摘  要：本文簡(jiǎn)論現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和綠色建筑的特征，點(diǎn)評(píng)國(guó)內(nèi)外幾個(gè)著名的高層全鋼結(jié)構(gòu)和大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程，說(shuō)明設(shè)計(jì)優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)、綠色建筑、屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)、屋蓋空間結(jié)構(gòu)、索穹頂、高層全鋼結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)；

關(guān)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，美國(guó)著名結(jié)構(gòu)大師、康乃爾大學(xué)L.C Urquhart教授有如下一段精彩論述：      

Modern structural engineering tends to progress toward more economic structures through gradually improved methods of design and the use of higher strength materials.This results in a reduction of cross-sectional dimensions and consequent weight savings(逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和采用高強(qiáng)材料，使現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程向更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展，構(gòu)件的截面尺寸減小、重量減輕。)

由于鋼材具有較高的強(qiáng)度和延性（圖1），因此，只有通過(guò)正確的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由型鋼（含鋼板）和高強(qiáng)鋼絲等組合連接（焊接、高強(qiáng)螺栓）而成的鋼結(jié)構(gòu)骨架，就具有綠色建筑的節(jié)材特質(zhì)。
鋼結(jié)構(gòu)與綠色建筑特質(zhì)的比較，如表1所示。

表1  特質(zhì)比較

圖1  鋼材的強(qiáng)度高、延性好

1991年蘭達(dá)·維爾和羅伯特·維爾合著的《綠色建筑———為可持續(xù)發(fā)展而設(shè)計(jì)》。發(fā)達(dá)國(guó)家探索可持續(xù)建筑之路，名為“綠色建筑挑戰(zhàn)”，即采用新材料、新技術(shù)、新設(shè)計(jì)方法、新設(shè)備、新工藝，實(shí)行綜合化設(shè)計(jì)，使建筑在滿足功能時(shí)所耗資源、能源最少。

最偉大的美國(guó)建筑、結(jié)構(gòu)大師富勒（Fuller）提出結(jié)構(gòu)哲理：少（費(fèi)）多（用）———以最少的結(jié)構(gòu)提供最大的承載力（Doing the Most with the Least）。

鋼結(jié)構(gòu)（骨架）節(jié)材是綠色建筑最重要的內(nèi)容，是結(jié)構(gòu)工程師一生追求的光榮事業(yè)。然而建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司推行的綠色建筑政策，只談墻體節(jié)能，不談鋼骨架節(jié)材。這樣，就導(dǎo)致我國(guó)不少大型鋼結(jié)構(gòu)（鳥(niǎo)巢、CCTV、深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)、合肥創(chuàng)新展示館等）的笨重和怪異。目前，我國(guó)設(shè)計(jì)與施工的現(xiàn)狀是：“設(shè)計(jì)”創(chuàng)造困難，“施工”也要上。

一 設(shè)計(jì)優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑

優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)必須是鋼骨架節(jié)材，墻體節(jié)能，最大限度的滿足功能，最低限度的影響環(huán)境，為人們提供健康、舒適的活動(dòng)空間。并能在建筑全壽命周期內(nèi)，滿足可持續(xù)發(fā)展理念。

在高層全鋼結(jié)構(gòu)和大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中，100多年來(lái)，先進(jìn)國(guó)家大量采用鋼結(jié)構(gòu)（日本的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量已超過(guò)70%），并能基本上實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價(jià)值（表1）。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，任重而道遠(yuǎn)！

世界高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國(guó)（圖3a），其中，世界貿(mào)易中心（World Trade Center）的箱形柱截面僅450mm×450mm，厚度7.5mm~12.5mm（圖3b）；下面柱距加大，未設(shè)轉(zhuǎn)換層；吊裝件高三層樓，現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓拼裝，與我國(guó)幾乎100%的現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝形成鮮明的對(duì)比。這種外框筒（密柱+深梁）結(jié)構(gòu)方案的剪力滯后效應(yīng)比較嚴(yán)重。1974年建成的西爾斯塔（Sears Tower）采用9個(gè)束框筒結(jié)構(gòu)方案，剪力滯后效應(yīng)明顯降低。雖然西爾斯塔比世界貿(mào)易中心高出26.213m，用鋼量卻減小26.5 kg/m2。

