空間設(shè)計(jì)用高性能鋼

丁希凡，李倩薇，李 偉

(1. 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200240)(2. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

1 前 言

1851年，設(shè)計(jì)師帕克斯頓創(chuàng)造性地使用玻璃和鐵架搭起一座“水晶宮”，自此，越來(lái)越多的鋼鐵和其他材料復(fù)合應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中。在當(dāng)代，鋼筋水泥的廣泛應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了未來(lái)空間的黃金公式——成為時(shí)代的鏡子。新材料和新技術(shù)的應(yīng)用極大地豐富了人們的想象力和創(chuàng)造力，得到了建筑、空間設(shè)計(jì)、視覺(jué)設(shè)計(jì)師的積極響應(yīng)，將材料和技術(shù)與設(shè)計(jì)相結(jié)合，技術(shù)的進(jìn)步會(huì)推動(dòng)藝術(shù)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，從而形成新的藝術(shù)形式[1]。

材料是空間設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文以高強(qiáng)鋼材料為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼材料在空間設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的視覺(jué)效果、觸覺(jué)感受等體驗(yàn)和調(diào)研，闡述其作為設(shè)計(jì)要素的決定性作用及發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 空間設(shè)計(jì)

1.1.1 空間設(shè)計(jì)的定義

空間設(shè)計(jì)包括建筑設(shè)計(jì)(如地標(biāo)建筑設(shè)計(jì))、室內(nèi)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)和服務(wù)設(shè)計(jì)，同時(shí)也是公共藝術(shù)?？臻g設(shè)計(jì)關(guān)注空間傳播價(jià)值和增強(qiáng)體驗(yàn)。本文所指空間設(shè)計(jì)為狹義的建筑空間設(shè)計(jì)，即人們?yōu)闈M足基本需要所造的人工環(huán)境。陳志華等[2]將其定義為平面結(jié)構(gòu)相異的、受力的三維形體，在荷載作用下呈現(xiàn)空間工作的結(jié)構(gòu)。

1.1.2 空間設(shè)計(jì)的體驗(yàn)

體驗(yàn)是人與人之間經(jīng)歷某一事件或者感受事物時(shí)所獲得的共覺(jué)聯(lián)系?？臻g設(shè)計(jì)的體驗(yàn)，顧名思義是空間設(shè)計(jì)產(chǎn)生的獨(dú)特共覺(jué)?；魻栐凇艾F(xiàn)象區(qū)”中表述：通過(guò)建筑的透視關(guān)系，局部與整體，細(xì)節(jié)、材料和空間的聯(lián)系，氣味、聲音和尺度與人的體驗(yàn)互相反應(yīng)，形成獨(dú)特的體驗(yàn)。現(xiàn)象區(qū)包括的客觀存在的色彩、光影、知覺(jué)……對(duì)應(yīng)人的主觀感知為造型、色彩、光影、質(zhì)感、風(fēng)格、裝飾的感知。這些感知構(gòu)成對(duì)空間設(shè)計(jì)的體驗(yàn)。

1.2 空間設(shè)計(jì)中的材料高性能化與設(shè)計(jì)時(shí)尚化

1.2.1 材料高性能化

在空間設(shè)計(jì)中，高性能化材料是指區(qū)別于傳統(tǒng)材料，在溫度、磁場(chǎng)、應(yīng)力、抗菌、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及裝飾性特性中有所提升的材料。這些材料能幫助表達(dá)與眾不同的空間語(yǔ)言。面向設(shè)計(jì)主要需要考慮的材料特征有力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、生態(tài)性能及綜合性能。材料的高性能化就是使之在上述的性能中與傳統(tǒng)材料或與競(jìng)爭(zhēng)材料相比更具優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 設(shè)計(jì)時(shí)尚化

空間設(shè)計(jì)時(shí)尚化主要有兩點(diǎn)：一是形式設(shè)計(jì)的時(shí)尚化，二是設(shè)計(jì)意味的時(shí)尚化。形式設(shè)計(jì)的時(shí)尚化主要由形式美法則中衍生，包括造型的個(gè)性化、色彩的時(shí)尚化、材料的時(shí)尚化。結(jié)構(gòu)時(shí)尚化體現(xiàn)在和諧均衡、變化統(tǒng)一、對(duì)比、節(jié)奏韻律；色彩時(shí)尚化體現(xiàn)在明暗、色彩搭配、層次；材質(zhì)時(shí)尚化體現(xiàn)在質(zhì)感表達(dá)的感受、性格、氣氛；而整體的空間又包含營(yíng)造的聽(tīng)覺(jué)層次，整體的心靈震撼等。設(shè)計(jì)意味的時(shí)尚化主要包括：時(shí)代意義的顯現(xiàn)、時(shí)代文化的結(jié)晶、民族特征、宗教特征等。

