早期的鋼結構建筑都是由一幫建筑“門外漢”發展起來的

（文/圖）丁成章 高級工程師

追溯世界鋼結構建筑發展史，你會發現一個有趣的現象：

·（歐洲）早期的鋼結構建筑是在一幫鐵路和橋梁工程師的推動下發展起來的；

·日本的鋼結構建筑是在一幫造船工程師的推動下發展起來的；

·只有中國的鋼結構建筑是由建筑界的“內行人”搞起來的。

也就是說，發達國家的鋼結構建筑都是由一幫建筑“門外漢”發展起來的，但是要注意，雖然對于建筑，他們是門外漢，但對于鋼材，他們卻是了如指掌，應用自如。因而才會通過他們不斷的努力和探索，最終成為了主導世界建筑界的主人。是他們把鐵路軌道帶進了建筑界，演變成工字鋼，才會有今天建筑界大量使用的H型鋼。另外，與鋼結構配套的圍護結構，例如玻璃幕墻、鋁幕墻、金屬龍骨外墻體系、鈦金屬外墻體系等，都是由一幫建筑界的“門外漢”開發出來的。

一、裝配式鋼結構建筑的先驅者——約瑟夫·帕克斯頓是一個花匠

水晶宮設計師約瑟夫·帕克斯頓，一個花匠的兒子，在他23歲時受雇于德文郡六世公爵。在1850年之前他已經出版了許多著名的園藝方面的書籍。

約瑟夫·帕克斯頓不到二周就畫出設計草圖，其基本原理就是他早先在查茨沃思設計的，用于種植巨大的維多利亞雷吉亞百合花的花房。創造性的花房設計結構采用了苗條的十字骨架來加強放射狀的骨架。

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仰仗現代工業技術提供的經濟性、精確性和快速性，第一次完全采用單元部件的連續生產方式，通過裝配式結構的手法來建造大型空間，設計和建造了倫敦世界博覽會會場水晶宮。只用6個月就建成了長563m、寬124m、最大跨度22m、最高頂棚高度33m；約9萬m2的建筑面積（圖4）。

圖4

水晶宮經歷了從設計構思、制作、運輸到最后建造和拆除的全過程，是一個完整的預制建造系統工程。盡管是馬拉肩扛（圖5-10），卻首創了工廠預制構件，現場裝配的技術模式，是現代建筑（鋼材骨架和玻璃幕墻）的開山之作。

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二、埃菲爾鐵塔的設計師是一位鐵路工程師

在公元1750年～公元1850年之間，英國鋼鐵產量增長了四倍，到1850年已經達到200萬噸。

公元1831年，在美國首次應用軋制火車導軌（圖11和圖12），鐵軌逐漸采用這種下寬上窄的工字型截面并沿用至今。后來的工字鋼和H型鋼都是在鐵軌基礎上發展起來的。早期的鋼結構建筑都是借用鐵路和鐵路橋梁的技術和材料，其結構設計也都是由鐵路和鐵路橋梁工程師擔當。

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公元1884年，工程師埃菲爾（Eifel）設計建造了165m跨度的鐵橋（圖13）。

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公元1887年，工程師埃菲爾（Eifel）設計建造了160m跨度的鐵橋（圖3-4）。

公元1889年，有著豐富的鐵路高架橋設計和建造經驗的工程師埃菲爾（Eifel）與工程師努維依爾（Nouguier）、柯赫林（Koechlin）和建筑師斯特芬·索維斯特（Stephen Sauvestre）共同為巴黎世界博覽會設計了300m高的埃菲爾鐵塔（圖15）。建造的當時，當地的藝術家和文化名流們對它發起了猛烈的反對運動，著名作家莫伯桑說：“鐵塔建成之日，是我離開巴黎之日”，可是鐵塔竣工后卻成了代表巴黎形象的結構物。

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三、日本鋼結構建筑先驅者——若山鉉杰是一位海軍造船師

1894年，日本海軍造船技師若山鉉杰把歐洲的鋼結構引進日本，采用鋼材管狀柱子，熱軋角鋼桁架梁，設計、建造了日本最早的鋼結構建筑——東京京橋三層樓的秀英社印刷廠（圖16）。

