《钢结构设计原理》读书笔记Word文件下载.docx
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80%以上的用量比较,差距巨大。
可喜的
是,目前我国钢结构建筑的发展出现了未曾有过的兴旺景象。
主要表现
在:
1.1.1
高层、超高层建筑由中外合作到国产化的起步
我国著名的高层、超高层建筑大多是中外合作的产物,如上海金茂
大厦、环球金融中心、深圳地王大厦、北京京广中心等。
中外合作设计
对于掌握国外先进技术及锻炼培养人才起到了促进和推动作用。
1998
建成的大连远洋大厦(高
201m,51
层)标志着高层钢结构建筑国产化
的起步,1999
年建成的深圳赛格广场(291.6m,72
层)是世界上最高
的钢管混凝土结构建筑。
1.
1.2
轻钢结构建筑的迅猛发展与国外公司的大批涌入
近年来、轻钢建筑以其商品化程度高、施工速度快、使用效果好、
2
应用面广、造价低等优势获得了迅猛发展。
全国每年约有
200
万平方米
轻钢建筑竣工。
在此背景下,国外轻钢结构生产厂商也纷纷在我国设分
公司、制造厂,获得了很大的销售量。
3
空间结构得到了进一步的发展
大量大跨度的建设项目陆续兴建。
如天津体育中心(直径
108m,1994
年)、上海
8
万人体育场看台顶盖(1998
年)、沈阳博展
中心室内足球场(144&
#215;
204m,2000
年)等。
钢结构建筑在我国的发展前景
根据我国现阶段情况,大力推广钢结构技术、发展钢结构建筑将是
大势所趋,面临着极好的历史机遇:
钢结构行业“十一五”发展目标
在相当长的一段时间内,我国钢结构需求将保持持续增长趋势。
预计
到
2010
年.,我国城镇化水平将达到
45%,而城镇人口增加将导致大量
的住房需求。
我国每年约有
20
亿平方米的新建建筑,如果其中
10%即
2
亿平方米采用钢结构建筑,就会消耗
1200
万吨高附加值、高技术含量
的钢结构用钢材。
我国固定资产投资日益增加,西气东输、京沪高速铁
路等国家重大工程,西部大开发、振兴东北老工业基地、城镇化步伐加
快及大批工业企业更新改造等都将拉动钢结构市场。
目前,我国正在加
快钢结构住宅建筑研究开发及扩大:
工程应用试点,使钢结构住宅建筑
配套更加完善,提高住宅建设的工业化、产业化水平。
与此同时,我国
现代农业钢结构市场更有待开发。
另外,发达国家钢结构用钢量一般占
3
钢材产量的
10%左右。
按此比例,中国钢结构年产量应达到
3000
万吨
左右,而目前我国钢结构用钢量仅占钢材产量的约
5%。
这些都说明我国
钢结构行业存在着较大的应用领域和发展空间。
为此,中国钢结构协会编制的《钢结构行业“十一五”发展规划建议书》
提出,到
年,我国钢结构行业用钢的目标是达到全国钢产量的
l0%,其中建筑钢结构用钢力争达到全国钢产量的
6%,约
1800
万吨;
争取特级钢结构制造企业达到
家,一级钢结构制造企业达到
家,
二、三级钢结构制造企业达到
1000
家,形成制造加工钢结构达
万
~4000
万吨的能力。
“十一五”期间,除传统的钢结构外,我国要积极推广
量大面广的建筑钢结构应用,重点是轻型钢结构、大跨度空间钢结构、
高层重型钢结构、钢-混凝土组合结构、钢结构住宅等领域;
要加强钢结
构市场的开发,在满足国内市场需要的条件下,扩大出口和占领国际市
场。
此外,钢结构行业还要与数干家钢结构配套产品、装备、部品的专
业化企业一起,共同做大、做强钢结构产业,全面推动钢结构事业的发
展。
在谈到钢铁行业和钢结构行业的协调发展问题时,“十一五”期间,钢
铁行业要积极扩展和提高钢结构用钢材的品种、规格、质量,增加结构
用高性能钢材及连接材料的品种,完善产品性能。
具体来说,有两个重
点:
一是完善结构用钢材系列的产品与应用标准,扩大建筑、桥梁、容
器、管道、锅炉、塔桅、海洋工程用钢的应用,促进高强钢、低屈服强
度钢、抗层状撕裂钢、耐候钢、耐火钢、彩涂板等的应用推广;
二是扩
大冷弯型钢和热轧
H
型钢的品种和规格,包括大尺寸冷(热)成型管材(圆
4
管和方矩管)、大截面
型钢、轻型
型钢及薄壁
型钢等经济型材的
生产,开发优质焊接结构钢、高强度优质厚板、优质可焊钢等。
2010
年,钢结构行业要基本实现用钢国产化的目标。
