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钢结构建筑与钢材深加工
 网友评论  [进入论坛]  时间:2007-03-06  作者:  来源:

    钢结构建筑是中国经济发展的需要

  1 钢结构建筑是资源节约型建筑

  国家“十一五”规划将节约资源作为基本国策,提出发展循环经济,保护生态环境,节约资源,实现可持续发展。作为重要的节能型建筑形式,钢结构建筑资源消耗量较少,每平方米消耗资源量大约是800~1000kg,其中50%是可再生资源,而钢混结构每平方米消耗资源量则在1700kg以上。

  我国建筑用钢量占总用钢量的30%,美国、日本则达到50%~55%,我国建筑用钢量中钢结构用钢量占10%,而美国则达到40%~50%,可见,钢结构的应用在发达国家是十分普遍的。建设部提出到2010年钢结构用钢量占整个用钢量的60%,我国目前的钢结构发展水平与之存在一定差距。

  2 钢结构建筑与建筑业的产业升级

  “住宅产业化”的概念是德国人在1910年率先提出的,近100年来,欧洲许多国家大量兴建钢结构多、高层建筑,逐步形成较高的钢结构工业化生产和装配水平。我国加入WTO后,建筑业面临着与国际接轨的严峻挑战,但国内建筑业仍属劳动密集型产业,效率较低。钢结构建筑属于高技术、高效率产品,发展钢结构建筑,将有效地推动建筑业的技术进步,促进建筑业产业升级,向技术密集型产业转化,同时也将带动我国钢铁工业的发展。

  钢结构建筑综合效益显著钢结构建筑便于实现工厂化、规模化生产,比传统砖混结构和钢筋混凝土结构施工周期短、现场用工少、劳动生产率高,而且品质易保证。钢结构建筑的另一个突出优点是自重轻、延性好、抗震性能优越,对于我国这样多地震灾害的国家来说,可以明显减轻地震造成的损失。钢结构建筑隔热保温性能好,有利于建筑节能,同时钢材可回收利用,符合中央“大力发展循环经济,建设节约型社会”的方针。我国钢材供应充足,国产钢材无论质量、价格,还是品种、规格均可以满足钢结构建筑的需要。

  发达国家经过近百年的发展,在建造钢结构建筑的过程中引入了制造业的生产方式,即将整个结构分成若干模块,在工厂加工后运抵现场组装。这种生产方式不但质量有保证,而且是非湿作业,在建造过程中对环境污染少。钢结构的力度重力之比是3,强度重力之比是14,因而钢结构是最轻的结构,结构面积最小,且延性好、抗震性能佳。钢结构建筑施工速度快、空间利用率高、室内布置灵活、所需施工场地小等优点也十分突出,受到开发商青睐。

  关于钢材费用占工程总投资比重的问题。通常情况下,工程造价占工程总投资的60%,结构费用约占工程造价的25%,上部钢结构费用占结构费用的65%,而钢材费用又占上部钢结构费用的45%,实际钢材费用仅占工程总投资的4.4%。与钢筋混凝土结构相比,钢结构可缩短工期1/3甚至1/2。建设周期缩短,建设工程可以提前投入使用,贷款利息也将大幅降低。建设工程提前投入使用所获得的收益明显高于钢结构较钢筋混凝土结构的价差。而随着我国钢结构设计水平的发展,钢结构建筑生产产业化、批量化程度的逐渐提高,经济效益还将进一步提高。


                     “十一五”建筑行业用钢预测                万t
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                   总计   城镇房屋   城镇非住 城镇住宅  农村房  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年调整方案  25834   17066      9345      7721      550     8218
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  3 发展钢结构建筑需要解决的主要问题

  发展钢结构建筑有利于实现国民经济可持续发展,这应是政府行为,也应成为市场行为。政府各部门应研究制定相应的政策法规,为鼓励采用钢结构建筑提供良好的政策环境。

  建筑师要把钢结构建筑作为一个完整的建筑体系进行研究,满足钢结构建筑在适用性能、节能环保性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求,形成完善的体系。

