《钢结构设计原理》读书笔记

《钢结构设计原理》读书笔记
读了《钢结构设计原理》联想到现代建筑设计中，公共建筑和标志性建筑采用钢结构的越来越多。

建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，钢材是其中普遍采用的一种。

而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，钢结构建筑通常由型钢、钢管、钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，有的还用钢铰线、钢丝绳组成，其连接方式采用焊缝、螺栓或铆钉连接，探讨现代钢结构建筑设计与表现具有重要的意义和价值。

下面就钢结构建筑所具有的优越性，探讨了我国现阶段大力开发推广钢结构技术的可行性，并从建筑设计与表现的角度研究了钢结构建筑的特征做一下几点分析：
1.1钢结构建筑的发展历史
世界建筑发展的轨迹进入了21世纪，我们注意到了这样一个变化——钢结构建筑正在建筑领域扮演着越来越重要的角色，“石头写成的历史”已成为过去，而钢结构被人们越来越多地用来记录时代的文明和成就，承载社会生活的内涵。

近年来国际上广受赞誉的优秀作品中，钢结构技术被大量地运用，建筑师们显示出了驾驭钢结构技术令人赞叹的娴熟技艺，表现出钢结构建筑一股强劲的发展势头。

最早在建造房屋中使用钢结构的国家可以追溯到十八世纪末的英国，一百年后法国工程师埃菲尔建造了著名的铁塔，人们也开始尝试建造钢结构的独户住宅，从此钢结构建筑彻底改变了以往建筑造型的模式，建筑设计的理念与方法亦随之嬗变。

钢结构的应用在我国有悠久的历史。

钢结构建筑发展大体可分为三个阶段：一是初盛时期（50年代～60年代初），二是低潮时期（60年代中后期～70年代），三是发展时期（80年代至今）。

50年代以苏联156个援建项目为契机，取得了卓越的建设成就。

60年代国家提出在建筑业节约钢材的政策，执行过程中又出现了一些误区，限制了钢结构建筑的合理使用与发展。

80年代沿海地区引进轻钢建筑，国内各种钢结构的厂房、奥运会的一大批钢结构体育馆的建设，以及多栋高层钢结构建筑的建成是中国钢结构发展的第一次高潮。

但我国每年的建筑用钢量仅1%被用于预制钢结构，与发达国家80%以上的用量比较，差距巨大。

可喜的是，目前我国钢结构建筑的发展出现了未曾有过的兴旺景象。

主要表现在：
1.1.1高层、超高层建筑由中外合作到国产化的起步
我国著名的高层、超高层建筑大多是中外合作的产物，如上海金茂大厦、环球金融中心、深圳地王大厦、北京京广中心等。

中外合作设计对于掌握国外先进技术及锻炼培养人才起到了促进和推动作用。

1998年建成的大连远洋大厦（高201m，51层）标志着高层钢结构建筑国产化的起步，1999年建成的深圳赛格广场（291.6m，72层）是世界上最高的钢管混凝土结构建筑。

1. 1.2轻钢结构建筑的迅猛发展与国外公司的大批涌入
近年来、轻钢建筑以其商品化程度高、施工速度快、使用效果好、应用面广、造价低等优势获得了迅猛发展。

全国每年约有200万平方米轻钢建筑竣工。

在此背景下，国外轻钢结构生产厂商也纷纷在我国设分公司、制造厂，获得了很大的销售量。

1. 1. 3空间结构得到了进一步的发展
大量大跨度的建设项目陆续兴建。

如天津体育中心（直径108m，1994年）、上海8万人体育场看台顶盖（1998年）、沈阳博展中心室内足球场（144×204m，2000年）等。

1.2钢结构建筑在我国的发展前景
根据我国现阶段情况，大力推广钢结构技术、发展钢结构建筑将是大势所趋，面临着极好的历史机遇：
钢结构行业“十一五”发展目标
在相当长的一段时间内，我国钢结构需求将保持持续增长趋势。

