钢结构发展理念简介讲解

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1、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 2009.12.18 1. 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

2、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 l 1931年建成,102层,高381m l 钢框架结构,外包混凝土 l 抗侧刚侧刚 度为纯钢为纯钢 框架的4.5倍， 1945年飞飞机撞进该进该 大厦78-79层层 间时间时 ，仅仅造成局部危害，无致 命伤伤害 l 用钢指标206kg/m2 l 高层层建筑发发展的一座里程碑， 保持世界最高建筑达40年之久。 帝国大厦 l 1968年建成,100层,高344m l 创新的对角支撑

3、锥形筒体结构体 系 l 结构抗侧刚度显著提高，比普通 矩形筒体减小10%30%的侧移 l 用钢指标仅145kg/m2 ，比帝国大 厦降低了约30 l 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 l 用“结构美表现建筑美”的典范 。 汉考克中心 l 1973年建成,110层,北塔高 417m，南塔高415m l 创新性地采用密柱深梁型框筒 体系（外筒内框） l 首次进行风洞试验 l 首次采用压型组合楼板 l 首次采用轻质防火隔墙 l 首次使用粘弹性阻尼器减小风 振 l 用钢钢指标标186kg/m2 l 对后来的高层结构设计建造具 有重

4、要的参考价值 世界贸易中心 l 1974年建成,110层,高443m l 创新的束筒结构 l 剪力滞后效应、内柱不均匀性、 顶部风荷载均减小 l 抗侧刚度、抗剪切和抗扭转能力 都大于单筒结构 l 用钢钢指标标161kg/m2 l 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 l 建筑造型与结构创新相结合的又 一典范 西尔斯大厦 l 1988年建成，72层，高369m l 独创创性的棱柱形巨型空间结间结 构 l 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 l 用

5、钢钢指标约标约 140kg/m2 l 竹子生根节节节节 高的造型与创创新的 结结构体系实现实现 完美的结结合 l “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 l 2008年建成, 101层,高 492m l 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 l 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 l 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) l建筑形态：经过计算模拟 和风洞试验，有利于抗风

6、 l结构体系：筒中筒体系 l内筒为钢筋混凝土筒体 l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 l广州西塔，103层，高 432m, l抗倾覆力矩方面，外筒占 到65 l用钢指标约190kg/m2 中钢国际广场 天津 六棱窗状筒体结 构 l88层，高358米，2008年开工，将于 2011年竣工。 l建筑形态、结构体系统一在 “蜂巢状“ 的六边形原型。 l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。 l结构体系：筒中筒钢结构体系，外筒 抗侧力能力高于普通梁

7、柱体系 l构件规律性强，能在工厂预制，然后 整体拼合，施工速度快 l减少用钢量，节省建造成本。 l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较 l 抗震性能 结结构刚刚度增大，基底剪力减小2430 l 用钢钢量 东东区和西区抗侧侧力结结构（框架柱、梁、支撑）使用防屈曲耗能支撑 后，用钢钢量减小了约约2000吨，减小钢结钢结 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） l 这样一个建于

8、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 ！ l 荷兰兰建筑师师雷姆库库哈斯在进进行建筑 造型设计时设计时 完全不顾结顾结 构抗震合理性 。整体前倾倾且在高空悬悬臂外伸75m的 建筑造型已无法得到抗震合理的结结构 体系 建筑造型设计错误、完全违背工程技术合理性！ l 建筑方案为为高空大悬悬挑的倾倾覆性不平衡体型，结结构设计则设计则 要扶起不倒，在抗 震设计设计 、基础设计础设计 、施工模拟拟、复杂节杂节 点设计设计 、复杂应杂应 力楼板设计设计 等方面被 动动地进进行“创创新”，去弥补补其先天不足 l 致使采用钢钢混凝土组组合结结构体系后，

9、用钢钢指标标仍高达296kg/m2 l 造成资资金和能源的巨大浪费费，并给给主楼的抗震设计设计 留下了无法弥补补的隐隐患。 （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 l1957年建成，钢筋混凝土肋形球壳结构，直径60m l全世界公认的优秀设计，技术与艺术的完美结合 l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。 罗马罗马 奥运会小体育馆馆 l1975年建成，直径110m，是全国第一个大跨度网架结构 l用钢指标仅为49kg/m2 l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

