大家好，我是双无余。
公众号之前有两篇文章，总结了钢结构与混凝土结构的不同之处。然而，还漏了两个最重要的问题：设计和工序。
本文就将之前的内容进行了一次汇总，并对部分内容进行了修改和补充。最后，增加了设计和流程工序这两个方面的比较，扩展到了16个。算是更完备的一篇总结。
前言
在翻看《钢结构建筑装修构造图集[日]》一书时，看到了一张关于钢结构与钢筋混凝土结构的对比图，其中有些内容不但看起来有点疑惑，而且翻译的语句读起来也是有些生硬，所以打算聊聊这个话题。
表格中关于两者的对比角度还是非常全面的。其中所列的不同的角度有13个：平面设计、结构形式、柱子尺寸、梁高……装饰材料和变形限制等。本文增加了3个角度，循环利用、设计和工序流程。总共16个角度，下面逐一展开聊一聊。
1. 平面设计
以《日本建筑钢结构设计》中的一个例子为例，这是日本较为常见的情况：一栋三层钢结构办公楼，为了实现更灵活的建筑平面功能分割，采用了无柱的室内空间，即单榀钢框架结构体系。这种设计使梁跨度达到13.5米，采用H型实腹钢梁配合冷弯矩形钢管柱，实现起来相对容易。钢结构建筑因此能提供更开阔的空间和更自由的功能布局。
相比之下，混凝土结构难以实现这种跨度和净高的组合。
2. 常用的结构形式
这种对比需要考虑一个前提条件：常见的多高层建筑。日本的钢结构建筑通常采用纯框架，因此钢柱多为方钢管。美国的钢结构建筑则常见带支撑的框架结构，所以钢柱多采用H型钢。这些差异也与所使用的钢材种类有关。如果读者对此感兴趣，可以留言讨论，我们可以在后面再深入展开。
3. 柱子尺寸
钢材具有高强度和均匀的性能，因此可以使用更小的截面尺寸。以上述三层办公楼为例，钢柱的宽度仅为40cm。相比之下，若采用钢筋混凝土，柱子的宽度需要显著增加，至少达到65cm。
这种尺寸差异不仅影响建筑的使用面积，还会影响整体结构的重量和荷载分布。
4. 梁高
混凝土梁高跨比的最小值1/18是钢结构高跨比的最大值。在常规设计中，钢梁的高跨比通常取1/20。对于轻型屋面的钢梁，这个比值可以降低到1/30，但一般不小于1/40。
这种梁高差异不仅影响建筑的净高和空间利用，还会影响整体结构的刚度。钢结构由于其较小的梁高，可以更灵活地布置管线和设备，同时也能实现更大的跨度。然而，设计人员需要注意控制钢梁的挠度，以确保结构的使用阶段性能和舒适度。
5. 建筑物自重
从比例上来看，采用钢结构的建筑，自重通常会减轻40%以上。
一项针对50米高层办公楼的研究对比了不同结构体系，结果更加显著。该办公楼上部建筑面积为1.04万平方米，采用钢结构后，每平方米的结构自重减轻了56%，基础造价也随之减少了7.5%。
这种重量减轻不仅影响了建筑的整体荷载，还对结构设计和施工方法产生有利的影响。例如，较轻的自重可以减少地震作用下的惯性力。
6. 基础
尽管钢结构重量较轻，但如果混凝土结构也都是采用独立基础，那么成本减少的比例相对就较小，约为7%左右。
不过，如果由于重量减轻而能改变基础形式——比如，混凝土结构需要筏板基础，而钢结构可改用独立基础——那么成本减少的比例就会相当可观，估计可达15%左右。
7. 构件的可靠性
这个区别相当明显。虽然高质量的混凝土结构在精度上可能超过钢结构，但这种情况并不代表普遍水平。
通常，现场施工工人的技能水平参差不齐，工作环境较为恶劣，再加上普遍存在的赶工期的时间压力，使得施工质量难以与工厂预制构件相媲美。即便混凝土采用工厂预制，其成本相较于钢结构也不具有绝对优势。毕竟，钢材本质上就是预制成品。值得注意的是，在日本，钢结构的成本已经低于混凝土结构。
8. 耐久性
在一般室内非潮湿环境中，即使没有特殊保护，钢结构的锈蚀速度也非常缓慢（参见：室内钢结构防腐：底漆真的一定要涂吗？）。实际工程中，除了防锈处理外，还会添加装饰面层，因此钢结构无需频繁维护就能长期安全使用。不过，在日常使用和装修改造中，需要注意不要损坏钢结构的防腐保护层。
相比之下，混凝土结构需要重点预防和控制开裂。一旦裂缝超过规范允许范围，钢筋失去混凝土的可靠保护，就容易发生锈蚀。
简而言之，钢结构的耐久性主要依赖于外部保护措施的设计，而混凝土结构的耐久性则取决于混凝土本身的设计。
9. 耐火性能
关于钢结构的防火内容，本公众号已有详细讨论，读者可参阅相关专题集。
混凝土结构的防火规范目前仍处于国家标准征求意见阶段。然而，广东省已发布了地方标准《建筑混凝土结构耐火设计技术规程》（DBJ/T15-82-2022）。该规程指出，混凝土结构的耐火极限取决于三个关键因素。以混凝土柱为例，若要达到3小时的耐火极限，在多面受火、轴压比（μ值）为0.5、柱宽65cm的情况下，受力钢筋的混凝土保护层厚度需不小于35mm。
10. 工期
一般而言，钢结构比钢筋混凝土结构能缩短工期。这主要是因为在施工基础时，钢结构可以在工厂同步加工，且现场无湿作业，不需要像混凝土那样耗时养护。
