现代钢结构建筑的设计与性能分析？

自从人类出现以来，建筑一直是人们生活的重要组成部分，但长期以来，一直使用的是石头、木头等。随着科学技术的发展，新材料的应用越来越广泛，钢就是其中之一。以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流。钢结构建筑与钢筋混凝土、砌体、木结构建筑相比，有一定的不同。钢结构建筑通常由钢、钢管、钢板制成的钢梁、钢柱、钢桁架组成，有的还由钢铰线、钢绳(束)组成。连接方式为焊接、螺栓连接或铆接。探讨现代钢结构建筑的设计和性能具有重要的意义和价值。

一、钢结构建筑的发展历史

最早使用钢结构建造房屋的国家可以追溯到18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，人们开始尝试建造钢结构的独栋房屋。自此，钢结构建筑彻底改变了以往的建筑造型模式，建筑设计的理念和方法也随之演变。在早期，钢结构仅由铸铁和熟铁制成。20世纪80年代，结构钢的出现加速了建筑工程中钢结构的发展，使钢结构在60年代实现了理论和实践的第二次飞跃和创新发展。德国的包豪斯学校是他们理论的发源地。

1949全国解放以来，钢结构在大跨度重工业厂房、大型公共建筑、高层结构中得到了应用。尤其是近20年来，钢结构在土木工程公共建筑中的应用更为广泛，如沈阳桃仙国际机场的屋面、北京天文馆新馆工程等。目前，我国不仅能生产各种类型的建筑钢材，而且钢材生产的新技术、新工艺、新产品也在不断增加，如生产彩钢压型钢板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房、彩钢制品等，使建筑结构充满了现代感。

二、现代钢结构的建筑特点

(一)前期工程化程度高，降低建设成本，缩短建设周期。

钢结构建筑模数的协调统一标准，实现了建筑的大规模工业化生产，提高了建筑的前期工程化，使不同材料、形状、制造方法的建筑构件具有通用性和互换性。同时，钢结构建筑前期工程集材料加工、安装于一体，大大降低了施工成本；并加快了建设速度，使建设周期可以缩短40%以上，从而加快房地产开发商的资金周转，使大楼更早投入使用。

(B)建筑物和构筑物的设计和功能一体化使建筑物更具功能性。

在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形状、构件和节点在很大程度上引导和制约着建筑的形象。只有将建筑与结构的设计与功能融为一体，才能使建筑更具功能性，从而使后续的设计环节得以进行，创造出具有科技与艺术的钢结构建筑。北京2008年奥运会国家体育场的投标方案很多，都体现了钢结构建筑的这一特点。如清华大学建筑设计院设计的开合方案，在体育场屋顶中央设置两个半圆形玻璃顶面，屋顶可同时通过相对旋转和平行滑动实现开合；再比如中国建筑设计研究院的场馆方案外观，就是建筑的结构。形象完美纯粹，功能与结构达到了完美的统一；还有日本朱世慧建筑事务所设计的折叠方案。屋顶由悬臂钢架结构支撑，可在30分钟内开合，确保全年的比赛和活动不受天气影响。

(C)钢结构能满足超高、超大跨度的要求。

钢结构均匀，接近各向同性的均质体，具有高强度和高弹性模量。密度与强度之比远小于砖石、混凝土和木材。在相同的应力下，钢结构的重量小，可以做成大跨度、高高度的结构和柔性结构。现在人类已经有能力建造跨度超过1000米的超大型穹顶和高度超过1000米高达4000米的超高层建筑。而且钢索与膜结构结合形成的索膜结构体系更能满足建筑跨度的要求，使该类型建筑成为标志性建筑。例如，日本东京侯元棒球场的屋顶是由钢索和空气支承膜组成的索膜结构，面积达28000平方米。标志性建筑伦敦千禧巨蛋(London Millennium Dome)是英国政府为迎接265，438+0世纪而建造的大型综合性展览建筑，也是索膜结构体系，穹顶直径320m m..(参考建筑中文网)

(D)原材料可以回收利用，有利于环境保护和可持续发展。

钢结构的发展对于资源和能源十分短缺的我国来说意义重大，因为我国是世界上砖砌体和混凝土建筑最大的国家。钢材是一种高强度、高效率的材料，具有很高的回收利用价值，废钢也是有价值的，不需要建模。目前，举世瞩目的新型住宅产品已引入中国，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保温防潮系统，温度变化小，热损失低。无论冬夏，都有舒适的居住环境。室外温度为0摄氏度时，室内温度仍能保持在17摄氏度以上；当室外温度达到30摄氏度时，室内温度只有21摄氏度左右。

