早期的钢结构建筑都是由一帮建筑“门外汉”发展起来的

（文/图）丁成章 高级工程师

追溯世界钢结构建筑发展史，你会发现一个有趣的现象：

·（欧洲）早期的钢结构建筑是在一帮铁路和桥梁工程师的推动下发展起来的；

·日本的钢结构建筑是在一帮造船工程师的推动下发展起来的；

·只有中国的钢结构建筑是由建筑界的“内行人”搞起来的。

也就是说，发达国家的钢结构建筑都是由一帮建筑“门外汉”发展起来的，但是要注意，虽然对于建筑，他们是门外汉，但对于钢材，他们却是了如指掌，应用自如。因而才会通过他们不断的努力和探索，最终成为了主导世界建筑界的主人。是他们把铁路轨道带进了建筑界，演变成工字钢，才会有今天建筑界大量使用的H型钢。另外，与钢结构配套的围护结构，例如玻璃幕墙、铝幕墙、金属龙骨外墙体系、钛金属外墙体系等，都是由一帮建筑界的“门外汉”开发出来的。

一、装配式钢结构建筑的先驱者——约瑟夫·帕克斯顿是一个花匠

水晶宫设计师约瑟夫·帕克斯顿，一个花匠的儿子，在他23岁时受雇于德文郡六世公爵。在1850年之前他已经出版了许多著名的园艺方面的书籍。

约瑟夫·帕克斯顿不到二周就画出设计草图，其基本原理就是他早先在查茨沃思设计的，用于种植巨大的维多利亚雷吉亚百合花的花房。创造性的花房设计结构采用了苗条的十字骨架来加强放射状的骨架。

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仰仗现代工业技术提供的经济性、精确性和快速性，第一次完全采用单元部件的连续生产方式，通过装配式结构的手法来建造大型空间，设计和建造了伦敦世界博览会会场水晶宫。只用6个月就建成了长563m、宽124m、最大跨度22m、最高顶棚高度33m；约9万m2的建筑面积（图4）。

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水晶宫经历了从设计构思、制作、运输到最后建造和拆除的全过程，是一个完整的预制建造系统工程。尽管是马拉肩扛（图5-10），却首创了工厂预制构件，现场装配的技术模式，是现代建筑（钢材骨架和玻璃幕墙）的开山之作。

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二、埃菲尔铁塔的设计师是一位铁路工程师

在公元1750年～公元1850年之间，英国钢铁产量增长了四倍，到1850年已经达到200万吨。

公元1831年，在美国首次应用轧制火车导轨（图11和图12），铁轨逐渐采用这种下宽上窄的工字型截面并沿用至今。后来的工字钢和H型钢都是在铁轨基础上发展起来的。早期的钢结构建筑都是借用铁路和铁路桥梁的技术和材料，其结构设计也都是由铁路和铁路桥梁工程师担当。

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公元1884年，工程师埃菲尔（Eifel）设计建造了165m跨度的铁桥（图13）。

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公元1887年，工程师埃菲尔（Eifel）设计建造了160m跨度的铁桥（图3-4）。

公元1889年，有着丰富的铁路高架桥设计和建造经验的工程师埃菲尔（Eifel）与工程师努维依尔（Nouguier）、柯赫林（Koechlin）和建筑师斯特芬·索维斯特（Stephen Sauvestre）共同为巴黎世界博览会设计了300m高的埃菲尔铁塔（图15）。建造的当时，当地的艺术家和文化名流们对它发起了猛烈的反对运动，著名作家莫伯桑说：“铁塔建成之日，是我离开巴黎之日”，可是铁塔竣工后却成了代表巴黎形象的结构物。

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三、日本钢结构建筑先驱者——若山铉杰是一位海军造船师

1894年，日本海军造船技师若山铉杰把欧洲的钢结构引进日本，采用钢材管状柱子，热轧角钢桁架梁，设计、建造了日本最早的钢结构建筑——东京京桥三层楼的秀英社印刷厂（图16）。

