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鋼結構建筑與鋼材深加工

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    鋼結構建筑是中國經濟發展的需要

    　　1 鋼結構建筑是資源節約型建筑

    　　國家“十一五”規劃將節約資源作為基本國策，提出發展循環經濟，保護生態環境，節約資源，實現可持續發展。作為重要的節能型建筑形式，鋼結構建筑資源消耗量較少，每平方米消耗資源量大約是800～1000kg，其中50％是可再生資源，而鋼混結構每平方米消耗資源量則在1700kg以上。

    　　我國建筑用鋼量占總用鋼量的30％，美國、日本則達到50％～55％，我國建筑用鋼量中鋼結構用鋼量占10％，而美國則達到40％～50％，可見，鋼結構的應用在發達國家是十分普遍的。建設部提出到2010年鋼結構用鋼量占整個用鋼量的60％，我國目前的鋼結構發展水平與之存在一定差距。

    　　2 鋼結構建筑與建筑業的產業升級

    　　“住宅產業化”的概念是德國人在1910年率先提出的，近100年來，歐洲許多國家大量興建鋼結構多、高層建筑，逐步形成較高的鋼結構工業化生產和裝配水平。我國加入WTO后，建筑業面臨著與國際接軌的嚴峻挑戰，但國內建筑業仍屬勞動密集型產業，效率較低。鋼結構建筑屬于高技術、高效率產品，發展鋼結構建筑，將有效地推動建筑業的技術進步，促進建筑業產業升級，向技術密集型產業轉化，同時也將帶動我國鋼鐵工業的發展。

    　　鋼結構建筑綜合效益顯著鋼結構建筑便于實現工廠化、規模化生產，比傳統磚混結構和鋼筋混凝土結構施工周期短、現場用工少、勞動生產率高，而且品質易保證。鋼結構建筑的另一個突出優點是自重輕、延性好、抗震性能優越，對于我國這樣多地震災害的國家來說，可以明顯減輕地震造成的損失。鋼結構建筑隔熱保溫性能好，有利于建筑節能，同時鋼材可回收利用，符合中央“大力發展循環經濟，建設節約型社會”的方針。我國鋼材供應充足，國產鋼材無論質量、價格，還是品種、規格均可以滿足鋼結構建筑的需要。

    　　發達國家經過近百年的發展，在建造鋼結構建筑的過程中引入了制造業的生產方式，即將整個結構分成若干模塊，在工廠加工后運抵現場組裝。這種生產方式不但質量有保證，而且是非濕作業，在建造過程中對環境污染少。鋼結構的力度重力之比是3，強度重力之比是14，因而鋼結構是最輕的結構，結構面積最小，且延性好、抗震性能佳。鋼結構建筑施工速度快、空間利用率高、室內布置靈活、所需施工場地小等優點也十分突出，受到開發商青睞。

    　　關于鋼材費用占工程總投資比重的問題。通常情況下，工程造價占工程總投資的60％，結構費用約占工程造價的25％，上部鋼結構費用占結構費用的65％，而鋼材費用又占上部鋼結構費用的45％，實際鋼材費用僅占工程總投資的4．4％。與鋼筋混凝土結構相比，鋼結構可縮短工期1／3甚至1／2。建設周期縮短，建設工程可以提前投入使用，貸款利息也將大幅降低。建設工程提前投入使用所獲得的收益明顯高于鋼結構較鋼筋混凝土結構的價差。而隨著我國鋼結構設計水平的發展，鋼結構建筑生產產業化、批量化程度的逐漸提高，經濟效益還將進一步提高。


    　　 “十一五”建筑行業用鋼預測 萬t
    　　??????????????????????????????????
    　　 總計 城鎮房屋 城鎮非住 城鎮住宅 農村房 其他建
    　　 宅房屋 屋住宅 筑工程
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    　　2005年 17287 13117 7026 6091 470 3700
    　　2010年低方案 22579 14870 8702 6168 550 7159
    　　2010年調整方案 25834 17066 9345 7721 550 8218
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    　　3 發展鋼結構建筑需要解決的主要問題

