钢结构发展理念简介

《现代钢结构发展理念学术研讨会》简介刘桂然上海院第一结构所2009.12.181.研讨会背景时间：2009年10月24日目的：消除奇异型建筑，以正视听；确立正确的指导思想，将钢结构应用于居住建筑；从源头上解决奇异方案（规范招投标）2.报告内容董石麟院士：规范招投标和建筑设计方案——促进我国大跨度方向钢结构从大国向强国发展姚兵总工：钢结构工业房地产开发五大理念李国强教授：钢结构发展的几点思考沈祖炎院士：比较与鉴别——结构创新浅析王仕统教授：钢结构的核心价值与结构哲理陆赐麟教授：用科学标准促进钢结构行业健康发展3.内容摘要结构创新钢结构优越性钢结构新技术招投标的规范化3.1结构创新目的：实现可持续发展节约用地、节约能源、节约用水、节约原材料、节约投资创新实例分析（1）多高层结构实例分析（2）大跨度结构实例分析（1）多高层结构实例分析1931年建成,102层,高381m钢框架结构,外包混凝土抗侧刚度为纯钢框架的4.5倍，1945年飞机撞进该大厦78-79层间时，仅造成局部危害，无致命伤害用钢指标206kg/m2高层建筑发展的一座里程碑，保持世界最高建筑达40年之久。帝国大厦1968年建成,100层,高344m创新的对角支撑锥形筒体结构体系结构抗侧刚度显著提高，比普通矩形筒体减小10%～30%的侧移用钢指标仅145kg/m2，比帝国大厦降低了约30％筒体结构的设计概念，无论对钢结构还是钢筋混凝土结构都产生了深远的影响，使高层结构体系发展到新的水平用“结构美表现建筑美”的典范。汉考克中心1973年建成,110层,北塔高417m，南塔高415m创新性地采用密柱深梁型框筒体系（外筒内框）首次进行风洞试验首次采用压型组合楼板首次采用轻质防火隔墙首次使用粘弹性阻尼器减小风振用钢指标186kg/m2对后来的高层结构设计建造具有重要的参考价值世界贸易中心1974年建成,110层,高443m创新的束筒结构剪力滞后效应、内柱不均匀性、顶部风荷载均减小抗侧刚度、抗剪切和抗扭转能力都大于单筒结构用钢指标161kg/m2为解决高层建筑的关键性抗风问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸实践，使筒体结构体系又发展到一个新的层次建筑造型与结构创新相结合的又一典范西尔斯大厦1988年建成，72层，高369m独创性的棱柱形巨型空间结构轴力杆件代替受弯构件抵抗水平风荷载，所有构件中的材料都充分利用，具有更大的抗侧刚度，抗倾覆力矩最佳的结构形式用钢指标约140kg/m2竹子生根节节高的造型与创新的结构体系实现完美的结合“结构是建筑中永存的因素，香港中国银行大厦是在强大的自然环境中寻求最有效的结构处理办法。”——贝聿铭香港中国银行大厦2008年建成,101层,高492m创新的巨型桁架－核心筒－伸臂桁架混合结构体系，形成多重抗侧力体系外部的巨型桁架筒体承担60％以上的倾覆力矩和30％～40％的剪力用钢指标约230kg/m2上海环球金融中心网格状筒体结构广州西塔伦敦瑞士再保险大楼40层,高180m(2004)建筑形态：经过计算模拟和风洞试验，有利于抗风结构体系：筒中筒体系内筒为钢筋混凝土筒体外筒为斜交网格状筒体，（钢或钢管混凝土），由于轴力杆件比弯曲杆件更能抵抗水平荷载，抗侧力刚度和抗扭能力提高广州西塔，103层，高432m,抗倾覆力矩方面，外筒占到65％用钢指标约190kg/m2中钢国际广场天津六棱窗状筒体结构88层，高358米，2008年开工，将于2011年竣工。建筑形态、结构体系统一在“蜂巢状“的六边形原型。建筑形态：取意中国传统的”六棱窗”，并依照天津的日照和风向特征设计窗的面积和大小，共5种形式，有利于节能。结构体系：筒中筒钢结构体系，外筒抗侧力能力高于普通梁柱体系构件规律性强，能在工厂预制，然后整体拼合，施工速度快减少用钢量，节省建造成本。