摘  要：广东省标准《钢结构设计规程（DBJ 15-102-2014）》，以下简称《广钢设计规程》[1]，2015年6月1日起实施。《广钢设计规程》由广东省钢结构协会、广东省建筑科学研究院主编，适用于工业与民用建筑和一般构筑物的全钢结构设计。《广钢设计规程》首次提出现代钢结构轻量化设计理念——二、三、四观点等。《广钢设计规程》提出钢结构应逐步实现“构件制造工厂化、工地高强螺栓装配化”；对于某些技术名词《广钢设计规程》作了正名，如索梁（cable beam）或索桁架（cable truss），正名为双层索结构等。
    关键词：形效结构；弯矩结构；现代钢结构；设计理念；二、三、四观点；新措辞；技术名词正名。
    《广钢设计规程》条文说明第1.0.2条：钢结构是指采用下列不开裂的结构构件或部件，并通过焊接连接、高强螺栓连接、铆钉连接或销轴等连接而组成的屋盖钢结构、高层建筑钢结构和构筑物钢结构：
    1型钢（Steel shape）、钢板（Steel plate）、钢棒(Steel bar)、索(Steel cable)；
    2钢管混凝土构件（Concrete-filled Steel Tubular，简称ST·C）；
    3 钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、防屈曲支撑；
    4钢梁+混凝土板组合楼盖（Steel-Concrete composite，简称S·C）。
因此，凡结构中出现带裂缝工作的混凝土构件（Concrete member），如钢筋混凝土（Reinforced Concrete，简称RC）构件、型钢（钢骨）混凝土（Steel-Reinforced Concrete，简称RC·S）构件，以及部分预应力混凝土（Partial Prestressed Concrete，简称PPC）构件等，均不是“广钢设计规程”的设计内容。
    现代钢结构建筑完全能实现绿色建筑的特质（表1）
    表1 ：特质比较

    * 建筑筑全寿命周期（Building Life Cycle）——从建筑物的选址、设计、建造、使用、维护、拆除、处理废弃建材（垃圾回收或二次能源再利用）的整个过程。 
    一、国家技术经济政策新措词
    《广钢设计规程》1.0.1条 为了适应广东省建筑钢结构设计的需要，贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、安全经济、方便建造、适用耐久，特制定本规程。
    表2所示，规程[1]与我国现行规范[2]、[3]、[4]、[5]的措词比较。
    表2  :规范（程）[1]-[5]的措词比较

    “技术先进”主要指在进行屋盖和高层钢结构设计时，首先应选择满足建筑功能要求的先进结构方案（方案选错，优化无用。如，错选高个子姚明举重，绝对不会成为举重冠军。）；由于传统结构（砖石、圬工结构等）的材料不均质且强度较低，结构分析方法较粗糙。人们普遍认为结构尺寸大就是安全（如雄伟笨重的万里长城等），我国工程界已深入人心，认为安全与经济是对立的。随着现代科技、材料的不断进步，现代钢结构采用轻质高强材料和现代结构分析方法，如，有限单元法、结构稳定理论、结构减震控制理论和预应力理论等，能逐步实现钢结构哲理[6]——用最少的结构提供最大的结构承载力，安全与经济并不矛盾，关键是科技水平。实现现代钢结构固有的三大核心价值[7]——最轻的结构、最短的工期和最好的延性，即钢结构既要安全，也要经济。《广钢设计规程》首次提出新措词是“安全经济”；由于现代钢材固有的优秀性，如轻质高强、均质、不开裂和延性好等，人们能设计出轻量化的钢结构构件和结点（node），实现钢结构工程制造和安装的精细化（精度和质量）。“广钢设计规程”首次提出“方便建造”；钢结构的最大缺点是易腐蚀，新提法强调涂装防腐的重要性，新措词是“适用耐久”。
    二、 结构新分类[8]——轴力结构（形效结构）和弯矩结构
    《广钢设计规程》1.0.2条  本规程适用于工业与民用建筑和一般构筑物的（全）钢结构[6]设计，包括屋盖形效结构、屋盖弯矩结构和高层弯矩结构等（表1.0.2）。
                   广钢 表1.0.2  结构分类 

    *传力维表示结构的传力维数，与过去结构分类按几何维数分类不同。
本条主要根据结构的整体受力来分类，把结构分为弯矩结构和轴力结构（形效结构）两大类，以方便设计人员从概念上把握结构的受力本质（图1）。分类时，应严格区分结构（Structure）和构件(Structural members)，例如，桁架是由轴力构件组成的一维传力的弯矩结构。图1所示，梁是一维弯矩结构，拱是一维轴力结构（形效结构）。图2所示，一维屋盖弯矩结构（桁架）与三维屋盖形效结构（索穹顶）的用钢量比较。

    表1.0.2中的所谓屋盖形效结构（图3a）是一种由于结构形状而产生效益的结构，它具有三大特点：
    1 曲线（面）形状按形态学、拓朴原理构成，有封闭边缘构件 ；2 节材 ；3 造形美观。
    图3展示几个屋盖形效结构和弯矩结构的用钢量对比。   