    　　發展鋼結構建筑有利于實現國民經濟可持續發展，這應是政府行為，也應成為市場行為。政府各部門應研究制定相應的政策法規，為鼓勵采用鋼結構建筑提供良好的政策環境。

    　　建筑師要把鋼結構建筑作為一個完整的建筑體系進行研究，滿足鋼結構建筑在適用性能、節能環保性能、經濟性能、安全性能、耐久性能方面的綜合要求，形成完善的體系。

    　　在鋼結構建筑的模塊化制造方面，需研究合理的模塊形式與分割方式，以及運輸、吊裝問題等，研究減少裝修工程量的生產方式，開發模塊化的生活設施。

    　　鋼材品種、規格，以及深加工上下游企業間要逐步形成相互配套和相對穩定的原材料、部品、部件和設備供應體系，以品質可靠、價格合理的材料、部品實現最終產品－住宅的高質量。

    　　加快相關技術標準、規范、規程的制訂和修訂，使與鋼結構建筑有關的所有部門和人員工作起來有據可依、有章可循。

    　　國鋼材生產與發展鋼結構建筑結構的可能

    　　伴隨著國民經濟和社會發展處于不同的發展時期，我國對建筑用鋼采取了不同的產業政策和技術政策。可分為以下三個階段：

    　　第一階段：從建國后到80年代初，由于我國鋼產量低，鋼材品種規格及其性能總體上尚處于較低的水平，故而采取限制用鋼的政策，房屋建筑鼓勵采用磚混結構，鋼筋混凝土結構應用量不大，主要的鋼筋混凝土構件－－預應力砼空心板采用低檔次的低碳冷拔鋼絲。

    　　第二階段：從80年代初到90年代初，由于我國鋼產量持續和較大幅度的提高，建筑用鋼進入鼓勵合理用鋼階段，此階段冷拔低碳鋼絲預應力空心板的用量大幅度減少，轉而用現澆砼樓板以提高建筑結構的整體抗震性能。此階段的另一個特征是國民經濟持續快速發展，公共建筑的大量涌現帶動了鋼筋混凝土結構的發展，也促進了建筑螺紋鋼筋等建筑用鋼材的快速發展。

    　　第三階段：從90年代中后期到現在，我國建筑用鋼進入大力提倡用鋼的新的歷史階段，主要原因是這期間我國建筑用鋼產量、品種和質量均有大幅度的提高。

    　　1 鋼結構建筑的發展

    1）住宅鋼結構：鋼結構住宅具有抗震性能好，施工周期短，產業化程度高的優點。目前總體上仍處于研究開發階段，但也有不少成功的工程實例。近年來，國內已建成大量的鋼結構住宅，其關鍵技術的研究已取得了階段性成果。

    　　2）高層鋼結構：目前我國已建成及在建的高層鋼結構建筑已有50多幢，總面積320萬m2，用鋼量30萬t，投資約600億元，在鋼結構制作和安裝方面都達到了較高的水平。

    　　3）空間鋼結構：以網架和網殼為代表的空間鋼結構也繼續大量發展。該結構的特點是受力合理、剛度大、重量輕、桿件統一、制作安全方便，可滿足跨度大、空間高、建筑形式多樣的要求，可應用于一般的民用建筑、工業廠房、候機樓、體育場、展覽中心等工程。

    　　4）輕型鋼結構：近年來我國輕型鋼結構建筑發展迅速，主要用于輕型工業廠房、糧倉、體育場館、展覽廳、活動房屋、加層建筑和建材、家具等各類交易市場等。

    　　當前建筑用鋼材的生產應用主要存在著優質結構鋼品種不足，高強度鋼應用比重較低，經濟型材應用不多，規格較少等問題。

    　　鋼結構建筑用材使用情況近年來，政府加強了建筑鋼結構的政策引導和支持力度，先后頒布了建筑鋼結構鋼材、設計、制造、施工等相關國家標準、規范，建設部科技司組織了36項鋼結構住宅建筑體系及關鍵技術研究課題、開展試點工程、并籌備編制《鋼結構住宅設計規程》，進一步推動了建筑鋼結構的應用。同時，眾多開發商、企業家都看好鋼結構住宅建筑市場，在擴大市場領域、開拓新產品、新技術等方面投入了大量人力和物力，重視和發展鋼結構住宅逐漸得到認同。目前，已建設了近100萬平方米的低層、多層和高層鋼結構住宅試點示范工程，建筑鋼結構的推廣工作取得了顯著的成績。

    　　中國鋼結構協會2004年統計，我國鋼結構制造業的年產量約為1200萬t。按發達國家鋼結構產量占鋼材總產量10％計算，我國鋼結構的年產量應達到4000萬t左右，而我國鋼結構制造量僅占鋼材產量的不足3％，與發達國家相比，還有較大的發展空間。

