为什么说钢结构是建筑的未来?

2021-06-11 19:47:35 Jacket 2259

最近,北京大兴国际机场即将试运行的消息在网上到处刷屏。其中最引人瞩目的,是新机场那充满魔幻现实主义色彩的造型,以及眼花缭乱的内部结构设计。有网友称,看这个新机场的内部结构,仿佛置身科幻电影场景。这个新机场也创下了很多傲视全球的数据:

•航站楼体量:面积140万平方米,全球最大单体建筑、最大交通枢纽

•旅客吞吐量:1亿人次/年

•飞机起降量:80万架次/年

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看完上述图片的读者,都会对新机场的建筑结构印象深刻。也只有钢结构这样的建筑材料,才能把设计者的奇思妙想,从设计图纸上的创意渲染,变成现实中的庞然大物。

那么,钢结构和我们经常听到的砖混建筑、钢筋混凝土建筑相比,有什么区别和优势呢?本文为您一一道来。

按材料类型,建筑可以分为木结构、砖石结构、钢筋混凝土结构和钢结构四大类。

从人类祖先离开洞穴的时代起,我们已经有几千年使用木材来建房子的历史。至今,在美国、欧洲、日韩和中国的西部,还有很多木质的民用房屋。木材有容易获得、成本低廉、可加工性强等优点,但其缺点也是非常明显的,比如不耐用、易受白蚁侵蚀、防火性能差,以及砍伐森林破坏环境等,因此应用范围越来越窄。中国历史上的很多著名建筑,比如阿房宫、圆明园等,都因为火灾而灰飞烟灭,没能保存下来。

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相比于钟情木结构建筑的古代中国人,欧美人比较喜欢用石头和红砖来做建筑,很多历史建筑因此能够留存下来,尤其是教堂和城堡等大型建筑。现代人居住的房子,绝大部分都是用砖头盖的,舒适性和耐用性比木结构高了很多。

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但是,砖石结构也有明显的弊端,那就是施工速度慢,而且抗震防灾性能一般。以石头或砖墙承重的结构,无法承受高层建筑的重压。在汶川地震等重大灾害中,很多房子的墙壁都是整排整排地倒。由于倒塌速度太快,很多人没能争取到宝贵的逃生时间。

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钢筋混凝土技术的出现,是人类建筑材料和结构上的一大革命。有了强度高、可塑性很强的材料,人类长期梦想的高层和超高层建筑才成为了可能。随着20世纪全球经济的发展和施工技术的完善,世界各地的摩天大楼,犹如雨后春笋般不断涌现。

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随着社会经济的持续发展,人类对建筑的速度和质量,要求也越来越高。而钢筋混凝土建筑的一些弊端,在这些高要求面前变得越来越突出。比如,建设速度不够快、扬尘污染和噪音污染较高等等。而另一方面,随着炼钢技术的不断提升, 全球钢产量也是每年水涨船高。钢铁这个强度高、可塑性强、跨度大的材料,就被大量地引入到建筑中来。

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以1889年埃菲尔铁塔为标志,钢铁开始被以主角,而不是配角的形式,引入到现代建筑当中来。除了常规建筑,类似自由女神像这样造型特异、强度要求高的结构体,也开始大量使用钢结构。PS:自由女神像和埃菲尔铁塔的设计师,都是法国人埃菲尔。

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自由女神像由内部钢结构和外部铜皮组合而成

从1930年代开始,不断刷新世界纪录的摩天大楼们,基本上都是钢结构建筑。

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接下来,我们来总结一下钢结构建筑的优点:

1、强度高,重量轻

建筑钢材与其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多,因此结构构件质量轻且体积小。结构的轻质性可以用材、料的质量密度与强度的比值α来衡量,α值越小,结构相对越轻。建筑钢材的α值为1.7x10-4 m-1,木材为5.4x10-4 m-1 ,钢筋混凝土约为18x10-4 m-1 。以相同跨度且承受同样荷载的简支屋架为例,钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/4~1/3 ,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10。

由于在同样受力条件下的钢结构自重轻,不但可以显著减小地震作用,进而减小结构内力,还可以降低建筑地基的造价,这个优势在软土地区更加明显。此外,构件轻巧也便于运输和安装。因此,钢结构特别适用于超高层、大跨度建筑,比如摩天大楼,工业厂房,以及桥梁、塔桅等。

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2、塑性韧性好,抗震性能优越

钢材的内部组织均匀,接近各向同性,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的,弹性模量大,是理想的弹性-塑性体。

钢结构的塑性和韧性都远高于混凝土和砖石结构,不会因偶然超载或局部超载而突然断裂,也更能适应振动荷载。在日本、台湾等地震多发地带,钢结构建筑非常常见。而从世界各国历年统计数据来看,在台风和地震等灾害多发地带,钢结构通常是受灾损坏最少的建筑类型。

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3、工业化程度高,施工速度快

钢筋混凝土建筑需要用到大量的浇灌模板、支撑杆、夹具等等,还需要工人现场编造铁笼,速度较慢。而钢结构建筑材料单一,且多是专业工厂内加工好的成品或半成品,并能够使用各种大型的专业机械操作,与人工作业相比,标准化,精度高,质量稳定,施工现场工人的劳动强度低。

钢构件在工地拼装时,多数使用螺栓连接,少数情况下使用简单的焊接。钢构件还可以在地面拼装成较大的单元甚至拼装成整体后再进行吊装,可以显著降减少高空作业量,缩短工期。

