纵观人类建筑活动的历史，建筑结构的形式从平面结构、空间结构、仿生结构、金属结构、木结构、装配式结构等结构体系逐渐演变而来。目前，钢结构建筑作为装配式结构之一，正朝着构件小型化、精细化、轻量化的方向发展。
钢结构建筑具有跨度大、强度高、质量安全可靠、抗震性能优越、空间布局灵活、使用面积增加、组装方便高效、减少施工污染、节能减碳突出、可回收利用等优点。
在“双碳”目标的指引下，发展钢结构建筑不仅是建筑业实现国家“双碳”目标的重要途径，也是钢铁行业优化建筑用钢消费结构、适应绿色低碳发展要求的重要举措。
目前，我国拥有全球最具潜力的钢结构建筑市场，在经济社会发展、产业基础、科技水平等方面的条件加快了钢结构建筑的发展，在推动钢结构建筑建设方面具备得天独厚的条件。我国钢结构建筑正处于大发展的初级阶段，发展前景广阔。
本文总结分析了国外钢结构建筑和国内钢结构建筑的发展历史，并对钢结构建筑的未来发展进行了展望。
国外钢结构建筑的发展
一是国外早期钢结构建筑的发展。
18 世纪末澳大利亚钢结构规范，英国开始以铁架为主体结构建造工厂，“钢结构建筑”的发展开始腾飞。1851 年，低层铁架结构建筑——世界博览会的场地——“水晶宫”在英国伦敦建成;1883 年澳大利亚钢结构规范，当时世界上最长的悬索桥布鲁克林大桥竣工;1885 年，芝加哥家庭保险公司 （Chicago Home Insurance Company） 建造了世界上第一座使用铁架建造的高层（10 层）建筑。
随后，在 1889 年，埃菲尔铁塔建成，高 300 米，普通钢材 7,000 吨，代表着钢结构建筑时代的到来。巴黎机械展览馆于 1889 年完工，跨度为 115 米，采用当时最先进的三铰链拱结构和优质钢材建造。19 世纪末，美国开始建造钢架结构的房屋;1931 年，美国在纽约完成了 102 层高 381 米的帝国大厦，标志着真正的摩天大楼时代的开始。上世纪 30 年代，建筑中钢材和玻璃的结合开始展现建筑艺术之美，例如建于 1930 年的 Togendhat 房子。1937 年，世界上第一座钢桥——旧金山金门大桥竣工（图 1）。
图 1 旧金山的金门大桥
二战后，为了解决住房短缺问题，英国和欧洲国家开始利用钢结构工业化建造了大量住宅。
上世纪 50 年代，高层钢结构建筑和空间钢结构建筑开始发展，如建于 1952 年的美国雷利体育馆（图 2），开创了现代悬索结构的历史。
图 2 雷里巨蛋
上世纪 60 年代后，鉴于经济性、安全性能（抗震、耐火性）和耐久性的综合考虑，轻钢结构的价值得到了广泛认可;网架结构和网架壳结构建筑成为当时主要的大跨度空间结构形式，钢结构建筑取得了快速发展，如1964年建成的肯尼迪图书馆、1980年建成的空间网架结构“水晶教堂”、1993年完工的日本网架结构福冈体育馆等。
自上世纪 90 年代以来，封闭式张拉膜结构建筑相继建成，如 1994 年竣工的美国丹佛国际机场航站楼，建筑造型与自然和当地文化相结合。
二是国外钢结构建筑的近期发展。
从各国钢结构建筑的发展来看，美国从上世纪60年代开始，其国内轻钢建筑垄断了低层非住宅建筑市场，1965年美国年轻钢结构仅占建筑市场的15%，1990年上升到53%，1993年上升到68%， 2000 年上升到 75%;日本钢结构在高层公共建筑中应用广泛，按2019年住宅建筑、公共建筑（不包括住宅建筑的公共建筑）、基础设施等日本所有建筑的建筑面积来看，木结构、钢结构、钢混凝土结构分别占44%、37%、19%;英国积极引导装配式建筑的发展，明确要求在英国装配式建筑、新建钢结构建筑和模块化建筑占比达到70%以上，2020年英国模块化建筑市场规模将达到892亿元。
