日本鋼結(jié)構(gòu)建筑介紹及對我國的啟示(精.選)

1、日本鋼結(jié)構(gòu)建筑介紹及對我國的啟示一、日本鋼結(jié)構(gòu)建筑的比例分析日本森林覆蓋率高， 日本民族自古就有喜愛木建筑的傳統(tǒng)。 日本 總務省每 5 年對全國的住宅情況進行統(tǒng)計，根據(jù)最新統(tǒng)計結(jié)果顯示， 從建筑構(gòu)造方面來統(tǒng)計， 2013年木造結(jié)構(gòu)為 3011 萬戶，占整體住宅 57.8%；獨戶住宅達到 2860 萬戶，占整體住宅的 54.9%。2014 年住宅 木結(jié)構(gòu)統(tǒng)計中，可以計算出平均每棟住宅的面積為 121 平方米左右， 基本屬于獨戶住宅的范疇。 日本人之所以喜歡木結(jié)構(gòu)獨戶式住宅， 除 傳統(tǒng)習慣外，木結(jié)構(gòu)房屋使用壽命長、建設(shè)周期短、節(jié)能、生態(tài)、環(huán) 保、抗震等特點也是其受青睞的重要原因。但為什么會認為日本

2、是鋼建筑先進國家呢？在日本大中城市中， 鱗次櫛比的摩天大廈是另一道風景線， 這些建筑以鋼結(jié)構(gòu)為主。 鋼結(jié) 構(gòu)建筑是一個復雜的技術(shù)、 設(shè)備、部品、材料有機結(jié)合體的集成產(chǎn)品， 是建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向和必然產(chǎn)物。 由于日本特殊的地質(zhì)條件， 日 本建筑鋼結(jié)構(gòu)及相關(guān)鋼材的研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平。根據(jù)日本總務省統(tǒng)計， 2013年日本非木造為 2199萬戶，占比為 42.2%，其中鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)為 1766萬戶，占比為 33.9%?，F(xiàn)代日 本住宅，從結(jié)構(gòu)上講，木結(jié)構(gòu)的占多數(shù)，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu) 等住宅占到非木結(jié)構(gòu)的 80.3%。主要建篥構(gòu)造用鋼材関連統(tǒng)計図表圖一不同建筑結(jié)構(gòu)施工面積為了分析

3、包括住宅在內(nèi)所有建筑物鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)所占比 例，引用日本國土交通省的統(tǒng)計數(shù)字，2013年日本新施工房屋總面積為14845.6萬平方米，其中，鋼結(jié)構(gòu)（S）為5234.3萬平方米，約占 35.3%,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（RC為2967.5萬平方米，約占20% :鋼管 混凝土結(jié)構(gòu)（SRC）為346.5萬平方米，約占2.3 % :從圖一可以分析得 出1970后鋼結(jié)構(gòu)始終高于鋼筋混凝土面積比例的結(jié)論。表1日本2014年施工的不同用途及結(jié)構(gòu)建筑物統(tǒng)計數(shù)量（面積）構(gòu)造 及用途總計棟（面積平方米）木結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu) 與鋼筋 混凝土鋼筋混凝土鋼結(jié)構(gòu)其他全部建筑592573429305696187691285891521

4、4(134021335)(53498128)(3201044)(27223516)(49225423)(873224)住宅用499218402110263115947368811563(76015562)(48785679)(286053)(14486435)(12062729)(394666)非住宅用93355271954337175549013651(58005773)(4712449)(2914991)(12737081)(37162694)(478558)如表1所示，2014年的統(tǒng)計中，2014年鋼結(jié)構(gòu)建筑為12.8萬棟, 占總數(shù)的21.7%,面積4922萬平方米，占總面積的36.7%