然而，在实际工程中，能否真正缩短总工期受多种因素影响：首先，钢结构的运输和吊装需要精确的计划和协调，以确保构件能够顺利到达施工现场并准确就位。其次，现场焊接和高强度螺栓连接等关键工序需要较高的技术水平和质量控制。最后，钢结构的防火、防腐处理也是影响工期的重要因素，需要在施工计划中充分考虑。
11. 梁穿孔
在比较钢结构和混凝土结构时，我们通常讨论的是在遵守规范条文前提下的常规设计情况。
《高钢规》8.5.6条规定，钢梁孔口直径不得超过梁高的1/2。日本标准则根据钢材强度有所区别，最大不超过梁高的2/3。《热轧H型钢设计应用手册》6.4.3条更是提到，圆孔可达梁高的0.7倍，而矩形孔为0.5倍。
那混凝土梁的开孔规定如何呢？《高规》6.3.7条要求，框架梁上的洞口高度不应超过梁高的40%。
若想在混凝土梁上开更大的孔，就涉及科技创新领域了。感兴趣的话，不妨查阅"大开孔钢筋混凝土梁的力学性能试验研究及关键施工技术"。
12. 层高
在相同室内净高要求下，降低结构梁高可减少整体层高，从而降低建设成本。不仅能减少建筑材料的使用量，还能降低外墙面积，进而减少能源消耗和整体建设成本。
对于层数足够多的建筑，在固定建筑总高的情况下，减少每层层高可能会增加一层可用面积。
13. 装饰材料和变形限制
钢结构建筑常采用干挂式装饰材料，这不仅允许使用轻质材料，还能适应钢结构的变形特性，从而避免裂缝问题。
钢结构的层间位移角限值通常比混凝土结构更宽松。规范规定钢结构的限值为0.004，而混凝土结构一般在0.002至0.001之间。关于这一话题，我们之前的文章有更详细的讨论，这里就不再赘述。（1. 为什么是 “ 0.001 ” ？2. 钢结构的限值0.004，为什么能比混凝土放宽4倍？）
14. 可回收利用
原书中图表没有这一项，但从长远角度来看，这是钢结构的一大优势。**钢铁是地球上回收率最高的材料。**以重量计算，美国有81%的钢铁产品在使用寿命结束后被回收再利用。具体而言，85%的汽车、82%的电器、70%的集装箱、72%的钢筋和98%的结构钢都被回收。
15. 工序
在建设全过程管理中，钢结构和混凝土结构在设计和施工工序上存在显著差异。钢结构主要依赖工厂预制和现场安装，要求精确的尺寸控制和连接设计。相比之下，混凝土结构更侧重于现场浇筑和养护，对模板和支撑系统有较高要求。这些差异直接影响项目的进度、质量和成本管理。
钢结构的深化设计是一个独特而关键的环节，需要专业团队完成。这一过程包括详细的构件设计、连接节点优化和车间加工图纸生成。深化设计不仅确保钢结构的精确性和可建造性，还能有效减少现场施工中的潜在问题。
钢结构的安装施工阶段受力分析至关重要。设计人员必须考虑结构在各施工阶段的受力状态，确保结构在完全安装前的每个阶段都保持稳定。这不仅需要扎实的结构力学知识，还要对施工流程和现场条件有深入了解。安装过程中的任何疏忽都可能导致严重的质量事故。
16. 设计
钢结构设计跟混凝土结构设计相比，在思维方式、知识体系以及技能要求上有较大区别。
具体来说，主要体现在材料理解、构件设计、连接节点设计、整体和局部稳定性分析以及施工工艺等方面。这些方面都需要设计人员具备丰富的专业知识和实践经验、同时，还需要具备创新思维以应对钢结构设计中可能遇到的各种问题。
材料的特性不同
钢结构的材料具有均匀性、各向同性。
混凝土结构则由混凝土和钢筋复合材料构成，材料特性呈现非均匀性，并具有各向异性。
计算分析关注的重点不同
钢结构设计强调考虑材料的弹性阶段受力和塑性发展的能力，重点关注整体稳定性、局部屈曲和塑性分析。
混凝土结构设计过程主要围绕承载能力和耐久性展开，重点考虑配筋的合理性及混凝土的开裂控制。
连接方式的不同
钢结构设计的连接方式复杂，设计时需要充分考虑连接的受力情况和可实施性。连接质量对整体结构的受力影响非常大。
混凝土结构的连接主要通过现场浇筑的方式实现，通常为整体浇筑，需要特别考虑节点位置的配筋以及抗剪和锚固性能。
小结
尽管钢结构相比混凝土具有诸多优势，并在厂房、大型体育馆、展馆等工业和公共建筑中占据绝对优势，但在民用建筑领域，其占比仍然很小。
这一现象反映了市场的选择。成本和品质是关键考量因素，仅依靠政策支持难以实现长期发展。回顾预制装配式混凝土（PC）的发展历程和现状，我们可以得到类似的启示。
要推动钢结构在民用建筑领域的更广泛应用，可能要从根本上提高其适配性、经济性和施工效率。不仅需要多专业、多领域的技术创新，还需要整个建设环节参与者的协同努力。
参考资料：《钢结构建筑装修构造图集》(原著第二版) [日]社团法人钢材俱乐部、钢结构建筑非结构构件构造委员会编，马俊 韩毓芬 译 ；《日本建筑钢结构设计》[日]一般社团法人 日本建筑结构技术者协会著，特定非营利活动法人 亚洲建设技术交流促进会 译， 王昌兴 冯德民 校；《热轧H型钢设计应用手册》https://www.aisc.org/why-steel/sustainability/recycling/