2 基于高性能鋼的建筑結(jié)構(gòu)與建筑空間設(shè)計(jì)造型時(shí)尚化

2.1 結(jié)構(gòu)

2.1.1 基于鋼的建筑結(jié)構(gòu)

隨著世界各國(guó)高層、超高層以及大跨度結(jié)構(gòu)建筑的林立，建筑鋼結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展。建筑鋼結(jié)構(gòu)以高性能鋼(high performance steel, HPS)為主要材料制作成鋼板、鋼絲、鋼絞線、鋼棒、鋼管等，使用焊接、粘連、螺栓固定以及常見(jiàn)的焊接方式，使材料互相連結(jié)構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)中有如下幾種典型的構(gòu)件結(jié)構(gòu)：

(1)桁架與網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用具有彎曲和拉伸特性的線材以承受更強(qiáng)的力并且在增大立體結(jié)構(gòu)的空間跨度上節(jié)省大量材料，多用于大跨度結(jié)構(gòu)的建筑橋梁設(shè)計(jì)[3]。

(2)拱與懸索結(jié)構(gòu) 拱形是利用弧形推力的結(jié)構(gòu)。郭彥林等[4]總結(jié)道：拱形鋼結(jié)構(gòu)的主要形式分為普通截面鋼拱、腹板開(kāi)孔鋼拱、波紋拱板以及波浪(折)腹板鋼等(統(tǒng)稱實(shí)腹式截面拱),鋼管桁架拱,索拱以及鋼管混凝土拱。

(3)殼體與折板 殼體利用面材的轉(zhuǎn)折或彎曲加強(qiáng)材料的強(qiáng)度，以形成立體姿態(tài)，殼體結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓性能。殼體結(jié)構(gòu)主要包括：類球面的扁薄殼體結(jié)構(gòu)[5]、平型殼元、曲型殼元、消退型殼元[6]等。折板以折疊增強(qiáng)側(cè)面受力達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效果。折板是由若干塊平板組合而成空間薄壁結(jié)構(gòu)(也稱棱柱形折板)，殼體結(jié)構(gòu)是由空間曲面型板或加邊緣構(gòu)件組成的空間曲面結(jié)構(gòu)，而折板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)則結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)。由于其組成單元為一定平面的平板網(wǎng)架，故在構(gòu)件的加工制作、結(jié)構(gòu)施工安裝方面具有簡(jiǎn)單方便、機(jī)械化程度高、模塊化、工廠定制化等特點(diǎn)。另外，折板式網(wǎng)殼受力性能接近于曲面網(wǎng)殼，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均優(yōu)于平板網(wǎng)架，用鋼量也較網(wǎng)架少，建筑造型優(yōu)美，較之平板網(wǎng)架具有更大的發(fā)展?jié)摿7]。尹淦生[8]將折板空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)歸納為3類：① 單層折板網(wǎng)殼、② 多維折板網(wǎng)殼、③ 組合折板網(wǎng)殼。折板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的力學(xué)性能、雅致優(yōu)美的建筑造型而被廣泛應(yīng)用。

(4)弦支結(jié)構(gòu) 弦支結(jié)構(gòu)主要有平面弦支結(jié)構(gòu)、雙向弦支結(jié)構(gòu)、空間弦支結(jié)構(gòu)。弦支結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是通過(guò)撐桿連接上弦受壓桿件和下弦受壓桿件，通過(guò)張拉結(jié)構(gòu)在弦上施加預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度以減小荷載作用下結(jié)構(gòu)最終撓度，從而形成自平衡體系[9]。

2.1.2 可拆卸結(jié)構(gòu)

可拆卸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)綠色生態(tài)化設(shè)計(jì)具有積極意義。在現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)的體系中的可拆卸鋼結(jié)構(gòu)主要包括：① 高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)、② 高聳鋼結(jié)構(gòu)、③ 大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)體系主要分為剛性結(jié)構(gòu)體系、柔性結(jié)構(gòu)體系、雜交結(jié)構(gòu)體系[9]。

2.1.3 連接結(jié)構(gòu)

