縱觀人類建筑活動史，建筑結(jié)構(gòu)形式從平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系逐步演化。目前，作為裝配式結(jié)構(gòu)之一的鋼結(jié)構(gòu)建筑正朝著構(gòu)件小型化、精致化、輕質(zhì)化方向發(fā)展。
鋼結(jié)構(gòu)建筑具有跨度大、強度高、質(zhì)量安全可靠、抗震性能優(yōu)越、空間布局靈活、使用面積增加、裝配便捷高效、施工污染減少、節(jié)能降碳突出、可循環(huán)利用等優(yōu)勢。
在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅是建筑行業(yè)實現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，也是鋼鐵行業(yè)優(yōu)化建筑用鋼消費結(jié)構(gòu)、適應(yīng)綠色低碳發(fā)展要求的重要舉措。
當(dāng)前，我國擁有世界上規(guī)模潛力最大的鋼結(jié)構(gòu)建筑市場，在經(jīng)濟社會發(fā)展、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、科技水平等方面具備加快發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的條件，在推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑上條件得天獨厚。鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國正處于大發(fā)展的起步階段，發(fā)展前景廣闊。
本文從國外鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷史、國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷史進(jìn)行總結(jié)分析，并對鋼結(jié)構(gòu)建筑未來發(fā)展進(jìn)行展望。
國外鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展情況
一是早期國外鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展情況。
18世紀(jì)末，英國開始采用鐵框架作為主體結(jié)構(gòu)建設(shè)廠房，“鋼結(jié)構(gòu)建筑”發(fā)展開始起步。1851年，低層鐵框架結(jié)構(gòu)建筑——世界博覽會會場“水晶宮”在英國倫敦建成；1883年，當(dāng)時世界上最長的懸索橋——布魯克林大橋建成；1885年，芝加哥家庭保險公司采用鐵框架建成了世界上最早的高層（10層）建筑大樓。
隨后，1889年，埃菲爾鐵塔建成，鐵塔高300米，共用鋼鐵材料7000噸，代表著鋼結(jié)構(gòu)建筑時代的到來。1889年建成的巴黎博覽會機械陳列館運用當(dāng)時最先進(jìn)的三鉸拱結(jié)構(gòu)及優(yōu)質(zhì)鋼材，建筑跨度達(dá)到115米。19世紀(jì)末，美國采用鋼框架結(jié)構(gòu)開始建造住宅；1931年，美國建成102層高381米的紐約帝國大廈，標(biāo)志著真正的摩天樓時代開始。上世紀(jì)30年代，建筑用鋼與玻璃結(jié)合，開始展現(xiàn)建筑藝術(shù)美，如1930年開始建成的吐根哈特住宅等。1937年，世界上最早的鋼結(jié)構(gòu)大橋——舊金山金門大橋建成（圖1）。
圖1 舊金山金門大橋
二戰(zhàn)后，英國及歐洲國家為解決房屋荒，開始采用鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化方式大量建設(shè)住宅。
上世紀(jì)50年代，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑、空間鋼結(jié)構(gòu)建筑開始得到發(fā)展，如1952年建成的美國雷里競技館（圖2）開創(chuàng)了現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)歷史。
圖2 雷里競技館
上世紀(jì)60年代后，鑒于經(jīng)濟性、安全性能（抗震、防火）及耐久性能等綜合考慮，輕鋼結(jié)構(gòu)的價值得到普遍認(rèn)可；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑成為當(dāng)時主要的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)建筑獲得較快發(fā)展，如1964年建成的肯尼迪圖書館、1980年建成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)“水晶教堂”、1993年建成的日本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑福岡體育館等。
上世紀(jì)90年代以來，封閉型張拉膜結(jié)構(gòu)建筑相繼建成，如1994年建成的美國丹佛國際機場候機大樓，建筑造型與自然、地方文化等均有結(jié)合。
二是近期國外鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展情況。