圖16

1909年，日本鋼結構的開拓者佐野利器完成了建筑面積500m2，三層樓高，鋼材框架結構的丸善大廈（圖17）。該建筑完全采用鋼材建造鋼框架，外觀雖然還保留著古典建筑風格，但明亮的玻璃建筑（大型窗戶和門）立面，卻給人一種新型建筑的感受。佐野利器（1880～1956年）是日本著名的建筑結構、結構力學和建筑設計師，為推進日本的鋼材結構建筑發展，專門在東京帝國大學機械系（注意，不是建筑系?。╅_設了“鐵骨結構學”這門課程。把鋼結構建筑這門課程開設在機械系里的好處是：可以充分借鑒機械行業數百年來所積累的鋼材制造、加工和使用經驗；可以充分利用機械系里的師資、教材和實驗設備。

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四、空間桁架的發明者——貝爾是電話發明者

人們熟知的亞歷山大·格雷漢姆·貝爾（Alexander Graham Bell），是電話發明者。

鮮為人知的是，偉大的發明家亞歷山大·格拉哈姆·貝爾（Alexander Graham Bell）首先掌握了空間桁架的結構原理，并應用于實際的結構物上。為了使飛機結構更加輕盈，亞歷山大·格拉哈姆·貝爾在1907年開創了多面體（簡單的平面桁架形式的三維基本結構）。其基本結構是一個四面體，四面體是由四個三角形表面構成的實心界面。在規則的四面體里，由四個等邊三角形和六條相等的邊緣組成邊界。在骨架形式里，就表現為單獨的邊緣，為了形成四個等邊三角形，要把六個相等的桿子頭對頭合在一起，以產生規則的四面體骨架。

亞歷山大·格雷厄姆·貝爾指出，這種結構體系不僅可以用在風箏和飛機這樣的輕型骨架上（圖21-圖22），也可以用在其它任何結構上，特別是可以廣泛的用于建筑結構中，1907年他在自己家院子里建造的瞭望塔就是這種思想的具體實踐（圖23-圖26），結果，使他又在建筑領域里做出了一項偉大的貢獻。他的瞭望塔高24.4m，三條腿的簡單結構，不過，每條腿都是由他開發的正四面體組成的空間網架結構。每個正四面體的單邊長度為1.2m，有六根電鍍鋼材管子和四個節點構成，全部都是在工廠里制作的。各個正四面體之間的相互連接和組裝則是在現場進行，并且全部都是由工人手工操作。

這項創造的重要之處不僅體現在空間結構的合理性方面，而且還形成了結構“單元”這一概念。以“單元”為單位，不斷的變化它們的排列和組合，就能夠建造出不同大小和形狀的建筑結構，從而開創了系列化、標準化、產業化批量生產建筑構件的先河。在現代鋼結構建筑技術中，到處都體現出亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的這種超前的建筑哲學思想。

馬克斯·邁戈瑞豪森（Max Mengeringhausen）1940年在德國（圖27-圖28）和康恩達·瓦西斯曼（Konrad Wachsmann）1950年在美國把它把它發展成為非常精密復雜的空間骨架（圖29-圖34）。

五、克雷格·艾爾伍德

克雷格·艾爾伍德的設計代表的是20世紀50～60年代加利福尼亞的“感覺好的”建筑。文雅、潔凈和簡單，他的建筑變成了時尚偶像，并且比密西西比州的任何其他設計公司都要出色。從1955～1957年的亨特住宅，到1968～1969年在馬利布海灘上設計的帕勒斯凱住宅，他設計的住宅充分顯示了生活的情景，既有靈氣，又可以觸摸。

在20世紀60年代，克雷格·艾爾伍德受到密斯·范·德·羅厄的簡單建筑學非常大的影響。然而，克雷格·艾爾伍德不像密斯·范·德·羅厄那樣拘泥于形式，而是在美學觀點上靠近查爾斯·埃姆斯輕的鋼材框架結構?？死赘瘛ぐ瑺栁榈略瓉淼拿纸屑s翰尼·伯克（Johnnie Burke），他1922年出生于德克薩斯州克拉倫登一個巡回演唱者家庭，由于他母親的原因，約翰尼·伯克很早就在圣伯納瑞迪烙和洛杉磯唱紅。他從來沒有學習過建筑學，但是卻誤闖進建筑業，一開始，克雷格·艾爾伍德在洛杉磯一家建筑公司里做建筑物成本評估師，他白天做成本評估師，晚上在加州大學洛杉磯分校讀夜校。在他完成學業的前一年，即1947年，他與其兄弟和二位戰時伙伴合伙開辦了一家公司，這個公司叫做克雷格·艾爾伍德事務所。

