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[分享]科技前沿，速递2：钢结构 - 问题与挑战
本文转自中国钢结构设计，原创作者： 钢结构设计分会
科技前沿，速递2：钢结构 - 问题与挑战
钢结构与可持续发展（一）
——问题与挑战
岳清瑞
（中国钢结构协会、国家钢结构工程技术研究中心、
中冶建筑研究总院有限公司，院士、董事长）
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编者按
钢结构适应于当前建设行业绿色建筑和节能环保的总体要求，但我国钢结构工程建设还滞后于钢筋混凝土工程的建设。近年来，钢结构在超高层和大跨度建筑以及大跨度桥梁等工程中得以广泛应用，但在量大面广的住宅建筑及中小跨径桥梁中的应用还需要加大力度突破瓶颈，加以迅猛地拓展。中国钢结构协会会长、中国工程院院士岳清瑞在“中国钢结构协会钢结构设计分会第五届全国建筑结构总工程师高峰论坛”特约报告中，针对“钢结构与可持续发展”这一主题，进行了深入细致的阐述，对指导我国钢结构工程健康和可持续发展，对研究我国钢结构各项专业技术问题均具有重要的意义和不可多得的参考价值。希望广大会员读者，对于相关问题，通过本文，能吸收丰富的养分、获得全面的认知。
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1 我国钢结构行业的弱点
我国钢结构行业的发展存在以下弱点：
● 钢结构行业大而不强；
● 钢材品种少、强度低、型材使用量低；
● 大型企业总体能力不够强，行业集中度低，中小企业创新能力弱；
● 产业链分散，缺少全产业链的龙头企业；
● 创新链和产业链的协同不足，研发、设计、制造、安装脱节；
● 体系成熟度不够，标准化工作严重滞后；
● 专业人才严重不足。
2 标准化问题
2.1 需要探索和解决的问题
实现钢结构建筑（尤其是住宅）的标准化，是推动装配式钢结构建筑可持续发展的必要前提，也是目前阶段需要大力探索和解决的问题：
● 体系多，缺少成熟的装配式钢结构住宅体系，是推进标准化工作的重要障碍之一；
● 钢结构建筑标准化核心问题是通过标准化的部品部件组合，实现组建成建筑的多样化和个性化，满足不同用户的需求；
● 部品部件标准化和模数化，是实现商品化和规模化供应的前提，也是降低成本的必要条件。
2.2 可行路线
开发标准化的建筑钢结构体系，并完善配套的标准化围护体系，是突破目前钢结构建筑发展瓶颈的可行路线之一。
● 符合可持续发展要求的产业化之路首先要实现模数化和标准化，但在民用建筑、尤其是住宅中如何做好模数化、标准化，仍然需要我们大力度探索；
● 传统钢结构建筑多采用焊接型钢，设计标准化程度不足，钢构制作无法批量化，进而导致订单式加工制作的深化设计工作量大、加工成本高，既不环保，也阻碍了推广应用；
● 非标准化钢构件也导致围护和内装的标准化受阻，加之钢结构住宅需要解决防火、防腐和外露钢构件的美观问题，使得围护体系问题变得更加复杂。
3 产业协同问题
3.1 钢结构全产业链间协同不足
● 产业链上下游之间协同不足，信息不畅，现在有所好转，仍存在较大差距；
● 钢铁企业与钢结构企业缺少协同，尤其是轧制型材、高效钢材的应用进展缓慢；
● 钢结构设计-制造-运输-安装产业链协同不足，导致产品经济性和结构合理性问题；
● 钢结构建筑部品部件生产企业缺少协同，产品规格不统一，不成体系，没有全国性、地区性或者行业性的部品部件体系；
● 具有全产业链服务能力的大型企业很少，但还专注于自有体系研发，效率低、影响力弱。企业缺少协同，互不共用，分散了有限的资源，实际上阻碍了整个产业的迅速壮大。
3.2 钢结构设计和钢材、构件制造、安装、运输脱节，严重降低了钢结构的优势
