早期的鋼結(jié)構(gòu)建筑都是由一幫建筑“門外漢”發(fā)展起來的

（文/圖）丁成章 高級工程師

追溯世界鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展史，你會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：

·（歐洲）早期的鋼結(jié)構(gòu)建筑是在一幫鐵路和橋梁工程師的推動下發(fā)展起來的；

·日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑是在一幫造船工程師的推動下發(fā)展起來的；

·只有中國的鋼結(jié)構(gòu)建筑是由建筑界的“內(nèi)行人”搞起來的。

也就是說，發(fā)達國家的鋼結(jié)構(gòu)建筑都是由一幫建筑“門外漢”發(fā)展起來的，但是要注意，雖然對于建筑，他們是門外漢，但對于鋼材，他們卻是了如指掌，應(yīng)用自如。因而才會通過他們不斷的努力和探索，最終成為了主導(dǎo)世界建筑界的主人。是他們把鐵路軌道帶進了建筑界，演變成工字鋼，才會有今天建筑界大量使用的H型鋼。另外，與鋼結(jié)構(gòu)配套的圍護結(jié)構(gòu)，例如玻璃幕墻、鋁幕墻、金屬龍骨外墻體系、鈦金屬外墻體系等，都是由一幫建筑界的“門外漢”開發(fā)出來的。

一、裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的先驅(qū)者——約瑟夫·帕克斯頓是一個花匠

水晶宮設(shè)計師約瑟夫·帕克斯頓，一個花匠的兒子，在他23歲時受雇于德文郡六世公爵。在1850年之前他已經(jīng)出版了許多著名的園藝方面的書籍。

約瑟夫·帕克斯頓不到二周就畫出設(shè)計草圖，其基本原理就是他早先在查茨沃思設(shè)計的，用于種植巨大的維多利亞雷吉亞百合花的花房。創(chuàng)造性的花房設(shè)計結(jié)構(gòu)采用了苗條的十字骨架來加強放射狀的骨架。

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仰仗現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)提供的經(jīng)濟性、精確性和快速性，第一次完全采用單元部件的連續(xù)生產(chǎn)方式，通過裝配式結(jié)構(gòu)的手法來建造大型空間，設(shè)計和建造了倫敦世界博覽會會場水晶宮。只用6個月就建成了長563m、寬124m、最大跨度22m、最高頂棚高度33m；約9萬m2的建筑面積（圖4）。

圖4

水晶宮經(jīng)歷了從設(shè)計構(gòu)思、制作、運輸?shù)阶詈蠼ㄔ旌筒鸪娜^程，是一個完整的預(yù)制建造系統(tǒng)工程。盡管是馬拉肩扛（圖5-10），卻首創(chuàng)了工廠預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場裝配的技術(shù)模式，是現(xiàn)代建筑（鋼材骨架和玻璃幕墻）的開山之作。

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二、埃菲爾鐵塔的設(shè)計師是一位鐵路工程師

在公元1750年～公元1850年之間，英國鋼鐵產(chǎn)量增長了四倍，到1850年已經(jīng)達到200萬噸。

公元1831年，在美國首次應(yīng)用軋制火車導(dǎo)軌（圖11和圖12），鐵軌逐漸采用這種下寬上窄的工字型截面并沿用至今。后來的工字鋼和H型鋼都是在鐵軌基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。早期的鋼結(jié)構(gòu)建筑都是借用鐵路和鐵路橋梁的技術(shù)和材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也都是由鐵路和鐵路橋梁工程師擔(dān)當(dāng)。

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公元1884年，工程師埃菲爾（Eifel）設(shè)計建造了165m跨度的鐵橋（圖13）。

圖13

公元1887年，工程師埃菲爾（Eifel）設(shè)計建造了160m跨度的鐵橋（圖3-4）。

公元1889年，有著豐富的鐵路高架橋設(shè)計和建造經(jīng)驗的工程師埃菲爾（Eifel）與工程師努維依爾（Nouguier）、柯赫林（Koechlin）和建筑師斯特芬·索維斯特（Stephen Sauvestre）共同為巴黎世界博覽會設(shè)計了300m高的埃菲爾鐵塔（圖15）。建造的當(dāng)時，當(dāng)?shù)氐乃囆g(shù)家和文化名流們對它發(fā)起了猛烈的反對運動，著名作家莫伯桑說：“鐵塔建成之日，是我離開巴黎之日”，可是鐵塔竣工后卻成了代表巴黎形象的結(jié)構(gòu)物。

