縱觀(guān)人類(lèi)建筑活動(dòng)史，建筑結構形式從平面結構、空間結構、仿生結構、金屬結構、木結構、裝配式結構等結構體系逐步演化。目前，作為裝配式結構之一的鋼結構建筑正朝著(zhù)構件小型化、精致化、輕質(zhì)化方向發(fā)展。
鋼結構建筑具有跨度大、強度高、質(zhì)量安全可靠、抗震性能優(yōu)越、空間布局靈活、使用面積增加、裝配便捷高效、施工污染減少、節能降碳突出、可循環(huán)利用等優(yōu)勢。
在“雙碳”目標引領(lǐng)下，發(fā)展鋼結構建筑不僅是建筑行業(yè)實(shí)現國家“雙碳”目標的重要途徑，也是鋼鐵行業(yè)優(yōu)化建筑用鋼消費結構、適應綠色低碳發(fā)展要求的重要舉措。
當前，我國擁有世界上規模潛力最大的鋼結構建筑市場(chǎng)，在經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、產(chǎn)業(yè)基礎、科技水平等方面具備加快發(fā)展鋼結構建筑的條件，在推廣鋼結構建筑上條件得天獨厚。鋼結構建筑在我國正處于大發(fā)展的起步階段，發(fā)展前景廣闊。
本文從國外鋼結構建筑發(fā)展歷史、國內鋼結構建筑發(fā)展歷史進(jìn)行總結分析，并對鋼結構建筑未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。
國外鋼結構建筑發(fā)展情況
一是早期國外鋼結構建筑發(fā)展情況。
18世紀末，英國開(kāi)始采用鐵框架作為主體結構建設廠(chǎng)房，“鋼結構建筑”發(fā)展開(kāi)始起步。1851年，低層鐵框架結構建筑——世界博覽會(huì )會(huì )場(chǎng)“水晶宮”在英國倫敦建成；1883年，當時(shí)世界上最長(cháng)的懸索橋——布魯克林大橋建成；1885年，芝加哥家庭保險公司采用鐵框架建成了世界上最早的高層（10層）建筑大樓。
隨后，1889年，埃菲爾鐵塔建成，鐵塔高300米，共用鋼鐵材料7000噸，代表著(zhù)鋼結構建筑時(shí)代的到來(lái)。1889年建成的巴黎博覽會(huì )機械陳列館運用當時(shí)最先進(jìn)的三鉸拱結構及優(yōu)質(zhì)鋼材，建筑跨度達到115米。19世紀末，美國采用鋼框架結構開(kāi)始建造住宅；1931年，美國建成102層高381米的紐約帝國大廈，標志著(zhù)真正的摩天樓時(shí)代開(kāi)始。上世紀30年代，建筑用鋼與玻璃結合，開(kāi)始展現建筑藝術(shù)美，如1930年開(kāi)始建成的吐根哈特住宅等。1937年，世界上最早的鋼結構大橋——舊金山金門(mén)大橋建成（圖1）。
圖1 舊金山金門(mén)大橋
二戰后，英國及歐洲國家為解決房屋荒，開(kāi)始采用鋼結構工業(yè)化方式大量建設住宅。
上世紀50年代，高層鋼結構建筑、空間鋼結構建筑開(kāi)始得到發(fā)展，如1952年建成的美國雷里競技館（圖2）開(kāi)創(chuàng )了現代懸索結構歷史。
圖2 雷里競技館
上世紀60年代后，鑒于經(jīng)濟性、安全性能（抗震、防火）及耐久性能等綜合考慮，輕鋼結構的價(jià)值得到普遍認可；網(wǎng)架結構與網(wǎng)殼結構建筑成為當時(shí)主要的大跨度空間結構形式，鋼結構建筑獲得較快發(fā)展，如1964年建成的肯尼迪圖書(shū)館、1980年建成的空間網(wǎng)架結構“水晶教堂”、1993年建成的日本網(wǎng)殼結構建筑福岡體育館等。
上世紀90年代以來(lái)，封閉型張拉膜結構建筑相繼建成，如1994年建成的美國丹佛國際機場(chǎng)候機大樓，建筑造型與自然、地方文化等均有結合。