从国外钢结构住宅发展来看，美国是最早采用钢架结构建造住房的国家和地区之一，美国在1996年建造了20万栋钢架小房子，约占当年住宅建筑总数的20%。20世纪90年代末，日本装配式住宅中的钢结构住宅基本占71%，近20年新建住宅中钢结构住宅的比例基本稳定在9%~15%。
总的来说，国外钢结构建筑的创新发展和应用具有以下特点：一是具有灵活多样的钢结构建筑结构体系设计，其主体结构体系由一系列可以相互替代的异形构件组成，并形成了该体系的构件目录。而国外装配式钢结构建筑的主要体系各有特点，如意大利主要采用的结构体系适用于1~8层钢结构房屋，美国广泛采用的结构体系适用于1~4层和12~15层的建筑结构。其次，地震多发国的钢结构建筑体系侧重于抗震性好的住宅。在其结构体系中，钢柱由C型钢或H型钢组成，形成工字形和箱形截面，梁柱采用镀锌合金钢加工，并喷涂防火涂层或用板材包裹隔板，以达到防火效果。三是倡导使用快速安装的装配式房屋，广泛使用高强度成型钢，这种钢可以切割成组件，并通过钢结构与混凝土的结合来发挥防火、隔音、隔热的作用。
此外，值得注意的是，装配式钢结构建筑在国外的推广得到了政府的支持。例如，美国国会于 1976 年通过了《国家工业化住房建设和安全法案》，引入了一系列严格的行业规范;为促进装配式建筑产品产业化总则制和专项制的发展，瑞典政府鼓励使用按照国家标准协会建筑标准制造的结构构件来建造建筑产品，这可以获得政府财政支持;1996 年，澳大利亚和新西兰联合制定并发布了实施冷弯型结构钢规范。
中国钢结构建筑的发展
一是中华人民共和国成立后，我国对钢结构建筑的尝试。
中国的钢结构建筑是随着国家经济的发展和钢铁产量的增加而逐渐发展起来的。中华人民共和国成立后，我国钢材产量低（1950 年粗钢产量为 60 万吨），制约了我国工业的发展，钢结构在建筑中的应用主要局限于一些地标性公共建筑和工业建筑，在民用住宅建筑中的应用较少。例如，1986 年，中国冶金科学研究院与国外公司合作，以 H 型钢为承重梁和柱，建造了一座两层钢结构样板房;1987年，北京展览馆钢结构酒店竣工;1994 年，上海浦东采用框架承重系统建造了 8 层钢结构住宅;1998年，中铁紫荆钢结构有限公司建造了一座3层高的实验楼，结构体系采用钢框架-芯筒结构，梁柱为焊接H型钢。
二是钢结构建筑的创新发展。
自上世纪 50 年代以来，我国的钢结构桥梁开始发展。1957 年，武汉长江大桥（图 3）竣工，标志着新中国第一座现代钢桥。上世纪 80 年代初，钢结构建筑迎来了快速发展，沿海地区引入轻钢建筑，开始建造钢结构厂房、体育馆、高层建筑等。超高层建筑使用大量的钢结构系统，80 年代最大为 208 米，90 年代为 460 米。1996年，我国钢材产量首次突破1亿吨，国家开始大力支持钢材在建筑中的应用。1999年，国家经贸委明确提出，以“轻钢结构住宅总制开发应用”作为建筑钢材的突破口。可以说，上世纪90年代以后，我国钢结构建筑的发展翻开了新的一页，一些标志性的钢结构建筑和大跨度钢结构建筑相继相继建成，如1994年建造的上海东方明珠（图4）。20 世纪以来，随着国家体育场（图 5）和上海东方体育中心（图 6）的竣工，我国钢结构建筑的设计和施工水平得到了迅速提高。
图 3：武汉长江大桥
图 4 上海东方明珠
图 5 国家体育场
图 6：上海东方体育中心
三是钢结构建筑的相关支持政策。
早在2000年，建设部就提出，“十五”期间，要把住宅钢结构作为发展重点，并提出了“打基础促发展、抓配套促应用、抓试点产业”的工作方针。随后，“十三五”以来，党中央、国务院出台了一系列促进钢结构建筑发展的政策，如表1所示。
在一系列政策的加持下，近年来我国钢结构建筑的应用大幅增加，特别是近三年来，钢结构建筑产值稳步增长（详见表2）。
四是建筑企业发展典型的 H 型钢和钢结构住宅。
