為了闡述現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和綠色建筑的特征，結(jié)合點(diǎn)評國內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)工程，說明優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑。關(guān)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，美國著名結(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.
由于鋼材具有較高的強(qiáng)度，因此，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，就具有綠色建筑的特質(zhì)。鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價值：最輕的結(jié)構(gòu);最短的工期;最好的延性。在建筑全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約，最輕的結(jié)構(gòu)假想強(qiáng)度受壓高度(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適應(yīng)和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。綠色建筑為人類提供一個健康、舒適的活動空間，同時最高效率地利用能源、最低限度地最短的工期工廠焊接、工地高強(qiáng)螺栓拼裝影響環(huán)境的建筑物。節(jié)約能源;建筑適應(yīng)氣候;材料資源的再生利用;尊重用戶;尊重地理環(huán)境;整體的設(shè)計觀。
1991年蘭達(dá)·維爾和羅伯特·維爾合著《綠色建筑——為可持續(xù)發(fā)展而設(shè)計》一書。發(fā)達(dá)國家探索可持續(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)計方法、新設(shè)備、新工藝，實(shí)行綜合化設(shè)計，使建筑在滿足功能時所耗資源、能源最少。最偉大的美國建筑、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)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)，然而我國所謂的綠色建筑政策，僅指建筑墻體的節(jié)能、太陽能利用等，而對鋼結(jié)構(gòu)骨架的節(jié)材幾乎閉口不談。這樣，就導(dǎo)致我國不少大型鋼結(jié)構(gòu)的笨重和怪異。目前，我國設(shè)計與施工的現(xiàn)狀是：“設(shè)計”創(chuàng)造困難，“施工”也要上。優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑，優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)必須是結(jié)構(gòu)骨架節(jié)材，墻體節(jié)能，最大限度地滿足功能，最低限度地影響環(huán)境，為人們提供健康，舒適的活動空間。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)和大跨度鋼屋蓋中，100多年來，先進(jìn)國家大量采用鋼結(jié)構(gòu)(日本的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量已超過70%)，并能基本上實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價值。世界高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國，其中，有座建筑的箱形柱截面僅450毫米×450毫米，厚度7.5毫米~12.5毫米;下面柱距加大，未設(shè)轉(zhuǎn)換層;吊裝件高三層樓，全部采用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場拼裝，與我國幾乎100%的現(xiàn)場焊接拼裝形成鮮明的對比。根據(jù)文獻(xiàn)：“結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)秀性與G/P成反比(G—鋼材用量，P —建筑總重)，一般是：優(yōu)秀設(shè)計G/P=0.2~0.3;平庸設(shè)計G/P=0.4~0.5;拙劣設(shè)計G/P=0.6~0.7”。世界最先進(jìn)的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)——美國喬治亞穹頂(Georgia Dome)，1996年第26屆奧運(yùn)會主場館橢圓平面240.79米×192.02米，(屋頂+外環(huán))用鋼量達(dá)到先進(jìn)水平。
改革開放以來，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。但也產(chǎn)生了不少笨重、怪異的鋼結(jié)構(gòu)，與綠色建筑相佐。沈祖炎院士在《影響中國——第二屆中國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》的主題報告中嚴(yán)正指出：“近年來涌現(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”。中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會姚兵會長在《影響中國——第二屆中國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》大會上的講話也指出：“鋼結(jié)構(gòu)不是說體量有多大，或者說要多用鋼，而是說要合理用鋼，并不是把鋼結(jié)構(gòu)建筑建成鋼結(jié)構(gòu)碉堡”。上海浦東機(jī)場是一座優(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)，它的跨度都未超過100米，說明結(jié)構(gòu)方案好。它把結(jié)構(gòu)力度與建筑的空間藝術(shù)美有機(jī)地結(jié)合起來，即袒露具有美學(xué)價值的結(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。成都雙流國際機(jī)場，也是一個成功的作品。旅客置身其中，感到輕快，轉(zhuǎn)角處理簡潔。