预计到2010年.，我国城镇化水平将达到45％，而城镇人口增加将导致大量的住房需求。

我国每年约有20亿平方米的新建建筑，如果其中10％即2亿平方米采用钢结构建筑，就会消耗1200万吨高附加值、高技术含量的钢结构用钢材。

我国固定资产投资日益增加，西气东输、京沪高速铁路等国家重大工程，西部大开发、振兴东北老工业基地、城镇化步伐加快及大批工业企业更新改造等都将拉动钢结构市场。

目前，我国正在加快钢结构住宅建筑研究开发及扩大：工程应用试点，使钢结构住宅建筑配套更加完善，提高住宅建设的工业化、产业化水平。

与此同时，我国现代农业钢结构市场更有待开发。

另外，发达国家钢结构用钢量一般占钢材产量的10％左右。

按此比例，中国钢结构年产量应达到3000万吨左右，而目前我国钢结构用钢量仅占钢材产量的约5％。

这些都说明我国钢结构行业存在着较大的应用领域和发展空间。

为此，中国钢结构协会编制的《钢结构行业“十一五”发展规划建议书》提出，到2010年，我国钢结构行业用钢的目标是达到全国钢产量的l0％，其中建筑钢结构用钢力争达到全国钢产量的6％，约1800万吨；争取特级钢结构制造企业达到50家，一级钢结构制造企业达到200家，二、三级钢结构制造企业达到1000家，形成制造加工钢结构达3000万~4000万吨的能力。

“十一五”期间，除传统的钢结构外，我国要积极推广量大面广的建筑钢结构应用，重点是轻型钢结构、大跨度空间钢结构、高层重型钢结构、钢-混凝土组合结构、钢结构住宅等领域；要加强钢结构市场的开发，在满足国内市场需要的条件下，扩大出口和占领国际市场。

此外，钢结构行业还要与数干家钢结构配套产品、装备、部品的专业化企业一起，共同做大、做强钢结构产业，全面推动钢结构事业的发展。

在谈到钢铁行业和钢结构行业的协调发展问题时，“十一五”期间，钢铁行业要积极扩展和提高钢结构用钢材的品种、规格、质量，增加结构用高性能钢材及连接材料的品种，完善产品性能。

具体来说，有两个重点：一是完善结构用钢材系列的产品与应用标准，扩大建筑、桥梁、容器、管道、锅炉、塔桅、海洋工程用钢的应用，促进高强钢、低屈服强度钢、抗层状撕裂钢、耐候钢、耐火钢、彩涂板等的应用推广；二是扩大冷弯型钢和热轧H型钢的品种和规格，包括大尺寸冷(热)成型管材(圆管和方矩管)、大截面H型钢、轻型H型钢及薄壁H型钢等经济型材的生产，开发优质焊接结构钢、高强度优质厚板、优质可焊钢等。

到2010年，钢结构行业要基本实现用钢国产化的目标。

此外，提高技术标准规范水平与质量也是钢结构行业“十一五”期间的一
个重点课题。

《规划建议书》建议：全面提高建筑钢结构应用技术水平，积极开展钢结构相关技术研究；修订和补充设计、施工和材料等有关技术规范、规程和标准；完善质量管理体系，提高钢结构工程质量；开展钢结构优秀设计和优良工程的评定。

争取到2010年，建筑钢结构行业综合技术水平达到国际先进水平，尤其是要重视标准化工作，因为钢结构行业的主要特征之一就是涉及标准与规范多。

仅以设计为例，涉及相关的设计、材料、施工等国标、部标、规范等超过60种，大量规范、标准已经滞后，亟待补充、修订。

还可以在向以下方面：
1、能源建设还会加快，火力电厂的主厂房和锅炉钢架用钢量会增加（包括核电厂用钢、风力发电用钢等）。

2、交通工程中的桥梁会有所增加，铁路桥梁采用钢结构，近几年来公路桥梁采用钢结构已成为发展趋势，如沪高速、跨海、跨江大桥等等。

3、市建设采用钢结构的量增加，特别是地铁和轻轨工程。

4、钢结构住宅将增加，国家提倡建设节能省地住宅，有关钢结构住宅的设计规范及配套技术，材料基本具备。

目前我国仅有几百万平方米的钢结构住宅，发达国家却达到占总量的40—50％，如我国每年竣工6亿平方米的城镇住宅建设有5％采用钢结构，按多层、高层建筑平50kg/平方米钢结构计，用钢量将达到每年150万吨，上述数字未将农村建设用钢结构统计在内。