在克雷格·艾爾伍德研究建筑理論之前，就已經學習過安裝鋼材和塑料板。這就使他了解了鋼結構，而他同時代的人卻很少能夠從建筑學校學到這些知識（就像現在中國建筑院校里的學生在學校里學不到鋼材建筑學、現代建筑方法及趨勢一樣）。

克雷格·艾爾伍德的設計公司在鋼材的運用方面，具有富有思想性的細節設計和創造技巧。他開發出裸露著華倫式桁架的特有的結構裝置，采用小構件跨越大距離。

克雷格·艾爾伍德的名言“結構只是純原理。當結構決定了形狀，以及功能、區域、文化和氣候決定了可能的特性時，形式只是所要的結果。結構沒有必要指定區域、文化和氣候。結構沒有必要指定鋼材或混凝土框架。建筑物的三個基本要素是實體、苗條的構件和受壓表面。建筑師可以漫無邊際的選擇不同的形式，但每個都要具有結構完整性和清晰的思路……”

“磨練是關鍵的字匯。必須要做一些比較武斷的決定，有時還是強制性的，這才能激發建筑風格的形成。只有在行為變得武斷、異?；驎r髦的瞬間，形式才會變得有點不同于正統的建筑風格。形式必須表達邏輯性、內涵和合理性，然而形式卻不能獨自存在，結構技術只是達到正確形式的手段……，只有通過結構我們才能夠創造出新的建筑風格……”

六、冷軋輕鋼構件設計規范

1939年，由美國鋼鐵學會（AISI）出資，由康耐爾大學（Cornell University）的喬治·溫特（George Winter）教授負責對薄壁冷軋鋼材構件進行實驗和設計理論研究。

1945年，第二次世界大戰結束，憑借戰爭成果，有了豐富的鋼材，很多鋼材公司都指望把住宅建筑當作利用制造能力獲利的手段。

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1946年，受美國美國鋼鐵學會（AISI）委托，康奈爾大學的喬治·溫特爾博士首次為冷軋鋼材制定了規范。

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為了解決二戰退伍兵的就業和居住問題（圖38-圖40），美國政府開展了一次轟轟烈烈的“造城運動”。

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美國鋼鐵行業為了消化戰爭帶來的大量鋼鐵產能過剩，沒有坐等政府的產業政策扶持，而是開始了“供給側”改革，大力發展冷軋輕鋼建筑。

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這個時候，美國也沒有鍍鋅卷板，所以只能采用冷軋板來輥軋加工構件（圖41-圖43），然后上烤漆流水線做防腐處理（圖44）。但這并不耽誤美國人發展和使用冷軋鋼材建筑。

這個時候，美國也沒有自攻螺釘，所以只能采用普通螺釘（圖45），甚至釘子來安裝結構覆蓋物（圖46）。

圖45

圖46

20世紀，40年代，美國也有“螺釘槍”，甚至“手電鉆”，只能采用手動螺絲刀作業。

在紐約就建造了幾個萊頓城，現場建造住宅采用的產業化方式類似于一個在現場的工廠。生產技術模仿了工業過程，工人們從一個地塊輪換到另一個地塊，就像在組裝線上作業（圖47-圖50）。

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二戰后，鍍鋅鋼板問世。

1996年，由美國鋼鐵協會（AISI）開發，由美國鋼鐵協會住宅咨詢組的說明性方法小組委員會領導。由美國鋼鐵協會（AISI）、美國住宅和城市發展部（HUD）和美國全國住宅建造商協會（NAHB）提供資助，由美國全國住宅建造商協會研究中心（NAHBRC）執行，歷時4年，完成了《住宅冷軋鋼骨架說明性方法96版》。這項研究和開發程序得到了指導、咨詢和工程委員會的幫助和指導。這些委員會分別代表鋼材制造商、鋼材生產商、規范官員、學術團體、研究人員、專業工程師和有冷軋鋼骨架經驗的建造商的利益。

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緊接著于1997年又推出了《住宅冷軋鋼骨架說明性方法97版》。

