编委特刊 | 娄宇大师、郁银泉大师、陈彬磊大师、王立军大师合作完成：钢结构设计的现状与展望

研究背景

 Research background 

1  钢结构设计的现状

1.1　材料性能的提升

在钢结构设计领域,材料性能的提升一直是提高结构耐久性和安全性的关键因素。近年来,随着冶金技术的发展和新型材料的不断涌现,钢材的力学性能得到了大幅提升,特别是在屈服强度、抗拉强度与韧性方面取得了重要突破。一方面,通过对钢材成分的优化,如增加少量稀有元素,改变杂质含量,现代高强度钢材的屈服强度可达到 355 MPa 以上,远超早年传统 A36 型钢的屈服强度(约 250 MPa),极大增强了结构在极端荷载作用下的安全储备。另一方面,现代钢材的塑性与韧性表现也得到了显著改善,通过热处理与冷作硬化等工艺,提升材料在大变形后仍保持承载能力的能力,有效防止了脆性断裂等安全问题的产生。

疲劳性能对于动荷载频繁作用的钢结构同样至关重要,特别是在桥梁、高速铁路等交通领域。为此,钢材供应商与研究机构合作,通过调整微观结构和改善晶粒细化措施,加强了材料的疲劳裂纹扩展阻力。相较于传统钢材,新型钢材可以承受更多的应力循环次数,显著延长了结构的使用寿命。

此外,抗腐蚀性能的提高也是材料性能提升的重要方面。利用热喷涂技术、表面改性或者添加防腐蚀涂层,钢材的耐久性得到了有效增强。通过合金化手段,如添加微量的铬、镍等元素,形成更稳定的钝化膜,使得钢材对化学腐蚀和电化学腐蚀的抵抗能力显著提高,从而适应了化学环境较为恶劣地区的使用需求。

在材料加工过程中,采用计算机仿真和智能化控制系统,实现了材料性能的精确预测和控制,保证了钢材性能的均匀性与可靠性。通过数据分析优化钢材的热处理工艺参数及时效处理策略,使材料的力学性能满足更为精确的设计要求。

综合来看,钢结构设计的材料性能提升不仅来源于新材料的应用,还得益于加工工艺的改进和性能控制技术的创新。这些成果的取得,不仅保障了钢结构的可靠性与耐久性,也为复杂受力状态与极端环境下的设计提供了更为广阔的施工与使用空间。未来,这一领域仍有较大的研究与实践空间,例如高强度钢材在常规多高层、超高层建筑中的应用、大跨度空间结构的材料性能要求、以及海洋环境中钢结构腐蚀问题的解决等,均是需要深入探讨和不断创新的课题。

1.2　设计方法的进步

钢结构设计方法的进步反映在多个方面,其中计算机辅助设计技术(Computer Aided Design,CAD)和有限元分析方法(Finite Element Analysis,FEA)的应用成为推动钢结构设计进步的两大驱动力。CAD 技术的发展,使设计师能够快速构建复杂钢结构的三维模型,显著提高了设计的精确度和效率。同时,设计软件的集成化,如 Tekla Structures 和 AutoCAD Structural Detailing,为设计师提供了从草图绘制到详图生成的一体化解决方案,极大地缩短了设计周期,降低了设计成本。

FEA 的深入应用,则是在钢结构设计方法革新中不可或缺的技术。通过引入多尺度有限元模型,设计人员能够对钢结构在极端载荷作用下的行为进行模拟,准确预测其在疲劳、断裂、局部屈曲等方面的性能表现。随着计算力的提升和数值算法的改进,当前 FEA 软件能够处理数百万至数千万自由度的复杂模型,仿真结果的准确性得到了极大提高。此外, 智能化设计方法的探索, 如基于遗传算法(GA)和机器学习技术的优化设计,为实现资源与材料的最优配置提供了可能,同时也为满足绿色建筑评价体系中可持续设计的要求提供了强有力的工具。

进一步地,与建筑信息模型(BIM)技术的结合,使得钢结构设计步入了信息化、数字化的新阶段。通过 BIM 技术的应用,可以在设计阶段就进行碰撞检测、制造成本估算、施工模拟等多方面的分析,大大提升了钢结构设计的可行性和经济性。更为重要的是,BIM 技术的信息共享和协同工作能力,对于提升跨专业设计团队的沟通效率,初步实现设计、施工及运维全周期的信息交互和集成管理具有重要意义。