圖3 a) 高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國(guó)—科學(xué)發(fā)展觀

圖3 b) 世界貿(mào)易中心詳圖   

世界最先進(jìn)的大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)—————美國(guó)喬治亞索穹頂(Georgia Dome)，1996年第26屆奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館（圖4a），橢圓平面240.79m×192.02m，（屋頂+外環(huán)）用鋼量=（30+ ）kg/m2。

世界第1個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是美國(guó)雷里競(jìng)技場(chǎng)(Raleigh Arena)，用鋼30 kg/m2（圖4b）。

世界最大跨度開(kāi)合鋼網(wǎng)殼屋蓋是日本福岡穹頂(Fukuoka Dome)（圖4c，D=222m）。它由三塊扇形可旋轉(zhuǎn)球面網(wǎng)殼組成，可形成三種狀態(tài)：全封閉狀態(tài)、半開(kāi)啟狀態(tài)（1/3穹頂露天）和全開(kāi)啟狀態(tài)（2/3穹頂露天）。由于屋蓋裝了減震阻尼器，并采取巧妙的構(gòu)造，扇形球面的跨厚比：106.4/3.5=30.4。

a) Georgia Dome（1996）———世界最先進(jìn)的索膜穹頂（Cable Membrane Dome）

b) Raleigh Arena（1953）—————世界第1個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（用鋼量30kg/m2）[10]

圖4c) Fukuoka Dome（1993）———世界最大球網(wǎng)殼開(kāi)合結(jié)構(gòu)（D=222m）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。由于設(shè)計(jì)理念問(wèn)題，產(chǎn)生了不少著名的笨重、怪異鋼結(jié)構(gòu)，與綠色建筑相佐。

沈祖炎院士在《影響中國(guó)—————第二屆中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》主題報(bào)告中嚴(yán)厲批評(píng)了下面5個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程（圖5），并嚴(yán)正指出：“近年來(lái)涌現(xiàn)的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術(shù)現(xiàn)狀令人擔(dān)擾”。

中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)姚兵會(huì)長(zhǎng)在《高峰論壇》大會(huì)上的講話也指出：“鋼結(jié)構(gòu)不是說(shuō)體量有多大，或者說(shuō)要多用鋼，而是說(shuō)要合理用鋼，并不是把鋼結(jié)構(gòu)建成鋼結(jié)構(gòu)碉堡”。

中央電視臺(tái)新樓CCTV(“大褲衩”)（圖5a），n=53層，高H=234m，頂上外懸挑75m，嚴(yán)重違背抗震規(guī)范強(qiáng)制性條文，用鋼量：14.2萬(wàn)t/47萬(wàn)m2=302kg/m2。創(chuàng)造了世界高層鋼結(jié)構(gòu)懸挑最大的建筑奇跡。

鳥(niǎo)巢(Brid’s Nest)（圖5b），是2008年第29屆奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館，設(shè)計(jì)理念是：無(wú)序就是藝術(shù)。主結(jié)構(gòu)采用平面桁架系結(jié)構(gòu)，次結(jié)構(gòu)布置無(wú)序。結(jié)構(gòu)平面為橢圓：332.3m×297.3m，中央開(kāi)洞185.3m×127.5m，總用鋼為4.1875萬(wàn)t，實(shí)際用鋼5.2萬(wàn)t，從而，用鋼量高達(dá)：710~881kg/m2，成為世界屋蓋鋼結(jié)構(gòu)用鋼量最大的建筑奇跡。

合肥創(chuàng)新展示館（圖5c），成為最雜亂的創(chuàng)新奇跡。違背結(jié)構(gòu)是支承作用（Actions———荷載、地震）的骨架；建筑功能與空間也很雜亂；施工時(shí)的空間定位極為復(fù)雜。