图16

1909年，日本钢结构的开拓者佐野利器完成了建筑面积500m2，三层楼高，钢材框架结构的丸善大厦（图17）。该建筑完全采用钢材建造钢框架，外观虽然还保留着古典建筑风格，但明亮的玻璃建筑（大型窗户和门）立面，却给人一种新型建筑的感受。佐野利器（1880～1956年）是日本著名的建筑结构、结构力学和建筑设计师，为推进日本的钢材结构建筑发展，专门在东京帝国大学机械系（注意，不是建筑系！）开设了“铁骨结构学”这门课程。把钢结构建筑这门课程开设在机械系里的好处是：可以充分借鉴机械行业数百年来所积累的钢材制造、加工和使用经验；可以充分利用机械系里的师资、教材和实验设备。

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四、空间桁架的发明者——贝尔是电话发明者

人们熟知的亚历山大·格雷汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell），是电话发明者。

鲜为人知的是，伟大的发明家亚历山大·格拉哈姆·贝尔（Alexander Graham Bell）首先掌握了空间桁架的结构原理，并应用于实际的结构物上。为了使飞机结构更加轻盈，亚历山大·格拉哈姆·贝尔在1907年开创了多面体（简单的平面桁架形式的三维基本结构）。其基本结构是一个四面体，四面体是由四个三角形表面构成的实心界面。在规则的四面体里，由四个等边三角形和六条相等的边缘组成边界。在骨架形式里，就表现为单独的边缘，为了形成四个等边三角形，要把六个相等的杆子头对头合在一起，以产生规则的四面体骨架。

亚历山大·格雷厄姆·贝尔指出，这种结构体系不仅可以用在风筝和飞机这样的轻型骨架上（图21-图22），也可以用在其它任何结构上，特别是可以广泛的用于建筑结构中，1907年他在自己家院子里建造的瞭望塔就是这种思想的具体实践（图23-图26），结果，使他又在建筑领域里做出了一项伟大的贡献。他的瞭望塔高24.4m，三条腿的简单结构，不过，每条腿都是由他开发的正四面体组成的空间网架结构。每个正四面体的单边长度为1.2m，有六根电镀钢材管子和四个节点构成，全部都是在工厂里制作的。各个正四面体之间的相互连接和组装则是在现场进行，并且全部都是由工人手工操作。

这项创造的重要之处不仅体现在空间结构的合理性方面，而且还形成了结构“单元”这一概念。以“单元”为单位，不断的变化它们的排列和组合，就能够建造出不同大小和形状的建筑结构，从而开创了系列化、标准化、产业化批量生产建筑构件的先河。在现代钢结构建筑技术中，到处都体现出亚历山大·格雷厄姆·贝尔的这种超前的建筑哲学思想。

马克斯·迈戈瑞豪森（Max Mengeringhausen）1940年在德国（图27-图28）和康恩达·瓦西斯曼（Konrad Wachsmann）1950年在美国把它把它发展成为非常精密复杂的空间骨架（图29-图34）。

五、克雷格·艾尔伍德

克雷格·艾尔伍德的设计代表的是20世纪50～60年代加利福尼亚的“感觉好的”建筑。文雅、洁净和简单，他的建筑变成了时尚偶像，并且比密西西比州的任何其他设计公司都要出色。从1955～1957年的亨特住宅，到1968～1969年在马利布海滩上设计的帕勒斯凯住宅，他设计的住宅充分显示了生活的情景，既有灵气，又可以触摸。

在20世纪60年代，克雷格·艾尔伍德受到密斯·范·德·罗厄的简单建筑学非常大的影响。然而，克雷格·艾尔伍德不像密斯·范·德·罗厄那样拘泥于形式，而是在美学观点上靠近查尔斯·埃姆斯轻的钢材框架结构。克雷格·艾尔伍德原来的名字叫约翰尼·伯克（Johnnie Burke），他1922年出生于德克萨斯州克拉伦登一个巡回演唱者家庭，由于他母亲的原因，约翰尼·伯克很早就在圣伯纳瑞迪烙和洛杉矶唱红。他从来没有学习过建筑学，但是却误闯进建筑业，一开始，克雷格·艾尔伍德在洛杉矶一家建筑公司里做建筑物成本评估师，他白天做成本评估师，晚上在加州大学洛杉矶分校读夜校。在他完成学业的前一年，即1947年，他与其兄弟和二位战时伙伴合伙开办了一家公司，这个公司叫做克雷格·艾尔伍德事务所。

