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鋼結構發展與標準化工作

2020年01月14日

打印專業人士:郁銀泉   來源:中國工程建設標準化網

郁銀泉  

全國工程勘察設計大師

中國建筑標準設計研究院有限公司副總經理


當前,國家倡導綠色、節能、環保、可持續發展,并積極推廣鋼結構建筑。鋼結構行業迎來新的春天。本文結合中國建筑標準設計研究院有限公司(以下簡稱“標準院”)標準化工作、鋼結構研究及項目實踐,試從建設市場形勢、鋼結構行業存在問題、鋼結構的特點及優勢等方面入手,對鋼結構行業發展現狀及未來趨勢進行分析和探討。


一、建設市場與鋼鐵消費


近年來,國家大力提倡鋼結構建筑,并給予較大力度政策支持。例如,2016年2月,國務院辦公廳印發了《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》,提出力爭用10年左右時間,使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%,積極穩妥推廣鋼結構建筑;2016年9月,國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》,提出要因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑;2017年4月,住房城鄉建設部印發《建筑業發展“十三五”規劃》,明確提出要大力發展鋼結構建筑,引導新建公共建筑優先采用鋼結構,積極穩妥推廣鋼結構住宅。尤其是住房城鄉建設部建筑市場監管司在其2019年工作要點中指出,“開展鋼結構裝配式住宅建設試點;明確一定比例的工程項目采用鋼結構裝配式建造方式,跟蹤試點項目推進情況,完善相關配套政策,推動建立成熟的鋼結構裝配式住宅建設體系”?,F已確定浙江、山東等七個省份為試點省份。這一系列的政策支持為鋼結構行業的發展提供了良好時機。


當前,國家大力倡導綠色和節能。在此背景下,鋼結構與混凝土結構相比在綠色與節能方面有明顯優勢。一是在生產過程中的二氧化碳排放和能耗方面,鋼結構優于混凝土結構。二是與混凝土結構相比,鋼結構建筑具有良好的可持續性。因此,大力推廣鋼結構符合倡導綠色與節能的國家政策導向。


鋼結構制造量與鋼材生產聯動,其關聯度較高。根據2017年數據,國內鋼材需求的53.15%在工程建設行業;2017年全社會固定資產投資構成中,建筑安裝工程里占了70%。因此,建設行業是用鋼大戶。2018年我國鋼材總產量是11.06億噸,其中,粗鋼產量為9.28億噸,從用途來看,仍以板材為主,占比持續超過60%;高性能鋼材使用少;軋制型材使用更少。綜上可知,巨大的鋼材料產量支撐了鋼結構的使用,建設市場支撐鋼材生產,二者緊密聯動。


二、鋼結構行業的一些問題


目前,我國鋼結構行業大而不強,尚存在一些問題,這與其發展進程、發展時段有關。


第一,體系成熟度不夠,標準化程度嚴重滯后。要解決這一問題,一是要實現鋼結構建筑的標準化,這是推動鋼結構建筑可持續發展的必要前提。一方面,鋼結構建筑標準化核心問題是通過標準化的部品部件組合,實現建筑的多樣化和個性化,滿足不同用戶的需求;另一方面,部品部件的標準化和模數化,是實現商品化和規?;那疤?,也是降低成本的必要條件。二是開發標準化的建筑鋼結構體系,研發配套的標準化圍護體系,這是突破鋼結構建筑發展瓶頸的可行路線。


第二,產業鏈的協同不足。目前,我國鋼結構全產業鏈間協同不足,主要表現為以下幾個方面:一是鋼鐵企業與鋼結構企業缺少協同,二是鋼結構全產業鏈上的設計、制造、運輸、安裝等環節協同不足,三是鋼結構建筑部品生產企業缺少協同,四是具有全產業鏈服務能力的大型企業較少。而鋼結構設計與鋼材、構件制作、安裝、運輸的脫節,降低了鋼結構優勢。此外,質量監督認證有所缺失,應加快建設質量認證體系。


第三,在創新鏈上,高校、科研院所和企業協同不足。一是作為研究主力軍的高校,在鋼結構方面的大量研究尚缺少明確的實際應用需求,這是由于高校與鋼結構應用單位之間存在一定程度的脫節。二是絕大部分企業的自身研究能力不強,不足以解決工程急需的關鍵技術。三是部分高校更熱衷于點狀問題的解決,大企業力圖涵蓋研發、設計、制造、施工的專有體系性研究,兩者之間缺少協同創新的機制。四是從全國層面來看,鋼結構研究的小成果多、體系多,但真正可以共享的通用性成果較少,標準化程度極低。五是在工程層面,技術集成比點式創新更重要。