● 设计、制作、安装、运输脱节，专业人员不足，导致了很多不合理的怪异部件，给制作和施工造成极大困难，也留下很大安全隐患；
● 焊接工程量巨大、节点型式复杂、构件重复率低、非标件多、板材厚度大及现场焊接量大，焊接效率低及质量问题突出，制约钢结构建筑产业发展。
钢结构工程设计应集成化，设计担当起统筹、协同大任，“设计-制造-安装”一体化或是发展方向。
3.3 质量监管认证有所缺失，加快建设质量认证体系
● 传统监管标准有缺陷：例，十年磨一刀，钢材厚度减肥5%，负公差板材数量占到总钢板数量的90%以上，极端情况负公差超过20%，超出设计安全储备。
钢材厚度实测值/公称厚度统计分布
● 应装配式建造方式的部品部件质量监管和认证体系有待建立，例如：围护部品的保温、隔音、防水等性能的质量监管认证体系。
● 钢材产品、钢构加工、安装施工质量仍需加强，质量监管和认证体系有待建立和完善。
3.4 设计可否担当大任
破解产业协同问题，推动标准化体系建设，突破行业发展瓶颈，步入平稳发展快车道，设计可否担当大任？
1. 现阶段应重点打造全产业链服务能力
● 研发、设计、部品生产、安装一体化，打造全产业链服务能力（可以推动优势企业形成联合体），方可破解装配式钢结构建筑（尤其是住宅）发展的瓶颈。
● 目前钢结构住宅产业由大型钢结构生产制造和安装企业牵头，但成效并不理想。设计师应积极迎接新事物，拓展视野，做好上游研发和下游制造安装的纽带。
2. 积极推动建立标准化体系
亟需通过标准化工作整合行业资源，建立部品部件体系和产品规格，壮大产业。
3. 体系和市场成熟，实行精细化分工
标准化体系完善后，市场的成熟方可推动市场分工精细化，进一步降低成本。
4 创新协同问题
在创新方面，高校、院所和企业的协同不足：
● 高校大量的研究缺少明确的实际应用需求，或者是不能及时地转化为生产力；
● 绝大部分企业自身研发能力不强，不足以解决工程亟需的关键技术问题；
● 高校往往更热衷于点状难题的解决，大企业力图涵盖研发、设计、制造、施工的专有体系性研究，缺少协同创新；
● 全国层面成果多、体系多，但可以共享的通用性成果少，标准化程度极低。
5 人才问题
钢结构产业链各环节从业人员都短缺：
● 建筑师作用发挥不充分。建筑师对钢结构建筑特点缺乏充分的认识，不能充分发挥钢结构的优势；
● 结构设计师的钢结构专业能力素养不足，影响钢结构的发展；
● 建筑工人大多为农民工，缺乏专业化产业技术工人，如焊工等；
● 监理单位和政府质量监管部门对钢结构建造的专业监督人员缺乏；
● 熟悉钢结构全产业链的复合型专业设计人才尤其稀缺！
我国钢结构快速发展仅十几年，缺乏高水平的民用钢结构建筑设计人才和产业化技术工人，亟需加强人员培养和认证，突破钢结构发展的人才瓶颈。
建筑结构设计规范调整研究（一）
—— 提高安全标准的关键技术指标对比研究
王翠坤 、黄小坤、肖从真、黄世敏、金新阳、 史志华、 朱爱萍、陈凯、罗开海、黄吉锋、陈才华、肖丽、肖川 、 夏昊等
（中国建筑科学研究院，大师、总工等）
任庆英
（中国建筑设计研究院，大师、总工）
娄 宇
（中国电子工程设计院，大师、总工）
陈彬磊
（北京市建筑设计研究院有限公司，总工）
冯 远
（中国建筑西南设计研究院有限公司，大师、总工）
周建龙
（华东建筑设计研究院有限公司，大师、总工）
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编者按
