摘要： 为了阐述现代钢结构和绿色建筑的特征，结合点评国内外大型钢结构工程，说明优良的钢结构才是绿色建筑。关于现代结构，美国著名结构大师、康乃尔大学L.C Urquhart教授有如下一段精彩论述：Moder
为了阐述现代钢结构和绿色建筑的特征，结合点评国内外大型钢结构工程，说明优良的钢结构才是绿色建筑。关于现代结构，美国著名结构大师、康乃尔大学L.C Urquhart教授有如下一段精彩论述：Modern structural engineering tends to progress toward more economic structures through gradually improved methods of design and the use of higher strength materials.This results in a reduction of cross-sectional dimensions and consequent weight savings.
由于钢材具有较高的强度，因此，由型钢(含钢板)和高强钢丝等组合连接(焊接、高强螺栓)而成的钢结构骨架，就具有绿色建筑的特质。钢结构固有的三大核心价值：最轻的结构;最短的工期;最好的延性。在建筑全寿命周期内，最大限度地节约，最轻的结构假想强度受压高度(节能、节地、节水、节材)，保护环境和减少污染，为人们提供健康、适应和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。绿色建筑为人类提供一个健康、舒适的活动空间，同时最高效率地利用能源、最低限度地最短的工期工厂焊接、工地高强螺栓拼装影响环境的建筑物。节约能源;建筑适应气候;材料资源的再生利用;尊重用户;尊重地理环境;整体的设计观。
1991年兰达·维尔和罗伯特·维尔合著《绿色建筑——为可持续发展而设计》一书。发达国家探索可持续建筑之路，名为“绿色建筑挑战”，即采用新材料、新技术、新设计方法、新设备、新工艺，实行综合化设计，使建筑在满足功能时所耗资源、能源最少。最伟大的美国建筑、结构大师富勒(Fuller)提出结构哲理：少(费)多(用)——以最少的结构提供最大的承载力(Doing the Most with the Least)。
钢结构节材是绿色建筑最重要的内容，是结构工程师一生追求的光荣事业，然而我国所谓的绿色建筑政策，仅指建筑墙体的节能、太阳能利用等，而对钢结构骨架的节材几乎闭口不谈。这样，就导致我国不少大型钢结构的笨重和怪异。目前，我国设计与施工的现状是：“设计”创造困难，“施工”也要上。优良的钢结构才是绿色建筑，优良的钢结构必须是结构骨架节材，墙体节能，最大限度地满足功能，最低限度地影响环境，为人们提供健康，舒适的活动空间。并能在建筑全寿命周期内，满足可持续发展理念。
在高层全钢结构和大跨度钢屋盖中，100多年来，先进国家大量采用钢结构(日本的钢结构数量已超过70%)，并能基本上实现钢结构固有的三大核心价值。世界高层全钢结构前三名都在美国，其中，有座建筑的箱形柱截面仅450毫米×450毫米，厚度7.5毫米~12.5毫米;下面柱距加大，未设转换层;吊装件高三层楼，全部采用高强螺栓现场拼装，与我国几乎100%的现场焊接拼装形成鲜明的对比。根据文献：“结构体系的优秀性与G/P成反比(G—钢材用量，P —建筑总重)，一般是：优秀设计G/P=0.2~0.3;平庸设计G/P=0.4~0.5;拙劣设计G/P=0.6~0.7”。世界最先进的大跨度屋盖结构——美国乔治亚穹顶(Georgia Dome)，1996年第26届奥运会主场馆椭圆平面240.79米×192.02米，(屋顶+外环)用钢量达到先进水平。