第四,鋼結構的專業人才嚴重不足。一是鋼結構產業鏈環節從業人員緊缺,熟悉鋼結構全產業鏈的復合型專業設計人才尤其稀缺。二是建筑師對鋼結構建筑的特點缺乏充分的認識,不能充分發揮鋼結構的優勢。三是很多結構工程師更熟悉混凝土建筑,而鋼結構專業素養不足,影響鋼結構的發展。四是在加工、制造、安裝方面缺乏專業化的產業工人。五是監理單位和政府質量監管部門缺乏對鋼結構的專業監督人才,影響了鋼結構的發展。


此外,我國鋼結構行業還存在鋼材品種相對較少,強度低,型材使用量低;大型企業總體能力不夠強,行業集中度低,中小企業創新能力弱;產業鏈分散,缺少全產業鏈的龍頭企業等弱點。


三、鋼結構的特點和具有優勢的建筑市場


與混凝土相比,鋼結構具有諸多優勢。一方面,就比強度(即單位重量的強度)而言,鋼材可發揮更高的強度,拉伸的比強度為混凝土的60倍以上,壓縮的比強度為混凝土的6倍以上,其優勢明顯。另一方面,在相同的構件截面下,鋼結構可以獲得更大的跨度;在相同的跨度下,鋼結構可以縮小構件截面。


基于此,鋼結構建筑在抗震防災、豐富設計、質量提升、節能環保方面具有諸多優勢,主要體現在以下幾方面:


第一,鋼結構建筑在抗震、防災方面具有較突出優勢。一是抗震性好,還可以用作防災據點或儲備基地;二是如采用耐火鋼,可作耐火災的建筑物;三是利用 CFT 柱和減震鋼材,可減少建筑物的搖晃,提高建筑物的舒適性。


第二,使用鋼結構可以打造隨意空間。一是使用鋼結構可以實現沒有柱子的大空間,因此,可以靈活應對今后的建筑用途變更;二是可以實現沒有內墻、開間大的結構;三是采用靈活隔斷,可以實現房間的自由布局。


第三,對于建筑師來而言,鋼結構具有豐富的設計性。一是由于鋼材的強度大,可以實現梁柱的輕量化設計;二是由于加工性好,易于表現曲線之美;三是與木頭、玻璃、金屬、石頭等材料配合默契,可實現新穎的建筑表現;四是隨著外部裝飾材料產業的技術進步,可實現新材料和設計的快速應用。


第四,通過工業化的生產,可以保證質量的穩定和縮短施工工期。一方面,鋼結構在工廠預制,減少了施工現場的作業量,無需高度和熟練技術,即可保證質量穩定;另一方面,由于工期短,可以提前竣工。


第五,使用鋼結構更加環保。一是可以通過分解、重新組裝,重復利用,實現資源的節約;二是耐久性較好,可減輕環境負荷;三是可回收利用,沒有建筑垃圾,是可持續建材。  


綜上,鋼結構可在多領域應用并發揮其優勢:


第一,鋼結構具有卓越的抗震性,且鋼的比強度遠比混凝土材料高,因此可應用于大規模設施、寫字樓等高層建筑,以及機場、體育場、火車站等大空間設施。在高層建筑領域,因為要支撐來自上層部分的負荷,因此,支柱截面會變得巨大。鋼結構由于強度高、支柱截面可設計得更小,房間的有效面積增大(高使用面積系數),大樓的資產價值升高。在大空間設施領域,使用高強度鋼結構構件,可實現結構體的輕量化和大跨度,打造出沒有柱子和墻壁的大空間。


第二,在商業設施、工廠與倉庫領域,采用鋼結構,可以獲得大空間。由于建設工期短,可以提前開始商業活動和生產活動,有助于收益的提升。在成套設備結構物領域,需要支撐機械設備等大負荷,因此,高強度構件是必須的。通過采用鋼結構,可以獲得柱子較少的空間,便于設備儀器的布置,還可以靈活應對頻繁發生的設計變更。


此外,鋼結構具有良好的市場發展前景。一方面,通過對比不同結構形式的造價可知,雖然鋼結構略高于其他結構形式,但是應用鋼結構可以縮短工期,減少濕作業降低污染排放,且節能環保,這符合當代中國綠色建筑發展趨勢。另一方面,鋼結構建筑產量穩步上升,而鋼結構住宅建筑尚處于起步階段,在國內建筑市場占比較低,具有遠大的發展前景。