二是近期國外鋼結構建筑發(fā)展情況。
從不同國家鋼結構建筑發(fā)展來(lái)看，美國從上世紀60年代開(kāi)始，其國內輕鋼建筑壟斷了低層非居住型建筑市場(chǎng)，1965年輕鋼結構在美國僅占建筑市場(chǎng)的15％，1990年上升到53％，1993年上升到68％，到2000年已經(jīng)上升到75％；日本鋼結構廣泛用于高層公共建筑，按2019年居住建筑、公共建筑（公共建筑不含居住建筑）、基礎設施等日本所有建筑的施工面積測算，木結構、鋼結構、鋼混結構占比分別為44%、37%、19%；英國積極引導裝配式建筑發(fā)展，明確要求在英國裝配式建筑中，新建的鋼結構建筑、模塊化建筑占比達70%以上，2020年英國模塊化建筑市場(chǎng)規模達892億元。
從國外鋼結構住宅發(fā)展來(lái)看，美國是最早采用鋼框架結構建造住宅的國家和地區之一，美國于1996年已建成20萬(wàn)幢鋼框架小型住宅，約占當年住宅建筑總數的20%。20世紀90年代末，日本預制裝配式住宅中鋼結構住宅基本占71%，近20年來(lái)新開(kāi)工建設的住宅中鋼結構住宅占比基本穩定在9%~15%。
總的來(lái)看，國外鋼結構建筑創(chuàng )新發(fā)展與應用具有以下特色：一是具有設計靈活多樣的鋼結構建筑構造體系，其主體結構體系由一系列能互相替換的定型構件組成，已形成該體系的構件目錄，建筑師可以選用其中的構件，像搭積木一樣組成多樣化的建筑。且國外裝配式鋼結構建筑主要體系各具特色，如意大利主要采用的結構體系適用于1~8層鋼結構住宅，美國廣泛采用的體系適用于1~4 層和12~15層建筑結構等。二是地震多發(fā)國家的鋼結構建筑體系側重居住房屋具有良好的抗震性。在其結構體系中，鋼柱采用C型鋼或H型鋼組成工字型、箱型截面，梁柱采用鍍鋅合金鋼加工，采用噴防火涂料或者用板材包裹隔斷來(lái)達到防火效果。三是提倡采用快速安裝預制住宅，普遍使用高強成型鋼材，可裁剪成組合件，通過(guò)鋼結構與混凝土結合發(fā)揮防火、隔聲、隔熱作用。
此外，值得注意的是，國外裝配式鋼結構建筑推廣獲得政府支持。比如，美國國會(huì )于1976年通過(guò)了國家工業(yè)化住宅建造及安全法案，出臺一系列嚴格的行業(yè)規范標準；瑞典政府為推動(dòng)裝配式建筑產(chǎn)品建筑工業(yè)化通用體系和專(zhuān)用體系發(fā)展，鼓勵只要使用按照國家標準協(xié)會(huì )的建筑標準制造的結構部件來(lái)建造建筑產(chǎn)品，就能獲得政府資金支持；澳大利亞與新西蘭于1996年聯(lián)合制定并發(fā)布實(shí)施冷彎成型結構鋼規范等。
我國鋼結構建筑發(fā)展情況
一是新中國成立后我國鋼結構建筑的嘗試。
我國鋼結構建筑是隨著(zhù)國家經(jīng)濟發(fā)展和鋼產(chǎn)量增加而逐步發(fā)展起來(lái)的。新中國成立后，我國鋼產(chǎn)量低（1950年粗鋼產(chǎn)量為60萬(wàn)噸），制約我國工業(yè)發(fā)展，鋼結構在建筑中的應用主要局限于一些標志性公共建筑和工業(yè)建筑，在民用居住類(lèi)建筑中較少應用。比如，1986年，中冶研究院和國外公司合作采用H型鋼作為承重梁柱，建設了一幢二層鋼結構樣板房；1987年，采用鋼結構的北京展覽館賓館建成；1994年，上海浦東采用框架承重體系建成8層鋼結構住宅；1998年，中鐵紫荊鋼結構公司建設一幢3層實(shí)驗樓，結構體系采用鋼框架—核心筒結構，梁柱采用焊接H型鋼。
二是鋼結構建筑的創(chuàng )新與發(fā)展。