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三、日本鋼結(jié)構(gòu)建筑先驅(qū)者——若山鉉杰是一位海軍造船師

1894年，日本海軍造船技師若山鉉杰把歐洲的鋼結(jié)構(gòu)引進日本，采用鋼材管狀柱子，熱軋角鋼桁架梁，設(shè)計、建造了日本最早的鋼結(jié)構(gòu)建筑——東京京橋三層樓的秀英社印刷廠（圖16）。

圖16

1909年，日本鋼結(jié)構(gòu)的開拓者佐野利器完成了建筑面積500m2，三層樓高，鋼材框架結(jié)構(gòu)的丸善大廈（圖17）。該建筑完全采用鋼材建造鋼框架，外觀雖然還保留著古典建筑風(fēng)格，但明亮的玻璃建筑（大型窗戶和門）立面，卻給人一種新型建筑的感受。佐野利器（1880～1956年）是日本著名的建筑結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和建筑設(shè)計師，為推進日本的鋼材結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展，專門在東京帝國大學(xué)機械系（注意，不是建筑系?。╅_設(shè)了“鐵骨結(jié)構(gòu)學(xué)”這門課程。把鋼結(jié)構(gòu)建筑這門課程開設(shè)在機械系里的好處是：可以充分借鑒機械行業(yè)數(shù)百年來所積累的鋼材制造、加工和使用經(jīng)驗；可以充分利用機械系里的師資、教材和實驗設(shè)備。

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四、空間桁架的發(fā)明者——貝爾是電話發(fā)明者

人們熟知的亞歷山大·格雷漢姆·貝爾（Alexander Graham Bell），是電話發(fā)明者。

鮮為人知的是，偉大的發(fā)明家亞歷山大·格拉哈姆·貝爾（Alexander Graham Bell）首先掌握了空間桁架的結(jié)構(gòu)原理，并應(yīng)用于實際的結(jié)構(gòu)物上。為了使飛機結(jié)構(gòu)更加輕盈，亞歷山大·格拉哈姆·貝爾在1907年開創(chuàng)了多面體（簡單的平面桁架形式的三維基本結(jié)構(gòu)）。其基本結(jié)構(gòu)是一個四面體，四面體是由四個三角形表面構(gòu)成的實心界面。在規(guī)則的四面體里，由四個等邊三角形和六條相等的邊緣組成邊界。在骨架形式里，就表現(xiàn)為單獨的邊緣，為了形成四個等邊三角形，要把六個相等的桿子頭對頭合在一起，以產(chǎn)生規(guī)則的四面體骨架。

亞歷山大·格雷厄姆·貝爾指出，這種結(jié)構(gòu)體系不僅可以用在風(fēng)箏和飛機這樣的輕型骨架上（圖21-圖22），也可以用在其它任何結(jié)構(gòu)上，特別是可以廣泛的用于建筑結(jié)構(gòu)中，1907年他在自己家院子里建造的瞭望塔就是這種思想的具體實踐（圖23-圖26），結(jié)果，使他又在建筑領(lǐng)域里做出了一項偉大的貢獻。他的瞭望塔高24.4m，三條腿的簡單結(jié)構(gòu)，不過，每條腿都是由他開發(fā)的正四面體組成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。每個正四面體的單邊長度為1.2m，有六根電鍍鋼材管子和四個節(jié)點構(gòu)成，全部都是在工廠里制作的。各個正四面體之間的相互連接和組裝則是在現(xiàn)場進行，并且全部都是由工人手工操作。

這項創(chuàng)造的重要之處不僅體現(xiàn)在空間結(jié)構(gòu)的合理性方面，而且還形成了結(jié)構(gòu)“單元”這一概念。以“單元”為單位，不斷的變化它們的排列和組合，就能夠建造出不同大小和形狀的建筑結(jié)構(gòu)，從而開創(chuàng)了系列化、標(biāo)準化、產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)建筑構(gòu)件的先河。在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)中，到處都體現(xiàn)出亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的這種超前的建筑哲學(xué)思想。