現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計最關(guān)鍵的兩大步驟——正確選擇結(jié)構(gòu)方案和正確估計結(jié)構(gòu)的截面高度，鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計一般有四大步驟：結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計);結(jié)構(gòu)截面高度;構(gòu)件布局(短程傳力、形態(tài)學(xué)與拓樸原理);結(jié)點(diǎn)(node)小型化。其中，結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)截面高度極為重要。為了正確選擇結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計)，必須首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。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)，這類結(jié)構(gòu)的用鋼量很少。因此，大跨度屋蓋(直徑D或跨度L≥100米)必須采用屋蓋空間結(jié)構(gòu);屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)的用鋼量按跨度的平方成正比增加，只能用于中、小跨度中。廣東奧林匹克體育場(桁架)懸臂52.4米，每平方米用鋼量200公斤(屋蓋彎矩結(jié)構(gòu));美國喬治亞體育館(索穹頂) 橢圓240.79米×192.02米，每平方米用鋼量30公斤(屋蓋空間結(jié)構(gòu));國家大劇院(網(wǎng)殼)橢圓平面212米×143米，每平方米用鋼量292公斤(屋蓋空間結(jié)構(gòu));深圳寶安體育館輻射桁架，D=101.4米，懸臂48.295米每平方米用鋼量68公斤(屋蓋彎矩結(jié)構(gòu));湛江電廠干煤棚(四柱支承平板網(wǎng)架，柱距79.8米)每平方米用鋼量70.3公斤(屋蓋彎矩結(jié)構(gòu))。
對于重屋面，h的取值可增大;適用跨度(L或D)可減少。下面對一些鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行點(diǎn)評。深圳寶安體育館采用徑向管桁架結(jié)構(gòu)(相貫節(jié)點(diǎn))，實(shí)現(xiàn)了中央節(jié)點(diǎn)小型化。跨度D=101.4米，最大懸壁48.295米，法國建筑師(方案中標(biāo)者)認(rèn)為：桁架懸挑處的高度取5米(=L/10)才美觀，經(jīng)過作者力爭，最后采用6.5米，它是懸臂長度的1/7.43>1/7.5，用鋼量僅每平方米68公斤。為了發(fā)揮萬向支座的剛度系數(shù)3kN/mm，支座圈內(nèi)的下弦桿起拱，受力更合理，更醒目。國家大劇院，橢圓平面：212米×143米，跨度>100米，結(jié)構(gòu)方案選擇網(wǎng)殼(屋蓋空間結(jié)構(gòu))是正確。但在上機(jī)前，把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大，用鋼量高達(dá)每平方米292公斤，根據(jù)美國教授司密斯(Smith M.G)1963年對166個已建大跨度屋蓋(11種)進(jìn)行分析，這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過每平方米80公斤。廣東奧林匹克體育場的建筑理念是：珠江的水、波濤滾滾，美國Nixon Ellerbe Racket公司中標(biāo)。主桁架MT懸臂L=52.4米，用鋼量高達(dá)每平方米200公斤。為了減少桁架弦桿的應(yīng)力：具體措施是：將原主桁架MT的等高度 h=5.2米改為變高度：h=3米~7米桁架;將MT弦桿開口型H截面：H 570×450×125×125改為閉口圓鋼管，有效提高f值;用弱支撐連接兩片“波濤”，以滿足抗震的兩階段設(shè)計：“小震”時弱支撐不壞，整體剛度好; “大震”時，支撐壞，剛度降低，地震力減小，整個結(jié)構(gòu)不倒;拉索由2-337 7改為2-150 7，把索的安全系數(shù)控制在2.5~3。ff通過上述四點(diǎn)改進(jìn)，用鋼量可由原每平方米200公斤降低到約每平方米80公斤。北京某客站一個結(jié)構(gòu)跨度 L=45.6米<100米，選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的，但桁架高度h=8米=L/5.7就選錯了，預(yù)應(yīng)力鋼桁架的合理高度取h=L/18~h /15=2.53米~3.04米即可。即使普通鋼桁架，高度取h=L/12~L/10=3.80米~4.56米。可見，設(shè)計是硬道理，“硬”設(shè)計就沒有道理!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，并在上計算機(jī)前，正確估計結(jié)構(gòu)截面高度。否則，一旦結(jié)構(gòu)截面高度選錯，后續(xù)的所謂優(yōu)化也是幾乎無用的。因此，鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計的最關(guān)鍵的兩步，對結(jié)構(gòu)工程師來說極為重要。（作者：廣東省空間結(jié)構(gòu)學(xué)會會長、華南理工大學(xué)教授 王仕統(tǒng)）
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