随着我国钢产量的快速增加和国家实行合理利用钢材的积极用钢政策，我国建筑钢结构的发展日新月异，取得了令世人瞩目的成就，但也凸显了一些引人思考的问题。
我国是产钢大国，但建筑钢结构用钢占总钢产量的比例非常小，只有4%左右，建筑钢结构在整个建筑行业所占比例还不到5%。然而一些重要的单体建筑钢结构用钢指标又非常高。
钢结构的特点
据统计，2006年在全世界已建成的101幢超高层建筑中，钢筋混凝土结构有16幢，纯钢结构有59幢，不同形式的钢、混凝土混合结构有27幢。大跨度屋盖空间结构所占比例更高。钢结构的发展促进了建筑业、冶金工业、机械工业、汽车工业、农业、石油工业、商业、交通运输业的快速发展。为什么钢结构的生命力越来越强大？这要归功于它轻、快、好、省的四个特点。
第一特点轻。钢结构具有轻质高强性。钢材与混凝土、木材相比，其密度与强度的比值最小。因此，就同类建筑结构形式而言，钢结构自重轻，构件截面小，能够承受更大的荷载，可以跨越更大的跨度，便于运输和安装。例如，在同等荷载条件下，钢屋架重量只有同等混凝土屋架的1/3-1/4，若采用冷弯薄壁型钢屋架则只有1/10左右。钢结构住宅的重量是钢筋混凝土住宅的1/2左右，使用面积比钢筋混凝土住宅提高4%左右。
第二特点快。钢结构的工业化程度高，工期短。钢结构全部为工厂制作，具备成批大件生产和成品精度高等特点。采用工厂制造、工地高强螺栓安装的施工方法，有效地缩短了工期。在同等条件下，钢结构与钢筋混凝土结构施工工期相比，前者仅是后者的1/3-1/2。
第三特点好。钢结构材性好，可靠性高。钢材质地均匀、弹性模量大，有很好的塑性及韧性。因此，钢结构不会因为偶然的超载或局部超载而突然断裂，能够适应振动荷载。
钢结构抗震性能好。钢材具有较好的抗拉和抗压强度以及较好的塑性和韧性，它的材质均匀符合实际受力要求，加上连接构造的耗能、维护材料的蒙皮效应，使结构体系能够抵御强烈地震。因此，在国内外的历次地震中，钢结构是损坏程度最小的结构，已公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。同时，钢结构密封性好。钢材组织非常密实，通过焊接连接，完全适用于对气密性或水密性要求高的特种建筑物。
钢结构耐热性好。温度在250摄氏度以内，钢材性质变化很小，钢结构可用于温度不高于250摄氏度的场合。当温度达到300摄氏度以上时，强度逐渐下降。在这种场合，对钢结构必须采取防护措施。同时，钢结构耐久性好。在正常的防腐维护下，建筑钢结构不会因为日常温度的变化以及日晒、雨淋及一般大气介质的作用而老化，具有很好的材料耐久性。另外，钢结构易于拆卸。采用螺栓连接的方法，使已建成的钢结构易于拆卸、加固和改建。
第四特点省。单纯从目前材料的价格上看，钢结构比混凝土结构的造价要高。但钢结构比混凝土结构建设速度要快一半时间，这会节省很多时间成本，而且房屋整体重量也比混凝土结构轻1/2以上，这样基础成本、运输成本都会降低。建造房屋是一个系统工程，包括设计、制造、运输、安装、维修和管理等诸多环节。因此，从整体上看，钢结构更省。
钢材具有可回收再利用的特点，相对于目前普遍使用的其他建筑材料，其最有利于节能、节材、节水和节地。当然，钢结构也存在着一些不足，诸如耐火性能及耐腐蚀性能较差等问题，但通过结构抗火设计以及采用正确的防火措施和防腐处理，完全能够达到使用要求。而且，随着新型耐火钢和耐候钢的使用，这些缺点正逐步得到弱化。另外，钢结构低温脆断的问题，通过正确的设计也可以防患于未然。我国建筑行业近年来一直是能源、材料、水和其他资源的使用大户，发展推广应用钢结构完全符合国家着力提倡建立节约型社会的精神，符合当前国家对建筑业提出的可持续发展的要求。
钢结构发展历程中的经典实例