    　　2 典型建筑鋼結構中板材使用情況

    　　中央電視臺新樓用鋼12．18萬t，其中Q345板材34730t，Q390板材69869萬t，Q420板258t，S460板60t。其中40mm以上鋼板75274t，Q420和S460的板厚有110mm、100mm和80mm三種。國家大劇院用鋼6800t，其中12～25mm中板2385t，60mm厚板2150t，鋼種為Q345D。國家體育館用鋼67188t，其中主結構60500t（Q345B、C和D級），次結構4950t（Q235）。廣州電視塔用32000t的15～80mm厚的Q345、Q345GJ和Q390板材。

    　　鋼結構建筑與我國鋼材深加工技術的發展

    　　1 國內鋼鐵企業鋼結構生產現狀

    　　寶鋼鋼結構加工線起步較早（1985年），發展較快，年銷售總量進入全國鋼構業前三強。馬鋼以鋼結構為主體的加工線在國內具有一定優勢，具有較大規模的生產能力。武漢鋼鐵集團金屬結構公司是國內從事工廠廠房、高層建筑、橋梁、輕型鋼結構、網架結構、非標設備、壓力容器、普通和異型、大型組合鋼模板制作的大型專業廠家。首鋼集團具有多家從事鋼結構工程的公司，如首嘉鋼結構公司、首鋼建設集團金屬結構廠、首鋼冶建公司和Acelor－首鋼鋼結構公司等。萊鋼根據自身企業的產品特點，成立萊鋼建設公司，以住宅鋼結構建設為主，采用研究開發、設計制造、施工維修、管理和社區建設、土地開發一條龍的模式，組成專業的鋼結構房屋開發公司，在國內建筑業中具有一定影響。同時，萊鋼泰達車庫有限公司是從事機械智能立體車庫研發設計、生產制造、工程安裝和售后服務的專業化公司，在全國設9家分公司，瑞士設有一家子公司。這些鋼結構加工業與鋼鐵主業形成了配套互動，優勢互補的鋼鐵產業鏈。

    　　鋼結構建筑用型材的發展現代建筑采用鋼結構越來越廣泛，目前使用較多的主要有建筑鋼結構、橋梁鋼結構和塔桅鋼結構，包括各種焊接圓管、方矩管、H型鋼等。現代一般的高層寫字樓、體育場館、交通樞紐建筑都廣泛使用鋼結構，采用量通常一座建筑用數千噸至萬噸鋼材，但是規格、形狀都比較復雜，需要專門的工廠進行加工。以北京近年的建筑為例，北京國貿大廈為全鋼結構，用鋼量1．08萬t，中厚板板厚35～85mm，其中50～60mm的占約50％；北京京港中心用鋼量1．77萬t，最大板厚85mm；中關村金融中心用鋼1．3089萬t，鋼板厚度20～70mm；北京電視中心用鋼3．367萬t，除部分熱軋H型鋼外，主要采用焊接H型鋼和焊管，鋼板厚度為9～80mm。近年國外在發展大型鋼構件上也不斷有新的進步，如大型蜂窩H型鋼的使用，減少了鋼材的使用量，其完全是鋼材深加工的產物。

    　　2 鋼結構建筑用涂鍍層鋼板的發展

    　　涂鍍層鋼板的發展是現代社會經濟發展的要求。以汽車為例，一般汽車全壽命為10年左右，采用普通冷軋板做車身，抗點蝕的壽命僅2～3年，采用鍍鋅板，車身壽命則可以達到10年，所以涂鍍層板的用量會越來越大。汽車、建筑、家電行業都是涂鍍層板的大用戶。彩涂板主要用于建筑行業，少量用于裝飾和家電。建筑用彩涂板主要用作屋面板、屋頂、廠房外板等，大部分是經過冷彎成型后使用。如果通過夾層、配套的其他環節，則可生產成為整體的房屋。國外很多別墅完全是由大量的鍍鋅和彩涂板組成，其建設成本接近鋼混結構房屋，但是裝配快、構造靈活。因此，在目前國內建筑用彩涂板市場競爭激烈的情況下，彩涂板的成型加工已成為產品增值延伸的有效途徑。