在克雷格·艾尔伍德研究建筑理论之前，就已经学习过安装钢材和塑料板。这就使他了解了钢结构，而他同时代的人却很少能够从建筑学校学到这些知识（就像现在中国建筑院校里的学生在学校里学不到钢材建筑学、现代建筑方法及趋势一样）。

克雷格·艾尔伍德的设计公司在钢材的运用方面，具有富有思想性的细节设计和创造技巧。他开发出裸露着华伦式桁架的特有的结构装置，采用小构件跨越大距离。

克雷格·艾尔伍德的名言“结构只是纯原理。当结构决定了形状，以及功能、区域、文化和气候决定了可能的特性时，形式只是所要的结果。结构没有必要指定区域、文化和气候。结构没有必要指定钢材或混凝土框架。建筑物的三个基本要素是实体、苗条的构件和受压表面。建筑师可以漫无边际的选择不同的形式，但每个都要具有结构完整性和清晰的思路……”

“磨练是关键的字汇。必须要做一些比较武断的决定，有时还是强制性的，这才能激发建筑风格的形成。只有在行为变得武断、异常或时髦的瞬间，形式才会变得有点不同于正统的建筑风格。形式必须表达逻辑性、内涵和合理性，然而形式却不能独自存在，结构技术只是达到正确形式的手段……，只有通过结构我们才能够创造出新的建筑风格……”

六、冷轧轻钢构件设计规范

1939年，由美国钢铁学会（AISI）出资，由康耐尔大学（Cornell University）的乔治·温特（George Winter）教授负责对薄壁冷轧钢材构件进行实验和设计理论研究。

1945年，第二次世界大战结束，凭借战争成果，有了丰富的钢材，很多钢材公司都指望把住宅建筑当作利用制造能力获利的手段。

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1946年，受美国美国钢铁学会（AISI）委托，康奈尔大学的乔治·温特尔博士首次为冷轧钢材制定了规范。

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为了解决二战退伍兵的就业和居住问题（图38-图40），美国政府开展了一次轰轰烈烈的“造城运动”。

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美国钢铁行业为了消化战争带来的大量钢铁产能过剩，没有坐等政府的产业政策扶持，而是开始了“供给侧”改革，大力发展冷轧轻钢建筑。

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这个时候，美国也没有镀锌卷板，所以只能采用冷轧板来辊轧加工构件（图41-图43），然后上烤漆流水线做防腐处理（图44）。但这并不耽误美国人发展和使用冷轧钢材建筑。

这个时候，美国也没有自攻螺钉，所以只能采用普通螺钉（图45），甚至钉子来安装结构覆盖物（图46）。

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图46

20世纪，40年代，美国也有“螺钉枪”，甚至“手电钻”，只能采用手动螺丝刀作业。

在纽约就建造了几个莱顿城，现场建造住宅采用的产业化方式类似于一个在现场的工厂。生产技术模仿了工业过程，工人们从一个地块轮换到另一个地块，就像在组装线上作业（图47-图50）。

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二战后，镀锌钢板问世。

1996年，由美国钢铁协会（AISI）开发，由美国钢铁协会住宅咨询组的说明性方法小组委员会领导。由美国钢铁协会（AISI）、美国住宅和城市发展部（HUD）和美国全国住宅建造商协会（NAHB）提供资助，由美国全国住宅建造商协会研究中心（NAHBRC）执行，历时4年，完成了《住宅冷轧钢骨架说明性方法96版》。这项研究和开发程序得到了指导、咨询和工程委员会的帮助和指导。这些委员会分别代表钢材制造商、钢材生产商、规范官员、学术团体、研究人员、专业工程师和有冷轧钢骨架经验的建造商的利益。