深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)（圖5d），是2011年第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主場(chǎng)館，多折面格柵剛架結(jié)構(gòu)，用鋼量226kg/m2。鑄鋼結(jié)點(diǎn)共7類：7×20個(gè)=140個(gè)，總重量0.42萬(wàn)t。20個(gè)最大的肩谷鑄鋼結(jié)點(diǎn)，每個(gè)鑄件外形尺寸：5400mm×4600mm×3400mm（10管相交），壁厚400mm，單件重98.6t，與鍛打鋼管對(duì)接焊。

水立方（Water Cube）（圖5e），平面：176.5389m×176.5389m，高29m，結(jié)構(gòu)跨度 l =117m，屋蓋厚：h=7.211m，墻體厚：3.472m和5.876m。根據(jù)L. Kelvin“泡沫”（“Foam”）理論命題：將三維空間細(xì)分為若干小部分，要求每個(gè)部分體積相同，且接觸表面積最小，這些細(xì)小部分應(yīng)該是什么形狀？這種命題與結(jié)構(gòu)受力毫無(wú)共同之處。“水立方”由6個(gè)14面體和2個(gè)12面體合成的基本單元體，經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割等復(fù)雜計(jì)算后成為屋蓋和墻體，是簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化的建筑奇跡。筆者曾建議：按平板網(wǎng)架設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)螺栓拼裝網(wǎng)架和“泡沫”單元體，則可節(jié)約大量鋼材和施工（制造、安裝）費(fèi)用，且便于“泡沫”單元折換，很遺憾，建議未采用。

a) 中央電視臺(tái)（2008）

b) 鳥(niǎo)巢（2008）

c) 合肥創(chuàng)新展示館（2010）

d) 深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)（2010）

e) 水立方（2008） 

圖5 中國(guó)幾個(gè)標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)工程

必須指出，上海浦東機(jī)場(chǎng)（圖6a）是一座優(yōu)秀的鋼結(jié)構(gòu)建筑，張弦梁（String beam）屬于屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)（Moment-Resisting Structures）范疇（表2），機(jī)場(chǎng)1、2期工程張弦梁的跨度都未超過(guò)100m，說(shuō)明結(jié)構(gòu)工程師選結(jié)構(gòu)方案OK。機(jī)場(chǎng)鋼屋蓋建筑的造型是：把結(jié)構(gòu)力度與建筑的空間藝術(shù)美有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，即袒露具有美學(xué)價(jià)值的結(jié)構(gòu)部分———自然地顯示結(jié)構(gòu)，達(dá)到巧奪天工的震憾效果。

成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖6b），屋蓋結(jié)構(gòu)方案也很成功—網(wǎng)架（屋蓋空間結(jié)構(gòu)）。旅客置身其中，感到輕快、溫馨。轉(zhuǎn)角處理簡(jiǎn)潔。

a) 上海浦東機(jī)場(chǎng)（屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)—張弦梁結(jié)構(gòu)）

b) 成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)（屋蓋空間結(jié)構(gòu)———網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）

圖6  兩個(gè)成功作品

二 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的兩大步驟———正確選擇結(jié)構(gòu)方案和正確估計(jì)結(jié)構(gòu)的截面高度

鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的四大步驟：

1 結(jié)構(gòu)方案（概念設(shè)計(jì)）                         

2 結(jié)構(gòu)截面高度

3 構(gòu)件布局（短程傳力、形態(tài)學(xué)與拓樸原理）  

4 結(jié)點(diǎn)（node）小型化

其中，第1、2步極為重要。為了正確選擇結(jié)構(gòu)方案（概念設(shè)計(jì)），首先必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。

注：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類時(shí)，必須嚴(yán)格區(qū)分結(jié)構(gòu)（structures）與構(gòu)件（structural members）。

表2所示的屋蓋空間結(jié)構(gòu)是一種由形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu)，也叫形效結(jié)構(gòu)（Formative Structures），圖7曲線a所示的索穹頂結(jié)構(gòu)用鋼量很少，因此，大跨度屋蓋（直徑D或跨度L≥100m時(shí)）鋼結(jié)構(gòu)必須采用屋蓋空間結(jié)構(gòu)；桁架結(jié)構(gòu)（屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)）的用鋼量則按跨度的平方成正比快速增加（圖7曲線b），只能用于中、小跨度中。 