5、由于中国钢材价格比国际价格低，劳动力成本低，钢结构的制作和施工质量优良，在国际工程市场有较强的竞争力。

另外，“四万亿元”投资偏重要基础设施建设，对钢材的需求影响很大。

比如，2012
年要建11万公里的铁路，804座车站，北到各省会8小时之内到达，这些工程需要大量钢材。

1.2.1物质基础
改革开放以来，我国的钢铁工业持续发展，钢产量到1999年已达到1.3亿吨，成为世界第一钢铁大国，发达国家的建筑用钢量为钢产量的45％一55％，而我国建筑用钢量仅占钢总产量的20％左右，如按此比例推算，则我国有4000万吨左右的发展空间，因此已具备了推广应用钢结构坚实的物质基础。

1.2.2技术政策
长期以来由于我国经济发展起步较晚，造成我国建筑界形成了“只要能用钢筋混凝土结构，不用钢结构”的观念。

如今，政府已开始高度重视钢结构建筑的发展，在1998年把钢结构技术列为重点推广的新技术，1999年建设部、国家冶金工业局联台成立了建筑用钢技术协调组，协调国家的相关部门在建筑用钢的生产和推广应用方面的工作，大力推动钢结构的发展。

这说明钢结构在我国已具备了非常好的发展大环境。

1.2.3市场需求
随着国外的钢结构新技术、新产品不断地被引进和应用，人们对钢结构旧的观念逐渐转化．目前经济发达地区新建工业厂房已基本采用钢结构取代钢筋混凝土结构，成熟的钢结构建筑作品不断出现，会增强投资者和建设者的信心，把钢结构作为一种认真考虑的选择、大胆地进行尝试。

钢
结构的市场需求将越来越大。

轻钢结构住宅体系产业化极具潜力，在使用功能、设计、施工及综合经济方面具有优势，是今后推广应用钢结构的一个重要领域。

钢结构建筑是建筑领域中较先进的建筑技术，代表着先进的生产力，因此应坚定不移地加以提倡、推广。

2 钢结构的优越性
2.1材料性能优越
钢结构轻质高强、力学性能良好、承受动荷载的能力强、抗震性能优越等特性，使之得以在建筑领域充分地发挥，符合高层、大跨建筑的结构要求。

据研究，人类已具有建造高度超过1000m最高至4000m的超高层建筑与跨度超过1000m的超大型穹顶的能力。

因此，钢结构率先广泛应用于高层建筑、大跨度公共建筑和工业厂房等类型，并逐步向更广的领域扩展，包括轻钢结构住宅的研究推广。

2.2 制造周期短、施工速度快
钢结构大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。

同时，由于钢结构本身可作为劲性结构承担结构荷载和施工菏载，施工时不必支横、拆模，由此降低成本，大大加快施工速度。

2.3 符合可持续发展政策
钢结构是一项绿色环保建筑产业，相对于砼结构和混凝土结构而言，钢结构对资源、能源的利用相对合理，对环境破坏相对较少，是解决环境问题的突破口：
1）钢材是一种高强、高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也可回收利用，对同样规模的建筑物，钢结构建造过程中有害气体排放量只相当于混凝土结构的65％。

2）工厂化生产，现场施工周期短，最大限度地减少了施工工地对环境的影响，钢结构工程一半以上是工艺是工厂加工制作，现场工期可以缩短50％以上，同时工地很少使用砂、石、土和水泥等散料，又无须钢木模板，从根本上避免了尘土飞扬、染环境、废物堆积和噪声等问题。

3）钢结构体系可以带动其它“节能环保”型建筑材料的推广应用。

钢结构休系由于连接的灵活性，各种轻质高强高效墙体材料都可以采用，并将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起，实现墙体改革和综合成套应用。