連接結(jié)構(gòu)是三維中點(diǎn)與線連結(jié)成面形成的結(jié)構(gòu)藝術(shù)。建筑空間造型中節(jié)點(diǎn)是檢驗(yàn)力流流暢度的區(qū)域，同時(shí)也是構(gòu)成建筑空間結(jié)構(gòu)藝術(shù)的重要關(guān)節(jié)。

以下是鋼結(jié)構(gòu)中幾種典型的連接方式：

(1)梁柱節(jié)點(diǎn)的基本連接方式有：焊接和螺栓。

(2)高層建筑中的連接方式：伸臂桁架連接。

趙憲忠等[10]選擇上海中心第二分區(qū)加強(qiáng)層位置的試件進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)研究。研究表明，在單調(diào)荷載作用下，單斜桿網(wǎng)架具有良好的承載力，有助于實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和弱元件”的良性破壞機(jī)制，能滿足良好的抗震目標(biāo)。

2.2 基于高性能鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)尚化建筑空間設(shè)計(jì)案例

奈爾維[11]曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“建筑不是簡(jiǎn)單的技術(shù)加藝術(shù)，而是技術(shù)與藝術(shù)相輔相成，兩者之間具有根本區(qū)別。”由此可以得出結(jié)論，建筑中的藝術(shù)無(wú)形中啟發(fā)著技術(shù)，技術(shù)的完善便也是藝術(shù)的進(jìn)步。結(jié)構(gòu)亦是如此，雖然在目前的文獻(xiàn)中，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型的研究較多，關(guān)于數(shù)學(xué)模型的文獻(xiàn)趨勢(shì)正旺，但若能與藝術(shù)效果緊緊契合，則將更有助于提升建筑的表現(xiàn)力，創(chuàng)造深入人心的作品[12]。艾德華·愛(ài)倫指出：“若某種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅是為了支撐建筑結(jié)構(gòu)，那就是浪費(fèi)?！笔灞救A指出：“建筑的美感體現(xiàn)在其自重和支承方式……最動(dòng)人的美形成于全面、合理地表達(dá)材料強(qiáng)度與荷載間的制約關(guān)系這一過(guò)程。”因此，結(jié)構(gòu)表達(dá)在建筑的藝術(shù)性建構(gòu)中必不可少。建筑師對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表現(xiàn)時(shí)，可以在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中理順并妥善處理結(jié)構(gòu)和性能的平衡關(guān)系。桁架結(jié)構(gòu)、分形原理等鋼結(jié)構(gòu)是空間意義上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是給觀者的視覺(jué)心理合乎移情說(shuō)，即觀者能將結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定感移架于主觀精神的穩(wěn)定感。

2.2.1 基于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的建筑空間時(shí)尚設(shè)計(jì)案例

北京新機(jī)場(chǎng)航站樓大跨度結(jié)構(gòu)與造型視覺(jué)時(shí)尚化——視覺(jué)擴(kuò)張與動(dòng)態(tài)均衡。

北京新航站樓的指廊長(zhǎng)600 m，延展距離造成視覺(jué)擴(kuò)張，而背后穩(wěn)定性得益于鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由支撐系統(tǒng)和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)組成，采用了2028 t河鋼邯鋼Q345qE橋梁板[13]。重要支承結(jié)構(gòu)C型柱材料為Q460GJC，屋頂鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345B。整體造型形成不規(guī)則的自由曲面空間，單體形狀像巨大的海星。曲線幾何圖案對(duì)稱統(tǒng)一。中心軸對(duì)稱的設(shè)計(jì)方式與中國(guó)人“中正”之道契合。海星的造型具有科幻感，符合時(shí)代審美觀念。但是，星型并不是完全閉合的，入口處一部分并非整體造型的一部分，而是視覺(jué)上融為一體，具有整體協(xié)作的意義和美感，符合瑞士美學(xué)家和藝術(shù)史家沃爾夫林在《藝術(shù)風(fēng)格學(xué)》中的區(qū)分范疇：線描和繪圖、廣度與深度、封閉與開(kāi)放、多樣性與同一性以及清晰度和模糊性。

圖1 北京新航站樓效果圖Fig.1 Beijing new terminal building rendering

2.2.2 基于鋼連接性能的建筑空間造型時(shí)尚化案例

塔哈利法塔鋼框架結(jié)構(gòu)與造型視覺(jué)時(shí)尚化——高科技美學(xué)。

世界第一高塔哈利法塔601 m以上使用帶交叉斜撐的鋼框架[14]。大樓的結(jié)構(gòu)為“扶壁”形核心筒，以螺旋上升的方式層層鎖進(jìn)，參差錯(cuò)約的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出如同轉(zhuǎn)動(dòng)的魔方，這種變化感充分表現(xiàn)未來(lái)感。但是縮進(jìn)的同時(shí)改變了塔樓的寬度，使得“風(fēng)向混亂”，在每個(gè)縮進(jìn)層風(fēng)遇到不同的建筑形狀，風(fēng)漩渦永遠(yuǎn)得不到形成，使其具有抗風(fēng)作用。