從不同國家鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展來看，美國從上世紀(jì)60年代開始，其國內(nèi)輕鋼建筑壟斷了低層非居住型建筑市場，1965年輕鋼結(jié)構(gòu)在美國僅占建筑市場的15％，1990年上升到53％，1993年上升到68％，到2000年已經(jīng)上升到75％；日本鋼結(jié)構(gòu)廣泛用于高層公共建筑，按2019年居住建筑、公共建筑（公共建筑不含居住建筑）、基礎(chǔ)設(shè)施等日本所有建筑的施工面積測算，木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)占比分別為44%、37%、19%；英國積極引導(dǎo)裝配式建筑發(fā)展，明確要求在英國裝配式建筑中，新建的鋼結(jié)構(gòu)建筑、模塊化建筑占比達(dá)70%以上，2020年英國模塊化建筑市場規(guī)模達(dá)892億元。
從國外鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展來看，美國是最早采用鋼框架結(jié)構(gòu)建造住宅的國家和地區(qū)之一，美國于1996年已建成20萬幢鋼框架小型住宅，約占當(dāng)年住宅建筑總數(shù)的20%。20世紀(jì)90年代末，日本預(yù)制裝配式住宅中鋼結(jié)構(gòu)住宅基本占71%，近20年來新開工建設(shè)的住宅中鋼結(jié)構(gòu)住宅占比基本穩(wěn)定在9%~15%。
總的來看，國外鋼結(jié)構(gòu)建筑創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用具有以下特色：一是具有設(shè)計靈活多樣的鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造體系，其主體結(jié)構(gòu)體系由一系列能互相替換的定型構(gòu)件組成，已形成該體系的構(gòu)件目錄，建筑師可以選用其中的構(gòu)件，像搭積木一樣組成多樣化的建筑。且國外裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主要體系各具特色，如意大利主要采用的結(jié)構(gòu)體系適用于1~8層鋼結(jié)構(gòu)住宅，美國廣泛采用的體系適用于1~4 層和12~15層建筑結(jié)構(gòu)等。二是地震多發(fā)國家的鋼結(jié)構(gòu)建筑體系側(cè)重居住房屋具有良好的抗震性。在其結(jié)構(gòu)體系中，鋼柱采用C型鋼或H型鋼組成工字型、箱型截面，梁柱采用鍍鋅合金鋼加工，采用噴防火涂料或者用板材包裹隔斷來達(dá)到防火效果。三是提倡采用快速安裝預(yù)制住宅，普遍使用高強成型鋼材，可裁剪成組合件，通過鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)合發(fā)揮防火、隔聲、隔熱作用。
此外，值得注意的是，國外裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑推廣獲得政府支持。比如，美國國會于1976年通過了國家工業(yè)化住宅建造及安全法案，出臺一系列嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；瑞典政府為推動裝配式建筑產(chǎn)品建筑工業(yè)化通用體系和專用體系發(fā)展，鼓勵只要使用按照國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的建筑標(biāo)準(zhǔn)制造的結(jié)構(gòu)部件來建造建筑產(chǎn)品，就能獲得政府資金支持；澳大利亞與新西蘭于1996年聯(lián)合制定并發(fā)布實施冷彎成型結(jié)構(gòu)鋼規(guī)范等。
我國鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展情況
一是新中國成立后我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的嘗試。
我國鋼結(jié)構(gòu)建筑是隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和鋼產(chǎn)量增加而逐步發(fā)展起來的。新中國成立后，我國鋼產(chǎn)量低（1950年粗鋼產(chǎn)量為60萬噸），制約我國工業(yè)發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用主要局限于一些標(biāo)志性公共建筑和工業(yè)建筑，在民用居住類建筑中較少應(yīng)用。比如，1986年，中冶研究院和國外公司合作采用H型鋼作為承重梁柱，建設(shè)了一幢二層鋼結(jié)構(gòu)樣板房；1987年，采用鋼結(jié)構(gòu)的北京展覽館賓館建成；1994年，上海浦東采用框架承重體系建成8層鋼結(jié)構(gòu)住宅；1998年，中鐵紫荊鋼結(jié)構(gòu)公司建設(shè)一幢3層實驗樓，結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)，梁柱采用焊接H型鋼。
二是鋼結(jié)構(gòu)建筑的創(chuàng)新與發(fā)展。