1997年（圖53），中國深圳從美國引進了的冷軋鋼材骨架住宅。

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1986年，美國鋼鐵學會（AISI）首次采用屈曲強度理論和允許應力設計（ASD）方法編制了《冷軋鋼材結構構件設計規范》（AISI 1986）。

1996年，美國鋼鐵學會（AISI）首次采用荷載和抵抗系數設計（LRFD）方法編制了《冷軋鋼材結構構件設計規范》（AISI 1996）。

1998年，美國鋼鐵協會（AISI）的成員公司成立了住宅鋼材合作企業（RSP）。這個組織的使命是創造一個能夠和鼓勵在住宅建筑里應用、節約和普遍使用鋼材的環境。住宅鋼材合作企業（RSP）的活動將包括創造標準、培訓骨架施工人員和其它的商業伙伴、定義有效的分銷渠道和在新住宅買家市場里促進消費鋼材骨架。

2000年，在早先的二個版本（即96版和97版）基礎上，根據《冷軋鋼材結構構件設計規范》（AISI，1986），由Nader R. Elhajj專業工程師和Kevin Bielat為北美鋼材骨架聯盟（NASFA）開發出了《住宅冷軋鋼材骨架說明性方法2000版》。

圖53

2004年，美國鋼鐵學會（AISI）首次采用直接強度方法（DSM）編制了《冷軋鋼材結構構件設計規范》（AISI 2004）。

現在，除了中國外，全球幾乎所有具有冷軋輕鋼設計、制造和安裝能力的國家和地區，都在采用或等效采用美國鋼鐵協會編制的《冷軋鋼材結構構件設計規范》。

在中國，由于“條塊分隔”的政府組織架構，中國鋼鐵協會對于鋼結構建筑標準的制定幾乎毫無建樹。盡管十多年前，國際鋼鐵協會曾經委托中國鋼鐵協會編制一套適合第三世界（尤其是中國、印度和南非）應用的鋼結構住宅標準，但由于冶金部的撤銷，技術人員的老化，以及標準編制權利等諸多問題制約，中國鋼鐵行業最終無法拿出這份標準。而中國建筑行業的技術人員絕大部分都是現澆混凝土專業人士，對鋼材特性、鋼材制造、鋼材應用很外行，當然也很難拿出讓國際鋼鐵協會滿意的鋼結構住宅標準。

七、結束語

中國的鋼結構建筑是被市場所逼，由一些對鋼結構外行的土木建筑師和結構工程師發展起來的。

雖然建筑院校的老師深懂建筑，但是對于鋼材，他們卻是門外漢。講授“土木建筑學”的教師對鋼材的認知程度很低，讓他們去講授“鋼材建筑學”有點勉為其難。很多建筑院校里根本就沒有機械工程專業，如何讓學生去了解“緊固件”、“焊接和鉚接”、“鋼絲繩”（礦業學院的學生都應該對鋼絲繩不陌生，因為礦井提升機離不開它）、《機械制造工藝學》，《金屬工藝學》，以及各種與鋼材有關的專業知識。

雖然結構專業已經開始教授起《鋼結構》課程，但建筑學專業仍然停留在教授《土木建筑學》課程上，無法開設《鋼材建筑學》課程，因為至今仍然還沒有一本可供教學使用的《鋼材建筑學》課本。

從設計到建造鋼結構建筑，需要以下四個主要過程：

建筑設計——結構設計——制造——安裝

目前鋼結構建筑的“制造”和“安裝”技術主要由企業自我培訓完成，技術人員主要來自船舶、橋梁、汽車制造，以及其它機械制造類專業學生。

結構設計人員來自建筑院校剛結構專業，也有很大一部分來自機械類專業。

建筑設計還是由精通“土木建筑”的建筑師來完成。

我經常和年輕的工程師們說：“產品開發有3D階段，即drawing（畫圖）、design（設計）和development（開發）這三個階段。最高層次是development（開發），次一點是design（設計），最后才是drawing（畫圖）”。

由于《鋼材建筑學》教育嚴重滯后與建筑實踐，這就造成很多中國建筑師只懂《土木建筑學》，不懂《鋼材建筑學》，很多大型鋼結構建筑就只能請外國人進行創意（development）和設計（design），中國設計院只能幫忙畫圖（drawing）。

造成的結果就是，中國現代大型鋼結構建筑（包括奧運場館、大型飛機場候機樓和為數不多的超高層建筑）大多數都是外國設計師設計的。