  在钢结构建筑的模块化制造方面,需研究合理的模块形式与分割方式,以及运输、吊装问题等,研究减少装修工程量的生产方式,开发模块化的生活设施。

  钢材品种、规格,以及深加工上下游企业间要逐步形成相互配套和相对稳定的原材料、部品、部件和设备供应体系,以品质可靠、价格合理的材料、部品实现最终产品-住宅的高质量。

  加快相关技术标准、规范、规程的制订和修订,使与钢结构建筑有关的所有部门和人员工作起来有据可依、有章可循。

  国钢材生产与发展钢结构建筑结构的可能

  伴随着国民经济和社会发展处于不同的发展时期,我国对建筑用钢采取了不同的产业政策和技术政策。可分为以下三个阶段:

  第一阶段:从建国后到80年代初,由于我国钢产量低,钢材品种规格及其性能总体上尚处于较低的水平,故而采取限制用钢的政策,房屋建筑鼓励采用砖混结构,钢筋混凝土结构应用量不大,主要的钢筋混凝土构件--预应力砼空心板采用低档次的低碳冷拔钢丝。

  第二阶段:从80年代初到90年代初,由于我国钢产量持续和较大幅度的提高,建筑用钢进入鼓励合理用钢阶段,此阶段冷拔低碳钢丝预应力空心板的用量大幅度减少,转而用现浇砼楼板以提高建筑结构的整体抗震性能。此阶段的另一个特征是国民经济持续快速发展,公共建筑的大量涌现带动了钢筋混凝土结构的发展,也促进了建筑螺纹钢筋等建筑用钢材的快速发展。

  第三阶段:从90年代中后期到现在,我国建筑用钢进入大力提倡用钢的新的历史阶段,主要原因是这期间我国建筑用钢产量、品种和质量均有大幅度的提高。

  1 钢结构建筑的发展

    1)住宅钢结构:钢结构住宅具有抗震性能好,施工周期短,产业化程度高的优点。目前总体上仍处于研究开发阶段,但也有不少成功的工程实例。近年来,国内已建成大量的钢结构住宅,其关键技术的研究已取得了阶段性成果。

  2)高层钢结构:目前我国已建成及在建的高层钢结构建筑已有50多幢,总面积320万m2,用钢量30万t,投资约600亿元,在钢结构制作和安装方面都达到了较高的水平。

  3)空间钢结构:以网架和网壳为代表的空间钢结构也继续大量发展。该结构的特点是受力合理、刚度大、重量轻、杆件统一、制作安全方便,可满足跨度大、空间高、建筑形式多样的要求,可应用于一般的民用建筑、工业厂房、候机楼、体育场、展览中心等工程。

  4)轻型钢结构:近年来我国轻型钢结构建筑发展迅速,主要用于轻型工业厂房、粮仓、体育场馆、展览厅、活动房屋、加层建筑和建材、家具等各类交易市场等。

  当前建筑用钢材的生产应用主要存在着优质结构钢品种不足,高强度钢应用比重较低,经济型材应用不多,规格较少等问题。

  钢结构建筑用材使用情况近年来,政府加强了建筑钢结构的政策引导和支持力度,先后颁布了建筑钢结构钢材、设计、制造、施工等相关国家标准、规范,建设部科技司组织了36项钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题、开展试点工程、并筹备编制《钢结构住宅设计规程》,进一步推动了建筑钢结构的应用。同时,众多开发商、企业家都看好钢结构住宅建筑市场,在扩大市场领域、开拓新产品、新技术等方面投入了大量人力和物力,重视和发展钢结构住宅逐渐得到认同。目前,已建设了近100万平方米的低层、多层和高层钢结构住宅试点示范工程,建筑钢结构的推广工作取得了显著的成绩。

  中国钢结构协会2004年统计,我国钢结构制造业的年产量约为1200万t。按发达国家钢结构产量占钢材总产量10%计算,我国钢结构的年产量应达到4000万t左右,而我国钢结构制造量仅占钢材产量的不足3%,与发达国家相比,还有较大的发展空间。