通过这一系列进步,特别是钢结构设计主流软件,国内的如 PKPM、YJK、3D3S、MTS 等,国外通常用到的 ANSYS、SAP、ABAQUS、MIDAS、STAAD 及加工深化 X-steel 等,一直在不断提升和进步。改革开放以来,国内基本建设高速发展,对软件的强化、深入和与新技术结合的需求,都为钢结构设计软件提供了强大的市场支撑和发展契机;无论国内外的软件程序,借此机遇都得到了极大的提升,更对钢结构设计方法赋予了结构设计师更大的发挥空间。在维持结构安全、功能性和经济性的基础上,进一步实现设计的创新和个性化,满足了现代建筑结构设计日益复杂多变的需求。

然而,这些方法的广泛应用同时也要求设计人员不断提升自身的计算机操作技能和结构理论水平,以及对设计规范的精确解读与运用能力。另外基于结构概念理解、概念设计的工程应用,对每个设计师个体提出了更高的要求,唯有不断提升自身的综合能力,方能在日益激烈的建筑设计市场中保持竞争优势。

1.3　规范标准的完善

钢结构设计领域的发展离不开规范标准的完善,这对确保设计质量、提升结构安全以及推动技术创新都具有重要的意义。当前,在钢结构设计规范与标准制订过程中,学术界和工程界通力合作,不断吸收最新的研究成果以及实践经验,针对材料力学性能、设计理念、施工技术等方面进行更新与修订。

在材料性能评价方面,规范标准纳入了更为精细的钢材性能分类方法,比如根据钢材的屈服强度、抗拉强度、韧性等方面细分不同等级,为设计师提供更为科学的材料选择依据。而高性能钢材如 Q690 高强度钢等新型材料的普及应用,也对规范进行了相应的拓展,确定了这些材料在设计中的具体应用条件及参数。

在设计方法上,规范标准充分考虑了现代计算力学的进步与智能化设计软件的应用。例如通过引入非线性分析方法,提高钢结构设计在复杂荷载作用下的精确度,进而优化结构设计方案。程序化设计和参数化建模在规范中的嵌入,为设计师提供了更加高效、精确的设计手段,推动了设计流程的自动化与智能化。

在结构耐久性方面,钢结构的耐火、抗震等性能得到了进一步关注。规范增加了对特殊工况,诸如火灾、极端气候等条件下钢结构的防护措施的论述,并引入了基于性能的设计方法,注重结构整体性能的评估。

此外,针对经济性与环境影响的双重要求,规范鼓励采用绿色设计原则,推广循环经济理念下的可再生材料及零废弃设计策略。在施工技术上,标准化和模块化施工方法被推荐为提高施工效率、降低现场环境影响的有效手段。

以上规范的修订与完善推进了钢结构设计的标准化与合理化,对于指导未来的工程项目实践,确保结构安全性,以及促进行业的可持续发展具有积极的参考价值。随着建筑工业化与数字化水平的日益提高,预计未来的规范将进一步向更高效、智能、环保的方向演进。

1.4　应用领域的拓展

钢结构因其高强度、快速施工及良好的抗震性能,在现代建筑工程中的应用领域正日益扩展。传统的建筑领域如高层建筑、大跨度厂房和体育场馆已广泛使用钢结构,而近年来,随着经济发展和技术突破,其使用范围持续扩大至桥梁工程、海洋平台、能源设施以及装配式建筑等。这些新应用领域提出了更为多样和严苛的设计要求,推动了钢结构设计技术的快速进步。

在桥梁工程中,钢结构已经成为重要的构件选择,无论是长距离跨河桥梁,还是现代城市高架交通系统,都体现了钢结构在此类工程中的鲜明优势。为满足不同桥型需求,设计师运用先进的计算与模拟技术,如 FEA 和风洞测试,提升结构在各种复杂工况下的稳定性与耐久性。

在海洋平台方面,钢结构应对极端海洋环境的能力尤为显著。通过使用高性能的耐腐蚀钢材料及采纳创新的节点连接技术,海洋钢结构不仅能承受强风、巨浪和冰载作用,还能有效降低维护成本,提高服务年限。