改革开放以来，我国工程建设标准的从数量、质量和标准体系都得以快速发展。近年来，国家开展进行的标准改革，冀望通过改革，完善标准体系构架、提升标准技术水准、厘清各类标准的地位和关系、加速标准与国际的接轨，因此，加大了改革的力度、强度、速度和宽度。多年来，我国的标准技术水平普遍偏低、前瞻性不足，城市生命线工程标准偏低，影响城市综合承载能力，增加了城市安全运行风险，基于此，本文站在工程建设标准化发展的战略高度，从提升标准对建构筑物安全保障出发，对“建筑结构设计规范调整”进行了系列研究，本期刊出王总团队研究工作的第一部分--对“提高安全标准的关键技术指标”核心问题的探讨，研究得出的建议对我国相应标准的修订制定具有直接重要的意义，并具有很好的指导引领及参考价值。希望分会广大会员积极阅读，引起重视，并进行相关思考和探究，能提出自己建议和看法，共同为我国建筑结构设计标准的科学发展奉献一己之力，共同提高我国工程建设标准的先进性和融合性。
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1 《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001中外标准对比结果
1.1 分项系数对比数据
通过与相关先进国家标准的对比，各国（地区）的分项系数的情况见表1.1。
表1.1
1.2 分项系数对比结论
表1.2
1.3 中美、中欧建筑结构安全度设置水平的比值
建筑结构安全度设置水平的比值情况见表1.3。
表1.3
经过分析，可以认为：作用分项系数的调整，使我国建筑结构安全度设置水平平均提高7%左右。
2 《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068-2018
调整后的分项系数值为：永久作用分项系数—1.3；可变作用分项系数—1.5；预应力作用分项系数—1.3。
3 《工程结构设计通用规范》（征求意见稿）
作用分项系数的取值见规范第3.2.12条，即：
结构的作用分项系数取值应符合下列规定：
1 房屋建筑结构的作用分项系数，应按下列规定取值：
1） 永久作用：当对结构不利时，应取1.3；当对结构有利时，不应大于1.0；
2） 预应力：当对结构不利时，应取1.3；当对结构有利时，不应大于1.0；
3） 除第4）项之外的可变作用，当对结构不利时应取1.5；
4） 标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面活荷载，当对结构不利时应取1.4。
其中第4）款是现行GB 50068-2018中没有的，其规定的1.4的分项系数取值，则比现行《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的1.3要高。
4 《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）
4.1 活荷载中外规范对比
活荷载中外规范对比值见表4.1。
表4.1
对比表中数据可见：
1. 普通住宅、旅馆和医院病房等楼面基本相同；
2. 办公楼、阅览室、会议室、教室、餐厅、饭店等人员可能聚集的公共用房，我国规范略偏低；
3. 车站、机场大厅，展览馆等人群可能聚集的公共场所我国规范偏低；
4. 健身房、演出舞台、运动场、舞厅等有人员剧烈活动的场所我国规范偏低；
5. 书库、档案库、储存库等存储类楼面我国规范偏低；
6. 商业类用房、百货批发类我国规范偏低较多；
7. 不上人屋面活荷载我国规范低了近一半。
4.2 风、雪荷载中外规范对比
1. 美国规范
在ASCE 7-05及以前版本，重现期50年，分项系数为1.6，重要性系数0.85～1.15。ASCE 7-10把荷载分项系数和重要性系数统一考虑到基本风速中，分别就Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类给出了3张基本风速图，经换算得到对应的重现期分别为300年、700年、1700年，实际上风荷载仍维持平均重现期50年，重要建筑为100年。雪荷载50年平均重现期，分项系数为1.6，重要性系数为0.8～1.2。
2. 欧洲规范
由各个国家附录自行确定，大多数国家采用的平均重现期为50年。
3. 中国规范
