钢结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快及绿色可持续发展等显著优势,在改革开放后的三十年间实现了快速发展。近十年来,钢结构在住宅建筑、工业上楼等高层建筑中的应用比例大幅提升,各类新型钢结构体系在超高层建筑中也取得了长足进步。抗震性能化设计、消能减震(振)技术以及高性能钢材的推广与应用,使钢结构在高层建筑中发挥出更大的优势。然而,与国外先进技术相比,我国高层建筑钢结构在材料性能、结构设计方法和经济性等方面仍存在一定差距,需要全产业链协同互动,进一步研发相关技术。
English Abstract
Steel structures, known for their high strength, light self-weight, good seismic performance, fast construction speed, and green sustainable development, have experienced rapid development in the 30 years since China's reform and opening-up. Over the past decade, the proportion of steel structures used in high-rise buildings such as residential buildings and high-rise industrial buildings has significantly increased. Various steel structure systems have also seen new developments in super high-rise buildings. The design for seismic performance, energy dissipation and shock absorption technologies, and the promotion of high-performance steel materials have enabled steel structures to exert greater advantages in high-rise construction. However, compared to foreign advanced technologies, there is still a significant gap in material performance, structural design methods, and economic aspects of steel structures in high-rise buildings in China, necessitating interaction across the entire industry chain and further development of related technologies.
一、钢结构的基本优势与发展动力
钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、绿色可持续发展等一系列突出优点,这些特性使其成为高层及超高层建筑的理想结构形式。改革开放以来,我国经济持续快速增长,钢产量逐年攀升,建筑用钢政策也经历了从限制到鼓励的适应性调整——从20世纪五六十年代的国家限制采用钢结构,到80年代的合理采用,再到90年代中期的积极采用,直至近年来鼓励发展装配化建筑,这些政策变迁为高层钢结构建筑的发展提供了强大的制度动力。
二、改革开放后三十年的发展历程
从20世纪80年代以来的三十余年间,我国高层钢结构建筑经历了从无到有、从借鉴国外经验到自主设计和施工的跨越式发展,已成长为全球高层钢结构建筑的重要大国。这一成就的取得,既得益于经济发展和钢产量的增长,也与设计、施工水平及材料性能的逐步提高密切相关。
20世纪80年代,国内共建造了11幢高层钢结构建筑,其中北京5幢、上海5幢、深圳1幢,大部分为纯钢结构,主要功能为酒店和办公建筑,掀起了高层钢结构的第一波热潮。其中,上海金沙江大酒店(38.0 m,14层)是国内设计、制造和施工的第一幢高层建筑钢结构;深圳发展中心(154 m,40层)是我国第一座自主承担结构设计与施工、建筑高度在150 m以上的超高层钢-混凝土混合结构建筑;京广中心(208 m,53层)是首栋高度超过200 m的超高层建筑钢结构;上海希尔顿酒店(143 m,43层)是国内第一幢钢框架-混凝土核心筒混合结构。
进入20世纪90年代,随着上海浦东新区和深圳经济特区的开发建设,我国掀起了新一轮高层钢结构建设热潮。经过二十余年的超常规发展,上海和深圳已成为世界上高层建筑数量最多、建筑平均高度最高的城市之一。钢-混凝土混合结构体系在这一时期迅速发展,被认为是符合我国国情的新型结构体系。90年代建造的高层建筑几乎全部采用了这种形式,包括上海森茂国际大厦、国际航运大厦、新金桥大厦等一批高度在150~200 m的高层建筑。同期,高度超过300 m的超高层建筑也采用了混合结构体系——深圳地王大厦(325 m,69层)是国内第一幢高度超过300 m的摩天大楼,上海金茂大厦(420 m,88层)则是第一幢高度超过400 m的摩天大楼。深圳赛格广场则是这一时期采用钢管混凝土柱组合框架与钢筋混凝土核心筒结构的世界最高建筑。
三、近十年的新趋势与新挑战
进入21世纪,我国高层钢结构建筑呈现出高度更高、高宽比更大、建筑体型更多样、新体系不断涌现、单体用钢量更大、材料高强轻质化以及大量采用消能减震(振)技术等新特征。