2.3 小結(jié)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代建筑的時(shí)尚體現(xiàn)在突破傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如直線筒型、塔型、立體型等，往更平展、或更富動(dòng)感的螺旋型、多邊形(如水銀城市大廈)、不規(guī)則形(如碎片大廈)、Y型(哈利法塔)等字母型，甚至其他多種有別于傳統(tǒng)的建筑造型中發(fā)展，達(dá)到更寬廣或是更高的建筑目標(biāo)，在造型上更引人注目。這些結(jié)構(gòu)的背后離不開(kāi)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件穩(wěn)定性能以及節(jié)點(diǎn)連接性能的輔助。對(duì)于伸出建筑物很長(zhǎng)距離的懸挑，使用網(wǎng)架桁架結(jié)構(gòu)可以保證更好的受風(fēng)應(yīng)力，也能保證大型屋頂?shù)臉?gòu)成；對(duì)于超高層通常使用的核心筒結(jié)構(gòu)，伸臂桁架結(jié)構(gòu)能很好地平衡建筑外部與核心筒的受力情況。正是基于結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定，使得建筑造型能有更多的造型空間。設(shè)計(jì)上體現(xiàn)出高技派的審美體驗(yàn)，造型上富有多變與動(dòng)態(tài)平衡特征。

3 空間設(shè)計(jì)用鋼的高性能化發(fā)展趨勢(shì)

材料的高性能化、結(jié)構(gòu)的高性能化，在潛移默化中滿足人們對(duì)建筑空間的各項(xiàng)需求：對(duì)空間尺度的需求、個(gè)性的需求、功能的需求、視覺(jué)的需求等。同樣，由于人們對(duì)空間設(shè)計(jì)有著新的需求，促使了材料不斷在向高性能化發(fā)展。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院在“優(yōu)質(zhì)鋼材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用”的報(bào)告中提出，復(fù)雜、大跨空間結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)、高層住宅結(jié)構(gòu)、大科學(xué)裝置等施工案例中對(duì)高性能鋼的要求包括高強(qiáng)度、足夠的延性；提高結(jié)構(gòu)耗能能力，屈強(qiáng)比要求不低于50%；防腐性能好、免維護(hù)等。

3.1 空間設(shè)計(jì)用鋼的高強(qiáng)、耐候及特殊性能

3.1.1 高強(qiáng)韌性能

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(簡(jiǎn)稱高強(qiáng)鋼)通常是指采用微合金化及熱機(jī)械軋制技術(shù)生產(chǎn)出的具有高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度大于等于460 MPa)、良好延性、韌性以及加工性能的結(jié)構(gòu)鋼材[15]。

邱林波等[16]對(duì)國(guó)外建筑用高強(qiáng)鋼現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，研究表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家極為重視使用高強(qiáng)鋼，目前正在廣泛推廣780 MPa級(jí)別高強(qiáng)度鋼。國(guó)外高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能總結(jié)如表1所示。高強(qiáng)鋼目前在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要包括大廈工字型截面柱、屋頂桁架結(jié)構(gòu)、住宅結(jié)構(gòu)。除了常規(guī)鋼構(gòu)構(gòu)件使用Q345C、Q460GJD等結(jié)構(gòu)鋼之外，一些關(guān)節(jié)軸承會(huì)采用4Cr13高強(qiáng)不銹鋼，銷軸采用45#鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；為滿足更高的輕量化要求會(huì)設(shè)計(jì)使用拉索結(jié)構(gòu)，如北京新機(jī)場(chǎng)采用了1860 MPa級(jí)高帆索(索氏體冷拔鋼)。

傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼提高強(qiáng)度的方式有晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等，先進(jìn)高強(qiáng)鋼又引入新的相變強(qiáng)化方式，其組織包括馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。先進(jìn)高強(qiáng)鋼包括雙相鋼(DP鋼)、相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP鋼)和孿晶誘導(dǎo)塑性鋼(TWIP鋼)，這些鋼種與傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼相比，強(qiáng)度和韌性都有所提升[17]。這些新鋼種首先在汽車上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)使用，有部分品種如QP鋼等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，相信隨著使用評(píng)價(jià)技術(shù)的完善，今后在建筑和空間設(shè)計(jì)中亦可以得到廣泛應(yīng)用。