馬克斯·邁戈瑞豪森（Max Mengeringhausen）1940年在德國（圖27-圖28）和康恩達·瓦西斯曼（Konrad Wachsmann）1950年在美國把它把它發(fā)展成為非常精密復(fù)雜的空間骨架（圖29-圖34）。

五、克雷格·艾爾伍德

克雷格·艾爾伍德的設(shè)計代表的是20世紀50～60年代加利福尼亞的“感覺好的”建筑。文雅、潔凈和簡單，他的建筑變成了時尚偶像，并且比密西西比州的任何其他設(shè)計公司都要出色。從1955～1957年的亨特住宅，到1968～1969年在馬利布海灘上設(shè)計的帕勒斯凱住宅，他設(shè)計的住宅充分顯示了生活的情景，既有靈氣，又可以觸摸。

在20世紀60年代，克雷格·艾爾伍德受到密斯·范·德·羅厄的簡單建筑學(xué)非常大的影響。然而，克雷格·艾爾伍德不像密斯·范·德·羅厄那樣拘泥于形式，而是在美學(xué)觀點上靠近查爾斯·埃姆斯輕的鋼材框架結(jié)構(gòu)?？死赘瘛ぐ瑺栁榈略瓉淼拿纸屑s翰尼·伯克（Johnnie Burke），他1922年出生于德克薩斯州克拉倫登一個巡回演唱者家庭，由于他母親的原因，約翰尼·伯克很早就在圣伯納瑞迪烙和洛杉磯唱紅。他從來沒有學(xué)習(xí)過建筑學(xué)，但是卻誤闖進建筑業(yè)，一開始，克雷格·艾爾伍德在洛杉磯一家建筑公司里做建筑物成本評估師，他白天做成本評估師，晚上在加州大學(xué)洛杉磯分校讀夜校。在他完成學(xué)業(yè)的前一年，即1947年，他與其兄弟和二位戰(zhàn)時伙伴合伙開辦了一家公司，這個公司叫做克雷格·艾爾伍德事務(wù)所。

在克雷格·艾爾伍德研究建筑理論之前，就已經(jīng)學(xué)習(xí)過安裝鋼材和塑料板。這就使他了解了鋼結(jié)構(gòu)，而他同時代的人卻很少能夠從建筑學(xué)校學(xué)到這些知識（就像現(xiàn)在中國建筑院校里的學(xué)生在學(xué)校里學(xué)不到鋼材建筑學(xué)、現(xiàn)代建筑方法及趨勢一樣）。

克雷格·艾爾伍德的設(shè)計公司在鋼材的運用方面，具有富有思想性的細節(jié)設(shè)計和創(chuàng)造技巧。他開發(fā)出裸露著華倫式桁架的特有的結(jié)構(gòu)裝置，采用小構(gòu)件跨越大距離。

克雷格·艾爾伍德的名言“結(jié)構(gòu)只是純原理。當(dāng)結(jié)構(gòu)決定了形狀，以及功能、區(qū)域、文化和氣候決定了可能的特性時，形式只是所要的結(jié)果。結(jié)構(gòu)沒有必要指定區(qū)域、文化和氣候。結(jié)構(gòu)沒有必要指定鋼材或混凝土框架。建筑物的三個基本要素是實體、苗條的構(gòu)件和受壓表面。建筑師可以漫無邊際的選擇不同的形式，但每個都要具有結(jié)構(gòu)完整性和清晰的思路……”

“磨練是關(guān)鍵的字匯。必須要做一些比較武斷的決定，有時還是強制性的，這才能激發(fā)建筑風(fēng)格的形成。只有在行為變得武斷、異?；驎r髦的瞬間，形式才會變得有點不同于正統(tǒng)的建筑風(fēng)格。形式必須表達邏輯性、內(nèi)涵和合理性，然而形式卻不能獨自存在，結(jié)構(gòu)技術(shù)只是達到正確形式的手段……，只有通過結(jié)構(gòu)我們才能夠創(chuàng)造出新的建筑風(fēng)格……”

六、冷軋輕鋼構(gòu)件設(shè)計規(guī)范

1939年，由美國鋼鐵學(xué)會（AISI）出資，由康耐爾大學(xué)（Cornell University）的喬治·溫特（George Winter）教授負責(zé)對薄壁冷軋鋼材構(gòu)件進行實驗和設(shè)計理論研究。