是对中国古典建筑中经典“六棱窗”的一种全新发展与创新。中钢国际广场天津安装耗能装置的结构上海世博中心防屈曲耗能支撑与普通支撑性能比较抗震性能结构刚度增大，基底剪力减小24％～30％用钢量东区和西区抗侧力结构（框架柱、梁、支撑）使用防屈曲耗能支撑后，用钢量减小了约2000吨，减小钢结构部分造价2400万。框架框架－支撑(剪力墙)筒体结构巨型结构基本高层结构体系抗侧力能力提高，用钢指标下降中央电视台新台址主楼（CCTV主楼）这样一个建于8度抗震设防区，高度为234m的超高层建筑，能否确保结构抗震合理性对于建筑造型设计至关重要！荷兰建筑师雷姆·库哈斯在进行建筑造型设计时完全不顾结构抗震合理性。整体前倾且在高空悬臂外伸75m的建筑造型已无法得到抗震合理的结构体系建筑造型设计错误、完全违背工程技术合理性！建筑方案为高空大悬挑的倾覆性不平衡体型，结构设计则要扶起不倒，在抗震设计、基础设计、施工模拟、复杂节点设计、复杂应力楼板设计等方面被动地进行“创新”，去弥补其先天不足致使采用钢－混凝土组合结构体系后，用钢指标仍高达296kg/m2造成资金和能源的巨大浪费，并给主楼的抗震设计留下了无法弥补的隐患。（2）大跨度结构实例分析刚性结构体系薄壳结构网壳结构网架结构1957年建成，钢筋混凝土肋形球壳结构，直径60m全世界公认的优秀设计，技术与艺术的完美结合设计师奈维尔即是建筑师又是结构工程师，将建筑、结构、施工、设备进行整体考虑，实现融为一体的设计。罗马奥运会小体育馆1975年建成，直径110m，是全国第一个大跨度网架结构用钢指标仅为49kg/m2它使这种具有空间工作性能好、抗震性能好、用钢指标省、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。上海体育馆1993年建成，直径达222米，日本建造的第一座超大开合式屋盖体育场由三块可旋转扇形网壳组成，开合方式为回转重叠式，可形成全封闭、半开敞和全开敞三种状态为防止强震时屋顶的相互碰撞和滑动，结构还安装了振动控制阻尼器用钢指标约200kg/m2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果。福冈体育馆柔性结构体系悬索结构膜结构索穹顶结构杂交结构体系索拱结构组合索网结构张弦桁架结构弦支穹顶结构1953年建成，平面近似圆形（91.5m×91.5m）鞍型正交索网结构，支承在一对抛物线拱上结构受力明确，充分发挥索拱的材料强度，屋盖自重不到30kg/m2世界上第一座优秀的现代大跨度索网结构别具特色的新型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地出现在欧洲、美洲、前苏联、日本和中国等国家雷里体育馆1968年建成，覆盖面积达8,000m2预应力索网结构体系，并覆以膜材用钢指标仅为18.8kg/m2被公认为最早的、真正意义上的现代索膜结构体系在建筑、结构和景观上实现良好融合，体现了以最低限度的材料传递最大限度外力的设计理念。蒙特利尔世博会德国馆1996年亚特兰大奥运会主场馆，椭圆形平面（240m×192m）双曲抛物型的索穹顶，结构受力合理，效率极高用钢指标不到30kg/m2是轻型空间结构发展的一大突破，突出优势：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。佐治亚穹顶日本神户世界纪念堂施工过程示意图“攀达穹顶”整体施工法原理：使穹顶在施工期间处于一种折叠状态，低空安装，然后用千斤顶顶升中间的临时支柱，把结构推举到标高并固定。效益：接近地面安装，容易保证质量和施工安全，且安装成本低，施工速度快。上海大剧院钢屋盖整体提升施工技术原理：先在地下室顶板上拼装，然后依靠4个电梯井筒，在其上设置钢平台，以钢绞线承重、计算机控制液压千斤顶集群提升的方法，将钢屋盖整体一次提升到位。