2.4 造型美观、可塑性强
相当于其它形式而言，钢结构建筑可以极大程度地超越结构的束缚，创造多种形式的空问和形象，产生轻盈、灵巧、通透的效果。

另外，斜线、曲线在钢结构建筑中作为一种常见的造型手段创造出许多新奇、优美的建筑形象。

其强大的造型潜力是砖混结构形式建筑所难以企及的。

3 现代钢结构的建筑特点
目前，制约我国钢结构发展和推广应用的最大问题是设计力量薄弱。

这里不仅是结构设计工程师对钢结构设计不熟悉，国内建筑师对于钢结构也缺乏应有的了解。

这样．在方案的初设计阶段往往便把钢结构排除在外，习惯性地选择自己所熟悉的砖混或混凝土结构思路上．这样便失去了通过结构方案的变化寻求创新的可能。

另外．在采用钢结构的设计中，常存在节点构造粗糙与砖混结构部分衔接不好、外立面交接处理生硬等问题，归其原因，就是对钢结构建筑设计缺乏学习和训练．对钢结构建筑的设计特点研究不够。

笔者认为，钢结构建筑设计有其不同于混凝土结构的特征，应作大量性的研究工作。

可从钢结构建筑以下几个方面的特征人手：
3.1空间特征
(1)空间形态多样化：钢结构建筑可充分利用其结构灵活性和表现力，创造出多种形式的空间形态，它可以引入斜面、曲面等变化的形式，组合出各种新奇、有趣、富有戏剧性的空间，从而打破了单纯的矩形空间组合。

如多伦多汤姆逊音乐厅。

(2)线性构件，界面通透：钢结构靠杆件传力，构件多呈线性．且由于钢材的高强高效特性，结构构件小，且通透性好，所以设计中有屋面采光时常采用钢结构形式作为顶界面，以使顶部开敞明亮，尽量多地引入天光，侧界面采用钢结构也多开敞通透的手法处理。

(3)巨型空间，二次划分：钢结构构筑出大跨度的巨型空问，然后再次进行立体划分，形成灵活的空间体系，开合自如．虚实结合，层次感强，这是当前流行的一种大型公共建筑的空间布局模式，也有利于需要功能调整时的改建工程。

3.2形态特征
(I)与混凝土结构和砖混结构的建筑造型有明显差异，钢结构建筑表现的不是厚重、雄伟、强烈的实体感．而常常是轻盈、舒展、精美的现代感。

设计惯用曲线造型，顶面、侧面没有明确的分界线，体型生动流畅，这样也有利于力的传递。

因此，钢结构适合创造独特、新颖的标志性建筑形象。

(2)钢结构建筑可采用多种技法和材料来表现．如钢结构暴露在外，表现构造节点的工艺性技术细节的“高技派”手法；应用金属复合板或塑铝板表现光洁、精美的现代材料质感；和通过外挂大面积透明与镀膜玻璃表现建筑的轻盈通透的形象。

(3)钢结构建筑一个重要的形象要素就是精细的节点构造设计，结构性节点在此经过精心推敲，成为装饰构件，表现出现代建筑的技术美、工艺美．这其中包括建筑各部位的细节，如钢架支座、钢结构与砖混结构的结音部位、钢柱的断面形式、钢架天窗构造和金属遮阳板等。

3.3与结构、设备密切结合的特征
钢结构建筑形象取决于结构形式与构造节点等的精细加工工艺，这有赖于建筑师、结构工程师和机械工程设计师的统一协作，有机结合。

另外，钢结构建筑往往暴露设备，这些暴露的设备会成为建筑内部、外部形象的
组成部分、且设备管线与主体结构及墙体穿插交接处都需要对其构造进行精细设计，这便要求建筑师同设备工程师密切协作。

唯如此，钢结构建筑才能达到较高水准。

福斯特曾提出“设计开发”的概念，有丰富的含义，它包含了建筑师的独特要求，专业工厂内对构件特定的工艺性加工．各专业的协同配合，对建筑全方位的开发设计。

现代工业文明和科技成果在这里得到充分地应用，建筑学的内涵太大丰富了。

这即是对传统建筑的观念变革，又是传统建筑学精髓的延续，正是靠着这种精神，世界建筑才得如今天这样绚丽多彩。

3.4 预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短
钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。