表1 建筑用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

3.1.2 耐候性能

賈良玖等[17]總結(jié)了中國(guó)耐候鋼的主要類型，有高耐候鋼和焊接耐候鋼。高耐候鋼主要分為 Q265GNH、Q295GNH、Q310GNH、Q355GNH這4種。焊接耐候鋼主要分為 Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH 7種。在歐洲耐候鋼對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為BSEN10155，其中對(duì)使用頻率高的耐候鋼種類、各個(gè)品種耐候鋼的元素含量、力學(xué)性能以及生產(chǎn)要求進(jìn)行了詳細(xì)闡述。耐候鋼最大的特點(diǎn)是具有耐腐蝕性。普通鋼材受環(huán)境作用，表面易產(chǎn)生不均勻的銹蝕，這種銹蝕易造成鋼結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致脆性斷裂。耐候鋼中含有銅、鎳等耐腐蝕元素，在使用過(guò)程中，此類耐腐蝕元素能在鋼材表面形成致密的氧化物膜，繼而保護(hù)鋼材不受銹蝕，如圖2所示。由于耐候鋼具有耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鐵路、橋梁、化工等工程的結(jié)構(gòu)件中。

圖2 耐候鋼的銹色Fig.2 Weathering steel rust

3.1.3 特殊性能

不銹鋼材料在建筑中的需求日益增長(zhǎng)。304鋼和430鋼的需求達(dá)到不銹鋼產(chǎn)品的一半以上。不銹鋼是無(wú)污染的綠色材料，且具有良好的抗菌性能，能成為人類的抗疾病衛(wèi)士。在合金元素中，銀、鉍、銅、鉬、鈦具有較強(qiáng)的金屬離子抗菌性能。尤其是銀，作為抗菌元素，用量只需要萬(wàn)分之一(質(zhì)量分?jǐn)?shù))即可。銀可以加入任何鋼使之成為抗菌鋼，而不影響任何原始性能。在不銹鋼中添加銀離子，不會(huì)對(duì)不銹鋼的加工性能和耐蝕性能造成影響。抗菌不銹鋼的種類主要有涂層抗菌不銹鋼、復(fù)合抗菌不銹鋼、表面改性抗菌不銹鋼、合金型抗菌不銹鋼。除抗菌性能外，根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，高強(qiáng)鋼的性能還有低磁、無(wú)磁、超導(dǎo)等性能，在生活中各個(gè)細(xì)節(jié)發(fā)揮能動(dòng)作用。

近期研究發(fā)現(xiàn)，在不銹鋼表層用激光刻蝕不同的形貌，利用光的反射和折射效應(yīng)，獲得了不同的不銹鋼表層膚色，稱之為不銹鋼彩色激光打印“Color laser printing”，其分辨率可達(dá)每平方英寸1000點(diǎn)[18]。這項(xiàng)技術(shù)將賦予采用不銹鋼的空間設(shè)計(jì)更多設(shè)計(jì)維度。

3.1.4 空間設(shè)計(jì)用高性能鋼的新發(fā)展

(1)高強(qiáng)韌復(fù)相組織設(shè)計(jì)

人們從自然界貝殼和骨骼的高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)將軟相和硬相復(fù)合，尤其是設(shè)計(jì)成層片狀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的強(qiáng)韌性[19]。為了滿足現(xiàn)代化建筑對(duì)高強(qiáng)鋼綜合性能的要求，采用等溫淬火得到的具有貝氏體以及在板條間有殘余奧氏體薄膜的納米貝氏體鋼， 或者采用兩相區(qū)逆相變得到的具有鐵素體和奧氏體層片結(jié)構(gòu)的中錳鋼等。具有復(fù)相高強(qiáng)韌組織的新鋼種開(kāi)發(fā)和該類鋼在在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，是一個(gè)值得關(guān)注的方向。

脈沖電流回火可以在不降低硬度和強(qiáng)度的前提下提高試樣的斷后伸長(zhǎng)率，而傳統(tǒng)回火是降低硬度和強(qiáng)度以提高斷后伸長(zhǎng)率，這主要是因?yàn)槊}沖電流回火在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)，淬火馬氏體分解較少，且析出的細(xì)小碳化物可以起到彌散強(qiáng)化的作用[20]。