20世纪以来，随着科学技术的飞速发展以及人们对物质和文化生活要求的不断提高，人们对各类建筑提出了更新、更高的要求。建筑钢结构由于钢材的优异性能，制作安装的高度工业化以及结构体形的新颖和灵巧，被广泛应用于各类建筑中。
第一，高层钢结构建筑。城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈,促使了高层建筑的出现与发展。随着建筑高度的增加，在风荷载和地震作用下，结构的抗侧力问题逐渐成为关键因素。为了提高结构抗侧力刚度，高层结构的体系不断创新和发展。以下是高层钢结构建筑发展中一些有代表性的工程，每一个工程的建成，都形成了一种新的高层钢结构体系，并在以后的高层钢结构建筑中被广泛应用。
1885年建成的世界上第一幢现代钢结构高层建筑即10层高的美国芝加哥家庭保险大楼，采用框架结构体系。这种结构体系一直被采用，到1931年建成了381米高的美国纽约帝国。1968年，100层高的约翰·汉考克中心的建成，使结构上形成了一个新概念即对角支撑桁架型锥形筒体结构体系，结构抗侧能力显著增强。1973年建成的美国纽约世界贸易中心，创新性地采用密柱深梁的钢框架筒体作为结构的主要抗侧力体系。1974年，当时的世界第一高楼西尔斯大厦，又将筒体结构发展为束筒体系。筒中筒和束筒结构体系减小了框筒结构的剪力滞后效应，整体结构的抗侧刚度得到进一步增强。钢、砼混合结构有1988年建成的我国香港中国银行大楼，采用由杆系结构组成的巨型空间结构体系，使得高层建筑具有更大的侧向刚度。1998年建成的上海金茂大厦使用伸臂钢桁架系统，将混凝土筒体和巨型柱组合在一起，形成创新的钢、砼混合结构体系。这种结构体系已经在目前的超高层建筑结构中得到广泛应用。2008年建成的上海环球金融中心，采用了创新的巨型框架——伸臂桁架——核心筒结构体系，形成多重抗侧力体系。
这些不断出现的创新高层结构体系，无论在建筑、技术、材料、设备和施工等方面都体现了钢结构轻、快、好、省的特点，反映了当时世界最先进的结构水平。(表1)中列举了这些代表性工程的概况。从中可以看出，高层钢结构随着其结构抗侧力体系的不断发展，结构用钢指标也在降低。因此，用钢指标也应成为衡量一种结构体系和一个结构工程优劣的重要指标。
第二，大跨度钢结构建筑。大跨度钢结构建筑，采用了大量新材料、新工艺、新技术，结构体系不断创新，成为结构方面近50年来最活跃的研究领域。有以刚性杆件组成的网架、网壳等刚性结构体系，有以索膜等柔性材料为特征的悬索结构、薄膜结构、张拉集成体系等柔性结构体系。还有杂交结构体系以及可展开结构和可折叠结构。
1975年建成的上海体育馆，采用网架结构，它的平面为直径110米的圆形，用钢指标仅为每平方米49公斤。这是我国早期网架结构的杰出代表，它使这种具有整体工作性能好、抗震性能好、用钢指标低、施工技术成熟方便等优势的结构体系在我国得到了迅猛发展，应用范围涉及体育建筑、公共建筑、工业厂房以及飞机维修库等，使我国在网架结构的覆盖面达到世界第一，在设计、制作和安装技术等方面处于世界先进水平。1997年建成的日本名古屋体育馆，采用网壳结构，它是当前世界上跨度最大的单层网壳结构。其结构施工时采用了整体提升的方法，将重13000吨的屋盖提升到位，仅用30个月便施工完毕。柔性结构如1953年建成的美国雷里体育馆，它被认为是世界上第一座优秀的现代大跨度索网屋盖结构，对传统建筑结构的设计理念产生了深远影响。随后，悬索结构如雨后春笋般出现在世界各地。又如1967年加拿大蒙特利尔世博会的德国馆，它是一个被公认为最早的、真正意义上的现代索膜结构体系，在建筑、结构和景观上实现了良好的融合，无论是对建筑还是结构都极具创新价值。