四、標準院為推廣鋼結構 開展的技術標準化工作


標準院在推廣鋼結構方面開展了大量技術標準化工作。


第一,我們主編了《高層民用建筑鋼結構技術規程》,這是高層鋼結構設計要遵循的行業標準,對促進國家的高層鋼結構發展起到了重要作用。


根據2004年4月14日原建設部下達的《關于印發 <二oo四年度工程建設城建、建工行業標準制訂、修訂計劃>的通知》(建標[2004]66號)的要求,行業標準《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ99修訂任務啟動。2015年11月,住房和城鄉建設部發布第983號公告,正式批準《高層民用建筑鋼結構技術規程》(以下簡稱《高鋼規》)為行業標準,編號JGJ99-2015,自2016年5月1日起生效。


在《高鋼規》的修訂過程中,標準院發揮自身優勢,調查總結了國內外高層民用建筑鋼結構有關研究成果和工程實踐經驗,開展了Q345GJ鋼的可靠度及抗力分項系數的研究、結構抗震性能化設計方法等十幾項專題研究,并進行了Q345GJ鋼材的材性試驗、鋼柱腳抗震性能試驗等大量實驗研究工作,同時,查閱并翻譯了大量國外相關資料和文獻,力求《高鋼規》與國際接軌。最終,新版《高鋼規》形成10項創新:


一是給出了高性能鋼材Q345GJ鋼的材料設計指標;二是增加了抗震性能化的設計規定及伸臂桁架和腰桁架的有關規定;三是修改了節點域變形對框架層間位移影響的計算方法;四是增加了加強型的梁柱連接形式和骨式連接形式,并提出了強柱弱梁的計算方法;五是增加了梁腹板與柱連接板采用焊接的有關內容;六是提出了鋼框架抗震設計的連接系數的新方法,修改了梁柱剛性連接的計算方法和設計規定;七是系統提出了三種類型鋼柱腳的計算方法和設計規定;八是首次給出了鋼板剪力墻、異型柱的制作允許偏差值的要求;九是完整提出了高強度螺栓破壞的形式和計算方法;十是增加了屈曲約束支撐設計的有關內容。


第二,編制《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》。該規范是在中國工程標準化協會標準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS 1022002)的基礎上上升為國家標準的。


2015年12月,住建部發布中華人民共和國住房和城鄉建設部公告第991號,正式批準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(以下簡稱《門剛規范》)為國家標準,編號為GB51022-2015,自2016年8月1日起生效。該規范的實施促進了我國在單層工業廠房和單層倉庫類建筑發展的飛躍,促進了門式剛架形式的推廣應用。


在《門剛規范》編制過程中,我們開展了門剛結構抗震性能研究、門剛結構風荷載作用分析、雪荷載不均勻分布研究等多項專項研究工作,同時查閱并翻譯了大量工程文獻和資料,借鑒了有關國際先進標準,并進行了廣泛的調查研究和征求意見。最終,《門剛規范》實現了多項創新,主要體現在以下幾方面:


一是總則中擴大中國工程標準化協會標準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS 1022002)的適用范圍,增加了帶夾層門式剛架類型;二是基本設計規定中,增加了LQ550高強鋼材設計強度值,增加對自攻釘、鉚釘、射釘的強度設計要求;三是增加了荷載及荷載效應組合一章,對吊掛荷載的屬性給予了確認;四是風荷載的設計規定變更為正式一節,擴充了適用范圍;五是對雪荷載的不均勻分布作出了規定;六是結構形式及布置中增加了夾層的結構形式;七是將楔形梁計算長度系數合并,修訂結構有多個搖擺柱時的邊柱計算長度取值,并將其列入附錄A;八是增加了地震作用分析一節;九是剛架構件計算中,合并原等截面及變截面的剛架設計方法;十是增加抗風柱的設計及構造要求;十一是支撐對輕鋼建筑的安全具有舉足輕重的作用,對支撐計算單獨設定一章,主要分為柱間支撐、屋面支撐、隅撐三節,詳細說明了其布置方案及設計方法。


此外,標準院在鋼結構建筑標準領域做了很多工作,編制了多項國家標準、行業標準和團體標準,為推動行業的發展作出了努力和貢獻。同時,標準院在推廣裝配式住宅方面進行積極嘗試,完成了安徽合肥鳳棲苑-裝配式鋼結構住宅等多項項目實踐。


推動鋼結構發展,應舉全行業之力,從標準、設計、生產、制造全過程、全產業鏈全面發力。相信,鋼結構行業的明天將更加美好。


(責任編輯:何雯麗)




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[責任編輯:Susan]

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