使用水-空交替的新型熱處理QPT工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)油(介質(zhì))淬火和回火工藝，可以使現(xiàn)有牌號(hào)的鋼種性能實(shí)現(xiàn)大幅提升。研究表明，經(jīng)QPT處理后的Q235鋼(QPT235鋼)強(qiáng)度得到了大幅度的提升：屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到435和615 MPa。采用相同焊料和焊接工藝，QPT235鋼焊接接頭的力學(xué)性能比Q235鋼顯著提高[21]。

(2)易焊接和可大線能量焊接

新日本制鐵株式會(huì)社(Nippon Steel Corporation)開(kāi)發(fā)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼板WELTEN系列可焊接高強(qiáng)板、耐腐蝕鋼板、抗震用低屈服點(diǎn)；日本神戶制鋼公司(Kobe Steel., Ltd.)開(kāi)發(fā)的大線能量焊接技術(shù)主要是焊接熱影響區(qū)韌化技術(shù)(KST)，該技術(shù)可利用析出的TiN抑制焊接時(shí)γ晶粒粗大化，同時(shí)促進(jìn)α相析出。將KST技術(shù)與TMCP(thermal mechanical control process)技術(shù)結(jié)合，可同時(shí)獲得良好熱影響區(qū)(HAZ)韌性、母材高強(qiáng)度和高韌性[22]。

(3)組裝免焊接

浦項(xiàng)制鐵與浦項(xiàng)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院(RIST)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的超高層建筑用超高強(qiáng)度鋼HSA800采用TMCP工藝制成，其抗拉強(qiáng)度為800～950 MPa，屈服強(qiáng)度為650～770 MPa。與現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)用鋼SM570相比，最低抗拉強(qiáng)度提高了40%以上。該鋼種屈服比限制在0.85以下，確保了穩(wěn)定性和抗震性。采用HSA800鋼組裝的懸臂梁沒(méi)有采用焊接處理，與SM490鋼相比，承重結(jié)構(gòu)可以減重30%，還可縮短10%的建造周期。在加工和安裝過(guò)程中可以減少二氧化碳排放量，因此在工程施工中可以降低對(duì)環(huán)境的影響，具有廣闊的市場(chǎng)需求[23]。

3.2 基于高性能化高強(qiáng)鋼的空間設(shè)計(jì)時(shí)尚化案例

3.2.1 基于高強(qiáng)鋼耐候性能的建筑空間時(shí)尚設(shè)計(jì)案例

耐候鋼在景觀設(shè)計(jì)中重要的應(yīng)用為[24]：① 可塑性，利用耐候鋼不同于石材木材等的塑性制作雕塑；② 分割性，因其強(qiáng)韌性能佳，可制作薄形態(tài)進(jìn)行空間分隔；③ 變化性，鋼板的腐蝕隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)色澤和肌理的變化。目前耐候鋼的應(yīng)用有：2010年世博會(huì)澳大利亞館和盧森堡館外墻材料、挪威 Schandorff廣場(chǎng)城市休閑空間、武鋼技術(shù)中心大廈梁和支撐柱、臨安青山湖綠道等[25]。

觸覺(jué)上：隨著銹層不斷生成致密的保護(hù)膜，受到濕度、溫度、光照等不同環(huán)境變化的影響，耐候鋼的色彩從鮮亮的紅褐色變成暗淡的深藍(lán)灰色。而耐候鋼銹蝕的表面和粗糙的肌理，獨(dú)具剛毅性格特色，適合工業(yè)風(fēng)格空間。

視覺(jué)上：色彩對(duì)人的作用較為直接。從物理作用上看，耐候鋼的紅色使人感受到暖。在尺度上，紅色等使人感受到逼近，在空曠的空間中使用紅色可以使空間獲得縮小感。從生理作用上看，紅色使人亢奮。從心理作用看，紅色最富刺激性，象征明媚的烈日[26]。

