机械工业第六设计院有限公司
概括
为了全面掌握钢结构技术在工业建筑中的发展和实践历史，首先我们从钢结构在工业建筑领域应用的起源出发，回顾国内钢结构在工业建筑中的发展，并总结了门式刚架轻钢结构、多用途高层钢结构在工业建筑中的应用概况；然后重点梳理了钢结构在工业建筑中应用的常用技术，如材料特性、构件连接、防腐防火、设计理论、规范标准、构件制造的研发现状等；最后，针对工业建筑钢结构技术发展中设计理论缺乏、标准化型材应用率不足、钢结构产业链效率低下以及国内标准与国际标准差异等问题提出未来研究与发展方向。
0简介
钢结构是以钢材为主要构成材料的建筑结构形式。具有强度高、塑韧性好、重量轻、工期短等特点。广泛应用于工业建筑领域。工业建筑钢结构技术的发展对社会进步产生了许多积极影响，包括促进城市现代化、节约资源和保护环境、创造就业机会等。工业建筑钢结构技术的发展大致可分为四个阶段，即19世纪末至20世纪初的探索阶段、20世纪初至20世纪50年代的实践积累阶段、20世纪50年代的广泛应用阶段。 20世纪60年代至90年代，进入21世纪后进入技术创新和可持续发展阶段。
现阶段我国年钢材产量已达13.6亿吨，新型建筑工业化成为建筑业发展的主旋律。 2020年国家九部门联合印发的《关于加快新型建筑工业化的若干意见》明确提出：要推进构件及构件标准化，大力发展钢结构建筑，加大政策支持力度[1]。在此背景下，钢结构在工业建筑领域的发展有着强有力的政策支持。另外，钢结构装配化程度高[2]，是适合工业建筑的最佳结构形式。符合国家大力推广的装配式结构。建筑理念的一致，为钢结构在工业建筑领域的可持续发展注入了新的动力。
1 钢结构在工业建筑领域的应用概述
1. 1 钢结构在工业建筑中应用的由来
19世纪末，建筑师费迪南德·杜特尔特（Ferdinand Duterte）和工程师维克多·孔塔明（Victor Contamin）合作为巴黎世博会建造了机械馆（图1）。它是当时世界上跨度最大的建筑，也是当今工业建筑领域最大的建筑。大多数钢架厂房的形式都是以此为基础的[3]。 1925年，英国法拉第学会在伦敦召开了题为“炼钢过程中的物理化学”的会议，标志着钢铁冶炼开始进入现代科学体系[4]。从此，钢结构与工业建筑交织在一起，开始了其独特的发展历程。
图1 巴黎世博会机械展厅
1. 2 钢结构在我国工业建筑中的应用
我国工业建筑领域钢结构应用的起源可以追溯到20世纪初期，主要应用于机械厂、纺织厂等建筑。青岛四方机车修理厂（图2）是当时的一个典型例子。新中国成立前，我国钢结构在工业建筑领域的应用发展十分缓慢。
图2 青岛四方机车修配厂
新中国成立10年来，钢结构在工业建筑中的应用在我国发展迅速，已广泛应用于冶金、机械、汽车、飞机、造船等行业，如鞍山钢铁厂、第一重型机械厂、洛阳拖拉机厂、沉阳飞机厂和大连造船厂[5]。在此期间，各相关部委相继成立了设计院，其中北京、沉阳6个工业设计院，北京、重庆等地6个专业钢铁设计院。这些工业院校和专业学院的建立，极大地促进了我国工业建筑的发展。 1961年至1975年，我国工业建筑钢结构的发展进入低潮，但在此期间仍然出现了许多典型的工业建筑钢结构。四川德阳第二重型机械厂就是其中最具代表性的项目之一。改革开放后，我国工业建筑钢结构逐步进入新的发展阶段。上海宝山钢铁厂、沉阳机床厂（图3）、东方电机厂、宝鸡石油机械厂（图4）、武汉重型机床厂等都有大量的钢结构。应用实例。随着钢结构技术理论研究的不断完善，钢结构逐渐成为现代工业建筑中最重要的结构类型。
图3 沉阳机床厂
图4 宝鸡石油机械厂
1.2.1重型钢结构