此外,提高技术标准规范水平与质量也是钢结构行业“十一五”期间的
一个重点课题。
《规划建议书》建议:
全面提高建筑钢结构应用技术水
平,积极开展钢结构相关技术研究;
修订和补充设计、施工和材料等有
关技术规范、规程和标准;
完善质量管理体系,提高钢结构工程质量;
开展钢结构优秀设计和优良工程的评定。
争取到
年,建筑钢结构行
业综合技术水平达到国际先进水平,尤其是要重视标准化工作,因为钢
结构行业的主要特征之一就是涉及标准与规范多。
仅以设计为例,涉及
相关的设计、材料、施工等国标、部标、规范等超过
种,大量规范、
标准已经滞后,亟待补充、修订。
还可以在向以下方面:
1、能源建设还会加快,火力电厂的主厂房和锅炉钢架用钢量会增加
(包括核电厂用钢、风力发电用钢等)。
2、交通工程中的桥梁会有所增加,铁路桥梁采用钢结构,近几年来
公路桥梁采用钢结构已成为发展趋势,如沪高速、跨海、跨江大桥等等
。
3、市建设采用钢结构的量增加,特别是地铁和轻轨工程。
4、钢结构住宅将增加,国家提倡建设节能省地住宅,有关钢结构住
宅的设计规范及配套技术,材料基本具备。
目前我国仅有几百万平方米
的钢结构住宅,发达国家却达到占总量的
40—50%,如我国每年竣工
6
5
亿平方米的城镇住宅建设有
5%采用钢结构,按多层、高层建筑平
50kg/
平方米钢结构计,用钢量将达到每年
150
万吨,上述数字未将农村建设
用钢结构统计在内。
5、由于中国钢材价格比国际价格低,劳动力成本低,
钢结构的制作和施工质量优良,在国际工程市场有较强的竞争力。
另外,
“四万亿元”投资偏重要基础设施建设,对钢材的需求影响很大。
比如,
2012
年要建
11
万公里的铁路,804
座车站,北到各省会
小时之内到
达,这些工程需要大量钢材。
1.2.1
物质基础
改革开放以来,我国的钢铁工业持续发展,钢产量到
1999
年已达到
1.3
亿吨,成为世界第一钢铁大国,发达国家的建筑用钢量为钢产量的
45%一
55%,而我国建筑用钢量仅占钢总产量的
20%左右,如按此比例
推算,则我国有
4000
万吨左右的发展空间,因此已具备了推广应用钢结
构坚实的物质基础。
1.2.2
技术政策
长期以来由于我国经济发展起步较晚,造成我国建筑界形成了“只
要能用钢筋混凝土结构,不用钢结构”的观念。
如今,政府已开始高度
重视钢结构建筑的发展,在
年把钢结构技术列为重点推广的新技术,
年建设部、国家冶金工业局联台成立了建筑用钢技术协调组,协调
国家的相关部门在建筑用钢的生产和推广应用方面的工作,大力推动钢
结构的发展。
这说明钢结构在我国已具备了非常好的发展大环境。
1.2.3
市场需求
随着国外的钢结构新技术、新产品不断地被引进和应用,人们对钢
结构旧的观念逐渐转化.目前经济发达地区新建工业厂房已基本采用钢
结构取代钢筋混凝土结构,成熟的钢结构建筑作品不断出现,会增强投
资者和建设者的信心,把钢结构作为一种认真考虑的选择、大胆地进行
尝试。
钢结构的市场需求将越来越大。
轻钢结构住宅体系产业化极具潜
力,在使用功能、设计、施工及综合经济方面具有优势,是今后推广应
用钢结构的一个重要领域。
钢结构建筑是建筑领域中较先进的建筑技术,代表着先进的生产力,
因此应坚定不移地加以提倡、推广。
钢结构的优越性
2.1
材料性能优越
钢结构轻质高强、力学性能良好、承受动荷载的能力强、抗震性能
优越等特性,使之得以在建筑领域充分地发挥,符合高层、大跨建筑的
结构要求。
据研究,人类已具有建造高度超过
1000m
最高至
4000m
的
超高层建筑与跨度超过
的超大型穹顶的能力。
因此,钢结构率先
广泛应用于高层建筑、大跨度公共建筑和工业厂房等类型,并逐步向更
广的领域扩展,包括轻钢结构住宅的研究推广。
7
2.2
制造周期短
、施工速度快
钢结构大部分构件在工厂生产,运往现场通过焊接或螺栓进行整体
组装,可全天候作业。
同时,由于钢结构本身可作为劲性结构承担结构
荷载和施工菏载,施工时不必支横、拆模,由此降低成本,大大加快
施工速度。
2.3
符合可持续发展政策
钢结构是一项绿色环保建筑产业,相对于砼结构和混凝土结构而言,
钢结构对资源、能源的利用相对合理,对环境破坏相对较少,是解决环
境问题的突破口:
1)钢材是一种高强、高效能的材料,具有很高的再循环价值,边角