(2)与砖混结构住宅相比，节能60%以上，空调设备冬夏节电30%以上，结构废弃物利用率1，000%。与砖混结构相比，在相同的楼层净高条件下，钢结构保持了较小的墙体面积，节省了空调所需的能源，降低了维护成本。

三、钢结构建筑设计及技术性能

钢结构建筑设计成功的关键在于技术构思和性能。在方案设计的深化中，需要结构工程师、设备工程师甚至机械工程师的密切配合。这个时候，技术表现是自然而然的事情，无论是空间形态、形式体量还是结构节点，都很重要的影响着它的建筑设计和表现。这里，从几个方面来阐述这一点。

(1)钢结构建筑设计的技术表达

建筑意象的构思是概念意象的创造过程，是建筑创作的难点之一，也是建筑设计的核心问题之一。回顾工业革命以来建筑与科技关系的发展，我们可以清楚地发现，建筑对技术变革的反应是缓慢的，这反映了建筑在社会文化中的深层地位以及建筑与人们生活方式的密切关系。此外，现代方兴未艾的信息革命正在广泛渗透到社会活动的每一个领域，使得现代科学思维融入到建筑设计中，新项目的规划、建筑、景观设计方法都发生了巨大的变化。建筑设计的目的也从单纯的追求美转变为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法，最终影响了人类几千年来形成的传统建筑观念。例如，高科技建筑是其主要代表，以精致的节点和精细的加工体现高超的技艺，以更高的技术水平设计和“制造”建筑。

(2)钢结构建筑的细部设计要求较高。

钢结构建筑设计的复杂程度和精致程度越高，对细节设计的要求就越高。因为细节设计决定了一个地方最终是否被确认，决定了它的质量。在现代钢结构建筑中，各种金属结构构件和连接金属构件的节点细节经常暴露在外，使建筑具有强烈的科技感。比如建于1977的巴黎蓬皮杜艺术文化中心，其钢柱、钢梁、桁架等结构构件都露了出来，既体现了技术之美，也体现了人的智慧和能力。因此，钢结构建筑对细部质量保持较高的设计要求是非常重要的，在钢结构建筑中应特别注意。

(3)建筑规划也是钢结构建筑设计和性能的影响因素。

因为钢结构建筑设计具有建筑设计的一般属性，建筑师不是随意设计的，业主的设计任务书对建筑师的平面和设计构思起着重要的作用。客户希望设计师有更好的表现，希望设计师和市场专家在确定自己最终产品的过程中能更高效地参与决策。在这个阶段，建设项目强调整体设计，更强调。

专业设计师、市场专家和开发商之间的协调，设计过程包括信息和知识的不断交流和整合。此外，钢结构建筑的专业化不仅可以提供丰富的设计知识，还可以有效整合设计资源和市场专家负责建筑，使设计与业主的商业意图有效结合，使项目盈利，降低风险。

四、现代钢结构建筑设计面临的问题

(一)钢结构建筑设计中的防火

火灾是钢结构建筑的最大危害。虽然钢是不可燃材料，但它不耐火。当温度达到400度时，钢的屈服强度会降低到室温强度的一半。当温度达到600度时，钢将基本上失去所有的强度和刚度。因此，当建筑物采用无防火措施的钢结构时，一旦发生火灾，很容易损坏建筑物。比如美国世贸中心大楼外墙是密密麻麻排列的钢柱，外层面包是银铝板。美国911事件中，两座塔楼被飞机击中，导致钢材软化，最终导致大楼倒塌。从钢结构建筑的火灾案例中可以发现两种现象，一种是有防火保护的钢结构在火灾中未能达到规定的耐火时间，另一种是有防火保护的钢结构超过了预期的耐火时间而没有被破坏。建筑的结构防火在钢筋混凝土结构中一般比较容易解决，但在钢结构建筑中需要考虑的因素更多。以下是两种常见的防火措施:一是采用新型进口防火板——保安板；二是根据钢结构的不同部位，分别采用厚型或薄型防火涂料，外露部分加装饰漆。