上世紀50年代以來(lái)，我國鋼結構橋梁開(kāi)始發(fā)展。1957年建成武漢長(cháng)江大橋（圖3），標志著(zhù)新中國第一座現代化鋼結構橋梁面世。上世紀80年代初，鋼結構建筑迎來(lái)較快發(fā)展，沿海地區引進(jìn)輕鋼建筑，開(kāi)始興建鋼結構廠(chǎng)房、體育館、高層建筑等。超高層建筑大量采用鋼結構體系，上世紀80年代最高為208米，90年代最高達到460米。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破1億噸，國家開(kāi)始大力支持在建筑中應用鋼材。1999年，國家經(jīng)貿委明確將“輕型鋼結構住宅建筑通用體系的開(kāi)發(fā)和應用”作為建筑用鋼的突破點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，上世紀90年代后，鋼結構建筑在我國的發(fā)展揭開(kāi)了新的一頁(yè)，相繼建成了一些標志性的鋼結構建筑和大跨鋼結構建筑等，如1994年建成的上海東方明珠（圖4）等。20世紀以來(lái)，隨著(zhù)國家體育場(chǎng)（圖5）、上海東方體育中心（圖6）等的建成，我國鋼結構建筑設計與建造水準迅速提升。
圖3武漢長(cháng)江大橋
圖4 上海東方明珠
圖5 國家體育場(chǎng)
圖6上海東方體育中心
三是鋼結構建筑相關(guān)支持政策。
最早是在2000年，建設部提出“十五”期間應以住宅鋼結構為發(fā)展重點(diǎn)，提出“打基礎促發(fā)展，抓配套促應用，抓試點(diǎn)帶產(chǎn)業(yè)”的工作方針。隨后，“十三五”以來(lái)，黨中央、國務(wù)院出臺了一系列政策，推動(dòng)鋼結構建筑發(fā)展，具體見(jiàn)表1。
隨著(zhù)一系列政策的加持，我國鋼結構建筑近年來(lái)應用明顯增加，尤其是近3年鋼結構建筑產(chǎn)值穩步提升（詳見(jiàn)表2）。
四是典型H型鋼及建筑企業(yè)鋼結構住宅發(fā)展情況。
1999年，國務(wù)院辦公廳轉發(fā)建設部等八部委《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現代化提高住宅質(zhì)量若干意見(jiàn)》文件后，各高校、科研院所、企業(yè)等加大了對鋼結構住宅體系的研究力度。
隨后，國內典型H型鋼生產(chǎn)基地在“鋼結構住宅體系以及關(guān)鍵技術(shù)”方面的研究取得較好發(fā)展。比如，2001年，山鋼萊鋼開(kāi)始承擔建設部課題“H型鋼結構住宅建筑體系研究”，采用“鋼結構生態(tài)節能建筑新技術(shù)體系”建設了國內第一個(gè)裝配式鋼結構住宅示范小區——鋼城區櫻花園小區（圖7）；2019年，津西鋼鐵鋼結構裝配式住宅建成，其鋼梁采用熱軋H型鋼、熱軋鋼管做支撐，形成了“津西JST裝配式鋼結構建筑技術(shù)體系”等。
圖7 萊鋼鋼城區櫻花園小區
從國內典型鋼結構建筑企業(yè)發(fā)展案例來(lái)看，中國五礦近年來(lái)開(kāi)展了大空間住宅鋼結構體系等高效能標準化關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)項示范研究，取得了階段性成果。另外，其承建的廣州白云機場(chǎng)，使我國鋼結構建筑設計水平和美觀(guān)度迅速達到新的高度。寶鋼建科的實(shí)踐表明，綜合解決方案與傳統鋼結構體系相比，可以實(shí)現結構用鋼量降低10%~20%，綜合成本降低5%~15%，碳排放量減少10%~20%。另外，2018年竣工的高達528米的中國尊（圖8）也彰顯了鋼結構建筑的發(fā)展水平。
圖8 中國尊
鋼結構建筑未來(lái)發(fā)展展望