10、体系在我国得到了迅猛发展 。 上海体育馆馆 l 1993年建成，直径达222米，日 本建造的第一座超大开合式屋 盖体育场场 l 由三块块可旋转转扇形网壳组组成， 开合方式为为回转转重叠式，可形 成全封闭闭、半开敞和全开敞三 种状态态 l 为为防止强震时时屋顶顶的相互碰撞 和滑动动，结结构还还安装了振动动控 制阻尼器 l 用钢钢指标约标约 200kg/m2 l 开启结结构具有回归归自然和多功 能综综合利用的特点，能节约节约 能 源，降低整个建筑的造价，产产 生了非常好的社会经济经济 效果。 福冈冈体育馆馆 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

11、结构 弦支穹顶结构 l 1953年建成，平面近似圆形（ 91.5m91.5m） l 鞍型正交索网结构，支承在一对抛 物线拱上 l 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 l 世界上第一座优秀的现代大跨度索 网结构 l 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 l 1968年建成，覆盖面积 达8,000m2 l 预应力索网结构体系， 并覆以膜材 l 用钢指标仅为18.8kg/m2 l 被公认为最早的、真正 意义上的现代索膜结构 体系 l 在建筑、结构和景观上 实

12、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 l 1996年亚亚特兰兰大奥运会主场馆场馆 ，椭圆椭圆 形平面（240m192m） l 双曲抛物型的索穹顶顶，结结构受力合理，效率极高 l 用钢钢指标标不到30kg/m2 l 是轻型空间结构发展的一大突破，突出优势优势 ：随着跨度的增加，结结 构用钢钢指标标的增加并不明显显，因而在大跨度建筑中极具应应用前景。 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 l 原理：使穹顶顶在施工期间处间处 于一种折叠状态态，低空安装 ，然后用千斤顶顶顶顶 升中间间的临时临时 支柱，把结结构推举举

13、到标标 高并固定。 l 效益：接近地面安装，容易保证质证质 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 l 原理：先在地下室顶顶板上拼装，然后依靠4个电电梯井筒，在其 上设设置钢钢平台，以钢绞线钢绞线 承重、计计算机控制液压压千斤顶顶集群 提升的方法，将钢钢屋盖整体一次提升到位。 l 效益：该该技术创术创 造了我国建筑史上整体提升重量最大、提升 速度最快、提升精度最高三项项新记录记录 。 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 发发展过过程 发发展特

14、点 充气膜结构 气压压自动动控制系统统和融雪热热系 统统性能不稳稳定会造成膜面局部 下瘪瘪甚至坍塌。 l 美国1985年以后建造大跨度建 筑时时就再没有采用这这种结结构形式 。 l 日本1988年的东东京后乐乐园棒球馆馆 仍选择选择 了充气膜结结构，与以往结结 构的差别别是采用了双层层膜构造并 应应用了先进进的自动动控制技术术。但 由于运行和维护费维护费 用昂贵贵，经营经营 者几乎不堪重负负。 1975年美国庞庞提亚亚克银银色穹顶顶 1988年东东京后乐乐园棒球馆馆 l 2007年建成，长宽高为177m 177m 31m l 屋面和墙体结构均采用基于 Weaire Phelan 多面体理论生

15、成的空间刚架结构，内外统一采 用ETFE 充气枕覆盖。 l 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 l 整个结结构的20,000多个杆件和10,000多个节节点球无一相同，施工图图 纸纸达30,000多张张，仅绘仅绘 制耗时时大概一年时间时间 ；并大大增加制作成 本 l 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” 需经经常充气，能耗会比一般游泳馆馆更大，造成维护费用过高，这这 将给给建筑物本身和社会带带来沉重的负负担。 北京奥运会国家主体育场（鸟巢） l 2008年建成，椭圆椭圆 形平面（ 330.3m296.4m） l 采用交叉平面桁架结结构体系 l 用钢钢指标标高达712kg/m2 极端忽视结构受力合理性 l 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、占总总荷载载70以上的极不正常现象,为为其 安全性埋下隐隐患。 l 为了形成建筑师刻意营造的杂乱无规律的外表