5、。根據(jù)2013 年與2014年的統(tǒng)計，日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑每年開工的面積基本保持在 35%左右的水平。根據(jù)表 1的數(shù)據(jù)，住宅中木結(jié)構(gòu)的比例很高，但我們把住宅與非 住宅分別觀察的話，就會發(fā)現(xiàn)在非住宅的建筑中鋼結(jié)構(gòu)建筑為 5.49 萬棟，占到了 58.8%，鋼結(jié)構(gòu)面積也接近 70%。特別是在像東京、大阪 這樣的大城市，人口稠密， 土地資源有限，用于商業(yè)的非住宅建筑多 以高層或超高層為主，為達到更好的抗震效果，降低建筑成本，鋼結(jié) 構(gòu)是唯一的選擇。在地震頻發(fā)的日本， 鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的抗震性能得到了廣泛的應 用。建筑標準規(guī)范隨著重大地震的發(fā)生不斷調(diào)整完善， 設(shè)計方法也隨 之改進。結(jié)構(gòu)用鋼材、連接方法和結(jié)構(gòu)類

6、型都在不斷地發(fā)展創(chuàng)新。1995年，日本阪神大地震后，日本政府提出了“零死亡”計劃， 抗震性能卓越的鋼結(jié)構(gòu)、 輕質(zhì)材料等各種最先進的防震手段被廣泛應 用，所有老式建筑全部采用不同形狀的鋼結(jié)構(gòu)框架進行加固。 2011 年3月11日，日本遭遇人類觀測史上最高級別的 9級地震，同時還伴有 特大海嘯的襲擊。 事實證明， 大量的房屋毀壞和人員傷亡是來自更具 破壞力的海嘯， 而非房屋倒塌， 這與日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑占有率較高和 日本重視建筑防災、抗災、對生命呵護的安全設(shè)計有直接關(guān)系。二、日本推進鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化的歷程 日本鋼結(jié)構(gòu)建筑的歷史有 100年左右。日本第一座應用鋼結(jié)構(gòu)的 建筑是 1894年建于東京的集英

7、出版社廠房。 設(shè)計和建造鋼結(jié)構(gòu)建筑的 基本技術(shù)在 1910年前后開始成型。1926年，熱軋鋼制品標準出臺： 1932 年城區(qū)建筑法實施細則 被修訂，正式批準焊接結(jié)構(gòu)在建筑中的應 用。同年，結(jié)合使用了鉚接和焊接的住友大廈在東京丸之內(nèi)區(qū)建成。1941年，日本建筑學會頒布設(shè)計規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)計算標準， 總體設(shè)計理論也更加系統(tǒng)化。 然而，此時的日本正處于第二次世界大 戰(zhàn)的硝煙之中，建筑行業(yè)近乎停滯。 1945年戰(zhàn)爭結(jié)束后，當時的日本 百廢待興，經(jīng)濟蕭條，為盡快實現(xiàn)經(jīng)濟復蘇，按照抗震、快省的要求 展開戰(zhàn)后重建工作，推行建筑的工業(yè)化生產(chǎn)和建設(shè)。 1950年，日本頒 布了建筑基準法，以法律的形式明確了建筑的抗震設(shè)

8、計標準和材 料檢驗、工程驗收標準等，為建筑產(chǎn)業(yè)化的實施提供法律保障。按照日本對建筑結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計口徑： 建筑分為木結(jié)構(gòu)、 鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu)（RC）、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（SRC）和鋼結(jié)構(gòu)（S）等，對建筑的結(jié)構(gòu)形式 的選擇，政府在建設(shè)基準法中，只對抗震標準和建筑材料上提出 強制性的要求， 具體選擇什么結(jié)構(gòu)由開發(fā)商自行決定。 但無論選擇那 種結(jié)構(gòu)類型的建筑， 都必須經(jīng)過設(shè)計標準審查， 使用經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)認 證的建筑材料， 由具有相應資質(zhì)的專業(yè)施工隊伍進行施工。 鋼結(jié)構(gòu)的 建筑在 1965年后快速增加， 1987年鋼結(jié)構(gòu)在所有的結(jié)構(gòu)形式中占據(jù)了 最大的份額，鋼結(jié)構(gòu)在日本得到了相當廣泛的應用。日本鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展