  2 典型建筑钢结构中板材使用情况

  中央电视台新楼用钢12.18万t,其中Q345板材34730t,Q390板材69869万t,Q420板258t,S460板60t。其中40mm以上钢板75274t,Q420和S460的板厚有110mm、100mm和80mm三种。国家大剧院用钢6800t,其中12~25mm中板2385t,60mm厚板2150t,钢种为Q345D。国家体育馆用钢67188t,其中主结构60500t(Q345B、C和D级),次结构4950t(Q235)。广州电视塔用32000t的15~80mm厚的Q345、Q345GJ和Q390板材。

  钢结构建筑与我国钢材深加工技术的发展

  1 国内钢铁企业钢结构生产现状

  宝钢钢结构加工线起步较早(1985年),发展较快,年销售总量进入全国钢构业前三强。马钢以钢结构为主体的加工线在国内具有一定优势,具有较大规模的生产能力。武汉钢铁集团金属结构公司是国内从事工厂厂房、高层建筑、桥梁、轻型钢结构、网架结构、非标设备、压力容器、普通和异型、大型组合钢模板制作的大型专业厂家。首钢集团具有多家从事钢结构工程的公司,如首嘉钢结构公司、首钢建设集团金属结构厂、首钢冶建公司和Acelor-首钢钢结构公司等。莱钢根据自身企业的产品特点,成立莱钢建设公司,以住宅钢结构建设为主,采用研究开发、设计制造、施工维修、管理和社区建设、土地开发一条龙的模式,组成专业的钢结构房屋开发公司,在国内建筑业中具有一定影响。同时,莱钢泰达车库有限公司是从事机械智能立体车库研发设计、生产制造、工程安装和售后服务的专业化公司,在全国设9家分公司,瑞士设有一家子公司。这些钢结构加工业与钢铁主业形成了配套互动,优势互补的钢铁产业链。

  钢结构建筑用型材的发展现代建筑采用钢结构越来越广泛,目前使用较多的主要有建筑钢结构、桥梁钢结构和塔桅钢结构,包括各种焊接圆管、方矩管、H型钢等。现代一般的高层写字楼、体育场馆、交通枢纽建筑都广泛使用钢结构,采用量通常一座建筑用数千吨至万吨钢材,但是规格、形状都比较复杂,需要专门的工厂进行加工。以北京近年的建筑为例,北京国贸大厦为全钢结构,用钢量1.08万t,中厚板板厚35~85mm,其中50~60mm的占约50%;北京京港中心用钢量1.77万t,最大板厚85mm;中关村金融中心用钢1.3089万t,钢板厚度20~70mm;北京电视中心用钢3.367万t,除部分热轧H型钢外,主要采用焊接H型钢和焊管,钢板厚度为9~80mm。近年国外在发展大型钢构件上也不断有新的进步,如大型蜂窝H型钢的使用,减少了钢材的使用量,其完全是钢材深加工的产物。

  2 钢结构建筑用涂镀层钢板的发展

  涂镀层钢板的发展是现代社会经济发展的要求。以汽车为例,一般汽车全寿命为10年左右,采用普通冷轧板做车身,抗点蚀的寿命仅2~3年,采用镀锌板,车身寿命则可以达到10年,所以涂镀层板的用量会越来越大。汽车、建筑、家电行业都是涂镀层板的大用户。彩涂板主要用于建筑行业,少量用于装饰和家电。建筑用彩涂板主要用作屋面板、屋顶、厂房外板等,大部分是经过冷弯成型后使用。如果通过夹层、配套的其他环节,则可生产成为整体的房屋。国外很多别墅完全是由大量的镀锌和彩涂板组成,其建设成本接近钢混结构房屋,但是装配快、构造灵活。因此,在目前国内建筑用彩涂板市场竞争激烈的情况下,彩涂板的成型加工已成为产品增值延伸的有效途径。