重现期为50年，重要建筑和风、雪敏感建筑的重现期为100年。
4.3 调整建议
荷载按建筑用途进行分类（细化分类），建议住宅、宿舍、旅馆、办公楼、托儿所、幼儿园以住宅客厅、卧室，旅馆客房，办公室，幼儿园活动房用途等分类。
提高部分楼面活荷载取值，见表4.3-1。
表4.3-1
增加集中力活荷载：参考欧美标准，建议下次全面修订时增加教室、办公室、医院、阅览室、会议室等公共用房的集中力活荷载，标准值建议取4kN左右。
提高基本风压和雪压的平均重现期：建议将基本风压和雪压的平均重现期由现在的50年提高至100年，重要建筑宜再提高10%。
提高了部分楼面活荷载的取值（第4.2.2条），与《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的比较见表4.3-2。
表4.3-2
鉴于近年来，地下室顶板在施工期间发生多起事故，本规范给出了地下室顶板施工荷载的强制性规定，要求“地下室顶板施工荷载不应小于5.0kN/m2，当有临时堆积荷载以及有重型车辆通过时，尚应按实际荷载验算。”
提高了栏杆活荷载取值水平。栏杆顶部的水平荷载由原来的1.0kN/m2提高到1.5kN/m2。增加了农业大棚的屋面活荷载取值。
风荷载部分，借鉴国外多种规范，引入了风向系数，考虑不同风向对风荷载的影响。
4.4 地震作用
1. 现象
我国大陆有2860个县级及以上城镇，绝大部分(84%)城镇的设防烈度为6、7度，历次地震的震害表明，低烈度设防区遭遇强烈地震破坏的情况明显大于8度及以上地区，比高烈度设防区更需要提高安全性。
2. 调整建议
地震作用分项系数调整：适应可靠度设计统一标准的调整，将地震作用的分项系数(强制性要求)由1.3改为1.4。
结构动反应放大系数的最大值βmax由2.25提高至2.50。
水平地震影响系数最大值见表4.4-1。
表4.4-1 水平地震影响系数最大值
注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
提高时程分析第一水准和第三水准的地面水平地震加速度取值，见表4.4-2。
表4.4-2 时程分析所用地震加速度时程的最大值（cm/s2）
5 《建筑与市政工程抗震通用规范》（征求意见稿）
5.1 地震作用分项系数
地震作用分项系数调整（第4.4.2条）的拟调整值见表5.1。
5.2 地震作用取值水平
结构动反应放大系数的最大值βmax由2.25提高至2.50，普遍提高结构地震作用取值的水平（第4.2.2条），见表5.2。
表5.1
注：黑色为现值。
表5.2
5.3 有效峰值加速度
时程分析所用各输入激励的有效峰值加速度（cm/s2）见表5.3。
表5.3
6 调整前后试设计对比
6.1 混凝土工程案例
13个实际混凝土工程案例：框架2个；框架核心筒5个；剪力墙6个。
河北，5层，7度0.15g；某办公楼项目，7层，6度；济南，29层，6度；西宁，22层，7度0.1g；赤峰，23层，7度0.15g；北京，15层，8度0.2g；北京，22层，8度0.2g；安徽，20层，6度；郑州，34层，7度0.1g
成都某住宅，33层，7度0.1g；昆明某办公楼，34层，8度0.2g；临汾，29层，8度0.2g；燕郊，15层，8度0.3g。
6.2 钢结构
250m，63层筒中筒结构；166m，37层框架-支撑筒结构；23m，6层框架结构
3个工程案例，分别按6度、7度、7度半、8度、8度半进行分析。
6.3 荷载、分项系数和地震作用调整方案
活荷载、作用分项系数和地震作用调整方案分别见表6.3-1、表6.3-2、表6.3-3。
表6.3-1 活荷载调整方案
表6.3-2 作用分项系数调整方案
表6.3-1 地震作用调整方案
6.4 整体指标对比