9、有其特定歷史條件和環(huán)境。 1950年后建 筑標準法中一些法令和規(guī)范的修訂、 設(shè)計方法的改變以及地震的發(fā) 生情況。每次大地震發(fā)生后，規(guī)范也相應地被修訂。建筑物高度 （31米以下）的限制在1965年被廢除，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也 因此需要相應的調(diào)整。 除了允許應力法或靜態(tài)彈性設(shè)計法這樣的主流 設(shè)計方法，一種更為先進的結(jié)合了塑性設(shè)計法和動力特性分析的設(shè)計 方法被采用， 從此廣泛應用于高層和超高層建筑的設(shè)計中， 而這類建 筑都采用的是鋼結(jié)構(gòu)。1981年頒發(fā)新耐震設(shè)計法 ，采用了沿襲至今的兩階段設(shè)計法： 第一階段采用彈性設(shè)計法， 假定地震等級為中級； 第二階段設(shè)定在建 筑物使用期間可能發(fā)生大地震， 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)

10、的水平極限強度采用彈 塑性設(shè)計。這次修訂之后，建筑物的抗震性能大大提高。然而， 1995年的阪神地震破壞程度之大， 讓即使建于 1981年后的 建筑也來能幸免地受到毀壞，尤其是鋼構(gòu)建筑粱柱的焊接處和柱基 處。于是 1998年建筑標準法被再次修訂。規(guī)范中對梁柱的焊接處 和柱基作了詳細的更改， 2001年、 2007年兩次修訂建筑基準法， 補充條款， 提高建筑的抗震標準， 這些標準已經(jīng)廣泛應用在當今的鋼 結(jié)構(gòu)建筑中。從政府層面看， 盡管政府對建筑結(jié)構(gòu)沒有明確的政策差異， 但對 建筑抗震性能卻有非常明確的法律條款和強制性規(guī)范， 對一些地震活 躍地區(qū)住宅和學校、 醫(yī)院等公共設(shè)施實行強制性抗震標準， 要

11、求學校、 醫(yī)院建筑做到震時的“避難所”。從行業(yè)組織的作用看， 協(xié)助政府解決技術(shù)和標準的銜接， 組織設(shè) 計機構(gòu)、院校專家對建筑設(shè)計的標準、技術(shù)、規(guī)范的編制和檢驗、產(chǎn) 品認證的責任體系。 對一些新型建筑材料通常由專業(yè)協(xié)會組織評審檢 驗后，再由政府簽發(fā)通用許可。 對建筑用鋼材料的質(zhì)量實行可追溯制 度，每批材料的標準審定和批準文號都存檔備案， 對生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)全 過程的監(jiān)管和檢驗，保證合乎標準的材料才能運用到建筑中去。 日本建筑企業(yè)極為重視新技術(shù)新材料的研發(fā)工作， 企業(yè)建有自己 的建筑技術(shù)研究所， 研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和材料、 改進施工 工藝。在建筑抗震技術(shù)上，強調(diào)持續(xù)不斷改進。每次大地震發(fā)生后，

12、 企業(yè)都會派出技術(shù)專家深入災區(qū)，根據(jù)建筑受損程度和受損點情況， 專題進行研究和提出新的技術(shù)解決方案，改進結(jié)構(gòu)體系或材料屬性， 重視對造成傷害案例的研究， 技術(shù)研發(fā)成果得到國家政府和全社會的 高度重視， 并進行推廣和運用。 這一點值得我國建筑企業(yè)很好的學習 和借鑒。三、日本鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)狀 日本非住宅用建筑多以高層建筑和公共設(shè)施為主， 出于結(jié)構(gòu)安全 和節(jié)能的考慮，選擇鋼結(jié)構(gòu)的比例較高，鋼結(jié)構(gòu)具有安裝容易、施工 周期短、自重輕、抗震性能好及環(huán)境污染少、 可回收利用的綜合優(yōu)勢， 從有利于資源保護和可持續(xù)發(fā)展的要求出發(fā)， 日本社會對發(fā)展鋼結(jié)構(gòu) 建筑表現(xiàn)出戰(zhàn)略眼光。 在規(guī)劃設(shè)計住宅項目時， 把采用鋼結(jié)構(gòu)建

