1前 言
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102于1998年完成編制，2002年作過(guò)一次全面修訂，2003年中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)將該標(biāo)準(zhǔn)作為CECS優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)推薦給華夏建筑科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)。建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額所看重該體系的廣泛應(yīng)用前景，2010年下文將CECS 102重新定位為國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前正在組織有關(guān)人員進(jìn)行編制。這篇為2003年評(píng)獎(jiǎng)答辯會(huì)準(zhǔn)備的匯報(bào)材料較好地反映了該體系的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、編制背景以及對(duì)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的影響等，今天讀來(lái)仍饒有興味。由于該報(bào)告沒(méi)有在任何刊物上發(fā)表過(guò)，特在此刊載，以饗讀者。
2立項(xiàng)背景
（1） 門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是美國(guó)由二戰(zhàn)期間采用的臨時(shí)性建筑發(fā)展而成的，戰(zhàn)后歷經(jīng)多次改進(jìn)，成為別具風(fēng)格的全金屬商品房，稱為“金屬建筑系統(tǒng)”，以后又發(fā)展成為可根據(jù)用戶要求快速進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和CAM生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化金屬房屋制造行業(yè)。它以十幾個(gè)大型企業(yè)及其遍布全美的配售網(wǎng)為主體，以其技術(shù)和產(chǎn)品向全球輻射。部分大企業(yè)在海外設(shè)有分公司，例如，其中歷史最為悠久的巴特勒公司，ABC公司等，90年代中期開(kāi)始在我國(guó)設(shè)有分公司。我國(guó)改革開(kāi)放前沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)。
(2) 80年代后期，深圳、珠海、廈門等南方沿海城市購(gòu)進(jìn)一些商品房作廠房和倉(cāng)庫(kù)，因?yàn)檫@些房屋的鋼梁腹板比
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定薄得多，且結(jié)構(gòu)高度輕型化, 有很多特色,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所等單位，根據(jù)幾張產(chǎn)品說(shuō)明書，在薄鋼規(guī)范組的組織安排下, 1988～1991年進(jìn)行了“山形門式剛架結(jié)構(gòu)體系”課題的應(yīng)用研究。當(dāng)時(shí)雖然受到條件限制, 未能提出具有完善理論依據(jù)和內(nèi)容全面的設(shè)計(jì)方法,但在若干方面取得了有意義的成果。可惜我國(guó)當(dāng)時(shí)鋼產(chǎn)量還不高，在建筑中還實(shí)行節(jié)約鋼材的政策，研究成果沒(méi)有引起有關(guān)方面的重視。
(3)1995年外企進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，在這種房屋的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面居于壟斷地位，在工程招標(biāo)活動(dòng)中處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)只能靠《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，因用鋼量過(guò)高而無(wú)法與外企竟?fàn)?。?guó)內(nèi)個(gè)別單位獨(dú)自進(jìn)行探索和設(shè)計(jì)，就全行業(yè)來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)為一種不安的氣氛所籠罩，專業(yè)技術(shù)人員碰在一起，把外企壟斷現(xiàn)象稱為“巴特勒效應(yīng)”。
(4)由于外企推銷產(chǎn)品要有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可，國(guó)內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品要有標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)，1996年雙方都有企業(yè)找到建設(shè)部來(lái)，要求編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，愿意提供支持。這樣，中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)于1996年提出立項(xiàng)，組織編制組，著手開(kāi)始編制技術(shù)規(guī)程。我們當(dāng)時(shí)將這本標(biāo)準(zhǔn)定名為《門式剛架輕型型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。編制工作主要依靠編制組內(nèi)我國(guó)專家的努力，也得到上海美建鋼結(jié)構(gòu)公司等單位在人力物力上的大力支持和在技術(shù)上的寶貴指導(dǎo)和協(xié)助。