正確選擇結(jié)構(gòu)方案是鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的第1步，第2步就是結(jié)構(gòu)工程師在上電子計(jì)算機(jī)前，必須正確估計(jì)結(jié)構(gòu)截面高度。

下面對(duì)一些鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)：

實(shí)例1  深圳寶安體育館

寶安體育館采用徑向管桁架結(jié)構(gòu)（相貫節(jié)點(diǎn)），跨度D=101.4m，最大外懸48.295m，實(shí)現(xiàn)了中央節(jié)點(diǎn)小型化。法國(guó)建筑師（方案中標(biāo)者）認(rèn)為：桁架懸挑處的高度取5m（=L/10）才美觀，經(jīng)過(guò)作者力爭(zhēng)，最后采用6.5m，它是懸臂長(zhǎng)度的1/7.43＞1/7.5。OK，用鋼量?jī)H68kg/m2。

為了發(fā)揮萬(wàn)向支座的作用，取剛度系數(shù)3kN/mm；支座圈內(nèi)的下弦桿起拱，受力更合理。

圖8  深圳寶安體育館（2002）

實(shí)例2 國(guó)家大劇院

國(guó)家大劇院（圖9a），橢圓平面：212m×143m，跨度＞100m，結(jié)構(gòu)方案選屋蓋空間結(jié)構(gòu)—————網(wǎng)殼（表2）正確OK。但在上機(jī)前，結(jié)構(gòu)師把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大，用鋼量高達(dá)292 kg/m2。根據(jù)1963年美國(guó)教授司密斯（Smith M.G）對(duì)166個(gè)已建大跨度屋蓋（11種）進(jìn)行回歸分析 ，這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過(guò)80 kg/m2（圖9b）。

圖9a)  外景

圖9b) 美國(guó)M.G.Smith統(tǒng)計(jì)166個(gè)工程

實(shí)例3  廣東奧林匹克體育場(chǎng)

廣東奧林匹克體育場(chǎng)的建筑理念是：珠江的水、波濤滾滾（圖10a），美國(guó)Nixon Ellerbe Racket公司中標(biāo)。主桁架MT懸臂L=52.4m（圖10c），用鋼量高達(dá)200kg/m2。為了減少桁架弦桿的應(yīng)力：            ，筆者認(rèn)為：

① 將原主桁架MT的等高度h=5.2m（圖10c）改為變高度：h=3m～7m桁架；

② 將MT弦桿開(kāi)口型H截面：H 570×450×125×125改為閉口圓鋼管，有效提高Φ值；

③ 用弱支撐連接兩片“波濤”，以滿足抗震的兩階段設(shè)計(jì)：“小震”時(shí)弱支撐不壞，整體剛度好；“大震”時(shí)，支撐壞，剛度降低，地震力減小，整個(gè)結(jié)構(gòu)不倒；

④ 拉索由2—337Φ7改為2—150Φ7，把索的安全系數(shù)控制在2.5~3。

通過(guò)上述四點(diǎn)改進(jìn)，用鋼量可由原200 kg/m2降低到約80 kg/m2。

a）實(shí)景—珠江的水，波濤滾滾

c) MT徑向主桁架

圖10  廣東奧林匹克體育場(chǎng)

實(shí)例4 北京某客站

北京某客站一個(gè)結(jié)構(gòu)跨度L=45.6m＜100m，選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的（OK），但桁架高度h=8m= L/5.7就選得不對(duì)。預(yù)應(yīng)力鋼桁架的合理高度取h=L/18~L/15=2.53m~3.04m。即使普通鋼桁架，高度取h = L/12~L/10=3.80m~4.56m即可?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)是硬道理，“硬”設(shè)計(jì)就沒(méi)有道理!硬道理在哪里？就是結(jié)構(gòu)工程師要利用力學(xué)功底和結(jié)構(gòu)理論正確選擇結(jié)構(gòu)方案，并在上電子計(jì)算機(jī)前，正確估計(jì)結(jié)構(gòu)截面高度（表3）。否則，后續(xù)的所謂優(yōu)化幾乎是無(wú)用的!

小結(jié)：為了實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價(jià)值（表1），鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的兩大步驟，對(duì)結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)極為重要！