1945年，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，憑借戰(zhàn)爭成果，有了豐富的鋼材，很多鋼材公司都指望把住宅建筑當(dāng)作利用制造能力獲利的手段。

圖34

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1946年，受美國美國鋼鐵學(xué)會（AISI）委托，康奈爾大學(xué)的喬治·溫特爾博士首次為冷軋鋼材制定了規(guī)范。

圖37

為了解決二戰(zhàn)退伍兵的就業(yè)和居住問題（圖38-圖40），美國政府開展了一次轟轟烈烈的“造城運動”。

圖38

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美國鋼鐵行業(yè)為了消化戰(zhàn)爭帶來的大量鋼鐵產(chǎn)能過剩，沒有坐等政府的產(chǎn)業(yè)政策扶持，而是開始了“供給側(cè)”改革，大力發(fā)展冷軋輕鋼建筑。

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這個時候，美國也沒有鍍鋅卷板，所以只能采用冷軋板來輥軋加工構(gòu)件（圖41-圖43），然后上烤漆流水線做防腐處理（圖44）。但這并不耽誤美國人發(fā)展和使用冷軋鋼材建筑。

這個時候，美國也沒有自攻螺釘，所以只能采用普通螺釘（圖45），甚至釘子來安裝結(jié)構(gòu)覆蓋物（圖46）。

圖45

圖46

20世紀，40年代，美國也有“螺釘槍”，甚至“手電鉆”，只能采用手動螺絲刀作業(yè)。

在紐約就建造了幾個萊頓城，現(xiàn)場建造住宅采用的產(chǎn)業(yè)化方式類似于一個在現(xiàn)場的工廠。生產(chǎn)技術(shù)模仿了工業(yè)過程，工人們從一個地塊輪換到另一個地塊，就像在組裝線上作業(yè)（圖47-圖50）。

圖47

圖48

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二戰(zhàn)后，鍍鋅鋼板問世。

1996年，由美國鋼鐵協(xié)會（AISI）開發(fā)，由美國鋼鐵協(xié)會住宅咨詢組的說明性方法小組委員會領(lǐng)導(dǎo)。由美國鋼鐵協(xié)會（AISI）、美國住宅和城市發(fā)展部（HUD）和美國全國住宅建造商協(xié)會（NAHB）提供資助，由美國全國住宅建造商協(xié)會研究中心（NAHBRC）執(zhí)行，歷時4年，完成了《住宅冷軋鋼骨架說明性方法96版》。這項研究和開發(fā)程序得到了指導(dǎo)、咨詢和工程委員會的幫助和指導(dǎo)。這些委員會分別代表鋼材制造商、鋼材生產(chǎn)商、規(guī)范官員、學(xué)術(shù)團體、研究人員、專業(yè)工程師和有冷軋鋼骨架經(jīng)驗的建造商的利益。

圖50

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緊接著于1997年又推出了《住宅冷軋鋼骨架說明性方法97版》。

1997年（圖53），中國深圳從美國引進了的冷軋鋼材骨架住宅。

圖52

1986年，美國鋼鐵學(xué)會（AISI）首次采用屈曲強度理論和允許應(yīng)力設(shè)計（ASD）方法編制了《冷軋鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)范》（AISI 1986）。

1996年，美國鋼鐵學(xué)會（AISI）首次采用荷載和抵抗系數(shù)設(shè)計（LRFD）方法編制了《冷軋鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)范》（AISI 1996）。

1998年，美國鋼鐵協(xié)會（AISI）的成員公司成立了住宅鋼材合作企業(yè)（RSP）。這個組織的使命是創(chuàng)造一個能夠和鼓勵在住宅建筑里應(yīng)用、節(jié)約和普遍使用鋼材的環(huán)境。住宅鋼材合作企業(yè)（RSP）的活動將包括創(chuàng)造標(biāo)準、培訓(xùn)骨架施工人員和其它的商業(yè)伙伴、定義有效的分銷渠道和在新住宅買家市場里促進消費鋼材骨架。

2000年，在早先的二個版本（即96版和97版）基礎(chǔ)上，根據(jù)《冷軋鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)范》（AISI，1986），由Nader R. Elhajj專業(yè)工程師和Kevin Bielat為北美鋼材骨架聯(lián)盟（NASFA）開發(fā)出了《住宅冷軋鋼材骨架說明性方法2000版》。