在能源设施方面,特别是风力发电塔架与输电塔架,也是钢结构应用的新动向。在塔架设计中,钢结构提供了无与伦比的高度与承载能力,已成为提高能源发电效率的关键因素之一。随着新材料与新工艺的应用,钢结构设计师能在保证结构安全的同时,极大限度地优化塔架重量,减少材料使用,降低经济与环境成本。

在装配式建筑领域,钢结构以其高度的预制化和标准化优势,为快速装配和高效施工提供了条件。随着绿色环保理念的深入人心,钢结构在提供材料循环再利用的同时,也通过数字化设计与制造技术,如 BIM 理念的实践和发展,实现了建筑设计理念的重大革新。

综上所述,钢结构设计的不断创新与发展,推动其在新领域的开拓与运用,不仅仅是为了满足更高层次的建筑功能需求,也是现代土木工程不断追求技术革新和可持续发展理念的体现。未来,随着材料科学、计算机科技与工程设计方法的进一步融合与进步,预计钢结构设计将在建筑工程中占据更加核心的地位,形成更加独特和多元化的应用景观。

2  钢结构设计面临的挑战

2.1　复杂受力状态下的分析与设计

复杂受力状态下钢结构的分析与设计要求我们深入理解结构受力机制和变形特性,针对不同应用环境下钢结构的非线性行为、动态响应和疲劳性能进行准确预测和评估。传统的设计方法往往基于线性弹性理论和简化的静力模型,难以准确捕捉结构在复杂加载作用下的实际行为。为此,研究者引入 FEA 技术,借助计算力学的进步,对结构进行更为精细和实际的模拟。然而,在现实工程中,构件的几何初始缺陷、材料非均匀性及其塑性发展等均对结构稳定性造成影响,尤其是在遭受强风、地震等动态加载时,结构的非线性动力响应对安全性和耐久性提出了更高的要求。

针对重要的基础设施和高层建筑,推广采用非线性动力分析(Nonlinear Dynamic Analysis, NDA)和时程分析(Time-History Analysis)等先进方法,以获得更精确的动态特性表征。此外,考虑到材料的非均匀性和局部屈曲等现象,研究者逐渐引入损伤机械(Damage Mechanics)和断裂力学(Fracture Mechanics)等理论,通过构建多尺度模型,从微观层面分析钢材内部裂纹扩展和材料劣化过程,更全面地预测结构在极端工况下的破坏模式。

在考虑循环加载引起的疲劳问题时,累积损伤模型(Cumulative Damage Models)和断裂力学理论被用以评估关键连接部位的使用寿命。同时,建立了基于监测数据的寿命预测模型,利用传感技术对钢结构进行实时健康监测,结合大数据和机器学习算法对结构状况进行智能评估和预警。

提高设计的合理性与经济性方面,也有显著进展。例如,基于性能的设计理念(Performance-Based Design, PBD)被引入钢结构设计中,通过对结构在不同性能水平下的需求与响应进行分析,制定更加科学合理的设计标准。此外,通过优化设计,探索更高强度和更轻量化的钢结构,既满足了高性能的需求,同时也降低了材料的使用量和工程造价。

钢结构设计在复杂受力状态下需要应用一系列先进的分析与设计技术。只有结合材料力学、结构力学和计算力学等学科的最新研究成果,使用更为全面和精确的理论模型和分析方法,才能够确保钢结构在面对自然灾害和日常使用过程中的安全、可靠和经济高效。钢结构设计的未来发展必将紧密结合高新技术,实现更智能、更绿色、更可持续的设计方案,以应对越来越严峻的工程挑战。

2.2　防火与防腐问题

在钢结构设计领域,防火与防腐问题始终是研究的重点和难点之一。钢材在高温影响下会快速失去承载能力,严重威胁结构的安全性和完整性。传统的防火措施如喷涂防火涂料、使用防火板材等,虽在一定程度上提供了保护,但常因施工质量、耐久性等问题引发新的安全隐患。近年来,研究者探索了利用相变材料(Phase Change Materials, PCM)的吸热特性,使其在结构防火中的应用成为可能。通过将 PCM 集成到钢构件中,可以在火灾发生时有效吸收部分热量,延缓结构温度上升,为人员疏散和消防救援提供更多时间。