(5)美國(guó)的《低層房屋體系手冊(cè)》只規(guī)定了這種單層金屬房屋結(jié)構(gòu)的荷載，包括活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載和構(gòu)件制作安裝方面的少量允許偏差，至于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中雖然提到根據(jù)美國(guó)AISC和AISI兩本規(guī)范，但人所共知，這兩本規(guī)范中并沒(méi)有專門針對(duì)這種體系的設(shè)計(jì)規(guī)定，僅包含了普通鋼結(jié)構(gòu)和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定。就我們所知，美國(guó)行業(yè)協(xié)會(huì)并沒(méi)有編制這種結(jié)構(gòu)的專用設(shè)計(jì)規(guī)程，各大公司根據(jù)手冊(cè)規(guī)定的荷載和結(jié)構(gòu)規(guī)范，自行確定設(shè)計(jì)方法和編制設(shè)計(jì)軟件，各有特色，屬于知識(shí)產(chǎn)權(quán)范圍，是不公開(kāi)的。
(6)美建公司的技術(shù)總監(jiān)，顧問(wèn)項(xiàng)士文先生對(duì)某些參數(shù)的確定起了重要的指導(dǎo)作用。如柱頂位移限值用到1/60，而不是更嚴(yán)；溫度區(qū)間長(zhǎng)度用到300m等；這些參數(shù)在MBMA-1996中都未列入。他對(duì)荷載等級(jí)、結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)形式、構(gòu)件變形限值、制作安裝和單面焊等方面，都提出一些寶貴意見(jiàn)。有時(shí)想到一些意見(jiàn)，就從上海乘夜車來(lái)京，交談后當(dāng)天乘夜車返滬，這種高效作風(fēng)給人留下深刻印象，大家都為早日完成編制而全力以赴。但結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算，構(gòu)件的板件寬厚比限值，有效寬度計(jì)算，變截面柱穩(wěn)定計(jì)算，檁條受壓穩(wěn)定計(jì)算，端板連接計(jì)算等，則是完全根據(jù)我們獨(dú)立自主的研究。這方面的資料，我們向外企要他們也不給。
(7) 編制組對(duì)于此新型結(jié)構(gòu)，以最大的熱情投入工作。編制工作是在陳紹蕃教授的主導(dǎo)下完成的。從定名到拿出征求意見(jiàn)稿，僅用了一年。很多單位來(lái)信，對(duì)征求意見(jiàn)稿表示滿意，認(rèn)為‘這樣就可以了’，‘已經(jīng)很好了’。有的單位已經(jīng)按征求意見(jiàn)稿開(kāi)始編制軟件，這是我們親眼所見(jiàn)，因?yàn)槭袌?chǎng)的需求如此迫切。外企的專家們表示，他們更愿意用這本標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗c美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)較貼近。陳老師在幾次編制組會(huì)期間寄來(lái)大量信稿，對(duì)一些難題提出重要的建議，親自動(dòng)手?jǐn)M條文，以只爭(zhēng)朝夕的精神推動(dòng)規(guī)程的早日完成。
3技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
(1)首次將板件屈后強(qiáng)度理論用于焊接工形截面腹板（以前國(guó)內(nèi)只用于冷彎薄壁型鋼），使得構(gòu)件腹板厚度大大減薄，不設(shè)加勁肋的情況下，受彎構(gòu)件寬厚比可做到250，而按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，超過(guò)80就必需設(shè)置橫向加勁肋，從而使剛架構(gòu)件的腹板厚度大幅度減小成為可能。而且在腹板抗彎時(shí)的有效寬度的分布上貼近實(shí)際，推動(dòng)了薄鋼規(guī)范的改進(jìn)。在腹板抗剪方面，首次引用了拉力場(chǎng)理論，使得剛架構(gòu)件在大量節(jié)約鋼材的同時(shí)，為確保結(jié)構(gòu)安全提供了理論依據(jù)。
(2)剛架采用變截面構(gòu)件，截面隨內(nèi)力變化，彎矩大處截面大些，彎矩小處截面小些，使鋼材用量顯著降低；
(3)將蒙皮效應(yīng)概念用于工程設(shè)計(jì)。鋼面板增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體剛度，提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪能力，提高了檁條的抗扭性能，簡(jiǎn)化了支撐和系桿布置，這些在設(shè)計(jì)中都得到很好體現(xiàn)，帶來(lái)了直接經(jīng)濟(jì)效益。雖然在設(shè)計(jì)計(jì)算中利用蒙皮效應(yīng)目前還有困難，但在結(jié)構(gòu)布置上已利用了蒙皮效應(yīng)，改善了結(jié)構(gòu)的受力性能，是這種結(jié)構(gòu)的重要特色之一。利用蒙皮效應(yīng)，使柱頂位移限值取1/60成為可能。
(4)風(fēng)荷載采用了美國(guó)MBMA規(guī)定，經(jīng)單位換算用于本規(guī)程。它是根據(jù)邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果制定的，專門用于低矮房屋，國(guó)外在低矮房屋的設(shè)計(jì)中已普遍采用，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似規(guī)定。這種風(fēng)荷載規(guī)定用于門式剛架輕鋼房屋，可使計(jì)算采用的風(fēng)荷載分布更好地符合實(shí)際，因而能更好地保證結(jié)構(gòu)的安全。該荷載規(guī)定因?yàn)槲戳腥胛覈?guó)荷載規(guī)范，沖破了重重阻力，在荷載規(guī)范組的充分肯定和支持下，才得以在本規(guī)程中采用。