13、筑體 系作為考慮方案。在學校、醫(yī)院和文化場館則優(yōu)先選擇鋼結(jié)構(gòu)體系。超高層建筑多用做商業(yè)設(shè)施， 基本使用超高層柔性鋼結(jié)構(gòu)， 施工 方法采用框剪結(jié)構(gòu)， 利用免震或減震等特殊裝置， 達到更好的抗震效 果。為了減少高層建筑物的擺動，會在建筑內(nèi)安裝阻尼器。曹通鋼鋼材國內(nèi)最終使途4植注星推計機壯年度7.0005.0DO4,0003,000二 UOJ1.000旻注A*Jt屢用出円I:茴怯謂曜城別用謹引金牛*UHfflt 8-IH皿古訃片圖二2012年與2013年建筑用鋼比例根據(jù)圖二，可以看出日本近幾年鋼鐵年生產(chǎn)規(guī)模比較穩(wěn)定，每年產(chǎn)量為7300萬噸至7400萬噸左右，日本生產(chǎn)的鋼有35注右用于出口， 65注右

14、用于國內(nèi)的各種生產(chǎn)建設(shè)，其中建筑用鋼約占國內(nèi)用鋼的45% 左右，占鋼總產(chǎn)量的29%約為1500萬噸左右。一般低層的鋼結(jié)構(gòu)住 宅柱子，大多采用冷彎加工成型的鋼管，所以在日本，HOT（熱軋鋼卷二冷彎型鋼）的使用量不斷增加；高層建筑中，焊接箱柱及焊接h型鋼梁的使用量較大，因此，厚板的需求量在不斷增多；而低層的鋼 結(jié)構(gòu)建筑，則普遍采用H型鋼。鉄骨造規(guī)摸別若工床而稍搆成此2專年虞 2005年度20H年廈 2012年廈e * A 工庫St生朝斗丹E3175 Hi電噸刃nf%|冷再rtf4.WWnf1t ifi W X VI ttM萬2干韓M萬日干ftR萬命手樽悩萬0千構(gòu)2萬窘干|liaiNiJ 平均 笨

15、畫 HtMSrri3l6rrf327rrf334rriiK2rri1*h3233*站、羽A出Ffh律舊變甘年襁，律復軟計年間1向圖三鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)模與施工面積構(gòu)成比根據(jù)圖三，可以看到日本從2008年至2012年不同規(guī)模建筑施工比 例情況，2008年鋼結(jié)構(gòu)的施工面積為5664萬平方米，由于金融危機的 影響2009年出現(xiàn)較大滑坡，2012年恢復到4626萬平方米的水平，每座 建筑的平均建筑面積為345平方米，用鋼量為35噸左右。日本建筑商在規(guī)劃設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)建筑時，充分考慮產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)條件，盡可能采用標準化、通用化的材料和配套產(chǎn)品。在日本建筑企業(yè) 的技術(shù)研究所，研究的重點方向之一就是建筑構(gòu)件的生產(chǎn)工藝和材