在防腐方面,结构的长期耐久性研究日渐深入。考虑到外界环境对钢结构有着直接的腐蚀作用,研究者致力于探求更高性能的防腐涂层、自愈合涂层以及开展纳米技术在防腐领域的应用。例如,采用含有纳米粒子的涂层,能够提高涂层的密闭性和附着力,有效避免腐蚀介质与金属基体的接触。此外,随着环境友好型防腐涂料的开发,如水性防腐涂料、高固体分防腐涂料等,减少了对环境的污染同时提高了防护效果。

在实际工程应用上,通过使用不同的防火、防腐策略组合,可以针对不同使用环境、不同功能要求的钢结构提供个性化的解决方案。这包括通过材料选择和涂层技术优化结构的维护周期、采用智能传感技术监测结构表面状况,以及利用计算机模拟和 FEA 等方法优化结构的防火防腐设计。值得一提的是,数字化技术如三维激光扫描、数字孪生等的应用,对于捕捉结构在服役期间的状态变化,分析腐蚀和火灾后的结构性能,提供了更快速、精确的手段。

钢结构的防火与防腐技术正在向更高效能、环境协调、智能化方向发展。通过跨学科的研究、新材料的探索与创新应用、数字化技术的引入,能够显著提升钢结构在极端条件下的安全性,推动其在更广范围内的应用,满足可持续发展的要求。

2.3　与其他结构形式的协同工作

在钢结构设计实践中,钢结构与其他结构形式的协同工作已成为设计和施工的关键环节。在多种材料综合利用的背景下,钢与混凝土、玻璃、木材等材质的结合愈发常见,这些异质结构的兼容与协调对保证整体结构安全性、提高使用功能、减少工程成本具有重要意义。本阶段的研究关注了钢结构与其他结构材料的联合设计原理,以及在各种结构体系中的综合性能分析和优化设计方法。

通过静动力学分析方法,考虑钢材与混凝土的共同作用对结构响应的影响,分析了钢-混凝土组合结构中材料性能差异对整体结构性能的影响。利用数值模拟技术和有限元软件,构建精细化模型,模拟了钢-混凝土组合梁、板在受力后的变形和应力分布特征,以及钢结构与玻璃幕墙、钢-木复合结构在风载和地震等外部作用下的互相影响和协同工作机制。

此外,针对钢结构的连接节点设计,重点研究了钢结构与其他材料的连接节点的力学性能,如采用半刚性连接技术来适应不同结构材料间的变形协调问题,增加了结构的可靠性、延性和抗震性。结合力学性能和经济性分析,探讨了连接节点的优化设计方法,如使用高强度螺栓和焊接技术,确保节点处的正常传力和力学行为的合理性,进而保障了复合结构的整体性和安全性。

在实际工程应用中,结合建筑物的使用功能和美学要求,探讨了钢结构与其他结构形式在建筑设计中的创新整合方式。针对大跨度建筑、高层建筑,分析了钢结构在配合其他材料进行受力性能优化中的关键技术,如通过精准调控材料构件的尺寸、配置和预应力技术来实现结构的轻质化和高效率。

钢结构与其他结构形式的协同工作不仅仅是一种结构组合问题,更是一项涉及材料科学、结构力学、建筑设计和施工工艺的多学科综合技术难题。未来的研究需要在多方面深入探索,包括新型组合结构体系的开发、高性能连接节点的创新设计、智能化施工技术的应用等,进一步推动该领域的理论创新和工程实践的发展。

2.4　可持续发展的要求

在 21 世纪的建筑领域,钢结构设计面临的环保与可持续发展的要求正在成为研究和实践的重点。为响应可持续发展战略,国际社会普遍提倡“绿色建筑”的概念,即在建筑的整个生命周期中对自然环境及人类健康的影响最小化。钢结构设计必须顺应环保趋势,考虑到节能减排、资源循环利用和生命周期评价等因素,从而提高建筑的可持续性。

钢结构材料的选择越来越倾向于低碳、高强度、长周期使用和可再循环的新型材料。通过对钢材本身及其加工过程的节能技术创新,以及对建筑物设计的能效优化,降低了建筑过程中的能耗,从原材料的生产到最终建筑的拆除,整个生命周期的环境影响得到有效控制。