    　　目前，我國只有寶鋼2號熱鍍鋅線能生產鋅鐵合金產品，其它機組生產出的鍍鋅板鍍層種類基本是純鋅。超深沖級和高強度級的只有寶鋼少量生產，大多數機組只生產一般深沖級的。鋼板鍍層大多數為大鋅花、小鋅花、光整鋅花，無鋅花的目前還不能生產。鋅鋁、合金鍍層的鍍鋅板國外已大量應用，國內目前還不具備生產能力。

    　　彩涂板近年發展非常迅速，已建成的產能1500萬t，正在建設的有400萬t，形成了激烈的市場競爭局面，但是，國產彩涂板多為中低檔產品，高檔產品供應不足，造成“大路產品滯銷，高端產品進口”的局面。在消費領域中，我國彩涂板90％以上用于建筑，而國外彩涂板用于建筑的比例大約在50％～60％。高檔彩涂板市場廣闊，但生產高檔彩板的廠家不多，產量有限，有些產品尚屬空白，比如防靜電彩板、抗菌彩板、潔面熱鍍鋁鋅板等。

    　　鋼筋焊網的發展國內鋼筋焊網加工雖起步較晚，但發展勢頭強勁，目前已建設的規模較大的焊網生產線有近20套，其中北京邢鋼焊網科技發展有限公司的生產規模最大，達到20萬t。目前，邢鋼和首鋼鋼筋網產品已大量應用于京津地區的建筑、地鐵、高速公路等工程，特別是在奧運場館建設中也得到應用。

    　　3 我國鋼材深加工行業現存的主要問題

    　　我國鋼鐵產量雄居世界第一，但與工業發達國家相比，鋼材的深加工比重還較低，鋼材本身的附加值沒有得到提升，鋼鐵企業與下游行業的發展結合還不夠緊密，使用鋼材的綜合成材率和勞動生產率也比較低。據了解，世界發達國家鋼材的綜合深加工比可達50％以上，其中，線材達60％，棒材達到40％，管材達30％，板材達70％左右，而我國一般鋼材的深加工比僅為10％～15％左右。

    　　我國鋼材深加工產品主要集中在絲材類，板管類無論在產量上還是在深加工產品中所占的比重都遠遠低于美、日等發達國家，如在工業發達國家冷彎型鋼比例可占到鋼材總量的5％，而我國僅為0．6％；發達國家鋼結構產量占鋼材總產量10％左右，而我國鋼結構制造量僅占鋼材產量的3％左右。

    　　冷彎型鋼生產與裝備技術的發展

    　　冷彎型鋼是經濟斷面型鋼的一種，由冷帶或熱帶經輥式彎曲或模具成型加工而成。其表面精度高，斷面系數比熱軋型材高10％～40％，還具有輕型、經濟、適應性強等優點，已用于多種行業，如建筑業、汽車制造業等。鋼種從單一的普碳鋼向高強、耐候、耐火等鋼種發展。

    　　冷彎型鋼在國外建筑業中用途非常廣泛，被用作屋架、檁條、桁架、剛架、墻架、龍骨、屋面板、墻板、樓板、門窗乃至容器、管道、圍堰、鋼板樁、防波堤等。近年來，冷彎型鋼組合而成的網殼、貨架、單層和多層房屋也得到了快速發展。在工業發達國家，建筑業是冷彎型鋼的第一大用戶，冷彎型鋼占鋼材總量的5％，建筑業用冷彎型鋼占冷彎型鋼總量的70％以上。冷彎型鋼應用于建筑業的主要產品是結構用冷彎方矩形管和建筑用結構冷彎型鋼。

    　　從結構力學和經濟角度分析，冷彎型鋼和H型鋼結合應用于建筑業是最佳組合，可以實現工業廠房和民用住宅建設的工廠化。

    　　隨著我國建筑業的發展，冷彎型鋼在我國將具有強大的生命力。用戶對冷彎型鋼的的認識已大大提高，產品也逐漸被市場所接受。我國現有較大的200mm以上冷彎型鋼機組42套，全國冷彎型鋼生產能力達到1500萬t，產品品種達到2000多種，但目前國內大部分冷彎型鋼加工設備還不能達到質量要求，產品標準尚不完善，深加工能力不足。國外冷彎型鋼品種達10000種以上，應用于各個領域，而我國經常生產的品種只有2000種，在專用品種上還有很大差距。

