湖南省建筑设计院有限公司
摘要：钢材是一种强度高，性能稳定，可工厂化生产，可以回收再利用的绿色建材。很长一段时间，因为钢材产能不足，钢结构造价偏高等方面的原因，钢材在建筑结构中应用较少。近年来我国经济飞速的发展，钢材产能大幅提升，钢结构在建筑结构中的应用越来越广泛。对应的钢结构技术也越来越成熟，钢结构在绿色环保方面有了更多的发展，笔者结合自己的经验谈谈钢结构在绿色建筑领域的一些应用。
关键词：钢结构；绿色环保；施工技术
1.钢结构的实现方式
1.1钢结构的应用范围
钢材强度高，用其建造的钢结构自重轻。且钢结构通常在工厂成型，现场拼装，不需现场支模，也没有长时间的养护。施工方便，周期短，由其建造的结构可很好的贴合建筑造型，流畅轻盈。因此在跨度大、造型奇特的建筑中，钢结构优势相当明显。
1.2钢结构的主要类型
钢结构发展这么多年，已经形成了多种成熟的结构体系。对于柱网规则，层高规整的建筑有钢框架结构、网架结构，网壳结构、桁架结构、门式刚架结构等多种结构形式可选。其结构方案的选取对整个结构影响非常大，不仅是经济指标，对建筑效果也有较大影响。方案的比选和优化是最重要的绿色建筑措施。根据建筑的造型，荷载等特点，选择合理的结构形式，在保证结构安全，满足建筑功能的前提下，力求传力途径最简，用料最省，造价最低。
1.3钢结构方案优化的技术支撑
建模是钢结构设计中必不可少且至关重要的一步。常规钢框架，网架，网壳等建模相对比较方便。盈建科，3D3S等结构分析软件集成了快速建模功能，可输入结构的尺寸参数，快速的建模。
复杂建筑的内部空间关系也比较复杂，传统的软件已经不能满足复杂建筑设计的要求。需要借助空间建模软件来完成建模，专业间的沟通需要在三维模型中直接对接。对于这种建筑，笔者常用Rhino（犀牛）软件，它是一款用于工业设计的三维建模软件，有着强大的空间建模能力，在精细化三维模型构筑方面有着独特的优势。近几年Rhino开始应用到建筑行业，深受设计师的喜爱。将建筑模型导入到Rhino中，以建筑模型为参照，可以准确的搭建出空间关系复杂的结构模型。也可在Rhino中与其他专业进行碰撞检查。
Rhino是一个开放的软件，将Grasshopper等参数化软件接入到软件中可以实现结构的参数化建模，参数化分析。在攸水湾文体中心项目中，笔者把建筑表皮，桁架高度，桁架形式等参数作为可调整参数编入到参数化建模程序中，实现了结构的快速化建模（见图1）。当建筑表皮，结构参数调整时，结构模型可以随之快速生成。得益于参数化的引入，建模时间大大缩减，为结构设计，结构优化提供有力保障。
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图1：参数化建模
将计算分析模块调入到参数化程序中，还可实现结构的构件优化。以树状支撑钢结构为例，参数化分析程序可以实现调整-计算 -优化 –调整的循环，可以自动优化树叉的角度，杆件大小。
2.新型钢材的应用
2.1高强钢
随着材料科学的进步，新的钢材生产工艺生产出来新型钢材。1990年前，Q235钢材被广泛应用，Q345钢被认为是高强度钢材。如今Q345钢材应用越来越广，大家对高强钢的定于也有了变化，各国普遍将屈服超过420MPa的钢材成为高强钢。研究文献表明，钢材的屈服强度最高达到了1100MPa。在国外600MPA级的高强度钢材已经在建筑结构中采用。国内Q460E等高强度钢材在鸟巢，央视新主楼等工程有应用。