同时,在设计方法上,越来越多地引入生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)方法来评估建筑材料及结构的环境影响。LCA 方法通过系统地评价材料与结构从生产、使用到废弃全过程的能耗和环境负荷,以寻求减少负面环境影响的策略。此外,建筑信息模型(BIM)技术的应用,可以在设计阶段预测和模拟建筑材料和能源的使用效率,提升设计方案的绿色性。

在建筑实践中,越来越多的钢结构建筑采用可再生能源,例如太阳能光伏板和风力发电系统,以实现建筑能源的自给自足,减少对化石能源依赖,减少温室气体排放。钢结构建筑的屋顶和墙体外覆层也采用高标准的保温隔热材料,提高了能源利用效率,达到节约能源的目的。

此外,钢结构建筑的耐久性和可维护性被赋予更高的要求。通过科学的设计和高质量的施工,可以延长建筑的使用寿命,降低长期维护成本,确保经济与环境效益的双重提升。

钢结构设计在追求可持续发展的同时,需要综合考虑材料的环境友好性、设计的节能减排性、建筑的可再生能源利用率和生命周期的环境评价。通过持续的技术创新和优化实践,钢结构设计将实现与自然环境更和谐的共生关系,为推动可持续城市发展做出显著的贡献。

3  钢结构设计的展望

3.1　材料创新

在钢结构材料领域,创新始终是推动行业发展的关键动力。随着超高层建筑、大跨空间结构越来越多地出现在城市天际线中,传统钢材已无法满足日益增长的结构性能要求。因此,研发新型钢材,如高强度、大塑性、良好焊接性能及优异耐候性的钢材料,已成为行业发展的重要趋势。

近年来,多相钢因其卓越的强塑性、协调性成为研究热点,其结合了高强度的马氏体相和高塑性的铁素体相,在提高载荷承受能力的同时保持了良好的延展性。此类材料在地震多发地区的应用尤为有力,可极大提高钢结构的抗震性能。同时,耐候钢的研发也受到广泛关注。这种钢材能够形成一层致密的铁锈层,保护材料不受进一步腐蚀,从而减少涂层的使用及降低维护成本。

在钢材制备工艺上,采用先进的热处理技术如控制轧制和控制冷却(TMCP)等,能够有效调整钢的显微组织,从而改善其综合性能。通过精细化设计合金元素,可以获得具有特殊功能的钢材,如耐高温、抗疲劳或自愈合性能的钢材。此外,复合材料技术的发展也为材料创新提供了新思路,钢与其他材料如碳纤维、玻璃纤维等的复合使用,不仅能大幅减轻结构的自重,还可赋予结构额外的功能性,例如改善隔声、隔热性能。

材料创新还依赖于对已有钢材缺陷的深入分析和理解,这要求详尽的失效机理研究和大量的试验数据支持。通过微结构观察、力学性能测试、断裂分析等手段,研究人员能系统揭示材料在不同环境下的行为特性,指导新型材料的设计和改进。在此基础上,应用数值模拟工具如FEA,可预测新材料在复杂载荷作用下的行为,为实际应用提供理论依据。

总之,材料创新在钢结构设计领域不仅关乎材料本身技术的提升,而且涉及到设计理念的革新和施工工艺的改进。未来,随着多学科技术的深入融合,如材料科学、结构工程与计算机技术,以及人工智能的引入,预计将催生出更多具有革命性的新型钢结构材料,为提升结构性能、降低建设成本及推动钢结构可持续发展开辟新的道路。

3.2　设计方法的智能化

智能化技术的融合已经成为钢结构设计发展的一个显著趋势,本研究以人工智能和大数据分析为基础,结合计算机视觉、机器学习,特别是深度学习技术,开发了一套智能化钢结构设计系统。该系统装备了智能决策支持算法,能实时分析结构受力和环境因素的变化,做出精准的优化设计方案。

在系统开发过程中,选择了一种高效的深度神经网络架构,训练模型能够识别和分析复杂的结构特点及其受力情况。利用大规模的设计案例作为训练集,使系统具备了良好的学习能力和适应性。通过与传统设计方法进行比较,验证了智能化设计方法不仅提高了设计效率,还能更准确地预测结构性能,优化材料使用,以达到降低成本和提升可持续性的目标。