周期、最大位移、最大层间角位移、最小剪重比仅作用分项系数调整时，整体指标在调整前后保持不变；仅地震作用调整时，剪重比、最大层间位移角均有所增大；仅活荷载调整时，整体指标中剪重比与最大层间位移角有所增大，涨幅很小，周期比调整前也有所增长；
同时调整以上三项时，各项指标均有所增长，且涨幅均比单一项调整时明显。
6.5 材料用量对比
混凝土结构钢筋用量和钢结构用钢量增长率见表6.5-1、表6.5-2。
表6.5-1 混凝土结构钢筋用量增长率
表6.5-2 钢结构用钢量增长率
规范调整对沿海台风地区建筑结构
的影响及相关问题思考（一）
—规范调整对沿海台风地区建筑结构的影响评估
引言
本报告针对 《建筑结构可靠性设计统一标准》等规范、标准调整对强风易发多发地区（基本风压不小于0.5kPa，如粤港澳大湾区城市群）建筑结构的影响，包括台风对不同建筑结构类型的影响、结构变形及舒适度控制要求、抗风性能化设计、围护结构的技术要求等问题进行研究和分析。同时，就粤港澳地区建筑结构设计的有关问题，如结构标准建设、规范对比分析和设计标准融合等进行了探讨，得出的成果、建议和结论对沿海台风地区建筑结构的设计具有较好的指导意义。
1 规范调整概况
1.1 《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）
荷载组合与分项系数调整情况：恒载分项系数：1.2→1.3，活载分项系数：1.4→1.5，取消恒载控制时的恒载分项系数（1.35），增加预应力分项系数：1.3，风荷载分项系数按可变荷载确定。
1.2 《建筑与市政工程抗震通用规范》（征求意见稿）
1. 分项系数的调整
地震作用分项系数拟由1.3调整到1.4，见表1.2-1。
表1.2-1
2. 有效峰值加速度、水平地震影响系数的调整
罕遇地震有效峰值加速度的调整见表1.2-2。
表1.2-2
动力放大系数及水平地震影响系数的调整见表1.2-3。表1.2-3
2 规范调整对结构主要控制指标的影响分析
2.1 结构侧向刚度的影响
● 重力荷载设计值的定义及系数按现行《高规》，对结构整体稳定基本无影响。
● 由于风荷载标准值无变化，风荷载控制时无影响。
● 地震作用标准值与水平地震影响系数相关，6度增幅25%， 7-9度增幅12.5%-16.7%，对结构层间位移角控制有影响。
2.2 结构构件截面及内力的影响
● 重力荷载代表值下的轴压力设计值分项系数1.2→1.3，剪力墙轴压比约提高8%，建议通过提高混凝土强度等级来满足轴压比要求。
● 地震作用组合的轴压力设计值考虑地震作用的增加及分项系数的调整，框架柱轴压比约提高10-20%，需增大截面、提高混凝土强度等级或设置型钢等措施来满足轴压比要求。
● 对持久和短暂设计状态下结构构件内力设计值增量预估小于8%。
3 规范调整的影响案例分析
3.1 案例1：广东省珠海市
7度（0.1g），Ⅱ类场地，第二组；99m（32层），基本风压0.8kPa；剪力墙，抗震等级二级。
1. 计算结果
7度（0.1g），Ⅱ类场地，第二组；基本风压0.8kPa，风控。
2. 结构材料用量分析
● 风控的情况下，地震作用的增加对用钢量和混凝土用量无影响。
● 板筋用钢量增加小于5%；梁、墙配筋均为风控，梁用钢量增加7.9%，墙增加2%，总用钢量增加5%，均小于8%；均与前述分析基本一致。
3.2 案例2：海南省海口市
8度（0.3g），Ⅱ类场地，第二组；72m（24层），基本风压0.75kPa；剪力墙，抗震等级二级。需考虑结构刚度的需求及影响。
1. 计算结果
8度（0.3g），Ⅱ类场地，第二组；基本风压0.75kPa；地震作用控制。模型4剪力墙厚度较大，调整以满足刚度需求。
2. 结构材料用量分析
● 《建筑结构可靠性设计统一标准》2018版实施后，结构材料成本增加5%左右。
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