16、 料、部件的工廠化生產(chǎn)條件，集約化管理、標準化施工。通過技術(shù)手 段運用，新材料、新技術(shù)的研究開發(fā)，達到科學控制資源、材料合理 使用的目的。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼材料都是在鋼廠預制，能夠?qū)崿F(xiàn)嚴格的質(zhì)量檢驗，嚴格的工藝流程控制對工程質(zhì)量得到確實的保證；而現(xiàn)場裝配化施工管理模式，工地占地面積小、機械化作業(yè)程度高，有 利于提高工效、加快工程進度，減少環(huán)境損害。四、日本建筑鋼材的性能要求日本對鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能特別強調(diào)， 在耐震設(shè)計法中， 希望 通過塑料變形，吸收地震產(chǎn)生的能量。作為倒塌類型，為了實現(xiàn)理想 的倒塌形狀， 要求梁材所用鋼材的屈服強度具有一定的穩(wěn)定性。 為確 保鋼材的塑料變形能力， 要求保證具

17、有較小的屈服比。 提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu) 件的強度，對鋼材的磷、硫等雜質(zhì)需嚴格控制，保證其較高的韌性。 對梁的垂直方向承受力較大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 必須保證鋼板的性能。 焊 接的鋼結(jié)構(gòu)件，確保其塑料變形，要求雜質(zhì)少，吸收（夏氏）沖擊能 量大，有較高的韌性。鋼結(jié)構(gòu)建筑除抗震性外，還有防火、耐腐蝕等 多種要求，所以在日本，耐火鋼、耐候鋼、低屈服點鋼、高強度鋼等 新鋼種不斷被開發(fā)和利用。 日本在鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼的品種開發(fā)、 系列 化及標準化方面一直處于世界領(lǐng)先水平，其耐候、耐火、抗震及減震 等建筑用鋼的發(fā)展取得了舉世矚目的成就，如開發(fā)了低屈強比的 SN 系列鋼材，具有良好焊接性的TMC系列鋼材，超低屈服點軟鋼系列及

18、 輕型H型鋼等鋼材。SN 系列是用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震用鋼材。 為保證利用鋼材塑性對地 震能量進行穩(wěn)定的吸收，1994年將Sf鋼岡作為標準化鋼種。標準中要求 SN鋼的屈強比不大于0. 80,屈服強度波動范圍控制在120MP以內(nèi)， 斷面收縮率不小于 25并具有良好的可焊性， 其優(yōu)點是：能確保塑料 變形能力；確保焊接性；確保板厚方向性能；確保公稱截面尺寸；可 根據(jù)不同部位選用不同鋼種，其性能和鋼種區(qū)分：屈服點的上限，屈 服比的上限，厚度方向拉深值的下限值， （夏氏）沖擊值下限值，碳 當量（Ceq焊接裂縫靈敏度組成（Pcm的上限值的制定，嚴格規(guī)定 負公差精度。目前，SN鋼在大型建筑中的應用不斷增加，發(fā)展

19、前景看 好。采用TMC工藝制造的鋼。通常的JIS標準鋼板，當厚度超過40mm 時，會影響其屈服強度，但運用TMC鋼（熱加工控制工藝軋制），不 增加Cec就能使鋼材（厚板、H型鋼）具有良好的焊接性。在日本，這 種鋼材已被廣泛應用于高層建筑， 其中400X 400mm 500X 500mr的超 厚H型鋼作為柱子，在高層建筑的應用已相當普遍。超低屈服點鋼一般使用于比柱、梁等構(gòu)件屈服點低的減震構(gòu)件。 當?shù)卣鸢l(fā)生時，首先使其屈服，靠反復荷載滯后，吸收地震產(chǎn)生的能 量，與利用其粘性體等的其它減震材料相比，具有成本低、可靠性強 和耐久性等優(yōu)點，因而在日本已廣泛推廣應用。在日本中高層住宅會采用鋼結(jié)構(gòu)，輕型 H