料也可回收利用,对同样规模的建筑物,钢结构建造过程中有害气体排
放量只相当于混凝土结构的
65%。
2)工厂化生产,现场施工周期短,最大限度地减少了施工工地对环
境的影响,钢结构工程一半以上是工艺是工厂加工制作,现场工期可以
缩短
50%以上,同时工地很少使用砂、石、土和水泥等散料,又无须钢
木模板,从根本上避免了尘土飞扬、染环境、废物堆积和噪声等问题。
3)钢结构体系可以带动其它“节能环保”型建筑材料的推广应用。
钢结构休系由于连接的灵活性,各种轻质高强高效墙体材料都可以采用,
并将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起,实现墙体改革
和综合成套应用。
8
2.4造型美观、可塑性强
相当于其它形式而言,钢结构建筑可以极大程度地超越结构的束缚,
创造多种形式的空问和形象,产生轻盈、灵巧、通透的效果。
另外,斜
线、曲线在钢结构建筑中作为一种常见的造型手段创造出许多新奇、优
美的建筑形象。
其强大的造型潜力是砖混结构形式建筑所难以企及的。
现代钢结构的建筑特点
目前,制约我国钢结构发展和推广应用的最大问题是设计力量薄弱。
这里不仅是结构设计工程师对钢结构设计不熟悉,国内建筑师对于钢结
构也缺乏应有的了解。
这样.在方案的初设计阶段往往便把钢结构排除
在外,习惯性地选择自己所熟悉的砖混或混凝土结构思路上.这样便失
去了通过结构方案的变化寻求创新的可能。
另外.在采用钢结构的设计
中,常存在节点构造粗糙与砖混结构部分衔接不好、外立面交接处理生
硬等问题,归其原因,就是对钢结构建筑设计缺乏学习和训练.对钢结
构建筑的设计特点研究不够。
笔者认为,钢结构建筑设计有其不同于混凝土结构的特征,应作大
量性的研究工作。
可从钢结构建筑以下几个方面的特征人手:
3.1
空间特征
(1)空间形态多样化:
钢结构建筑可充分利用其结构灵活性和表现力,
创造出多种形式的空间形态,它可以引入斜面、曲面等变化的形式,组
合出各种新奇、有趣、富有戏剧性的空间,从而打破了单纯的矩形空间
组合。
如多伦多汤姆逊音乐厅。
9
(2)线性构件,界面通透:
钢结构靠杆件传力,构件多呈线性.且由
于钢材的高强高效特性,结构构件小,且通透性好,所以设计中有屋面
采光时常采用钢结构形式作为顶界面,以使顶部开敞明亮,尽量多地引
入天光,侧界面采用钢结构也多开敞通透的手法处理。
(3)巨型空间,二次划分:
钢结构构筑出大跨度的巨型空问,然后再
次进行立体划分,形成灵活的空间体系,开合自如.虚实结合,层次感
强,这是当前流行的一种大型公共建筑的空间布局模式,也有利于需要
功能调整时的改建工程。
3.2
形态特征
(I)与混凝土结构和砖混结构的建筑造型有明显差异,钢结构建筑表现
的不是厚重、雄伟、强烈的实体感.而常常是轻盈、舒展、精美的现代
感。
设计惯用曲线造型,顶面、侧面没有明确的分界线,体型生动流畅,
这样也有利于力的传递。
因此,钢结构适合创造独特、新颖的标志性建
筑形象。
(2)钢结构建筑可采用多种技法和材料来表现.如钢结构暴露在外,
表现构造节点的工艺性技术细节的“高技派”手法;
应用金属复合板或塑
铝板表现光洁、精美的现代材料质感;
和通过外挂大面积透明与镀膜玻
璃表现建筑的轻盈通透的形象。
(3)钢结构建筑一个重要的形象要素就是精细的节点构造设计,结构
性节点在此经过精心推敲,成为装饰构件,表现出现代建筑的技术美、
10
工艺美.这其中包括建筑各部位的细节,如钢架支座、钢结构与砖混结
构的结音部位、钢柱的断面形式、钢架天窗构造和金属遮阳板等。
3.3
与结构、设备密切结合的特征
钢结构建筑形象取决于结构形式与构造节点等的精细加工工艺,这
有赖于建筑师、结构工程师和机械工程设计师的统一协作,有机结合。
另外,钢结构建筑往往暴露设备,这些暴露的设备会成为建筑内部、外
部形象的组成部分、且设备管线与主体结构及墙体穿插交接处都需要对
其构造进行精细设计,这便要求建筑师同设备工程师密切协作。
唯如此,
钢结构建筑才能达到较高水准。
福斯特曾提出“设计开发”的概念,有
丰富的含义,它包含了建筑师的独特要求,专业工厂内对构件特定的工
艺性加工.各专业的协同配合,对建筑全方位的开发设计。
现代工业文
明和科技成果在这里得到充分地应用,建筑学的内涵太大丰富了。
这即
