施工方式對環(huán)境友好，施工速度快，施工質(zhì)量更容易控制，可重復(fù)使用，易于工業(yè)化等優(yōu)點。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑自重在1.5～2.0 t/m2，鋼結(jié)構(gòu)建筑自重低于1 t/m2，甚至更低，這不僅減少了基礎(chǔ)負(fù)荷，而且降低了施工過程中運輸和吊裝的費用[5]。因鋼材延性好、塑性變形能力強，鋼結(jié)構(gòu)在地震中表現(xiàn)良好，從地震災(zāi)害調(diào)查結(jié)果看，鋼結(jié)構(gòu)建筑倒塌數(shù)量是最少的，大大降低了地震災(zāi)害帶來的損傷。鋼結(jié)構(gòu)體系可將構(gòu)件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到工廠內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為工廠預(yù)制，利于提高建筑產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化進程，現(xiàn)場構(gòu)件的拼裝以焊接和螺栓連接為主，不僅能為工人提供良好的作業(yè)條件、減輕勞動強度、縮短工期，而且能減少施工現(xiàn)場濕作業(yè)，降低噪聲，減少粉塵和建筑垃圾等。裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系則更能體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)建筑相對于混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，裝配式鋼結(jié)構(gòu)使主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、管線與設(shè)備系統(tǒng)和內(nèi)部裝修系統(tǒng)做到緊密結(jié)合，均可在現(xiàn)場裝配施工，并且裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點推薦采用螺栓連接，全螺栓連接可避免現(xiàn)場焊接，從而減少焊縫處因油漆處理不當(dāng)而發(fā)生腐蝕的情況。

鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還存在不小的技術(shù)難題，其耐火性和耐腐蝕性較差。耐火性差使其在火災(zāi)中很容易出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，強度大幅度降低，從而造成構(gòu)件的破壞甚至建筑物的倒塌，例如“911事件”中，世貿(mào)大廈在遭受撞擊后并未第一時間倒塌，在飛機燃料的熊熊大火兩個小時的灼燒之下，鋼結(jié)構(gòu)逐漸喪失了強度最終發(fā)生了倒塌。現(xiàn)如今市面上已有防火涂料，涂刷防火涂料可將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提升至2.5 h，但造價偏高。鋼結(jié)構(gòu)住宅要想得到發(fā)展就必須解決其防火問題，仍需研發(fā)更為經(jīng)濟實用的防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與所處環(huán)境、溫度、濕度等因素直接相關(guān)，耐腐蝕性能差使其后期需要定期維護，一般廠房需要每5～10年維護一次，如火力發(fā)電廠房每5年維護一次，單次維護費用高達200萬元，使用壽命內(nèi)總維護費用為2 000萬元。

3 國外鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展歷史

歐美等發(fā)達國家的鋼結(jié)構(gòu)在很早就已經(jīng)開始普及，發(fā)展成熟，規(guī)?？捎^，工業(yè)化程度高。美國是最早開始進行鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的國家，世界上第一個鋼框架高層建筑于1885年在芝加哥建成，該建筑共10層，高55 m，美國的世貿(mào)大廈、西爾斯大廈也均為鋼框架結(jié)構(gòu)。1921年，美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會成立，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展步入萌芽期。從20世紀(jì)60年代起，原本建筑的各個專項體系向通用體系轉(zhuǎn)變，推動美國住宅產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，與此同時，由于簡體結(jié)構(gòu)設(shè)計的提出，鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺奠定基礎(chǔ)。由于建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)系統(tǒng)化、制作精準(zhǔn)化、銷售商品化程度很高，住宅產(chǎn)業(yè)化程度也隨之提高、住宅建筑市場發(fā)育逐漸變得完善。隨著技術(shù)水平不斷提高，結(jié)構(gòu)形式趨于完善，1990年大型裝配式建筑公司發(fā)展壯大，部分金融服務(wù)公司也涉足裝配式住宅領(lǐng)域，加快了鋼結(jié)構(gòu)住宅對鋼筋混凝土住宅的替代速度。美國低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅主要由輕鋼龍骨構(gòu)件組成，輕鋼骨架結(jié)構(gòu)體系的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為冷彎薄壁型鋼(如冷彎薄壁C型鋼和斜卷邊冷彎薄壁Z型鋼)或其組合件，底層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅很少超過4層[6]。美國多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研發(fā)較為成熟，并且在獨棟別墅、疊拼式別墅等公寓上有較多的應(yīng)用，許多技術(shù)可作為我國鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展的參考，并且研究其發(fā)展歷程及模式對于我國鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展也有很大的指導(dǎo)意義。