(5)在國(guó)內(nèi)首次提出要驗(yàn)算檁條在風(fēng)吸力作用下的下翼緣穩(wěn)定，并引進(jìn)了上翼緣帶有面板的檁條計(jì)算方法。由于屋面變輕，又采用合理的風(fēng)荷載分布，檁條下翼緣受壓成為普遍現(xiàn)象。而在此以前的設(shè)計(jì)中，只計(jì)算檁條下翼緣受拉。
(6)提出楔形柱穩(wěn)定計(jì)算新方法，論證了楔形柱穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)該取大頭的彎矩和小頭的軸力才更安全。提出了變截面合理梯度的建議；
(7)構(gòu)造上，用隅撐代替通長(zhǎng)的系桿來(lái)保證剛架構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定，簡(jiǎn)化了構(gòu)造，節(jié)約了鋼材，這種構(gòu)造在以前國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)房屋中沒(méi)有采用過(guò)。
(8)對(duì)于無(wú)吊車的廠房，用圓鋼支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的角鋼支撐，進(jìn)一步適應(yīng)結(jié)構(gòu)輕型化的要求，推動(dòng)了輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展。
(9)用搖擺柱使部分內(nèi)柱截面大大減小，縮小了框架柱占用面積，并使構(gòu)造顯著簡(jiǎn)化。以前這種柱從來(lái)沒(méi)有在工程中用過(guò)，更不了解的的計(jì)算規(guī)定。
(10)利用Z形鋼實(shí)現(xiàn)檁條搭接，連續(xù)檁條可顯著減小檁條用鋼量。
(11)研究提出了端板連接的計(jì)算公式，使這種安裝方便的連接方式得到迅速推廣。
這些計(jì)算公式得到了多個(gè)試驗(yàn)資料驗(yàn)證，可以推廣使用。
(12)增加了T形連接單面焊的規(guī)定，加快了剛架構(gòu)件的制作進(jìn)度。
4社會(huì)效益和市場(chǎng)情況
（1)本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，外企給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為與國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)接近，在用鋼量上已與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)持平。規(guī)程實(shí)施前，門式剛架的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)完全由外企控制，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)企業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)占有主導(dǎo)地位。
（2)1998當(dāng)年建造量約100萬(wàn)平方米，2001年建造量已達(dá)600萬(wàn)平方米，三年提高約6倍。近年尚無(wú)可靠統(tǒng)計(jì)數(shù)字，總的趨勢(shì)是應(yīng)用越來(lái)越多。
（3）我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造這種房屋以來(lái)，已大大改變我國(guó)單層廠房的面貌。因?yàn)樗芙?jīng)濟(jì)，每平方米用鋼量只有20～30kg, 在國(guó)家未下達(dá)指令的情況下，已基本取代了傳統(tǒng)的大型屋面板梯形鋼屋架鋼柱的單層
鋼結(jié)構(gòu)廠房，并部分取代了鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在
廠房中的應(yīng)用。
（4）門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋用鋼省、造價(jià)低（每平方米僅400～500元），施工周期短、外形美觀、在隔熱等方面能較好滿足使用要求、適用范圍廣泛，深受用戶歡迎。已廣泛用于
廠房、倉(cāng)庫(kù)、超市、體育、文化、娛樂(lè)設(shè)施及其它各類商業(yè)和公共建筑。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正向縱深擴(kuò)展，市場(chǎng)越來(lái)越大，用戶越來(lái)越多。
(5）該規(guī)程問(wèn)世以來(lái)，門式剛架輕鋼房屋已初步形成產(chǎn)業(yè)。目前上規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)廠家超過(guò)1500家，大部分以門式剛架輕鋼房屋為主要產(chǎn)品。
（6）門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋在國(guó)內(nèi)推廣，帶動(dòng)了冶金、機(jī)械、化工、建材等一大批行業(yè)的發(fā)展，增加了幾十萬(wàn)就業(yè)崗位。
（7）該項(xiàng)目不但填補(bǔ)了我國(guó)空白，而且成為建筑業(yè)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型，它帶動(dòng)了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展，起到了行業(yè)排頭兵的作用，對(duì)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。
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獲獎(jiǎng)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)個(gè)人專訪錄
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