我國經(jīng)濟發(fā)展基本面穩固，具有完整的工業(yè)體系、強大的構件加工制造及配套能力，為鋼結構建筑加快發(fā)展提供了廣闊的空間。
一是鋼結構建筑將進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段。
智能生產(chǎn)、綠色建造、模塊化建筑、裝配式裝修、運行超低能耗，將是未來(lái)裝配式鋼結構建筑的發(fā)展趨勢。鋼結構建筑全過(guò)程實(shí)現高效能、標準化、裝配化，需要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同協(xié)作，從客戶(hù)端、產(chǎn)品端和優(yōu)化供應鏈管理等方面不斷創(chuàng )新提升，培育以技術(shù)、標準、品牌、質(zhì)量、信用和服務(wù)等為核心的新優(yōu)勢，并通過(guò)數字賦能、智能增效、綠色低碳，塑造發(fā)展新動(dòng)能，促進(jìn)裝配式鋼結構建筑高質(zhì)量發(fā)展。
二是鋼結構建筑用鋼需求將迎來(lái)新變化。
超高層、大跨度等鋼結構建筑在安全性、功能性等方面均對現代工程建設提出了新要求，具有高強韌性、高抗震性、易焊接、免涂裝等特點(diǎn)的綠色可持續性建筑用鋼將成為未來(lái)發(fā)展方向。同時(shí)，建筑用熱軋H型鋼將得到積極應用。國外主要發(fā)達經(jīng)濟體鋼結構用鋼基本上以熱軋H型鋼和高強、高性能鋼等為主，應用率在50%以上。目前，我國80%的鋼結構用鋼是Q235等級的普通鋼材，建筑用鋼及品種結構亟待優(yōu)化，應大力推廣熱軋H型鋼、以Q355級及更高級別的高強度、高性能鋼材代替Q235級鋼材，滿(mǎn)足鋼結構及鋼結構建筑行業(yè)用鋼要求。
三是綠色低碳裝配式鋼結構建筑更具新優(yōu)勢。
鋼結構建筑從產(chǎn)品全生命周期看是一種節能環(huán)保、可循環(huán)利用的工程結構形式。據中國工程院《鋼結構住宅產(chǎn)業(yè)化咨詢(xún)研究》報告數據，每平方米鋼結構建筑比鋼筋混凝土建筑在生產(chǎn)施工過(guò)程中可減少能耗12%、減少二氧化碳排放15%、減少固體廢棄物51%。
在碳中和目標驅動(dòng)下，建筑業(yè)低碳化將成為必然趨勢，裝配式鋼結構建筑施工高效率、控制高精度、安裝高靈活性、材料可回收利用，同時(shí)內裝智造體系，管線(xiàn)、設備、內裝等裝配率可達90%以上，都將利于實(shí)現零碳建筑。
四是鋼結構建筑未來(lái)結構造型將更突出自然和諧。
鋼結構建筑未來(lái)造型將更多與自然、地方文化相結合，結構及形式將呈現“空靈美、線(xiàn)條美、動(dòng)態(tài)美、精致美、色彩美”趨勢，仿生化傾向、生態(tài)化發(fā)展趨勢更明顯。
目前，我國鋼結構在基礎設施建設、公共建筑等領(lǐng)域的應用已基本能夠在現有政策支持下實(shí)現市場(chǎng)化、可持續發(fā)展，并呈現鋼材使用向高性能、高功效發(fā)展態(tài)勢。與此同時(shí)，鋼結構住宅推廣應用尚有不足，是今后鋼結構建筑發(fā)展的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。下一步，要充分發(fā)揮鋼鐵、建筑兩大產(chǎn)業(yè)的超大規模市場(chǎng)優(yōu)勢，利用鋼鐵業(yè)充分且先進(jìn)的制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同能力，促進(jìn)鋼結構住宅的模式和業(yè)態(tài)創(chuàng )新，構建強大的市場(chǎng)競爭力。