3.2.2 基于高強(qiáng)鋼特殊性能的建筑空間時(shí)尚設(shè)計(jì)案例

目前已有的抗菌不銹鋼有：表面涂層抗菌不銹鋼、復(fù)合抗菌不銹鋼、表面改性抗菌不銹鋼及合金抗菌不銹鋼[27]。鐵素體抗菌不銹鋼主要被用于室內(nèi)裝飾、家電。目前抗菌不銹鋼在空間設(shè)計(jì)中主要用于公共場(chǎng)所如車站、電話亭、護(hù)欄等設(shè)施。在空間設(shè)計(jì)中使用抗菌不銹鋼，尤其是公共空間中，可增加人們心中對(duì)空間的安全感，同時(shí)也傳達(dá)了技術(shù)給生活帶來(lái)的改變，無(wú)需擔(dān)心交叉感染。視覺(jué)上鐵素體抗菌不銹鋼具有色彩光亮、拋光性能好的特點(diǎn)，在空間設(shè)計(jì)中適用于高反射率的設(shè)計(jì)部分。使用抗菌性能的鋼材料不僅對(duì)人們具有良好的心理暗示作用，同時(shí)具有建筑技術(shù)審美的認(rèn)識(shí)功能與教育功能，維系人與建筑之間的穩(wěn)定信任關(guān)系。

3.3 小結(jié)

本章列舉了3種高性能化高強(qiáng)鋼，其性能為：高屈服強(qiáng)度、耐候性能以及特殊性能(以抗菌性能為例)。高屈服強(qiáng)度的要求在建筑結(jié)構(gòu)中最為常用，新的建筑形式對(duì)空間的流動(dòng)交互有更高的要求，因此需要屈服強(qiáng)度更強(qiáng)的鋼材作為支撐柱，滿足虛空間的設(shè)計(jì)。耐候性能的時(shí)間變化與暖色調(diào)在景觀設(shè)計(jì)中較為常用。具有抗菌性能的特殊性能鋼材能幫助人們建立對(duì)公共空間的心理信任關(guān)系，以及對(duì)建筑的審美認(rèn)知和對(duì)材料的教育認(rèn)知功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1 總結(jié)

本文梳理了建筑鋼結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了基于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能而建的北京新航站樓其造型具有動(dòng)態(tài)均衡之美；基于鋼結(jié)構(gòu)連接性能而建的哈利法塔等高層、超高層結(jié)構(gòu)建筑具有視覺(jué)新意并且具有高科技美學(xué)特征。在造型上，科技風(fēng)、幾何風(fēng)、動(dòng)感不規(guī)則風(fēng)格的建筑是目前的時(shí)尚建筑形式。對(duì)科技風(fēng)使用的鋼材料的材質(zhì)需突出科技感，色彩光亮、質(zhì)地堅(jiān)硬。幾何風(fēng)格則是以脫地、大平面、硬切轉(zhuǎn)折為特色，對(duì)支撐柱的受力要求較高。動(dòng)感不規(guī)則風(fēng)格的建筑依然有隔斷設(shè)計(jì)，但是對(duì)造型的要求更甚以往。在色彩上，高性能鋼材料中的耐候鋼能很好地利用色彩飽和度優(yōu)勢(shì)與周圍綠植環(huán)境形成對(duì)比，且自身的氧化過(guò)程是一副緩慢的時(shí)間簡(jiǎn)史，值得細(xì)細(xì)尋味。總之，鋼材料的高性能化發(fā)展對(duì)建筑空間設(shè)計(jì)意義重大。設(shè)計(jì)者要保持超越的思維，用科技的手段和發(fā)展的眼光，以及顛覆性的想象立足傳統(tǒng)建筑材料本身，認(rèn)真分析現(xiàn)有材料的特性以及可以改進(jìn)的變量，對(duì)材料進(jìn)行基因設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方嘗試進(jìn)行重組排列，搭上當(dāng)下城市高速發(fā)展的順風(fēng)車，設(shè)計(jì)出低碳、綠色、節(jié)能并且風(fēng)格獨(dú)特、時(shí)尚頂尖的建筑空間。

4.2 展望

通過(guò)對(duì)鋼材料高性能化與空間設(shè)計(jì)時(shí)尚化的調(diào)研，對(duì)未來(lái)空間設(shè)計(jì)中使用高性能鋼進(jìn)行以下展望：

(1)表現(xiàn)“力”的時(shí)尚造型——超高強(qiáng)度鋼

在現(xiàn)代大跨度大屋蓋的建筑物中，索桁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅使屋檐的延展范圍擴(kuò)展，同時(shí)可塑造更加豐富的流線造型。網(wǎng)架索桁是細(xì)密的力的結(jié)構(gòu)，梁彎矩型、香蕉型等彎曲的梁結(jié)構(gòu)在考驗(yàn)鋼材抗彎性能、延性、強(qiáng)度的基礎(chǔ)上又確保了曲線形態(tài)的柔美。無(wú)論是線性的柔美或是面的流曲，都依托于材料性能的不斷強(qiáng)化與綜合。建筑中更輕便易于更替的結(jié)構(gòu)需要高強(qiáng)鋼這樣的綠色材料。在當(dāng)代，人們對(duì)虛空間的設(shè)計(jì)要求，也對(duì)高強(qiáng)鋼有保持受力的同時(shí)更細(xì)或者結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔的要求。