    　　未來我國鋼結構量需求的增長主要體現在以下幾個方面：

    　　火力電廠的建設會不斷加快。主廠房和鍋爐鋼架用鋼量會增加（包括核電廠廠房用鋼、風力發電用鋼等）。

    　　交通工程中的橋梁會有所增加。近幾年，我國公路橋梁采用鋼結構已成為發展趨勢，特別是跨海、跨江大橋大量應用鋼結構。另外，國內高速公路中的護欄、收費站、交通標志的鋼結構用量也在增加。

    　　市政建設中鋼結構用量增加。地鐵和輕軌工程、城市立交橋、高架橋、環保工程、城市公共設施及臨時房屋等均越來越多的采用鋼結構，尤其京、滬、津、渝、穗等大城市和經濟發達的中型城市。

    　　鋼結構住宅將增加。國家提供建設節能省地住宅，有關鋼結構住宅的試點工程、設計規范及配套技術、材料基本具備。目前我國僅有幾百萬平方米的鋼結構住宅，發達國家已達到40％～50％。若我國每年6億m2的城鎮住宅建設有10％采用鋼結構，按多層、高層建筑平均60kg／m2鋼材計，用鋼量將達每年360萬t。

    　　近年來，冷彎型鋼組合而成的網殼、貨架、單層和多層房屋也得到了快速發展。在發達國家，建筑業是冷彎型鋼的第一大用戶，冷彎型鋼占鋼材總量的5％，建筑業用冷彎型鋼占冷彎型鋼總量70％以上。冷彎型鋼應用于建筑業的主要產品是結構用冷彎方矩形鋼管和建筑用結構冷彎型鋼。

    　　在80年代以前，日本僅生產200mm×200mm以下的方矩形管及少量的開口冷彎型鋼，日本鋼結構住宅中立柱均采用H型鋼。1984年仙臺地震后，通過對仙臺地震中遭到破壞的鋼結構住宅的研究發現，立柱和橫梁之間的焊縫易開裂，原因是受H型鋼外形特點的限制。因此，日本1984年以后通過修改建筑法，規定日本的鋼結構住宅立柱必須采用方矩形管，從而提高住宅的抗震性。隨著冷彎型鋼在建筑鋼結構中的普及，冷彎型鋼生產的規格也隨之增大，目前方矩形管最大規格已達到550mm×550mm，最大壁厚為22mm。2002年日本鋼結構用冷彎方、圓管總產量已達到200萬t。市場需求量最大的方矩型鋼管規格為200mm×200mm～400mm×400mm，占鋼結構用方矩管總量80％以上。

    　　美國冷彎方矩管和熱軋H型鋼在建筑業中的用量約為1?1。在90年代，美國建筑鋼結構用冷彎型鋼的比例甚至超過熱軋H型鋼用量。其中，冷彎結構焊管（方矩管和圓管）約占建筑鋼結構用鋼量的25％，各種開口冷彎型鋼在建筑鋼結構用鋼量中也在20％以上。

    　　我國目前尚沒有廠家生產如此大口徑方矩管，工程用方鋼管為由4塊板焊接而成的箱形柱。建筑用冷彎型鋼需解決的問題有：提高產品質量，減低成本，解決建筑產品規格多、批量少的問題；增加大規格的方矩管生產，做好新產品試點推廣；合理選用冷彎型鋼及焊管、連接材料，設計中充分考慮風、雪荷載，并驗算施工時受力情況，選擇合理的連接方法；研發適合冷彎型鋼用防火及防腐材料和施工措施，提高耐久性能；根據冷彎型鋼產品的特點，創造各類建筑施工方法，不斷提高工程質量，縮短工期等。

    　　2005年5月，北京科技大學完成了為法國德瑞克斯公司開發的新型連續冷彎型鋼生產線工程，這是國內高校第一次為工業發達國家開發的同類型工程總包項目，工程技術要求、產品質量標準、生產環境設計，以及工程相關文本完全按照德國標準DIN進行，在分析、研究與消化原意大利生產線的基礎上，實現了工程設計與制造的自主創新，新的生產線在產品質量、可靠性、生產能力、產品兼容性等方面超過了意大利生產線的水平，成功地解決了帶邊緣缺口窄帶連續冷彎成形、復雜異型斷面冷彎型鋼快速沖切、無釘沖鉚技術的生產應用、全線鍍鋅層保護等技術難題，并申報了6項國家專利。
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