此外,引入 BIM 技术与智能化设计系统进行深入集成。通过 BIM 模型的高度信息化,结合数据库技术,实现了从设计阶段到施工阶段的无缝对接,为项目管理和成本控制提供了强大的数据支持,极大提高了钢结构工程的精细化管理能力。

系统还具备可自学习和自适应调整的特点,可以根据新的设计规范、新的材料性能数据等不断更新其数据库与算法模型,保持设计的前瞻性和科学性。通过引入多维度的设计参数,如地震影响、风载荷、使用寿命等,实现了更复杂环境下的钢结构设计,强化了钢结构在极端条件下的安全性能与可靠性。

综合模拟与优化分析结果显示,采用的智能化设计方法能有效预知钢结构应对特定环境的行为响应,准确模拟出在多变的外界条件下结构性能的变化规律,这对于预防和减少钢结构工程事故具有重要意义。通过算法优化设计师的方案选择,减少了人为因素导致的设计偏差,增强了设计方案的科学性和实用性。

可以预见,正在开发的智能化钢结构设计方法与传统手段相比,不仅能够显著提高设计效率和质量,还能够降低不确定性风险,构建了一个高度集成化、智能化、可持续发展的钢结构设计新模式。这不仅对钢结构设计领域产生了深远的影响,还为工程技术的智能化转型提供了有力的理论基础和实践范例。

3.3　绿色设计理念的深入

随着国际社会对环境问题的不断重视,绿色设计理念在钢结构设计领域逐渐深入人心。在钢材的选择与应用上,推广使用低碳、环保材料,比如利用再生钢材和低排放钢材,不仅减少了生产过程中的碳排放,还极大地降低了建筑行业对环境的负面影响。在设计方法上,通过采用节能降耗的设计思想,优化钢结构的截面形状与连接方式,力求在满足结构安全和功能性的基础上,最大限度地减少材料的使用,降低整个生命周期内的能源消耗,达到节能减排的效果。

同时,结构的耐久性设计也方兴未艾,通过对钢材进行耐火、防腐处理,提高结构的耐久性,延长建筑物的使用寿命,从而减少因频繁维护或更换结构件导致的资源浪费和环境压力。结合 BIM 技术的深入应用,钢结构设计将在整个建筑生命周期中实现资源高效利用、材料精确预算、降低浪费,且在施工阶段,可以大幅度地提高施工速度,减少施工过程中的物料浪费。

此外,随着新型高强度、高韧性材料的不断研发和应用,钢结构建筑在抵抗自然灾害,如地震、台风等方面的性能得到显著提升,减少了灾害带来的损失和修复的环境成本,有力地推动了绿色设计理念在钢结构设计中的应用和实践。

绿色设计理念的深入还体现在钢构件的循环利用上,废弃钢结构的回收和再利用逐步成为行业标准,不仅延伸了建筑材料的生命周期,同时也减少了对环境的污染和对新资源的需求。通过上述一系列措施的实施,绿色设计理念得以在钢结构设计领域落地生根,为建筑行业的可持续发展做出了积极贡献。

总之,伴随着绿色设计理念的不断深入,钢结构设计正在朝着更加环保、节能、高效的方向发展,将在未来建筑领域扮演更加重要的角色。通过不断的技术创新和方法优化,相信钢结构设计将成为推动建筑业绿色转型的强大动力。

3.4　多学科交叉融合

在当代钢结构设计领域,多学科交叉融合是推动技术进步和创新的重要手段。工程力学与材料科学的结合,不仅优化了钢材的微观组织,提高了其力学性能,还推动了新型高性能钢材的开发。例如,运用纳米技术改进材料内部结构,实现了钢材强度与韧性的同步提高。结构工程师根据这些材料特性,设计出更为经济和安全的钢结构系统。

近年来,信息技术与结构工程的交叉应用,如结构健康监测系统的开发,以及基于云计算的大数据技术在结构优化设计中的应用,大大提高了设计的准确性和效率。通过机器学习算法分析大规模结构响应数据,可以预测和评估结构在异常荷载作用下的性能,为抗震设计提供了更为可靠的支持。