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钢结构建筑使用楼承板,不需要密密麻麻的支撑杆

2003年SARS疫情最紧急的时刻,北京市和解放军总后勤部合力打造的小汤山医院的非典病房发挥了主战场作用。国家发改委经济运行局副局长贾银松介绍:“小汤山医院只用了七天就建成了。如果不是钢结构建筑,很难想像有这么快的速度。”

4、 成本低

与传统钢筋混凝土结构相比,钢结构建筑虽然大量使用钢材,钢材成本高,但节省了大量水泥等辅材辅料,所需的人工数量也大幅减少。厂内预制件的广泛应用,显著减低了现场加工难度,提高施工速度。综合计算材料及成本等多钟因素,钢结构建筑比钢筋混凝土节省30-50%的成本。

钢结构的重量仅为混凝土的几分之一,因此对地基的要求也相对较低,可以大比例降低地基费用,尤其在软土环境下。施工周期短,使整个建筑更早投入使用,可以缩短资金流动周期,而且提前收到投资回报,综合效益高。

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5、 构件截面小,有效空间大

由于钢材的强度高,构件截面小,所占空间也就小。以相同受力条件的简支梁为例,混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/12,而钢梁约为1/16~1/12,如果钢梁有足构的侧向支撑甚至以达到1/20.有效增加房屋的层间净高。在梁高相同的条件下,钢结构的开间可以比混凝土结构的开间大约50%。更好地满足建筑上大开间、 灵活分割的要求。柱的截面尺寸也类似,避免了“粗柱笨梁”现象,室内视觉开阔, 美观方便。

下图的玻璃幕墙专卖店就是钢结构的典型应用。如果换成钢筋混凝土结构,所有柱子都要变粗很多,整个展厅的视觉效果就要大打折扣。

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民用建筑涉及大量电气和消防管道,管道与横梁交叉的场景非常多。如果是钢结构,可在梁腹板上开洞以穿越管道,既美观又节省空间。而如果是混凝土结构,则不宜开洞,管道从梁下通过,要占用一定的空间。在楼层净高相同的条件下,钢结构的楼层高度要比混凝土的小,可以减小墙体高度,并节约室内空调能耗,减小房屋维护和使用费用。

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这种绕梁情况,钢结构可以直接开洞穿过

相同建筑面积情况下,不同结构体系提供的有效建筑使用面积的多少,即得房率,是反映建筑对土地资源使用效率的衡量指标。由于钢结构在体积和结构上的优势,与传统钢筋混凝土结构相比,钢+混凝土结构的商品房得房率提高3.95%;全钢结构的得房率更是提高了将近6.9%。以300万买一套100㎡三居室为例,如果多得3-6平米实用面积,是不是相当于多赚了十几万?

6、 节能环保

住宅建设是主要的资源消耗和温室气体排放,约占社会总能耗的40%。据专业研究机构统计,钢筋混凝土结构住宅的碳排放量为740.6公斤/平方米,而钢结构住宅的碳排放量为480公斤/平方米,同比下降约35%。施工用水量可以降低25%左右。

多年来,中国的住宅建设主要是现场手工湿作业,存在生产效率低、建设周期长、能耗高、污染严重、质量和性能难以保证,生命周期短等问题。数据显示,中国建筑垃圾的数量已占城市垃圾总量的近40%。根据砖混结构、钢筋混凝土结构和其他建筑材料消耗的粗略统计,每年中国的城市建设产生的垃圾达4亿吨。

钢结构的施工方式为干式施工,相比混凝土湿式施工所造成的扬尘和噪音污染,明显减少很多。已建成的钢结构建筑,可以根据实际需要改扩建;在面临拆迁的情况下,拆除用螺栓连接和破除焊接部分比较容易,回收的钢材,经过简单的防锈处理之后,还可以二次使用,利用率达70%-80%,回收环保价值高。而钢筋混凝土建筑一旦面临拆迁,不但会造成很多扬尘和噪音污染,除了极少量的钢筋,其余材料都是建筑垃圾了,基本上没有回收价值。因此,美国等发达国家都把钢结构建筑作为储备钢材的重要途径。一旦面临战争等紧急情况,可以通过拆除老旧厂房、桥梁等建筑,快速获得大量钢铁,为坦克大炮等武器生产所用。

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由于钢结构建筑的众多优势,其在欧美日韩等发达国家已经得到广泛应用,目前占建筑市场50%份额,而这一比例在中国还不到10%,还有很大的发展空间。2016-02-21发布的《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理的若干意见》明确指出,未来要加大政策支持力度,积极稳妥推广钢结构建筑,力争用10年左右时间,使我国的装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。

借助技术进步和政策鼓励的春风,目前全国各地不断涌现新的地标性钢结构建筑。除了打架耳熟能详的鸟巢、水立方、国家大剧院、中国尊等文体和商业建筑,相对保守的民用建筑也开始大量使用钢结构。截至目前,厦门帝景苑是全国最高的全钢结构住宅大楼。项目包括5幢,62层,建筑高度258米。

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随着钢结构建筑的不断普及和深入,我们有理由相信,厦门帝景苑的记录,很快就会被刷新。而中国钢结构行业,也会在一次又一次刷新记录的过程中,涌现出大量世界级的制造和工程公司,为中国建筑行业在世界上赢得令国外同行尊敬的地位。


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