在钢结构中适当的采用高强度钢材不仅可以降低结构的自重，减少钢材用量，还可以有效解决因钢构件截面过大而带来的一系列问题。
2.2耐候钢
除了强度方面，钢材在耐腐蚀等方面也有新的发展。普通的钢材耐腐蚀性比较差，隔一段时间就需要重新涂装，后期维护费用比较高（见图2）。在钢材中添加少量的合金元素，使其在金属表面形成保护层，能有效的提高钢材的耐腐蚀性能。耐候钢多应用于船舶制造、铁路桥梁工程中，近些年在民用建筑中也开始广泛应用。在沿海建筑、泳池等长期处在强腐蚀性气候条件下的建筑中采用耐候钢，可以有效的延长钢结构使用寿命，降低维护成本，经济效益明显。
锈化处理后的耐候钢因其独特的颜色，颇受建筑师的亲睐。耐候钢在装饰、景观等工程中应用也比较广泛。在生命签证主题馆项目中，部分主体构件采用了锈化耐候钢，主体结构既装饰构件，经济简单，绿色环保。
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图2：装饰绣钢板施工
2.3耐火钢
普通钢材的耐火性能差，钢材温度超过300摄氏度后其材料强度迅速下降。火灾下因钢材屈服而造成的房屋主体垮塌的事故时有发生。钢结构防火是钢结构设计的重点和难点。相比于普通钢材，耐火钢的耐火性能大幅提高，它在600摄氏度下的屈服强度大于常温屈服强度的2/3。耐火钢应用到防火要求高的建筑中可以提高建筑的耐火极限，为消防救援赢得宝贵时间，结构安全性大大提高。
3.装配式钢结构建筑
3.1装配式钢结构建筑的简介
装配式钢结构建筑是指标准化设计，工业化生产，装配化施工，一体化装修，信息化管理，智能化应用，支撑标准化部品部件的钢结构建筑。过去，因钢结构产能等原因，钢结构在建筑，尤其是住宅建筑方面的应用较少。在供给侧结构性改革大背景下，装配式钢结构得到了高度重视，通过大力推广，发展钢结构建筑，既可以化解钢铁行业过剩产能，也可以推进建筑绿色化，工业化，信息化，实现传统产业转型升级。2016年以来，装配式建筑和钢结构建筑产业政策密集出台，为装配式钢结构建筑的发展和推广提供了政策支持。
传统的钢结构建筑仅是主体结构采用钢结构，而建筑墙体，装饰装修均按传统的做法。近年来，在国家政策的大力推动下，企业、科研院所大力研发新型装配式钢结构体系，目前国内钢结构建筑体系主要分为三类：（1）改进型建筑体系。以传统钢结构形式为基础，开发新型维护体系；（2）“模块化，工厂化”新型建筑体系。如拆装式活动房，模块化箱形房。武汉雷神山医院采用的轻型模块化钢结构组合房屋，就是这种结构体系；（3）“工业化住宅”体系。如“钢管束组合结构体系”“箱型钢板剪力墙结构体系”“钢管混凝土组合异形柱结构体系”等。
3.2装配式钢结构的特点
装配式钢结构建筑的主体结构、维护结构、设备管线都是工厂化生产，现场拼接。常规的PC装配式相比。它具有以下特点：
（1）现场作业量更少，施工速度更快；（2）与常规的装配式结构相比，装配式钢结构的现场现浇筑量少，节点连接可靠，质量更容易控制；（3）另外其自重轻，抗震性能好，构件截面小，建筑使用效果更加。
钢材的特性也直接影响到装配、防腐等相关问题，此外由于结构部件不部品部件尚未实现标准化，这些都直接制约了钢结构的规模化生产，进而无法有效节约成本。这些问题都限制了钢结构的推广和发展。
总结
综上所述，钢结构建筑结构的发展得益于我国钢材产量的大幅提升，同时各种设计软件的出现也为此类结构的设计与施工提供了技术保障。此类项目应充分发挥钢结构的优势，同时就防腐、防锈等做好处理工作，这样才能最大化的发挥钢结构的“绿色”作用。