同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40％以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。

3.5 建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化
在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。

建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。

北京2008年奥运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点。

例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案，在体育场大屋面的中央设置两个半
圆型的玻璃顶面，同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合；又如中国建筑设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构，形象完美纯净，功能与结构达到了完美的统一；还有日本朱式会设建筑事务所设计的折叠式方案，屋顶由悬臂的钢架结构支承，可在30分钟内完成开闭的动作，确保全年比赛的及活动不受天气影响。

3.6 钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求
钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。

其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。

现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。

并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这类型建筑成为世界性的标志建筑，比如日本东京后乐园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构，面积达28000平方米，英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑伦敦千年穹顶――大型综合性展览建筑也是索膜结构体系，其穹顶直径达到320m。

3.7 原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展
发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。

钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。

目前国际上引人瞩目的新型住宅产品已引入我国，其环保节能的特点主要体现在两个方面：
（1）该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统，温度变化小，热损失低。

不论冬夏，都具有舒适当居住环境。

室外0摄氏度时，室内仍可以保持17摄氏度以上；在室外温度达到30摄氏度的情况下，室内温度仅为21摄氏度左右。

（2）与砖混结构住宅相比，可节能60％以上，冬夏季空调设备可节约耗电30％以上，结构的废旧利用为100％，与砖混结构比较，同样楼层净高条件下，钢结构维护墙体面积小，节约空调所需能源，减小维护费用。

4 钢结构建筑设计与技术表现
钢结构建筑设计的构思成功关键所在是技术构思与表现，在方案设计的深化中，需要同结构工程师，设备工程师，甚至包括机械工程师密切配合。

此时技术表现是自然而然的事情，无论是空间形式，形式体量还是构造节点对其建筑设计与表现影响都是很重要的，下面就分别从几个方面来阐述这一点。

4.1钢结构建筑设计的技术表现
建筑形象的构思是一个概念形象的创作过程，是建筑创作的难点之一，也是建筑设计中备受关注的核心问题之一。

回顾工业革命以来建筑与科学技术关系的发展，可以明显地发现建筑对技术变革反应的迟滞性，这从一个侧面反映了建筑学在社会文化当中的深层地位，以及建筑学与人的生活方式的密切联系。

另外现代方兴未艾的信息革命正在广泛地渗透并涉及社会活动的每个领域，使现代科学思维被融入到建筑设计中，新项目的
规划、建筑和景观设计方法发生了巨大的变化。

建筑设计的宗旨也从单纯的追求美发展到追求问题的合理解决，从根本上改变了人们以往对建筑的认识和设计方式，并最终影响了人类千百年来形成的传统建筑观，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的节点和精细的加工来体现高超的技艺，以更高的工艺水平来设计和“制造”建筑。

4.2钢结构建筑细部设计有较高要求
钢结构建筑设计的复杂化与精致度要求越高，对细部设计的要求也越高。

因为细部设计决定一个地方最终是否得到确认及其质量。

在现代钢结构建筑中，各种金属结构杆件，连接金属杆件的节点细部，常常暴露在外，使建筑带有强烈的科技感，比如建于1977年法国的巴黎蓬皮杜艺术与文化中心，它的钢柱、钢梁、桁架等结构构件都裸露在外，从中不仅体现出技术美，而且体现出人的智慧和能力。

因而，对钢结构建筑来说细部质量保持较高的设计要求是非常重要的，在钢结构建筑中应受到特别重视。

4.3建筑策划也是钢结构建筑设计与表现的影响因素
因为钢结构建筑设计具有建筑设计的一般属性，建筑师不是随心所欲在作设计，业主设计任务书对建筑师的平面和设计构思等发生的作用是重大的。

客户希望设计师有更好的业绩，而且希望在其最终产品的确定过程中，设计师和市场专家都能更高效的参与决策。

在这个阶段，建设项目更强调整体设计、更强调专业设计师、市场专家及开发商之间的协调，设计过程包括了持续的信息和知识的交流与整合。

另外，钢结构建筑的专业化不但能提供丰富的设计知识而且能有效的整合设计资源和市场专家共同。