(二)建筑设计中钢结构的防腐问题

钢材如果长期暴露在室外，受到风雨等自然力的侵蚀，必然会生锈老化，自身承载力下降，建筑的美观性也会受到影响。因此，防腐也是钢结构建筑设计中普遍需要解决的问题。目前主要的方法是采用新的防腐和结构材料。在实际的建筑设计中，设计师在遇到钢结构建筑时，会对设计的建筑提出特殊要求，比如刷防锈涂料，防火涂料属于涂料。防火涂料一般做法是刷两遍红丹防锈底漆，再刷两遍钢结构面漆(面漆颜色由甲方确定)。此外，对钢结构建筑的钢结构构件施工也有一定要求，如出厂前在构件上涂红丹防锈底漆；钢结构安装调整后，清理干净，然后刷第一道底漆和第二道面漆。然而，虽然防腐涂料种类繁多，但更有效的防腐涂料需要从国外进口。我想随着中国综合国力的增强，中国会产生更多优秀的新型防腐涂料。

(3)钢结构中的建筑物理问题

(1)隔热。外界环境的热辐射主要从两个方面影响建筑的热环境:一是通过窗户进入室内，被室内表面吸收，产生加热效应；二是被建筑围护结构表面吸收，部分热量通过建筑围护结构的热传导逐渐进入室内。由于玻璃可以让阳光直接照进室内，所以室温上升很快，特别是随着新型玻璃材料的不断出现，玻璃的热性能逐渐提高，建筑采光与建筑保温的矛盾也逐渐淡化，“屏蔽”与“阻隔”处于平衡状态。因此，建筑物的隔热措施主要集中在外围护结构上，目前有两种更有效的解决方案:

1)发展和优化保温材料结构，改善建筑热环境性能。比如在建筑物的内外表面或外围结构的空气层中，利用高效反射材料可以将大部分红外线反射回来，使建筑物起到保温隔热的作用；此外，还可以使用高效节能玻璃、硅气凝胶、新型节能墙体材料来达到节能的目的。

2)防止保温材料的外保温和冷凝水的中间保温。它可以防止绝热材料由于蒸汽的渗透和积聚而变湿。内保温法保温材料在冬季可能会受潮，而外保温可以防止主体承重结构受到室外温度剧烈波动的影响，从而提高其耐久性。外保温需要在外表面有较高的保护层，而内保温和中间保温由于外表面由高强度的致密材料制成，处理起来比较简单。

(2)吸声。在一些建筑大厅，尤其是音乐厅，天花板反射器增加的反射声几乎同时到达观众的耳朵，缺乏侧向反射带来的环绕感。在这类建筑的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声、装饰、强度、防火、吸湿、加工等。目前声品质设计和噪声控制广泛采用的解决方案是吸声材料和吸声结构。

1)吸声材料:材料本身具有吸声特性。纤维或多孔材料，如玻璃棉和岩棉，具有良好的吸声性能。由于空气的粘滞阻力和空气分子与孔壁的摩擦，声能转化为摩擦热能吸收声音。

2)吸声结构:材料本身可能不具有吸声特性，但将材料做成一定的结构产生吸声。例如穿孔石膏板天花板。

(3)隔音。噪声与建筑密不可分，噪声污染的防治已成为建筑声学的重要组成部分。噪声规划、噪声控制等理论逐渐发展起来。人能听到的所有声音都属于声环境的范畴。人们可以听到谈话声、鸟鸣声、音乐、泉水叮咚声、歌声等。但也能听到噪音、机器轰鸣、车辆轰鸣等噪音。而主要是有安静要求的房间，如录音棚、工作室、酒店房间、住宅卧室等建筑，对隔音、隔振的要求非常高，需要特殊的声学设计。对于酒店、公共建筑和住宅建筑来说，人们越来越重视安静的要求。并且尽量靠近声源，这样会提高隔音效果。隔声室的外墙一般采用隔声性能好的材料或结构，如砖、混凝土、石膏板墙等。观察部分采用隔声窗，出入口部分采用隔声门或吸声迷宫等。

动词 （verb的缩写）结论

从上面的讨论中，我们可以得出以下三个观点和结论:

(1)钢结构建筑的设计要针对不同的具体情况。一个好的建筑设计必须融合形象构思和结构构思。

(2)钢结构建筑的科技含量很高，结构本身往往就是建筑的表现形式。钢结构的表现手法和技术不仅是实现形象构思的必要手段，而且对建筑形象有着显著的影响，这就决定了结构构思是形象构思成功的关键。

(3)随着科技的进步和审美标准的改变，钢结构建筑将不断拓展表达词汇，寻求发展。我们提倡的是:抛开风格的元素，从结构理性主义出发，从众多现代和传统的风格和流派中吸取精华，打造技术与艺术有机融合的精品钢结构建筑。

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