效益：该技术创造了我国建筑史上整体提升重量最大、提升速度最快、提升精度最高三项新记录。结构受力更加合理体系更加经济有效向着高效体系发展较重体系向轻型体系发展刚性体系向柔性体系发展单一形式向组合形式发展大跨度空间结构体系的发展发展过程发展特点充气膜结构气压自动控制系统和融雪热系统性能不稳定会造成膜面局部下瘪甚至坍塌。美国1985年以后建造大跨度建筑时就再没有采用这种结构形式。日本1988年的东京后乐园棒球馆仍选择了充气膜结构，与以往结构的差别是采用了双层膜构造并应用了先进的自动控制技术。但由于运行和维护费用昂贵，经营者几乎不堪重负。1975年美国庞提亚克银色穹顶1988年东京后乐园棒球馆2007年建成，长宽高为177m×177m×31m屋面和墙体结构均采用基于Weaire－Phelan多面体理论生成的空间刚架结构，内外统一采用ETFE充气枕覆盖。用钢指标约120kg/m2国家游泳中心（水立方）单纯追求新颖的几何构型整个结构的20,000多个杆件和10,000多个节点球无一相同，施工图纸达30,000多张，仅绘制耗时大概一年时间；并大大增加制作成本大量采用的ETFE充气枕存在材料是否符合耐久性要求，“充气枕”需经常充气，能耗会比一般游泳馆更大，造成维护费用过高，这将给建筑物本身和社会带来沉重的负担。北京奥运会国家主体育场（鸟巢）2008年建成，椭圆形平面（330.3m×296.4m）采用交叉平面桁架结构体系用钢指标高达712kg/m2极端忽视结构受力合理性瑞士建筑师赫尔佐格和德梅隆用极不合理的结构体系来支撑建筑造型，致使用钢指标高达712kg/m2,创造了世界最高耗钢量的记录，并出现了屋顶结构自重达到活荷载10倍以上、占总荷载70％以上的极不正常现象,为其安全性埋下隐患。为了形成建筑师刻意营造的杂乱无规律的外表图像，次结构的构件和节点都将扭曲，受力最大的部位不得不采用昂贵的Q460、厚度达110mm的厚钢板，增加了制作和安装的难度，延长了工期，其制作和安装的单位造价上升到了一般大型钢结构建筑的一倍以上。实现了结构体系和材料、构筑方法和效益之间的协调一致，实现了建筑与结构的高度融合；结构体系的创新促使了一种新体系的大面积推广和应用；结构构造的创新促使了制造标准化、工业化和安装集成化，机械化的广泛应用和推广；结构创新应使用钢指标大量减小，建造周期大幅度缩短，经济效益明显提高。真正的结构创新仅仅是为了满足建筑造型：不顾结构体系的适用性和合理性，没有实现结构体系与建筑形态的融合，结构受力极其复杂、施工建造极其困难，资源消耗极其浪费、建设费用极其高昂，付出的代价是巨大的，不具有普遍的应用价值和示范作用。无价值的结构创新钢结构重量轻：强度、密度、截面特性钢结构延性好：应力应变钢结构耗能好：滞回曲线3.2钢结构抗震的优越性3.3钢结构新技术屈曲约束支撑钢-混凝土混合结构与组合结构技术波纹腹板钢梁技术半刚性连接钢框架技术屈曲约束支撑构件组成示意图通过外加套筒，约束支撑不发生屈曲。屈曲约束支撑波纹腹板钢梁典型的波纹腹板H型钢是由两块翼缘板和一块波纹腹板焊接而成，最常用的波纹形状为梯形，其他如正弦曲线、矩形、三角形等。波纹腹板钢梁pM－+铰接半刚接半刚接刚接铰接@@q28LMpq28LL82q刚接qqq均布荷载作用下不同端部约束梁的内力与组合梁承载力ppMM结构受力合理半刚性连接钢框架组合节点连接（Connection）节点（Joint）节点区（NodalZone）柱节点域腹板(PanelZone)pbtpppepeeebememepephbhsesesese半刚性连接节点3.4招投标的规范化制度公平透明增加结构评标专家数量评标的标准和原则：安全、适用、经济、美观、技术先进、结合中国国情THANKYOU！