日本作為多地震國家，鋼結(jié)構(gòu)由于其出色的抗震性能，在日本得到了大力發(fā)展，1909年的丸善大廈就是鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑面積約為500 m2，共3層，并且日本是世界上率先在工廠里生產(chǎn)住宅的國家，日本廣泛采用各國先進的工業(yè)化施工技術(shù)。根據(jù)日本工業(yè)化住宅建筑協(xié)會數(shù)據(jù)可知，2017年，日本建成的鋼結(jié)構(gòu)獨棟住宅約4.1萬棟，而非獨棟住宅已占日本住宅總量的15%以上，約為12.7萬棟。

4 鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展

長期以來，我國城鎮(zhèn)住宅建筑一直以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)為主，甚至到現(xiàn)在大部分民用建筑仍然采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)，因地域差異，南北方地區(qū)農(nóng)村自建房多以木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)為主，均在結(jié)構(gòu)材料、施工工藝等方面要求較低，施工場地以現(xiàn)場澆筑混凝土、手工作業(yè)為主。我國鋼結(jié)構(gòu)住宅沒有得到廣泛推廣的原因主要在于工程造價方面，但隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及煉鋼方式的不斷優(yōu)化，鋼結(jié)構(gòu)建筑的造價在不斷降低，從1999年國家部委指定促進鋼結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的一系列政策之后，以及我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，都為鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。雖然目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工人才少，市場轉(zhuǎn)型仍然需要時間，但我國已經(jīng)具備了大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)條件，我國已經(jīng)制定了相當(dāng)成熟的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工以及驗收標(biāo)準(zhǔn)，一些鋼結(jié)構(gòu)研究成果也已經(jīng)在全國各試點工程中取得了不錯的效果，進一步為我國的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗，鍛煉和培養(yǎng)了大批鋼結(jié)構(gòu)施工、設(shè)計人才。

已于2008年竣工的我國最大的鋼結(jié)構(gòu)住宅示范產(chǎn)業(yè)基地(杭蕭鋼構(gòu)承接)：武漢世紀(jì)家園，是我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)由試點向市場轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。武漢世紀(jì)家園總占地面積約為73 000 m2，總建筑面積229 700 m2。該工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，最大跨度8.5 m，柱截面以350 mm×350 mm為主，全部采用杭蕭鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)體系，充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化等優(yōu)勢。

廈門市帝景苑項目是目前我國在建規(guī)模最大的鋼結(jié)構(gòu)住宅超高層建筑群，總建筑面積約55萬m2。由5棟地上62層的超高層高檔住宅和2棟地上3層、地下3層的商業(yè)樓及公建配套設(shè)施所組成。主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架一鋼支撐(屈曲約束支撐)組成的雙重抗側(cè)力體系，樓(屋)面采用可拆卸式和焊接式預(yù)制裝配式鋼筋桁架樓承板，該項目也充分彰顯了鋼結(jié)構(gòu)住宅的舒適度高、抗震性能好、保溫節(jié)能等多重優(yōu)勢。

我國不僅僅是鋼鐵生產(chǎn)大國，同時也是混凝土、磚砌體生產(chǎn)大國，磚砌體和混凝土建筑確實有著經(jīng)濟實惠的優(yōu)勢，但其對環(huán)境的影響也是不容忽視的，我國每年生產(chǎn)砌塊磚達7 000億左右，水泥生產(chǎn)5億t，生產(chǎn)磚砌體對農(nóng)田、土地的破壞巨大，而生產(chǎn)水泥每年則要向大氣排放大量的二氧化碳，產(chǎn)生的建筑垃圾更是無法統(tǒng)計，且很難進行回收再利用。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，我們已經(jīng)意識到了在發(fā)展要與環(huán)境保護相平衡，綠水青山就是金山銀山，在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，混凝土建筑和磚砌體建筑已經(jīng)是不合時宜的舊產(chǎn)物，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的春天就要來臨了。隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展、居民消費水平的提高，國家層面、社會層面、個人層面都越來越注重綠色建筑以及建筑中采用的新技術(shù)、新工藝等。鋼結(jié)構(gòu)體系是建筑工程中最具發(fā)展前景的綠色結(jié)構(gòu)體系，符合國家建筑產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略。

5 結(jié) 語

近年來，根據(jù)國家政策，我國在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科技創(chuàng)新、技術(shù)建設(shè)等方面進步顯著，但關(guān)鍵技術(shù)相對于歐美國家來說仍有不足之處，結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新與應(yīng)用等與發(fā)達國家相比仍有很多落后之處。從目前我國建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，結(jié)合國外發(fā)達國家鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展情況，鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在我國已具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件，必將擁有著更為廣闊的發(fā)展空間，未來很有可能取代混凝土建筑成為建筑市場中的主力軍。

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