上世紀(jì)50年代以來，我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁開始發(fā)展。1957年建成武漢長江大橋（圖3），標(biāo)志著新中國第一座現(xiàn)代化鋼結(jié)構(gòu)橋梁面世。上世紀(jì)80年代初，鋼結(jié)構(gòu)建筑迎來較快發(fā)展，沿海地區(qū)引進(jìn)輕鋼建筑，開始興建鋼結(jié)構(gòu)廠房、體育館、高層建筑等。超高層建筑大量采用鋼結(jié)構(gòu)體系，上世紀(jì)80年代最高為208米，90年代最高達(dá)到460米。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破1億噸，國家開始大力支持在建筑中應(yīng)用鋼材。1999年，國家經(jīng)貿(mào)委明確將“輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑通用體系的開發(fā)和應(yīng)用”作為建筑用鋼的突破點?？梢哉f，上世紀(jì)90年代后，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展揭開了新的一頁，相繼建成了一些標(biāo)志性的鋼結(jié)構(gòu)建筑和大跨鋼結(jié)構(gòu)建筑等，如1994年建成的上海東方明珠（圖4）等。20世紀(jì)以來，隨著國家體育場（圖5）、上海東方體育中心（圖6）等的建成，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計與建造水準(zhǔn)迅速提升。
圖3武漢長江大橋
圖4 上海東方明珠
圖5 國家體育場
圖6上海東方體育中心
三是鋼結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)支持政策。
最早是在2000年，建設(shè)部提出“十五”期間應(yīng)以住宅鋼結(jié)構(gòu)為發(fā)展重點，提出“打基礎(chǔ)促發(fā)展，抓配套促應(yīng)用，抓試點帶產(chǎn)業(yè)”的工作方針。隨后，“十三五”以來，黨中央、國務(wù)院出臺了一系列政策，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展，具體見表1。
隨著一系列政策的加持，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑近年來應(yīng)用明顯增加，尤其是近3年鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)值穩(wěn)步提升（詳見表2）。
四是典型H型鋼及建筑企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展情況。
1999年，國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)建設(shè)部等八部委《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提高住宅質(zhì)量若干意見》文件后，各高校、科研院所、企業(yè)等加大了對鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究力度。
隨后，國內(nèi)典型H型鋼生產(chǎn)基地在“鋼結(jié)構(gòu)住宅體系以及關(guān)鍵技術(shù)”方面的研究取得較好發(fā)展。比如，2001年，山鋼萊鋼開始承擔(dān)建設(shè)部課題“H型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系研究”，采用“鋼結(jié)構(gòu)生態(tài)節(jié)能建筑新技術(shù)體系”建設(shè)了國內(nèi)第一個裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅示范小區(qū)——鋼城區(qū)櫻花園小區(qū)（圖7）；2019年，津西鋼鐵鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建成，其鋼梁采用熱軋H型鋼、熱軋鋼管做支撐，形成了“津西JST裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)體系”等。
圖7 萊鋼鋼城區(qū)櫻花園小區(qū)
從國內(nèi)典型鋼結(jié)構(gòu)建筑企業(yè)發(fā)展案例來看，中國五礦近年來開展了大空間住宅鋼結(jié)構(gòu)體系等高效能標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)專項示范研究，取得了階段性成果。另外，其承建的廣州白云機場，使我國鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計水平和美觀度迅速達(dá)到新的高度。寶鋼建科的實踐表明，綜合解決方案與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系相比，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)用鋼量降低10%~20%，綜合成本降低5%~15%，碳排放量減少10%~20%。另外，2018年竣工的高達(dá)528米的中國尊（圖8）也彰顯了鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展水平。
圖8 中國尊
