王美言WANG Mei-yan

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

（Beijing General Research Institute of Mining &Metallurgy，Beijing 100160，China）

1 钢结构应用及钢结构设计目前现状

在现代的社会，钢结构已经是主要的建筑材料之一，在各个领域都有很大的作用，钢结构技术与其他建筑材料相比是有着很多优点：首先，钢材本身具有强度高、连接方便可靠、可回收再利用、不污染环境等优点；其次，钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好等优势。在实际设计中，其材料力学性能的可靠性及结构形式的灵活性也使得钢结构的优势得以进一步显现。因此近年来无论国内还是国际上，钢结构的舞台越来越大，应用越来越广。鸟巢和央视大楼中钢结构的应用可以说是近年来的代表。

目前钢结构或者应用大量钢材的混合结构的应用实例很多，更多的为人熟知的是其在高层、超高层及大型公共建筑中的应用。这些项目一般在社会上的影响力非常大，经常为一个城市甚至一个国家的地标性建筑。能够在这样的项目中得到大量应用，充分证明了钢材及钢结构体系在结构设计中所占有的重要位置。

随着工业生产技术的不断进步，钢材的种类也日益繁多，尤其是高性能钢材的产品逐渐占据市场的主体，其应用必将更加广泛。更为重要的是，计算机技术的发展为钢结构设计软件甚至计算理论带来的更大的益处。目前钢结构计算软件越来越多，各种技术理论的应用也越来越全面，钢结构在有限元及空间作用的研究及应用会越来越普及。

尽管大量地标性建筑更为人所知，不过钢结构在应用上更多的是在工业建筑领域，其在工业领域的应用也更为悠久。目前大大小小的工业厂房或者生产线，多数都离不开钢结构。不过与其在民用项目中的红火现象不同，钢结构在工业设计上并没有更大的发展。可能其中的原因是很复杂的，也是多方面的。个人认为主要的原因有以下两点：首先，工业设计用钢结构体系比较成熟固定，概念清晰，历史悠久，得到了很多事实上的经验及验证。其次，工业项目的开发上有其独特的方面，体系优化和材料用量更多的时候并不是考虑的主要的因素。与其它因素综合在一起，工业钢结构在设计上的发展比较缓慢。更多的潜力很好的设计人才对工业设计的兴趣比较低，导致目前总体上相对于民用设计来讲，工业的设计人员能力和潜力都稍微落后。

2 钢结构在工业设计中的重要性

我们知道农业是我国国民经济的基础，因为它提供人民的基本生存保障。但在整个国民经济中光靠农业是远远不够的，其它产业部门，如工业、交通、商业等都必须大力发展，尤其是工业，它是国民经济的主导产业。一个国家工业发展水平就代表了其经济发展水平，世界上的发达国家都是工业化国家。作为发展中国家，与发达国家相比，我国的工业还存在许多问题。比如总体水平低，现代化程度差，科学技术上明显滞后，工业生产效率也较低。因此，工业经济的转型势在必行。

配合着工业方面的转型，钢结构在工业领域的应用也将进入到一个新的阶段。在这个阶段中面临着一定的考验，但更多的是机遇。对于工业来讲，钢结构的应用范围相当广泛，历史也相当悠久，其体系也较为成熟和固定。工业中体量大小差异很大的建、构筑物很多，需要满足的功能要求也多种多样，各方面的限制因素等都导致结构样式要比较灵活，因此钢结构的应用必将占据很大的部分。辅助材料的性能发展，如防火材料、防腐蚀材料及保温材料等，也使钢结构能满足越来越高的使用上的要求。随着时间的不断推移，工业与钢结构之间形成了一种相互促进、互利互惠的关系。这种关系也决定了两者紧密的联系。

3 工业钢结构设计的内容

工业设计目前看起来在软件的应用深度上落后于民用设计，但是工业设计的内容对于一名设计人员来说可能反而是更有挑战性的。工业设计对于设计人员的要求更加全面，要求对不同的结构形式都要比较熟悉，对各种结构体系都要有一定理解，基本的结构概念要很清晰。正是因为设计要求及设计内容上比较复杂，因此对设计人的结构基本知识及对实际问题的分析能力要求很高。一旦在分析当中出现不合理或者有所遗漏的状况，结构的安全性将会受到直接的影响。对于其中的钢结构设计而言，不同于混凝土结构。在方案设计阶段，钢结构可以选择的结构形式更多，不过需要考虑的因素也更复杂：经济因素、设计周期及施工周期、材料采购及运输等。钢结构一般受力更为明确，也更直接；在静定结构体系中，结构体系的完整性和结构构件的重要性都比一般的混凝土结构更高。在设计过程中，除了结构主体计算之外需要考虑更多的因素，节点设计、加工、安装、运输、防火防腐蚀等都要根据具体的情况选择不同的方式。

工业钢结构大的结构形式一般包括：框架、排架、网架、刚架等，还包括诸如烟囱等特种结构，以及桁架等较大跨度结构等。工业改造项目经常也是以钢结构为主，需要根据具体的形式选择不同的结构体系或者构件。在结构设计时，对于墙面板、屋面板及平面钢板作用对结构的影响是不可忽略的，需要我们根据不同的条件及要求予以考虑。对于这方面的认识随着各种概念的不断成熟，将会在实际中有更多的应用。除了对钢结构体系要很熟悉之外，钢结构对于单个构件的设计计算也很重要。在构件的计算中也需要考虑很多的因素：构件的强度计算、稳定性计算、变形计算等。在有需要的时候还要进行疲劳计算，塑性设计，动力计算等。在这个过程中有很多需要根据实际情况进行假设或者调整的地方，比如平面内外的支撑长度，刚接铰接和实际能达到的效果的判断等。最后的节点设计需要考虑从最开始的计算条件、制作安装等全过程的状态，也是使结构实际与计算相符合的关键。

4 工业钢结构设计的前景

由上面的分析可以看出，工业钢结构的设计与民用的差别较大，尽管目前来看在现代化的计算理念的深度应用上还有很大的进步空间，但其对于设计人员的基本知识及能力要求还是很高的。目前我国工业的发展在转型阶段，不过工业发展肯定是不可替代的，因此工业会不断进步，工业钢结构的应用前景也是十分光明的。钢结构设计在板、壳等的考虑上还有大的提升空间，随着计算分析软件的进步，将会使得钢结构在保证安全性的前提下经济性也有很大的提高。目前比较典型的轻钢结构以其100%可回收的优势、简单快捷的安装和轻便经济的用钢量受到了行业的青睐。尤其是轻钢住宅系统，在传统的工业厂房之外，开辟了工业辅助用房领域。目前，轻型钢结构由于更好的经济性、设计施工的规范性、良好的美观效果、环保节能，以较高的增长率快速发展。

在工业经济转型后，相应的结构设计必将会随之有一个较大的改变。由于环境的不断恶化，我们今天更加注重环保，提倡绿色建筑。绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。钢材作为一种可以回收加以重复利用的环保建筑材料，无论是与传统的材料木材及砖石，还是现在应用范围最广的钢筋混凝土材料相比都有很大的优势，其能在全周期内很好的满足绿色建筑的要求。因此从各方面可以看出，钢结构在工业设计上即将会有一个全新的、更为广阔的发展。

[1]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册[M].中国建筑工业出版社，2004.

[2]钢结构设计规范[S].中国计划出版社，2003.

[3]绿色建筑评价标准[S].中国建筑工业出版社，2006.