是对传统建筑的观念变革,又是传统建筑学精髓的延续,正是靠着这种
精神,世界建筑才得如今天这样绚丽多彩。
3.4
预工程化程度高,建设成本降低,工期缩短
钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产,提高
了建筑预工程化,使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件
具有一定的通用性和互换性。
同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和
安装一体化,大大降低了建设成本;
并且加快了施工速度,使工期能够
40%以上,从而加快了房地产开发商的资金周转速度,使建筑能更
早投入使用。
11
3.5
建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化
在钢结构建筑中,结构成为形象构成的重要因素,结构的形体,构
件,节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。
建筑与结构的设计与
功能只有做到一体化,才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环
节进行下去,创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。
北京
2008
年奥
运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点。
例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案,在体育场大屋面的中央
设置两个半圆型的玻璃顶面,同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开
合;
又如中国建筑设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构,形象完美
纯净,功能与结构达到了完美的统一;
还有日本朱式会设建筑事务所设
计的折叠式方案,屋顶由悬臂的钢架结构支承,可在
30
分钟内完成开闭
的动作,确保全年比赛的及活动不受天气影响。
3.6
钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求
钢材组织均匀,接近于各向同性匀质体,强度高,弹性模量亦高。
其密度与强度的比值远小于砖石,混凝土,木材,在同样受力情况下钢
结构自重小,从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构
形体。
现在人类已具有建造跨度超过
米的超大穹顶与高度超过
米最高至
米的超高层建筑的能力。
并且钢索与膜结构相结合
形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求,使这类型建筑成为世界
性的标志建筑,比如日本东京后乐园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的
索膜结构,面积达
28000
平方米,英国政府为迎接
世纪而兴建的标志
12
性建筑伦敦千年穹顶――大型综合性展览建筑也是索膜结构体系,其穹
顶直径达到
320m。
3.7
原材料可以循环使用,有助于环保和可持续发展
发展钢结构对于资源,能源都非常短缺的我国意义尤为重大,因为
中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。
钢材是一种高强度
高效能的材料,具有很高的再循环价值,边角料也有价值,不需要制模
施工。
目前国际上引人瞩目的新型住宅产品已引入我国,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式保温隔热防潮系统,温度变化小,热
损失低。
不论冬夏,都具有舒适当居住环境。
室外
0
摄氏度时,室内仍
可以保持
17
摄氏度以上;
在室外温度达到
摄氏度的情况下,室内温
度仅为
摄氏度左右。
(2)与砖混结构住宅相比,可节能
60%以上,冬夏季空调设备可节
约耗电