  目前,我国只有宝钢2号热镀锌线能生产锌铁合金产品,其它机组生产出的镀锌板镀层种类基本是纯锌。超深冲级和高强度级的只有宝钢少量生产,大多数机组只生产一般深冲级的。钢板镀层大多数为大锌花、小锌花、光整锌花,无锌花的目前还不能生产。锌铝、合金镀层的镀锌板国外已大量应用,国内目前还不具备生产能力。

  彩涂板近年发展非常迅速,已建成的产能1500万t,正在建设的有400万t,形成了激烈的市场竞争局面,但是,国产彩涂板多为中低档产品,高档产品供应不足,造成“大路产品滞销,高端产品进口”的局面。在消费领域中,我国彩涂板90%以上用于建筑,而国外彩涂板用于建筑的比例大约在50%~60%。高档彩涂板市场广阔,但生产高档彩板的厂家不多,产量有限,有些产品尚属空白,比如防静电彩板、抗菌彩板、洁面热镀铝锌板等。

  钢筋焊网的发展国内钢筋焊网加工虽起步较晚,但发展势头强劲,目前已建设的规模较大的焊网生产线有近20套,其中北京邢钢焊网科技发展有限公司的生产规模最大,达到20万t。目前,邢钢和首钢钢筋网产品已大量应用于京津地区的建筑、地铁、高速公路等工程,特别是在奥运场馆建设中也得到应用。

  3 我国钢材深加工行业现存的主要问题

  我国钢铁产量雄居世界第一,但与工业发达国家相比,钢材的深加工比重还较低,钢材本身的附加值没有得到提升,钢铁企业与下游行业的发展结合还不够紧密,使用钢材的综合成材率和劳动生产率也比较低。据了解,世界发达国家钢材的综合深加工比可达50%以上,其中,线材达60%,棒材达到40%,管材达30%,板材达70%左右,而我国一般钢材的深加工比仅为10%~15%左右。

  我国钢材深加工产品主要集中在丝材类,板管类无论在产量上还是在深加工产品中所占的比重都远远低于美、日等发达国家,如在工业发达国家冷弯型钢比例可占到钢材总量的5%,而我国仅为0.6%;发达国家钢结构产量占钢材总产量10%左右,而我国钢结构制造量仅占钢材产量的3%左右。

  冷弯型钢生产与装备技术的发展

  冷弯型钢是经济断面型钢的一种,由冷带或热带经辊式弯曲或模具成型加工而成。其表面精度高,断面系数比热轧型材高10%~40%,还具有轻型、经济、适应性强等优点,已用于多种行业,如建筑业、汽车制造业等。钢种从单一的普碳钢向高强、耐候、耐火等钢种发展。

  冷弯型钢在国外建筑业中用途非常广泛,被用作屋架、檩条、桁架、刚架、墙架、龙骨、屋面板、墙板、楼板、门窗乃至容器、管道、围堰、钢板桩、防波堤等。近年来,冷弯型钢组合而成的网壳、货架、单层和多层房屋也得到了快速发展。在工业发达国家,建筑业是冷弯型钢的第一大用户,冷弯型钢占钢材总量的5%,建筑业用冷弯型钢占冷弯型钢总量的70%以上。冷弯型钢应用于建筑业的主要产品是结构用冷弯方矩形管和建筑用结构冷弯型钢。

  从结构力学和经济角度分析,冷弯型钢和H型钢结合应用于建筑业是最佳组合,可以实现工业厂房和民用住宅建设的工厂化。

  随着我国建筑业的发展,冷弯型钢在我国将具有强大的生命力。用户对冷弯型钢的的认识已大大提高,产品也逐渐被市场所接受。我国现有较大的200mm以上冷弯型钢机组42套,全国冷弯型钢生产能力达到1500万t,产品品种达到2000多种,但目前国内大部分冷弯型钢加工设备还不能达到质量要求,产品标准尚不完善,深加工能力不足。国外冷弯型钢品种达10000种以上,应用于各个领域,而我国经常生产的品种只有2000种,在专用品种上还有很大差距。

  未来我国钢结构量需求的增长主要体现在以下几个方面:

  火力电厂的建设会不断加快。主厂房和锅炉钢架用钢量会增加(包括核电厂厂房用钢、风力发电用钢等)。

  交通工程中的桥梁会有所增加。近几年,我国公路桥梁采用钢结构已成为发展趋势,特别是跨海、跨江大桥大量应用钢结构。另外,国内高速公路中的护栏、收费站、交通标志的钢结构用量也在增加。

  市政建设中钢结构用量增加。地铁和轻轨工程、城市立交桥、高架桥、环保工程、城市公共设施及临时房屋等均越来越多的采用钢结构,尤其京、沪、津、渝、穗等大城市和经济发达的中型城市。

  钢结构住宅将增加。国家提供建设节能省地住宅,有关钢结构住宅的试点工程、设计规范及配套技术、材料基本具备。目前我国仅有几百万平方米的钢结构住宅,发达国家已达到40%~50%。若我国每年6亿m2的城镇住宅建设有10%采用钢结构,按多层、高层建筑平均60kg/m2钢材计,用钢量将达每年360万t。

  近年来,冷弯型钢组合而成的网壳、货架、单层和多层房屋也得到了快速发展。在发达国家,建筑业是冷弯型钢的第一大用户,冷弯型钢占钢材总量的5%,建筑业用冷弯型钢占冷弯型钢总量70%以上。冷弯型钢应用于建筑业的主要产品是结构用冷弯方矩形钢管和建筑用结构冷弯型钢。

  在80年代以前,日本仅生产200mm×200mm以下的方矩形管及少量的开口冷弯型钢,日本钢结构住宅中立柱均采用H型钢。1984年仙台地震后,通过对仙台地震中遭到破坏的钢结构住宅的研究发现,立柱和横梁之间的焊缝易开裂,原因是受H型钢外形特点的限制。因此,日本1984年以后通过修改建筑法,规定日本的钢结构住宅立柱必须采用方矩形管,从而提高住宅的抗震性。随着冷弯型钢在建筑钢结构中的普及,冷弯型钢生产的规格也随之增大,目前方矩形管最大规格已达到550mm×550mm,最大壁厚为22mm。2002年日本钢结构用冷弯方、圆管总产量已达到200万t。市场需求量最大的方矩型钢管规格为200mm×200mm~400mm×400mm,占钢结构用方矩管总量80%以上。

  美国冷弯方矩管和热轧H型钢在建筑业中的用量约为1牶1。在90年代,美国建筑钢结构用冷弯型钢的比例甚至超过热轧H型钢用量。其中,冷弯结构焊管(方矩管和圆管)约占建筑钢结构用钢量的25%,各种开口冷弯型钢在建筑钢结构用钢量中也在20%以上。

  我国目前尚没有厂家生产如此大口径方矩管,工程用方钢管为由4块板焊接而成的箱形柱。建筑用冷弯型钢需解决的问题有:提高产品质量,减低成本,解决建筑产品规格多、批量少的问题;增加大规格的方矩管生产,做好新产品试点推广;合理选用冷弯型钢及焊管、连接材料,设计中充分考虑风、雪荷载,并验算施工时受力情况,选择合理的连接方法;研发适合冷弯型钢用防火及防腐材料和施工措施,提高耐久性能;根据冷弯型钢产品的特点,创造各类建筑施工方法,不断提高工程质量,缩短工期等。

  2005年5月,北京科技大学完成了为法国德瑞克斯公司开发的新型连续冷弯型钢生产线工程,这是国内高校第一次为工业发达国家开发的同类型工程总包项目,工程技术要求、产品质量标准、生产环境设计,以及工程相关文本完全按照德国标准DIN进行,在分析、研究与消化原意大利生产线的基础上,实现了工程设计与制造的自主创新,新的生产线在产品质量、可靠性、生产能力、产品兼容性等方面超过了意大利生产线的水平,成功地解决了带边缘缺口窄带连续冷弯成形、复杂异型断面冷弯型钢快速冲切、无钉冲铆技术的生产应用、全线镀锌层保护等技术难题,并申报了6项国家专利。

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