又如1996年美国亚特兰大奥运会主场馆佐治亚索穹顶，其平面为240米×192米的椭圆形，用钢指标又很低。这是因为它采用结构效率极高的索穹顶结构体系。这种体系突出的优势就是随着跨度的增加，结构用钢指标的增加并不明显。因而在大跨度建筑中极具应用前景。杂交结构中的张弦梁、张弦桁架和弦支穹顶结构，由于充分发挥刚柔两种材料的优势，受力明确，结构形式多样，并且制造、运输、施工简捷方便，目前在我国得到了广泛应用。如1998年建成的上海浦东机场一期航站楼，是最早采用大跨度单向张弦梁结构体系的建筑，最大跨度为82.6米。2008年北京奥运会国家体育馆为144.5米×114米的双向张弦桁架。
2008年北京奥运会羽毛球馆和2009年建成的济南奥体中心体育馆，分别为跨度93米和122米的张弦网壳。开启结构具有回归自然和多功能综合利用的特点，能节约能源，降低整个建筑的造价，产生了非常好的社会、经济效益。我国2006年建成的最大跨度达254米的南通体育会展中心主体育馆，其固定屋盖和开启屋盖均为网壳结构。它是世界上首次将机电液压技术、移动台车多点支撑技术用于巨型开合结构的工程。(表2)中显示了这些代表性大跨度钢结构的概况。
大跨度钢结构在整体上出现从较重向轻型体系发展，从刚性体系向柔性体系发展，并出现由单一的结构形式发展到各种结构形式的合理组合。这种组合旨在集中两种或几种结构的优点，充分发挥材料的强度，使结构受力更加明确合理，体系更加经济有效。
钢结构如何做到轻快好省
我们的设计人员、施工人员包括科研人员，用智慧和心血解决了诸多人为制造的技术难题，创造了很多代价高昂的世界第一，但结构复杂、施工难度大、用钢量大并不意味着技术的进步。对比钢结构发展历程中那些建筑艺术与结构技术高度融合的钢结构建筑典范，可以看出真正的技术进步是实现钢结构的轻、快、好、省，能够经得起自然灾害和历史的考验。以下就如何使钢结构做到轻、快、好、省，从方案、理念、人才、技术和环境等方面谈几点意见。
第一，设计方案的优选。与钢结构轻、快、好、省特点完全相反的奇特建筑，其结构受力复杂程度、施工困难程度、资源消耗程度、建设费用高昂程度都达到令人称奇的地步。这些现状与我国当前的国情是否相符？与国家建立的适用、安全、经济、美观的建筑方针是否相符？这些建筑使人们对某些方案的中标过程产生质疑，到底方案中标的评价标准是什么？我国目前的重大工程几乎都采用国外建筑师的奇特方案，方案中标与否完全取决于评审人对建筑造型的审美，而非建筑功能、结构、施工、造价、环境、节能等更多重要因素。这种方案中标评选机制的缺陷，导致当前中国产生了一大批世界上都罕见的浪费建筑。因此，要产生轻、快、好、省的钢结构，毋庸置疑，必须要完善目前的方案评选机制，杜绝浪费建筑的产生。方案的评审，应该由涵盖建造过程的建筑、结构、施工、造价、能耗等主要专业领域里的专家组成，分专业进行评价，最后综合这些指标选取最优方案，而不能简单地以建筑造型取胜。如果在某一专业方面存在严重不合理的评价，应该“一票否决”。中标的方案还应接受社会的监督，增大透明度。
第二，设计理念的更新。一是首选化。改革开放前，受钢产量的限制，我国在节约用钢基本国策的指导下，建筑钢结构仅在重型工业厂房、大跨度公共建筑以及塔桅结构中使用。改革开放后，随着钢产量的大幅度增加，国家的政策变为合理用钢和积极用钢。但由于多方面的原因，钢结构仍然集中在高层、大跨度公共建筑和工业建筑中，民用建筑应用的很少。这造成了设计人员一直以来形成的理念是钢结构是工程造价高，设计和施工复杂的建筑结构体系，除重要的大型工程外，普通建筑很少采用钢结构。加上设计人员认识得不全面，对钢结构耐火、防腐、刚性水平等存在疑虑，设计时首先不会想到采用钢结构，使理念与实践形成了一种恶性循环。