在我国现代工业的发展中，重型钢结构在工业建筑中占有举足轻重的地位。这种建筑类型一般具有跨度大、厂房高、承载力要求高、起重机吨位重、结构体系复杂等特点。经过一百多年的工程实践和技术研究，工业建筑重型钢结构的设计理论和技术现已较为完善，国内已完成了一大批具有代表性的工程。例如，中冶京城设计的宝钢宽厚板轧机项目，主厂房面积21万平方米，最大起重机吨位400吨[6]；中国机械六院设计的大连石化集装箱制造基地项目（图5），在国内首次采用五肢、六肢钢管混凝土柱，最大起重机吨位达到800吨。
图5 连大石化容器制造基地
1.2.2门式刚架轻钢结构
门式刚架轻钢结构在工业建筑中的应用起源于一百多年前，最早应用在美国。主要用于建造营房、仓库。 20世纪60年代，压型钢板和冷弯薄壁型钢的大量使用，极大地促进了门式刚架轻型房屋钢结构的发展。
新中国成立后，我国对轻量化门刚性结构进行了系统研究和试验，并在广东省开展试点应用； 20世纪60年代，北京工业建筑设计院参考当时的国外资料，编制了一套可设置小吨位悬挂吊车门刚体图集； 20世纪70年代，国内钢材供不应求，轻质门刚性结构发展相对缓慢； 80年代后，国外钢结构公司陆续进入国内市场，在经济快速发展的沿海地区的项目建设中大量采用轻质门钢结构，极大地提高了项目建设效率。 1994年，建设部结合国内经济建设的实际需要，将轻质门钢作为快速住宅系统课题列入新产品新技术开发项目，并在实际工程中设立试点。近年来，轻质门刚体的应用日益普遍，在连接节点、墙体和屋顶优化、抗风雪等方面的研究也日益深入。国内门刚性结构轻量化现已进入快速发展时期。
1.2.3多层钢结构
随着城市规模的发展，我国土地资源日益紧张。多层钢结构越来越多地应用于实际工业建设项目中。应用案例众多，如正美智控项目（图6）、宁德时代交城项目、昆山飞扬项目、阳山通化冷链项目等。作为“产业搬上楼”的产业空间模式，多高层建筑钢结构特别适合中小型创新型企业。很大程度上可以摆脱单独建厂成本高、配套设施有限、建设周期长的问题。
图6 正美机智能控制项目
多层钢结构在工业建筑中的应用，可以大大提高空间利用率，但也受到振动、承重、防火和经济等方面的要求。在今后的设计和施工过程中，有必要加强这些方面的研究，确保建筑的安全、经济、实用。
2 工业建筑钢结构技术发展现状
2.1 钢结构材料性能
1997年以来，我国钢铁产量连续20多年位居世界第一。长期持续高增长创造了钢铁史上的奇迹。而且产量的增长伴随着生产技术水平的不断提高，这也有力地促进了工业建筑钢结构体系的发展。和建筑质量的发展。
工业建筑钢结构常用的钢材有两种：碳素结构钢（碳钢）和低合金高强度结构钢。 20世纪90年代之前，主要采用碳钢[7]，比较有代表性的是Q235钢；此后，以Q345为代表的低合金高强度钢逐渐取代了Q235钢。目前，国内钢材已从早期的单一钢种和牌号（即碳素结构钢）发展到常用的Q355、Q390、Q420、Q460等低合金高强度结构钢。目前有5大钢种、31种钢种。可供工业建设的品种多样，并制定了相应的国家或行业标准，达到同类产品的国际先进水平[8]。
2. 2 钢结构构件连接技术
钢结构构件的连接方式主要有铆钉连接、焊接连接和螺栓连接。铆钉连接方法具有良好的韧性、塑性和动态性能，但结构复杂，制孔、铆接费工费料，现阶段很少采用。焊接连接方法结构简单，不削弱截面，效率高，连接密封性好。但存在焊接残余应力和残余变形降低构件承载能力、低温冷脆等问题。螺栓连接方式分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。其中摩擦型高强螺栓具有普通螺栓和铆钉的优点，已成为替代铆钉连接的常用连接方法，特别适用于需要承受动载荷的结构。