近十年来,钢结构在住宅建筑和“工业上楼”等新型高层建筑中的应用比例大幅提高。各类新型钢结构体系在超高层建筑中也得到了新的发展。抗震性能化设计方法的推广、消能减震(振)技术的成熟应用,以及高性能钢材的研发与推广,使钢结构在高层建筑中的优势得到了进一步发挥。
然而,与国外先进技术相比,我国高层建筑钢结构在材料性能、结构设计方法和经济性等方面仍存在不小差距。这一差距的存在,要求全产业链各环节加强互动协作,进一步研发相关技术,缩小与发达国家之间的技术鸿沟。
本文的研究内容主要涵盖以下四个方面:
文章首先系统回顾了改革开放后三十余年间我国高层钢结构建筑的发展历程。从20世纪80年代起步阶段的11幢高层钢结构建筑,到90年代浦东与深圳开发带动的建设热潮,再到21世纪以来超高层建筑的蓬勃发展,勾勒出我国高层钢结构建筑从无到有、由弱变强的完整脉络。
文章特别梳理了钢-混凝土混合结构体系在我国的发展轨迹。这一体系在90年代迅速崛起,被认为是符合我国国情的新型结构体系,几乎涵盖了当时所有的高层建筑项目。文章通过对各时期代表性工程案例的梳理——从上海金沙江大酒店到深圳发展中心,从京广中心到上海金茂大厦——清晰地展现了我国高层钢结构建筑技术水平的演进历程。
文章重点阐述了近十年来高层钢结构建筑在技术层面的主要进展,包括以下几个方面:
1. 应用领域的拓展。 钢结构在住宅建筑中的应用比例大幅提高,“工业上楼”等新型产业建筑也越来越多地采用钢结构体系。这一趋势反映出钢结构正从传统的超高层办公、酒店建筑向更广泛的建筑类型延伸。
2. 结构体系的创新。 在超高层建筑中,各类新型钢结构体系不断涌现。从早期的纯钢框架结构,到钢框架-混凝土核心筒混合结构,再到更为复杂的组合结构体系,结构形式的多样化发展为适应不同建筑高度、功能和造型需求提供了更多选择。
3. 设计方法的提升。 抗震性能化设计方法的推广和应用,使结构设计从传统的强度控制向性能目标控制转变,能够更精准地满足不同抗震设防要求下结构的安全性需求。
4. 减震(振)技术的应用。 消能减震(振)技术的大量采用,有效提升了高层钢结构建筑在风振和地震作用下的舒适度与安全性。
5. 高性能钢材的推广。 高性能钢材的研发与应用,使结构在同等承载力需求下可采用更小的截面尺寸,实现了结构的轻量化和材料的高效利用。
文章在充分肯定我国高层钢结构建筑发展成就的同时,也客观分析了与国外先进技术之间存在的差距。这些差距主要体现在三个层面:
在材料性能方面,我国高性能结构钢材的品种、质量和稳定性与发达国家相比仍有提升空间,部分高端钢材仍需依赖进口。
在结构设计方法方面,国外在超高层钢结构抗震设计、风振控制、施工模拟等方面积累了更为丰富的经验和更为完善的技术标准体系,值得借鉴和学习。
在经济性方面,我国高层建筑钢结构的综合造价和用钢量指标与国外先进水平相比仍有优化空间,需要从结构体系选型、设计精细化、施工组织等多个环节入手加以改善。
基于对发展历程、技术进展和差距分析的综合研判,文章对我国高层建筑钢结构的未来发展提出了方向性建议。
全产业链协同创新是缩小差距的关键路径。从钢材研发、结构设计、构件制作到施工安装,各环节需要加强互动与协作,形成产学研用一体化的创新体系。具体而言,一方面应加快高性能结构钢材的自主研发和产业化进程,提升材料性能的稳定性和经济性;另一方面需进一步完善高层钢结构的设计方法和标准体系,借鉴国际先进经验,结合我国工程实践开展系统研究。此外,还需在消能减震(振)技术、施工模拟与监测技术、数字化设计与建造技术等方面持续投入研发力量,推动高层钢结构建筑向更安全、更经济、更绿色的方向持续发展。
本文通过对改革开放以来我国高层钢结构建筑发展历程的系统梳理、近十年技术进展的全面总结、以及与国外先进技术的对比分析,得出以下主要结论:
(1)我国高层钢结构建筑实现了跨越式发展。 改革开放后的三十余年间,我国高层钢结构建筑从最初的11幢发展到数量众多、高度不断刷新纪录的庞大群体,已成为全球高层钢结构建筑的重要大国。上海、深圳等城市已成为世界上高层建筑数量最多、建筑平均高度最高的城市之一。这一成就的取得,得益于经济发展、钢产量增长以及设计、施工水平和材料性能的持续提升。
(2)钢-混凝土混合结构体系是符合我国国情的重要结构形式。 该体系自20世纪90年代迅速发展以来,在超高层建筑中得到广泛应用。以深圳地王大厦、上海金茂大厦、深圳赛格广场等为代表的工程实践,充分验证了混合结构体系在超高层建筑中的适用性与优越性。
(3)近十年来高层钢结构在多个技术领域取得了显著进展。 应用领域从传统的办公、酒店建筑向住宅建筑、“工业上楼”等新型建筑类型拓展;结构体系创新不断涌现,设计方法从强度控制向抗震性能化设计转变;消能减震(振)技术的大量应用有效提升了结构的抗震与抗风性能;高性能钢材的推广使结构轻量化和材料高效利用成为现实。
(4)我国与国外先进水平仍存在一定差距。 在材料性能、结构设计方法和经济性三个方面,我国高层建筑钢结构仍有提升空间。高性能钢材的品种、质量和稳定性有待进一步提高;超高层钢结构抗震设计、风振控制、施工模拟等方面的技术标准和实践经验仍需完善;综合造价和用钢量指标仍有优化余地。
(5)全产业链协同创新是缩小差距的关键路径。 面对差距,需要从钢材研发、结构设计、构件制作到施工安装各环节加强互动与协作,形成产学研用一体化的创新体系。建议重点在以下方向持续投入:高性能结构钢材的自主研发与产业化、高层钢结构设计方法与标准体系的完善、消能减震(振)技术的深化应用、施工模拟与监测技术的数字化升级,以及数字化设计与建造技术的集成创新。通过上述努力,推动我国高层钢结构建筑向更安全、更经济、更绿色的方向持续发展。