改革开放以来，我国钢结构建筑发展迅速。但也产生了不少笨重、怪异的钢结构，与绿色建筑相佐。沈祖炎院士在《影响中国——第二届中国钢结构产业高峰论坛》的主题报告中严正指出：“近年来涌现的与轻、快、好、省理念背道而驰的技术现状令人担扰”。中国建筑金属结构协会姚兵会长在《影响中国——第二届中国钢结构产业高峰论坛》大会上的讲话也指出：“钢结构不是说体量有多大，或者说要多用钢，而是说要合理用钢，并不是把钢结构建筑建成钢结构碉堡”。上海浦东机场是一座优秀的钢结构建筑，张弦梁(String beam)属于屋盖弯矩结构(Moment-Resisting Structures)，它的跨度都未超过100米，说明结构方案好。它把结构力度与建筑的空间艺术美有机地结合起来，即袒露具有美学价值的结构部分—— 自然地显示结构，达到巧夺天工的震憾效果。成都双流国际机场，也是一个成功的作品。旅客置身其中，感到轻快，转角处理简洁。
现代钢结构设计最关键的两大步骤——正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度，钢结构精心设计一般有四大步骤：结构方案(概念设计);结构截面高度;构件布局(短程传力、形态学与拓朴原理);结点(node)小型化。其中，结构方案、结构截面高度极为重要。为了正确选择结构方案(概念设计)，必须首先进行结构分类。屋盖空间结构是一种由形状而产生效益的结构，也叫形效结构(Formative Structures)，这类结构的用钢量很少。因此，大跨度屋盖(直径D或跨度L≥100米)必须采用屋盖空间结构;屋盖弯矩结构的用钢量按跨度的平方成正比增加，只能用于中、小跨度中。广东奥林匹克体育场(桁架)悬臂52.4米，每平方米用钢量200公斤(屋盖弯矩结构);美国乔治亚体育馆(索穹顶) 椭圆240.79米×192.02米，每平方米用钢量30公斤(屋盖空间结构);国家大剧院(网壳)椭圆平面212米×143米，每平方米用钢量292公斤(屋盖空间结构);深圳宝安体育馆辐射桁架，D=101.4米，悬臂48.295米每平方米用钢量68公斤(屋盖弯矩结构);湛江电厂干煤棚(四柱支承平板网架，柱距79.8米)每平方米用钢量70.3公斤(屋盖弯矩结构)。
对于重屋面，h的取值可增大;适用跨度(L或D)可减少。下面对一些钢结构工程进行点评。深圳宝安体育馆采用径向管桁架结构(相贯节点)，实现了中央节点小型化。跨度D=101.4米，最大悬壁48.295米，法国建筑师(方案中标者)认为：桁架悬挑处的高度取5米(=L/10)才美观，经过作者力争，最后采用6.5米，它是悬臂长度的1/7.43>1/7.5，用钢量仅每平方米68公斤。为了发挥万向支座的刚度系数3kN/mm，支座圈内的下弦杆起拱，受力更合理，更醒目。国家大剧院，椭圆平面：212米×143米，跨度>100米，结构方案选择网壳(屋盖空间结构)是正确。但在上机前，把结构的截面高度选得太大，用钢量高达每平方米292公斤，根据美国教授司密斯(Smith M.G)1963年对166个已建大跨度屋盖(11种)进行分析，这种跨度的网壳结构用钢量不超过每平方米80公斤。广东奥林匹克体育场的建筑理念是：珠江的水、波涛滚滚，美国Nixon Ellerbe Racket公司中标。主桁架MT悬臂L=52.4米，用钢量高达每平方米200公斤。为了减少桁架弦杆的应力：具体措施是：将原主桁架MT的等高度 h=5.2米改为变高度：h=3米~7米桁架;将MT弦杆开口型H截面：H 570×450×125×125改为闭口圆钢管，有效提高f值;用弱支撑连接两片“波涛”，以满足抗震的两阶段设计：“小震”时弱支撑不坏，整体刚度好; “大震”时，支撑坏，刚度降低，地震力减小，整个结构不倒;拉索由2-337 7改为2-150 7，把索的安全系数控制在2.5~3。ff通过上述四点改进，用钢量可由原每平方米200公斤降低到约每平方米80公斤。北京某客站一个结构跨度 L=45.6米<100米，选择用预应力钢桁架方案是正确的，但桁架高度h=8米=L/5.7就选错了，预应力钢桁架的合理高度取h=L/18~h /15=2.53米~3.04米即可。即使普通钢桁架，高度取h=L/12~L/10=3.80米~4.56米。可见，设计是硬道理，“硬”设计就没有道理!硬道理在哪里?就是结构工程师要利用力学功底和结构理论正确选择结构方案，并在上计算机前，正确估计结构截面高度。否则，一旦结构截面高度选错，后续的所谓优化也是几乎无用的。因此，钢结构精心设计的最关键的两步，对结构工程师来说极为重要。（作者：广东省空间结构学会会长、华南理工大学教授 王仕统）