铆钉连接方法出现较早，早在铸铁使用时期就是主要的连接方法[9]。 19世纪末，钢结构开始出现，梁、柱多采用角钢、铆钉连接。随着机械制造业的发展，螺栓的螺纹结构、材料和制造工艺逐渐得到系统研究。 20世纪初以来，开始采用ISO标准、美国ANSI标准等与螺栓相关的标准和规范，使得螺栓的设计、尺寸和性能具有很强的一致性，广泛应用于钢结构构件的连接。 10-11]。国际上对高强度螺栓的研究始于19世纪中叶。国内高强度螺栓的研究始于1957年，20世纪60年代初生产了8.8S和10.9S高强度螺栓[12]。几乎在高强度螺栓出现的同时，焊接开始广泛应用于钢结构构件的连接。此后，法兰和腹板焊接、节点板螺栓连接的混合连接成为标准连接形式。
2.3 钢结构防腐及防火技术
钢结构的腐蚀是一个电化学过程，其腐蚀类型包括大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀[13]。钢结构的防腐措施有很多，如提高基材的耐腐蚀性能、外涂防腐漆、外镀锌等。耐候钢的应用起源于美国。它通过提高基材的耐腐蚀性能来达到防腐的目的。目前国内性能较好的耐候钢有：宝钢公司生产的Q355GNHD耐候钢、武钢公司生产的09Cu-P-TiRE和SPA-H耐候钢、珠钢公司生产的Ti微合金化高强度耐候钢和钢铁公司[14]。用于钢结构的防腐涂料主要有富锌涂料、防锈涂料、纳米涂料、含氟涂料和聚脲弹性体涂料等。油漆涂层是一种较为经济的防腐方法，但防腐涂层通常对钢材表面质量有较高要求[15]。外镀锌技术包括热镀锌、机械镀锌和电镀锌。外镀锌技术发展较早。法国人Saulier早在1837年就将热浸镀锌工艺应用于工业生产[16]。 20世纪50年代和1970年代，我国分别从苏联和德国引进了热镀锌生产线。进入21世纪后，我国热镀锌技术发展水平已逐步赶上发达国家。
涂装防火涂料是提高钢结构防火性能的重要方法。防火涂料按涂层厚度可分为厚涂层型、薄涂层型和超薄涂层型。涂装防火涂料时一般采用喷涂。厚涂层通常是无机的，并且通常具有较高的耐火性。但涂层外观不均匀，会影响钢结构的美观。现普遍用于耐火极限1.5小时以上的钢结构。薄涂层涂料通常以合适的水性乳胶聚合物为基础北京回收钢结构，辅以阻燃剂和添加剂。常用于耐火极限小于2小时的钢结构，其装饰性能优于厚涂涂料。超薄涂料与薄涂料基本相同，主要用于装饰效果要求非常高的建筑物。这种阻燃涂料在德国应用较早[17]。虽然国内相关研究比国外晚20年左右，但研究进展迅速。例如，对北京航空材料研究所研制的GJ-3涂层进行了改进。目前的表现非常好。
2. 4 钢结构设计理论与标准
钢结构的设计理论经历了三个阶段，即：仅考虑材料弹性并采用许用应力法的经典理论设计阶段；考虑材料塑性的极限强度理论设计阶段；以及基于概率论和数理统计分析的极限状态。可靠性理论设计阶段。胡克定律是弹性力学理论的基本定律。许用应力法基于弹性理论，要求计算的应力不大于材料的许用应力[18]。随着工程技术的发展，研究人员逐渐认识到经典理论的局限性，开始了极限强度理论的研究。 1913年，米塞斯等人提出了可塑性理论。成为极限强度理论的重要基础[19]。 20世纪中叶，数值模拟方法的出现为极限强度理论的研究和应用提供了新的途径。利用有限元分析方法可以更准确地模拟结构在复杂荷载作用下的力学行为，从而指导工程实践的设计工作。虽然极限强度理论在理论层面上非常完善，但它没有考虑到实际环境中材料和结构的不确定性和变化。概率设计方法的研究在20世纪60年代末取得了重大突破，产生了基于概率论的一阶二阶矩极限状态设计方法[20-21]。其核心思想是将结构在极限状态下的性能与正常使用下的性能进行比较，以确保结构在给定的可靠性水平下不会失效。近年来，随着计算机技术和数值计算方法的发展，极限状态可靠性理论逐渐广泛应用于工程设计中。在此基础上，结构动力抗震可靠性理论现已成为工程领域的一个重要研究方向[二十二]。