圖53

2004年，美國鋼鐵學(xué)會（AISI）首次采用直接強度方法（DSM）編制了《冷軋鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)范》（AISI 2004）。

現(xiàn)在，除了中國外，全球幾乎所有具有冷軋輕鋼設(shè)計、制造和安裝能力的國家和地區(qū)，都在采用或等效采用美國鋼鐵協(xié)會編制的《冷軋鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)范》。

在中國，由于“條塊分隔”的政府組織架構(gòu)，中國鋼鐵協(xié)會對于鋼結(jié)構(gòu)建筑標(biāo)準的制定幾乎毫無建樹。盡管十多年前，國際鋼鐵協(xié)會曾經(jīng)委托中國鋼鐵協(xié)會編制一套適合第三世界（尤其是中國、印度和南非）應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準，但由于冶金部的撤銷，技術(shù)人員的老化，以及標(biāo)準編制權(quán)利等諸多問題制約，中國鋼鐵行業(yè)最終無法拿出這份標(biāo)準。而中國建筑行業(yè)的技術(shù)人員絕大部分都是現(xiàn)澆混凝土專業(yè)人士，對鋼材特性、鋼材制造、鋼材應(yīng)用很外行，當(dāng)然也很難拿出讓國際鋼鐵協(xié)會滿意的鋼結(jié)構(gòu)住宅標(biāo)準。

七、結(jié)束語

中國的鋼結(jié)構(gòu)建筑是被市場所逼，由一些對鋼結(jié)構(gòu)外行的土木建筑師和結(jié)構(gòu)工程師發(fā)展起來的。

雖然建筑院校的老師深懂建筑，但是對于鋼材，他們卻是門外漢。講授“土木建筑學(xué)”的教師對鋼材的認知程度很低，讓他們?nèi)ブv授“鋼材建筑學(xué)”有點勉為其難。很多建筑院校里根本就沒有機械工程專業(yè)，如何讓學(xué)生去了解“緊固件”、“焊接和鉚接”、“鋼絲繩”（礦業(yè)學(xué)院的學(xué)生都應(yīng)該對鋼絲繩不陌生，因為礦井提升機離不開它）、《機械制造工藝學(xué)》，《金屬工藝學(xué)》，以及各種與鋼材有關(guān)的專業(yè)知識。

雖然結(jié)構(gòu)專業(yè)已經(jīng)開始教授起《鋼結(jié)構(gòu)》課程，但建筑學(xué)專業(yè)仍然停留在教授《土木建筑學(xué)》課程上，無法開設(shè)《鋼材建筑學(xué)》課程，因為至今仍然還沒有一本可供教學(xué)使用的《鋼材建筑學(xué)》課本。

從設(shè)計到建造鋼結(jié)構(gòu)建筑，需要以下四個主要過程：

建筑設(shè)計——結(jié)構(gòu)設(shè)計——制造——安裝

目前鋼結(jié)構(gòu)建筑的“制造”和“安裝”技術(shù)主要由企業(yè)自我培訓(xùn)完成，技術(shù)人員主要來自船舶、橋梁、汽車制造，以及其它機械制造類專業(yè)學(xué)生。

結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來自建筑院校剛結(jié)構(gòu)專業(yè)，也有很大一部分來自機械類專業(yè)。

建筑設(shè)計還是由精通“土木建筑”的建筑師來完成。

我經(jīng)常和年輕的工程師們說：“產(chǎn)品開發(fā)有3D階段，即drawing（畫圖）、design（設(shè)計）和development（開發(fā)）這三個階段。最高層次是development（開發(fā)），次一點是design（設(shè)計），最后才是drawing（畫圖）”。

由于《鋼材建筑學(xué)》教育嚴重滯后與建筑實踐，這就造成很多中國建筑師只懂《土木建筑學(xué)》，不懂《鋼材建筑學(xué)》，很多大型鋼結(jié)構(gòu)建筑就只能請外國人進行創(chuàng)意（development）和設(shè)計（design），中國設(shè)計院只能幫忙畫圖（drawing）。

造成的結(jié)果就是，中國現(xiàn)代大型鋼結(jié)構(gòu)建筑（包括奧運場館、大型飛機場候機樓和為數(shù)不多的超高層建筑）大多數(shù)都是外國設(shè)計師設(shè)計的。