1999年，在国务院办公厅向建设部等八部委转发《关于推进住宅产业现代化提高住房质量的若干意见》后，高校、科研院所和企业加大了对钢结构住宅体系的研究力度。
随后，“钢结构房屋系统及关键技术”的研究在国内典型的H型钢生产基地取得了良好的发展。例如，2001年，山东钢铁莱钢开始承担建设部的“H型钢结构住宅建筑体系研究”项目，采用“钢结构生态节能建筑新技术体系”，建设了国内第一个装配式钢结构住宅示范社区——港城区英华苑小区（图7）;2019年，锦溪钢铁钢结构装配式房屋竣工，其钢梁采用热轧H型钢和热轧钢管支撑，形成“锦溪JST装配式钢结构建筑技术体系”。
图 7 莱港港港城区樱花园社区
从我国典型钢结构施工企业的发展案例来看，中国五矿近年来开展了大空间住宅钢结构体系等高效标准化关键技术专项示范研究，并取得了阶段性成果。此外，广州白云机场的建设在中国钢结构建筑的设计水平和美学上迅速达到了一个新的高度。宝钢健科的实践表明，与传统钢结构系统相比，该一体化解决方案可减少结构用钢量10%~20%，综合成本降低5%~15%，碳排放减少10%~20%。此外，2018 年完工的 528 米高的中国雕像（图 8）也展示了钢结构建筑的发展。
图 8 中国尊
钢结构建筑未来发展前景
我国经济发展基本面稳定，拥有完整的工业体系、较强的构件加工制造及配套能力，为钢结构建筑的加快发展提供了广阔的空间。
一是钢结构建筑将进入高质量发展的新阶段。
智能生产、绿色建造、模块化建筑、装配式装修、超低能耗将是未来装配式钢结构建筑的发展趋势。要实现钢结构建筑全过程的高效化、标准化、装配化，需要全产业链通力合作，从客户、产品端和优化供应链管理等方面不断创新和改进，培育以技术、标准、品牌、质量、信用、服务为核心的新优势。 通过数字化赋能、智能增效、绿色低碳塑造发展新动能，推动装配式钢结构建筑高质量发展。
二是钢结构建筑对钢材的需求将迎来新的变化。
超高层、大跨度等钢结构建筑在安全性和功能性方面对现代工程建设提出了新的要求，具有高强度和韧性、高抗震性、易焊接、免涂漆等特点的绿色可持续建筑钢材将成为未来的发展方向。同时，将积极使用建筑用热轧 H 型钢。国外主要发达经济体使用的钢结构钢基本是热轧H型钢和高强高性能钢，应用率在50%以上。目前，我国钢结构钢的80%是Q235级的普通钢材，建筑用钢和各种结构有待优化，应大力推广热轧H型钢、Q355及更高牌号的高强度、高性能钢材代替Q235钢材，以满足钢结构和建筑行业钢结构用钢的要求。
第三，绿色低碳装配式钢结构建筑具有更多新优势。
从产品全生命周期来看，钢结构建筑是一种节能、环保、可回收的工程结构形式。根据中国工程院《钢结构住宅产业化咨询研究》数据显示，每平方米钢结构建筑在生产和施工过程中与钢筋混凝土建筑相比，可降低能耗12%，减少二氧化碳排放15%，减少固体废弃物51%。
在碳中和目标的驱动下，低碳建筑业将成为必然趋势，装配式钢结构建筑施工效率高、控制精度高、安装灵活性高、材料可回收利用，内部智能制造系统，管道、设备、室内装修装配率达90%以上， 这将有利于实现零碳建筑。
第四，钢结构建筑未来的结构造型将在自然和谐中更加突出。
钢结构建筑未来的形态将更加与自然和当地文化相结合，结构和形式将呈现“空灵美、线条美、动感美、精致美、色彩美”的趋势，仿生趋势和生态发展趋势将更加明显。
目前，我国钢结构在基础设施建设、公共建筑等领域的应用在现有政策的支持下，已基本能够实现市场化和可持续发展，并呈现出钢材利用向高性能、高效率发展的趋势。同时，钢结构住宅的推广应用仍然不足，这是钢结构建筑未来发展的重点，也是一个难点。下一步，要充分发挥钢结构、建筑两大行业的超大规模市场优势，利用钢结构行业充分先进的制造技术和产业链协同能力，推动钢结构住宅模式和业态创新，构建强大的市场竞争力。
作者|建筑领域钢结构推广与应用及钢材需求研究专题班
编辑器 |严卫平