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紧接着于1997年又推出了《住宅冷轧钢骨架说明性方法97版》。

1997年（图53），中国深圳从美国引进了的冷轧钢材骨架住宅。

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1986年，美国钢铁学会（AISI）首次采用屈曲强度理论和允许应力设计（ASD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1986）。

1996年，美国钢铁学会（AISI）首次采用荷载和抵抗系数设计（LRFD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1996）。

1998年，美国钢铁协会（AISI）的成员公司成立了住宅钢材合作企业（RSP）。这个组织的使命是创造一个能够和鼓励在住宅建筑里应用、节约和普遍使用钢材的环境。住宅钢材合作企业（RSP）的活动将包括创造标准、培训骨架施工人员和其它的商业伙伴、定义有效的分销渠道和在新住宅买家市场里促进消费钢材骨架。

2000年，在早先的二个版本（即96版和97版）基础上，根据《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986），由Nader R. Elhajj专业工程师和Kevin Bielat为北美钢材骨架联盟（NASFA）开发出了《住宅冷轧钢材骨架说明性方法2000版》。

图53

2004年，美国钢铁学会（AISI）首次采用直接强度方法（DSM）编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 2004）。

现在，除了中国外，全球几乎所有具有冷轧轻钢设计、制造和安装能力的国家和地区，都在采用或等效采用美国钢铁协会编制的《冷轧钢材结构构件设计规范》。

在中国，由于“条块分隔”的政府组织架构，中国钢铁协会对于钢结构建筑标准的制定几乎毫无建树。尽管十多年前，国际钢铁协会曾经委托中国钢铁协会编制一套适合第三世界（尤其是中国、印度和南非）应用的钢结构住宅标准，但由于冶金部的撤销，技术人员的老化，以及标准编制权利等诸多问题制约，中国钢铁行业最终无法拿出这份标准。而中国建筑行业的技术人员绝大部分都是现浇混凝土专业人士，对钢材特性、钢材制造、钢材应用很外行，当然也很难拿出让国际钢铁协会满意的钢结构住宅标准。

七、结束语

中国的钢结构建筑是被市场所逼，由一些对钢结构外行的土木建筑师和结构工程师发展起来的。

虽然建筑院校的老师深懂建筑，但是对于钢材，他们却是门外汉。讲授“土木建筑学”的教师对钢材的认知程度很低，让他们去讲授“钢材建筑学”有点勉为其难。很多建筑院校里根本就没有机械工程专业，如何让学生去了解“紧固件”、“焊接和铆接”、“钢丝绳”（矿业学院的学生都应该对钢丝绳不陌生，因为矿井提升机离不开它）、《机械制造工艺学》，《金属工艺学》，以及各种与钢材有关的专业知识。

虽然结构专业已经开始教授起《钢结构》课程，但建筑学专业仍然停留在教授《土木建筑学》课程上，无法开设《钢材建筑学》课程，因为至今仍然还没有一本可供教学使用的《钢材建筑学》课本。

从设计到建造钢结构建筑，需要以下四个主要过程：

建筑设计——结构设计——制造——安装

目前钢结构建筑的“制造”和“安装”技术主要由企业自我培训完成，技术人员主要来自船舶、桥梁、汽车制造，以及其它机械制造类专业学生。

结构设计人员来自建筑院校刚结构专业，也有很大一部分来自机械类专业。

建筑设计还是由精通“土木建筑”的建筑师来完成。

我经常和年轻的工程师们说：“产品开发有3D阶段，即drawing（画图）、design（设计）和development（开发）这三个阶段。最高层次是development（开发），次一点是design（设计），最后才是drawing（画图）”。

由于《钢材建筑学》教育严重滞后与建筑实践，这就造成很多中国建筑师只懂《土木建筑学》，不懂《钢材建筑学》，很多大型钢结构建筑就只能请外国人进行创意（development）和设计（design），中国设计院只能帮忙画图（drawing）。

造成的结果就是，中国现代大型钢结构建筑（包括奥运场馆、大型飞机场候机楼和为数不多的超高层建筑）大多数都是外国设计师设计的。