30%以上,结构的废旧利用为
100%,与砖混结构比较,同样楼
层净高条件下,钢结构维护墙体面积小,节约空调所需能源,减小维护
费用。
4钢结构建筑设计与技术表现
钢结构建筑设计的构思成功关键所在是技术构思与表现,在方案设
计的深化中,需要同结构工程师,设备工程师,甚至包括机械工程师密
切配合。
此时技术表现是自然而然的事情,无论是空间形式,形式体量
13
还是构造节点对其建筑设计与表现影响都是很重要的,下面就分别从几
个方面来阐述这一点。
4.1
钢结构建筑设计的技术表现
建筑形象的构思是一个概念形象的创作过程,是建筑创作的难点之
一,也是建筑设计中备受关注的核心问题之一。
回顾工业革命以来建筑
与科学技术关系的发展,可以明显地发现建筑对技术变革反应的迟滞性,
这从一个侧面反映了建筑学在社会文化当中的深层地位,以及建筑学与
人的生活方式的密切联系。
另外现代方兴未艾的信息革命正在广泛地渗
透并涉及社会活动的每个领域,使现代科学思维被融入到建筑设计中,
新项目的规划、建筑和景观设计方法发生了巨大的变化。
建筑设计的宗
旨也从单纯的追求美发展到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式,并最终影响了人类千百年来形成的传统
建筑观,比如高技派建筑就是其主要代表,其以精致的节点和精细的加
工来体现高超的技艺,以更高的工艺水平来设计和“制造”建筑。
4.2
钢结构建筑细部设计有较高要求
钢结构建筑设计的复杂化与精致度要求越高,对细部设计的要求也
越高。
因为细部设计决定一个地方最终是否得到确认及其质量。
在现代
钢结构建筑中,各种金属结构杆件,连接金属杆件的节点细部,常常暴
露在外,使建筑带有强烈的科技感,比如建于
1977
年法国的巴黎蓬皮杜
艺术与文化中心,它的钢柱、钢梁、桁架等结构构件都裸露在外,从中
不仅体现出技术美,而且体现出人的智慧和能力。
因而,对钢结构建筑
14
来说细部质量保持较高的设计要求是非常重要的,在钢结构建筑中应受
到特别重视。
4.3
建筑策划也是钢结构建筑设计与表现的影响因素
因为钢结构建筑设计具有建筑设计的一般属性,建筑师不是随心所
欲在作设计,业主设计任务书对建筑师的平面和设计构思等发生的作用
是重大的。
客户希望设计师有更好的业绩,而且希望在其最终产品的确
定过程中,设计师和市场专家都能更高效的参与决策。
在这个阶段,建
设项目更强调整体设计、更强调专业设计师、市场专家及开发商之间的
协调,设计过程包括了持续的信息和知识的交流与整合。
另外,钢结构
建筑的专业化不但能提供丰富的设计知识而且能有效的整合设计资源和
市场专家共同对建筑负责,使设计和业主的经营意图有效的结合起来,
使项目获利和减少风险。
5
现代钢结构中建筑设计所面临的问题
5.1
钢结构中建筑设计的防火问题
火灾是对钢结构建筑的最大危害,钢材虽为非燃烧材料,但钢不耐
火,温度为
400
度时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半,温度
达到
600
度时,钢材基本损失全部强度和刚度,因此当建筑采用无防火
保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,很容易使建筑损坏,比如美国世
贸中心大楼外墙是排列很密的钢柱,外面包以银色铝板,在美国
911
事
件中两个塔楼分别受飞机撞击后所产生的大火使钢材软化,最终导致大
楼倒塌。
从发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象,一类为防火
15
保护的钢结构在火灾中没有达到规定的耐火时间而破坏,另一类防火保
护的钢结构在火灾中超过了预期的耐火时间而并没有破坏。
建筑的构造
防火问题一般在钢筋混凝土结构上较易解决,而在钢结构建筑上则需考
虑更多的因素,以下为两种常用防火措施:
.一是采用进口的新型防火板
——保全板;
二是根据钢结构的部位不同分别采用厚型或薄型的防火涂
料,并在露明部位加涂装饰漆。
5.2
钢结构中建筑设计的防腐问题
钢材如果长时间暴露在室外受到风雨等自然力的侵蚀,必然会生锈
老
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