(2)表現(xiàn)“內(nèi)·外空間”的時(shí)尚造型——結(jié)構(gòu)

早期的高技派建筑中，有許多都使用了張拉結(jié)構(gòu)體系。諾曼·福斯特(Norman Foster)為雷諾汽車零件配送中心(Renault Distribution Center, 1982)，布置了一系列標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)單元，如圖3所示，中心是16 m高的細(xì)長(zhǎng)桅桿，由鋼索向4個(gè)角點(diǎn)懸掛起中部計(jì)算跨度為24 m的拱形鋼架，形成具有波浪般韻律感的屋面[28]。

建筑空間設(shè)計(jì)不僅僅是內(nèi)部的空間，還包括更多與外部虛空間的互動(dòng)，例如大跨度鋼屋蓋、鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與天際的糅合。具有空間表現(xiàn)力的時(shí)尚屋蓋對(duì)具有夸張表現(xiàn)力的屋蓋材料提出了新的要求?？臻g設(shè)計(jì)中的材料具有賦予物質(zhì)純粹物質(zhì)性表皮特征的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的重復(fù)韻律改變了對(duì)結(jié)構(gòu)的固有印象，新的結(jié)構(gòu)例如重復(fù)的張拉結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生了新的表面視覺(jué)。細(xì)鋼絲在視覺(jué)上具有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)的靈活，其扭曲的線形規(guī)律可塑造起伏的曲面。如張拉結(jié)構(gòu)，此類“外向”的具有視覺(jué)看點(diǎn)的結(jié)構(gòu)在未來(lái)的建筑設(shè)計(jì)中將有更大的發(fā)展空間。

圖3 雷諾汽車零件配送中心Fig.3 Renault auto parts distribution center

(3)建筑外表膚色時(shí)尚——鋼結(jié)構(gòu)的視覺(jué)效果

光的冷暖、溫度與陰影的對(duì)比，不僅對(duì)投影面有影響，對(duì)溫度、濕度、甚至電流、能量都有直接的影響，光對(duì)材料的硬度、色彩、反射、紋理、結(jié)構(gòu)等都有間接的影響。對(duì)于未來(lái)的建筑設(shè)計(jì)，可以利用建筑受光的溫差，材料在受光時(shí)間的溫度和非受光時(shí)間段的溫度對(duì)材料造成的物理量影響，達(dá)到建筑的自我結(jié)構(gòu)改變。充分利用地理?xiàng)l件中的濕度、溫度等條件，控制鋼本身的色彩肌理變化，塑造或光滑、反射性強(qiáng)的設(shè)計(jì)，或粗糙、反射率低，或吸光或透光的材質(zhì)，給予建筑空間設(shè)計(jì)不同的視覺(jué)語(yǔ)言。根據(jù)材質(zhì)本身的顏色，在設(shè)計(jì)幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)使用如馬氏體不銹鋼材料的反射性能設(shè)計(jì)更時(shí)尚新銳的表皮，使用耐候鋼塑造歷史感凝重的表皮，使用霧化的反射率低的材質(zhì)制作成更迷幻充滿未來(lái)感的表皮。

綜合空間設(shè)計(jì)用鋼的高強(qiáng)、時(shí)尚外表膚色與多功能化和基于高性能鋼空間結(jié)構(gòu)的多樣性，即空間設(shè)計(jì)用鋼的高性能化給予建筑空間設(shè)計(jì)更多的表達(dá)要素，強(qiáng)化了人與建筑關(guān)系的聯(lián)系和自由度。高強(qiáng)度鋼適合具有力表現(xiàn)的建筑空間、張拉結(jié)構(gòu)適合互動(dòng)空間設(shè)計(jì)、隨光影響而變化的鋼材適合個(gè)性化建筑膚色設(shè)計(jì)。在材料上，通過(guò)對(duì)溫度、磁場(chǎng)、應(yīng)力、抗菌等性能創(chuàng)新手段提升設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力；在設(shè)計(jì)上，通過(guò)形式變異，視覺(jué)材質(zhì)變異對(duì)材質(zhì)設(shè)計(jì)提出新的要求，由兩者共同塑造時(shí)尚化的空間設(shè)計(jì)。