    美国雷里（Raleigh）竞技场[9]（1953）——世界第1个现代化索网结构（柔性结构）,用钢量30kg/m2，1953

    深圳大运会体育场（2011）——第26届世界大学生运会主场馆，悬挑52m~68.4m，1个铸钢结点（肩谷）重98.6t[23]），b) 弯矩结构
    图3 屋盖形效结构与弯矩结构的用钢量对比 
     “广钢设计规程”5.1.2条 屋盖钢结构的跨度大于100m时，应优先选用屋盖形效结构。
    世界先进国家，如美、英、日、韩等国的奥运会场馆几乎都采用屋盖形效结构。如，1996年第26届奥运会美国亚特兰大主场馆——乔治亚索穹顶[12]（Georgia Dome，图4a）。2012年第30届奥运会主场馆——英国伦敦碗（图4b），屋顶采用轮辐式索网结构，通过张拉内环索、外环桁架间的劲向索，使结构成形并提供结构刚度，径向索和环向张拉索通过铸钢结点连接[13]。5层结构环，用高强螺栓连接。
    a) 美国乔治亚索穹顶（1996）——第26届奥运会，椭圆平面：240.79m×192.02m，（屋顶+外环）用钢：30[12]+57 kg/m2
    b) 英国伦敦碗[13]（2012）——第30届奥运会主体育场，8万人座位，总用钢仅1万t

    图4 世界先进国家的屋盖形效结构
    我国技术人员不习惯采用屋盖形效结构，如2008年第29届奥运会北京中轴线上的三大场馆都是屋盖弯矩结构（图5a）。2010年上海世博会的钢结构屋盖，除世博轴阳光谷（网壳、索膜）是屋盖形效结构外，世博中心、文化演艺中心、主题馆等是屋盖弯矩结构（图5b）。中国馆为头重脚轻的高层弯矩结构。

    鸟巢（交叉门式刚架体系）、水立方(平板网架结构,结点为刚接)、国家体育馆(二维张弦梁)
    a) 2008年，北京第29届奥运会场馆

    三、钢结构固有的三大核心价值[6][7][9]——最轻的结构、最短的工期和最好的延性
    《广钢设计规程》1.0.3条  钢结构设计应重视概念设计，合理选择结构方案，提高钢结构的结构效率，实现钢结构固有的结构轻、工期短和延性好等优点。积极采用消能减震控制技术。
    结构轻——用结构的比强度H=fk/γ来衡量（fk——材料强度；γ——重力密度）；
    工期短——钢构件制造工厂化，工地高强螺栓装配化；
    延性好——钢试件伸长率δ＞20%；结构的延性比ζ=Du/Dv（Du——结构的极限位移；Dv——结构的屈服位移）。钢结构的延性比ζs=7~9远大于混凝土结构的ζc=3~4。
    《广钢设计规程》1.0.5条  钢结构设计应有利于构件的标准化、模数化、构件制造（焊接等）工厂化，工地宜采用高强螺栓装配化的结点形式；应有利于在构件的制作、涂装过程中选择环保、节能的施工工艺及安装过程中选择降低安装人员的劳动强度、增加安全保障的施工方法。
    四、对某些技术名词正名
    《广钢设计规程》2.1.3条  框筒结构  Frame-tube Structure——由柱距小于3m的密柱和跨高比l/h小于3m深梁组成的框架筒体结构（图2.1.3）。以避免过大的剪力滞后效应（Shear Lag Effect)。

    1973年建成的美国世贸中心（World Trade Center）:密柱d=3.048m，深梁d/h=3.04m/1.32m=2.31m。
    《广钢设计规程》2.1.4条  双层索结构 Double Layer Cable Structure——双层索结构由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索，以及它们之间的联系杆件组成。索的布置有平行式、辐射式和网状式三种布置形式。印度有文献[15]，把这种结构称为索桁架cable truss或索梁cable beam不科学，力学概念不清。
    《广钢设计规程》2.1.5条  索穹顶 Cable Dome ——由脊索、环索、斜索、撑杆、中央受拉构件与受压边缘构件组成的自相平衡的三维屋盖形效结构，索、杆布置的特点是：“连续拉、间断压”。