此外,可持续发展的理念也促进了环境科学与钢结构设计的融合。在设计过程中,通过生命周期评估 LCA 模型,可以量化结构的环境影响。这种方法不仅考虑了材料的生产、运输、使用到废弃等全生命周期的环境成本,还包括建筑工程在设计、施工、运营和拆除各阶段的能量消耗和废物排放。对钢结构绿色评价指标的深入研究,促进了更多环境友好型钢结构建筑的诞生。

在建筑与城市规划领域,多学科交叉融合为钢结构的大规模应用提供了新思路。城市密集区的空间限制和用地成本,推动了工程设计师运用钢结构建造高层及超高层建筑。借助先进的数值仿真技术进行风振分析、日照分析等,可以为城市环境下的钢结构设计提供科学的依据。

总体来看,多学科交叉融合不仅提升了钢结构设计的科学性和先进性,而且有效响应了社会对安全、经济、环保等方面的多重需求。未来,随着新材料、新技术和新方法的不断涌现,多领域知识整合将成为钢结构设计创新的重要驱动力,为构筑更为安全可靠、经济合理、环境友好的建筑体系奠定坚实的基础。

3.5　数字化建造技术的应用

数字化建造技术作为现代工程技术的重要组成部分,在钢结构设计与施工中扮演着至关重要的角色。其中,建筑 BIM 技术已逐渐成为连接设计、施工和管理的桥梁,其在钢结构工程中的应用不断深化。具体而言,BIM 技术在钢结构设计中提供了三维可视化模拟与图纸自动化生成,极大提高设计效率与准确性;在施工阶段,通过与施工现场管理系统(Construction Management System, CMS)的集成,能够实时监控结构元件的制造与安装进度,确保施工质量;在运营维护阶段,则便于调整与优化建筑物的性能,实现生命周期全过程管理。

此外,应用激光扫描与点云技术,能够快速捕捉现场钢结构的几何信息,并与设计模型进行对比,实现高精度的质量检测与控制。针对搭建大跨度钢结构时的精密要求,三维打印技术也开始被引入,该技术能够在预制阶段制造复杂节点和连接件,降低安装难度并缩短工期。

在数字化建造技术的加持下,预应力钢结构和高强钢结构的研究及应用也日趋成熟。通过详细的数值分析模拟,优化结构应力分布和减轻结构自重。考虑到钢结构在高温、高湿、盐雾等环境下的腐蚀问题,数字化技术也能够预测并模拟结构在不同环境下的耐久性能,指导防腐涂层的选型与涂装工艺的优化。

结合大数据处理与云计算技术,钢结构设计与施工项目的成本分析、风险评估以及项目管理日渐高效智能化。在此框架下,数据驱动的决策支持系统能够从历史项目中学习并优化设计方案与施工流程。例如,通过挖掘历史数据,机器学习算法能够预测并优化切割下料图以最大程度减少材料浪费。

数字化建造技术的应用促使钢结构设计与施工全面提升至信息化、精细化、智能化的新阶段。未来,随着物联网(Internet of Things, IoT)技术的融合,钢结构建造过程中的实时数据收集与分析将更加精准,进一步提高工程质量与效益,推动钢结构设计向更加可持续与绿色的方向发展。

4  近 10 年国内代表性钢(混)结构

4.1　高层/超高层

近 10 年国内具有代表性的高层/超高层钢(混)结构如图 1 ~ 8 所示。

图 1 为华东建筑设计研究院有限公司设计的天津周大福金融中心,主要负责人有汪大绥、周健、王荣。该结构技术特点为高度 530 m 带陡斜撑和环带桁架的混合结构。

图1　天津周大福金融中心(天津)

图 2 为北京市建筑设计研究院有限公司设计的北京中信大厦,常称中国尊,主要负责人有齐五辉、束伟农、杨蔚彪。该结构的技术特点为高度 528 m 带巨型外撑的混合结构体系。

图2　北京中信大厦(北京)

图 3 为中国中元国际工程有限公司设计的海南中心,主要负责人为张同亿、张松、王宁、罗佑新、张特、张哲。该结构的技术特点是高度 428 m 双向倾斜巨柱支撑外框+核心筒混合结构体系。

图3　海南中心(海南海口)

图 4 为奥意建筑工程设计有限公司设计的世茂海峡大厦,其主要负责人有毛仁兴、朱永文、黄卓。该结构的技术特点为高度 300 m 钢骨框架-混凝土筒混合结构双塔。

图4　世茂海峡大厦(福建厦门)