20、型鋼幾乎都用于鋼結(jié)構(gòu) 工業(yè)化住宅，輕型H型鋼比軋制的H型鋼精度高，最適合于建筑工業(yè)化 住宅。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中， 存在兩大問題： 鋼的腐蝕和火災時鋼構(gòu)件的軟 化。耐火鋼的概念在上世紀八十年代由日本開始提出，現(xiàn)在歐美、日 本、韓國和澳大利亞等發(fā)達國家相繼開展了耐火鋼的研究和生產(chǎn)。 耐 火耐候鋼在日本建筑行業(yè)的需求量呈快速增長的勢頭。為了提高鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火性能，用隔熱材料覆蓋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu) 件，使之在發(fā)生火災時，控制鋼結(jié)構(gòu)的溫度上升，延緩房屋倒塌，爭 取撲救時間，減少火災損失。這種隔熱材料稱為耐火被覆材料。日本建筑基準法第 2條第7號規(guī)定了各種耐火結(jié)構(gòu)的標準。日本國土交通省規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)耐火被覆材料的規(guī)格

21、。 一批試驗合格的耐 火被覆材料和行之有效的施工方法， 取得了國土交通省的認證， 現(xiàn)行 的被覆材料及施工方法基本可歸納為兩類： 一是工廠里批量生產(chǎn)的型 材，如耐火簿板等，普遍應用的是硅酸鈣板。施工方法有鑲嵌工法和 卷繞工法兩種。 其特點是：質(zhì)量容易控制，目測即可，不需涂防銹漆， 可以回收循環(huán)利用，有利于環(huán)保。二是現(xiàn)場施工材料。施工方法有噴 敷工法和涂刷工法兩種。其特點是：適于各種形狀的構(gòu)件，但涂層厚 度等質(zhì)量不易控制，尤其是涂刷工藝，耐火時間不超過 3h，且每5 年要定期檢查一次。在日本經(jīng)濟高度增長期之后， 超高層、 大跨度建筑的需求不斷增 加。這種需求推動了建筑結(jié)構(gòu)用高強度鋼的開發(fā)和應用。

22、例如強度大 于普通建筑鋼（490N/mm級）的590NKmm2級高強度鋼特厚壁圓形鋼 管已用作地標塔的立柱，780N/ mm級低屈強比鋼箱形立柱已用于小 倉火車站大樓。五、鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)勢 日本超高層建筑基本上是采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)與鋼混凝土結(jié)構(gòu)相 比，具有強度高、自重輕、施工速度快、地基費用省、占地面積小、 工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點，有著更好的抗震、防腐、耐 久、環(huán)保和節(jié)能效果；鋼結(jié)構(gòu)建筑可減小構(gòu)件斷面，增加柱間跨度， 能將使用面積增加 5-8%，并得到較高的層高空間，具有良好的空間 感，可設(shè)計成大量開放型辦公室圍繞著空中花園、 中央天井加上合理 的電梯設(shè)計可達到最低的能源消耗。鋼結(jié)構(gòu)

23、建筑可實現(xiàn)構(gòu)架的輕量化和構(gòu)件大型化， 運送簡便， 加工 性能優(yōu)異，質(zhì)量穩(wěn)定，便于實現(xiàn)系統(tǒng)化， 提高生產(chǎn)率， 降低基礎(chǔ)成本； 吊裝施工較為簡便， 比混凝土施工所需的現(xiàn)場勞動量小， 不需要鋼混 凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護期， 可提高施工效率。 一般房屋的龍骨現(xiàn)場裝配包括 所有的精裝修和設(shè)備安裝， 整個建造過程大約只需要 3 個月時間。如 果工廠預制程度更高， 就只需 1 個半月左右的時間。 因此鋼結(jié)構(gòu)與混 凝土結(jié)構(gòu)相比是環(huán)保型、節(jié)能型、可再次利用、易于產(chǎn)業(yè)化的建筑結(jié) 構(gòu)。六、對我國推進鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化的啟示我國 2015年上半年大型鋼鐵企業(yè)發(fā)生大面積虧損， 凈利潤急劇減 少，我國的鋼產(chǎn)量已達 10億噸，嚴重供過于求的狀況已迫使鋼鐵企業(yè) 另辟蹊徑，引進成熟的鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系，有可能打通房地產(chǎn)業(yè)、