二是一体化。目前，我国设计界通常的做法是确立建筑方案后，再去考虑结构、施工和造价等问题。把钢结构作为技术手段去实现新、奇、特的建筑造型，而非发挥钢结构本身优异的性能。钢结构建筑有其自身的特点，结构体系、构件和节点在很大程度上制约并决定着建筑的造型和空间，而结构体系和施工技术是否高效合理，又关系着建造成本、维护成本和拆除成本等建筑物全寿命的成本问题。因此，钢结构建筑的建筑造型与结构设计应该从整体出发，实现一体化设计。建筑造型富有很强的力学原理，一些造型本身就决定着抗风性能和抗震性能的优劣。国内外历次大地震均表明，特别不规则的建筑都受到严重破坏。因此，在初步设计阶段就应该通过科学、理性的一体化设计，将那些先天不足的建筑造型剔除，以免后续被动地在结构上创新去弥补这些先天不足，造成资金和资源的巨大浪费。一体化的设计需要建筑师、结构工程师和其他相关学科的技术人员全力合作，实现建筑艺术与结构技术的完美结合。
三是优化。目前，国内设计院的建筑师和结构工程师对钢筋混凝土结构较为熟悉，相对来说，对钢结构设计并不很熟悉，特别是在钢结构结构体系选择、节点构造处理和构件优化问题上。结构体系选择的优劣是影响结构性能和结构造价的关键。钢结构的节点在整个结构中非常重要，节点的用钢量也在结构用钢量中占很大比例。节点构造处理得好，会改善结构性能，也能降低结构造价。对于构件优化这个问题，设计院几乎都不做这个工作，设计师也不考虑这个问题。应当采用激励的机制调动设计师的积极性。
第三，技术人才的培养。建筑钢结构的应用范围和数量将很大程度上取决于结构设计人员在结构设计方案阶段的决策以及他们对业主的建议的信服度。目前我国钢结构专业技术人员比较缺乏，这已成为影响整个建筑钢结构行业发展的主要因素。从这个角度讲，加快对设计人员的培养，系统地提高设计人员在建筑钢结构领域的知识及设计水平至关重要。
第四，设计、制作、施工技术的完善。包括钢结构设计理论的深入与完善，各种标准规范的更新与完善，配套设计软件的编制与完善，钢结构制作、施工工业化的深化与完善。
第五，建设环境的改善。当前我国是世界上每年新建建筑量最大的国家，每年新建面积达20亿平方米，建设规模和速度史无前例，城市化的进程令世人惊诧。市场竞争激烈程度使建筑师和结构工程师疲于赶制工期，并使一些科研人员也忙于工程咨询。为了更快、更多地完成任务，建筑形式上流于盲目模仿，结构体系上安全地使用熟悉的体系。这样就不可避免地出现复制建筑和放大比例的建筑，使中国大江南北的建筑同质化，几乎没有任何地方特色。同时也导致中国设计师在重大工程项目上缺乏竞争力。
没有相对宽松的环境，没有思考的时间，如何创新？如何使钢结构做得更轻、更好、更快、更省？与其仓促上马，重复建造高投资、高能耗、低效益的建筑，不如放慢建设的步伐，一则节省国家资源并减缓对生态和环境的压力，二则节省出的资金，可以用来缓解中国建设行业人员的生存状况，也给他们留出些思考的空间，专心攻克关键技术，提升自主创新的能力。这样也有利于加强和完善建筑产业链，实现本土设计师自主设计和建造有中国特色的建筑。
沈祖炎浙江杭州人。曾担任上海同济大学副校长、上海防灾救灾研究所所长、国家土木工程防灾重点实验室主任、全国高校土木工程专业指导委员会主任及评估委员会主任和美国结构稳定研究委员会委员、国际桥梁与结构协会钢木结构委员会委员等职，2005年当选为中国工程院院士。现为上海同济大学教授、博士生导师，中国工程建设标准化协会薄壁型钢轻钢委员会副主任委员、中国工程建设标准化协会钢结构委员会常务委员、中国钢结构协会结构稳定与疲劳协会副理事长、上海金属结构行业协会副会长。沈祖炎长期从事钢结构领域的科研、实践和教学工作，研究方向为钢结构稳定、抗震及非线性分析理论及设计方法。 |