图 5 为同圆设计集团股份有限公司设计的青岛国际航运中心,其主要负责人有陈晖、陈鹤、蒋世林。该结构的技术特点为高度 250 m 钢梁-钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。

图5　青岛国际航运中心(山东青岛)

图 6 为中冶赛迪工程技术股份有限公司设计的德丰大厦,其主要负责人有薛尚铃、徐革、罗婷、余周。该结构技术特点为 8 度区高度 210 m 带屈曲约束支撑的框筒混合结构体系。

图6　德丰大厦(宁夏银川)

图 7 为北京维拓时代建筑设计股份有限公司设计的天圆祥泰大厦,其主要负责人有李洪求、郑汉兵、何涛涛。该结构的技术特点为高度 146 m 钢梁-钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。

图7　天圆祥泰大厦(北京)

图 8 为中讯邮电咨询设计院有限公司设计的贵安云数据基地(二期),其主要负责人有张琪、徐海军、白晓康、王发东、焦傲。该结构的技术特点为钢框架结构体系。

图8　贵安云数据基地(二期)(贵州)

4.2　大跨空间

近 10 年国内具有代表性的大跨空间结构如图 9 ~ 17 所示。

图 9 为北京市建筑设计研究院有限公司设计的国家速滑馆(冰丝带),其主要负责人为陈彬磊、王哲、杨育臣、奚琦、段世昌。该结构的技术特点为椭圆形 124 m × 198 m 单层双向正交马鞍形索网。

图9　国家速滑馆(冰丝带)(北京)

图 10 为中国中元国际工程有限公司设计的摩罗多克泰科国家体育场,其主要负责人有张同亿、张速、祖义祯、孟永杰等。该结构的技术特点为斜拉索桁张力罩棚及新型预应力混合结构。

图 10　摩罗多克泰科国家体育场(柬埔寨金边)

图 11 为华东建筑设计研究院有限公司设计的国家会展中心,其主要负责人有周建龙、包联进、黄永强。该结构的技术特点为超长、重载、跨越地铁的大跨空间钢结构,最大跨度 117 m。

图11　国家会展中心

图 12 为中国电子工程设计院股份有限公司设计的高能同步辐射光源(简称HEPS),其主要负责人有娄宇、侯爱波。该结构的技术特点为大环周长近 1600 m 下的桁架、网架结构。

图12　高能同步辐射光源(北京)

图 13 为天津大学建筑设计规划研究总院有限公司设计的天津理工大学体育馆,其主要负责人有陈志华、于敬海、闫翔宇。该结构的技术特点为国内首个百米级(102 m × 82 m)复合式新型索穹顶结构。

图13　天津理工大学体育馆(天津)

图 14 为天津大学建筑设计规划研究总院有限公司设计的天津中医药大学体育馆,其主要负责人有于敬海、闫翔宇、丁永君。该结构的技术特点为跨度 105 m × 86 m 小矢跨比不连续支承椭圆抛物面弦支穹顶结构。

图14　天津中医药大学体育馆(天津)

图 15 为北京维拓时代建筑设计股份有限公司设计的万达茂室内滑雪场,其主要负责人有李洪求、冷冬梅、谢龙宝、李莹莹。该结构的技术特点为平面长 487 m,跨度 90 ~ 150 m,高度 42 ~ 114.5 m 超长大跨巨型钢框架结构,由钢筒体巨型框架柱、主桁架巨型框架梁、侧面大桁架及大跨钢结构屋面组成。

图15　万达茂室内滑雪场(黑龙江哈尔滨)

图 16 为中冶赛迪工程技术股份有限公司设计的广西田东公共服务中心,其主要负责人有胡朝晖、唐建设、陶修。该结构的技术特点为 138 m × 98.6 m 寓意“芒果”形体的异形曲面、张弦梁及周边单层网格结构体系。

图16　广西田东公共服务中心(广西田东)

图 17 为同圆设计集团股份有限公司设计的山东国际会展中心,其主要负责人为魏强、蒋世林、杨晓东、黄祥海、孙钦学、白宗坤、刘祥宇、王岩辉、于重阳。该结构的技术特点为跨度 70 m 异形倒三角形空间管桁架。

图17　山东国际会展中心(山东济南)

结  论

  Conclusions