我国钢结构设计规范的制定是从中华人民共和国成立后开始的。最早的法规草案——4-54《钢结构设计规范试行草案》始于1954年，参考了1946年苏联设计规范。 1970年代初，在国家的支持下，国内多家设计研究单位和高等院校共同编制了新的TJ 17-74《钢结构设计规范》，填补了我国钢结构设计规范的空白[23] -24];后来根据多年的工程经验和研究成果，GBJ 17-88、GB 50017-2003、GB 50017-2017相继修订颁布。以及其他不同版本的钢结构设计规范和标准。 1987年，国家计委发布GBJ 18-87《冷弯薄壁钢结构技术规范》，为轻钢建筑市场提供了标准依据； 2002年，修订的GB 50018-2002《冷弯薄壁钢结构》颁布。型钢结构技术规范。 1998年，中国工程建设标准化协会发布了CECS 102：98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》，随后又于2002年、2012年两次完善，直至现行的GB 51022-2015版本。经过多年的科学研究和实践经验总结，我国现已建立了较为完整的钢结构相关规范标准体系。
2.5 钢结构制造技术
20世纪50年代至70年代，国内工业建筑钢结构处于较长的起步阶段，制造技术有限，钢结构制造效率较低。 20世纪80年代后，随着技术的进步和市场需求的增加，钢结构制造和施工技术得到发展；进入20世纪90年代 20世纪90年代，在数字技术的推动下，钢结构制造技术逐渐成熟。数控切割、钻孔、焊接设备的使用，显着提高了生产效率和产品质量。在大型工程项目中，已实行数控加工技术进行规模化生产。提供了可靠的保证[25]。
激光切割技术作为一种高精度切割方法，20世纪末在我国迅速发展，近年来在工业建筑钢结构制造中得到广泛应用。通过激光切割设备，可以将钢材精确切割成各种形状，满足复杂构件和精细细节的加工需求。同时，自动焊接技术的应用也方便了钢结构的制造。使用焊接机器人可以实现构件的高效焊接，提高生产效率和焊缝质量，使钢结构制造技术更加可靠、高效。
3 工业建筑钢结构技术发展存在的问题及展望
目前，工业建筑钢结构技术领域还存在结构设计理论不完善、标准化型材应用率不足、钢结构产业链效率低下等诸多问题需要进一步深入研究和解决。我国标准与国际标准的一致性。在结构设计理论方面，虽然我国已经有了比较完善的计算理论和规范标准，但仍存在一些尚未解决的问题，如结构体系的可靠性、结构的极限状态等。疲劳计算、板间屈曲后的强度、钢材的强度。断裂理论等。这些问题都需要更深入的研究。在标准化型材应用方面北京回收钢结构，要进一步提高热轧型钢、冷弯型钢、钢管型材的应用率，推动工业建筑设计、制造的标准化、通用化。从钢结构产业链的效率来看，整个产业链的协调性还存在不足。结构体系研发、新材料应用、设计标准提高、制造、运输安装等环节衔接不够紧密，导致高性能钢材及轧制型材应用率较低。存在水平低、加工制造焊接工作量大、质量水平低等一系列问题。在我国标准与国际标准的一致性方面，随着我国与其他国家的工程建设合作不断扩大，有必要进一步完善我国的钢结构技术标准，增加我国标准的国际认可度和接受度，以便加强国际工程合作继续取得理想成效。
总体来说，我国工业建筑钢结构的很多技术现在已经非常成熟。通过技术领先和技术创新，钢结构在整个工业建筑产业链中的份额不断提高。工业建筑钢结构具有抗震性能好、材料可回收、装配化程度高等优点。在国家大力倡导建筑业绿色低碳发展的背景下，进一步加大钢结构在工业建筑中的应用和技术研发具有重要意义。生态、经济和社会意义。
资料来源：顾晓山。工业建筑钢结构技术的发展与实践[J].钢结构（中英文），2024, 39(11): 40-45.
DOI：10.13206/j.gjgS24101228。