鋼結(jié)構(gòu)建筑未來發(fā)展展望
我國經(jīng)濟發(fā)展基本面穩(wěn)固，具有完整的工業(yè)體系、強大的構(gòu)件加工制造及配套能力，為鋼結(jié)構(gòu)建筑加快發(fā)展提供了廣闊的空間。
一是鋼結(jié)構(gòu)建筑將進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段。
智能生產(chǎn)、綠色建造、模塊化建筑、裝配式裝修、運行超低能耗，將是未來裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展趨勢。鋼結(jié)構(gòu)建筑全過程實現(xiàn)高效能、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化，需要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同協(xié)作，從客戶端、產(chǎn)品端和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理等方面不斷創(chuàng)新提升，培育以技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、品牌、質(zhì)量、信用和服務(wù)等為核心的新優(yōu)勢，并通過數(shù)字賦能、智能增效、綠色低碳，塑造發(fā)展新動能，促進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑高質(zhì)量發(fā)展。
二是鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼需求將迎來新變化。
超高層、大跨度等鋼結(jié)構(gòu)建筑在安全性、功能性等方面均對現(xiàn)代工程建設(shè)提出了新要求，具有高強韌性、高抗震性、易焊接、免涂裝等特點的綠色可持續(xù)性建筑用鋼將成為未來發(fā)展方向。同時，建筑用熱軋H型鋼將得到積極應(yīng)用。國外主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟體鋼結(jié)構(gòu)用鋼基本上以熱軋H型鋼和高強、高性能鋼等為主，應(yīng)用率在50%以上。目前，我國80%的鋼結(jié)構(gòu)用鋼是Q235等級的普通鋼材，建筑用鋼及品種結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化，應(yīng)大力推廣熱軋H型鋼、以Q355級及更高級別的高強度、高性能鋼材代替Q235級鋼材，滿足鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)用鋼要求。
三是綠色低碳裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑更具新優(yōu)勢。
鋼結(jié)構(gòu)建筑從產(chǎn)品全生命周期看是一種節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)利用的工程結(jié)構(gòu)形式。據(jù)中國工程院《鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化咨詢研究》報告數(shù)據(jù)，每平方米鋼結(jié)構(gòu)建筑比鋼筋混凝土建筑在生產(chǎn)施工過程中可減少能耗12%、減少二氧化碳排放15%、減少固體廢棄物51%。
在碳中和目標(biāo)驅(qū)動下，建筑業(yè)低碳化將成為必然趨勢，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑施工高效率、控制高精度、安裝高靈活性、材料可回收利用，同時內(nèi)裝智造體系，管線、設(shè)備、內(nèi)裝等裝配率可達(dá)90%以上，都將利于實現(xiàn)零碳建筑。
四是鋼結(jié)構(gòu)建筑未來結(jié)構(gòu)造型將更突出自然和諧。
鋼結(jié)構(gòu)建筑未來造型將更多與自然、地方文化相結(jié)合，結(jié)構(gòu)及形式將呈現(xiàn)“空靈美、線條美、動態(tài)美、精致美、色彩美”趨勢，仿生化傾向、生態(tài)化發(fā)展趨勢更明顯。
目前，我國鋼結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公共建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用已基本能夠在現(xiàn)有政策支持下實現(xiàn)市場化、可持續(xù)發(fā)展，并呈現(xiàn)鋼材使用向高性能、高功效發(fā)展態(tài)勢。與此同時，鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣應(yīng)用尚有不足，是今后鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的重點，也是難點。下一步，要充分發(fā)揮鋼鐵、建筑兩大產(chǎn)業(yè)的超大規(guī)模市場優(yōu)勢，利用鋼鐵業(yè)充分且先進(jìn)的制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅的模式和業(yè)態(tài)創(chuàng)新，構(gòu)建強大的市場競爭力。