    《广钢设计规程》2.1.6条  张弦梁结构  String Beam Structure——上弦为拱式构件，下弦的张弦(string)为拉索或钢拉杆，中间由竖向撑杆组合而成的一、二维传力的屋盖弯矩结构（有文献：beam string structure）。
    《广钢设计规程》2.1.7条  弦支穹顶结构 Suspended Dome Structure——将索穹顶结构的脊索系用网壳代换就成为弦支穹顶。因此，弦支穹顶结构是由环索、斜索、撑杆和网壳组成的三维屋盖形效结构。          
     《广钢设计规程》2.1.8条  圆钢管混凝土构件 Circular Concrete-filled Steel Tubular Structural Member，简称ST.C——在圆形钢管内浇注混凝土且共同受力的构件。
    条文说明2.1.8条  圆钢管混凝土构件有效地用于小偏心受压柱和轴心受力构件。因此，不能有“钢管混凝土结构”之说。由钢管混凝土柱和钢梁组成的框架，只能叫做钢框架结构，而不能称为钢管混凝土结构。                
    五、钢结构轻量化设计的四大步骤[16]
    1 正确选择结构方案（概念设计）；
    2 正确估计结构截面高度；
    3 构件布局简洁（短程传力、形态学与拓朴）；
    4 节点小型化。
    四大步骤中，最关键的是前两步：正确选择结构方案和正确估计结构截面高度[17]。
    钢结构设计是硬道理（力学功底、结构理论），硬设计（只会熟练使用设计软件，而不知其力学概念）就是任性——笨重与怪异。
    《广钢设计规程》5.1.1条  屋盖钢结构应根据建筑功能、建筑形体、作用大小及结构受力等因素选择合理的结构方案（概念设计）和结构截面高度。并作到构件布局简洁（传力路线短）、结点小型化、以方便钢结构的工厂制作、运输和现场安装。
    《广钢设计规程》首次提出各类屋盖结构体系的适用跨度L和结构截面高度限值。
    《广钢设计规程》5.1.3条  端支承轻屋面钢结构的适用跨度L及结构截面高度限值[h]可按表5.1.3采用。

    注：① 对于悬臂实腹梁的适用范围：Lc=10m-15m，h=Lt/10；悬臂桁架(网架)：Lt＜50m，h=Lt/6Lt/8。
    ② 对于重屋面或重荷载，h的取值可增大，l适用跨度可减少。
    ③ 单层圆柱面网壳L≤30m；双层圆柱面网壳L≤100m，h=L/20L/50。
    ④ 门式刚架L≤40m。
    张弦梁、网架属于屋盖弯矩结构，因此，表5.1.3中二维传力的张弦梁、网架跨度不超过100m。深圳宝安体育馆[10]可视为二维平板网架体系，跨度L=101.4m，用钢量68kg/m2。世界最大跨度的日本名古屋单层网壳穹顶，L=187.2m，用钢量高达[18]300kg/m2(笨重)，这是由于单层网壳的初始缺陷对网壳稳定（屈曲）的严重影响，因此，表5.1.3中的单层球面网壳跨度不超过80m。东莞厚街体育馆[19]采用弦支穹顶屋盖（形效结构），椭圆平面：110m×80m，用钢量72.8kg/m2，广钢表5.1.3的弦支穹顶跨度限定为150m。目前，世界最大的索穹顶是美国亚特兰大乔治亚索穹顶，椭圆平面：240.79m×192.02m，屋盖用钢量[12]仅30kg/m2，加上受压外环57kg/m2，总用钢只有87kg/m2；目前，我国大陆地区最大索穹顶是内蒙古鄂尔多斯伊金霍洛旗体育馆工程[20][21]D=71.2m，用钢量22.5kg/m2（索、撑杆及索锚具16.2 kg/m2，结点6.3 kg/m2），中国台湾地区索穹顶——桃园县表演场D=130m。广钢表5.1.3规定的索穹顶跨度≤200m，符合中国的科技发展水平。广东省奥林匹克体育场（图7），悬臂桁架跨度L=52.4m，高度取h=5.2m，约为L的1/10，与广钢表5.1.3的规定L/6~L/8不符。用钢量高达200kg/m2（硬设计），作者进行过计算[22]，若取h=7.5m（约为L的1/7，桁架变高），用钢量只有80kg/m2（硬道理）。

    六、优选高层全钢结构抗侧力体系
《广钢设计规程》6.2.1条  本规程适用于高层建筑钢结构的下列体系:
1 框架结构；
2 框架-支撑（含防屈曲支撑）、延性墙板体系；
3 筒体结构——框筒、大支撑框筒、幕墙框筒、筒中筒、束筒；
4 巨型结构体系；
5 悬挂体系。
本规程中所列的结构体系均为全钢结构体系。其中的框架，可以是钢柱与钢梁组成的钢框架，也可以是钢管混凝土柱与钢梁组成的钢框架。如果在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均布置一定数量的支撑，就形成框架-支撑结构体系。当支撑或延性墙板组成内筒，与周边框架组成了框架-核心筒结构体系。框筒结构体系主要指由密柱、深梁形成的钢结构体系。外周筒体可以是密柱、深梁形成的框筒，也可以用大斜撑组成的大支撑框筒（密柱的柱距d和深梁d/h可以放宽），而内部的筒体可以是框筒，也可以是大支撑框筒。束筒体系是由两个以上框筒连在一起所构成的结构体系。除框架结构外，其余结构体系均可根据实际需要，设置外伸臂桁架及周边桁架以减小结构的侧移；巨型钢框架结构、复合巨型柱由钢柱、钢梁和型钢支撑所组成，巨型柱内布置设备管道间、设备用房和楼梯间等，各楼层的自重和地震作用及风荷载通过各楼层梁、内外四周的梁柱所组成的次框架短程传力给大框架。
七、结语
《广钢设计规程》首次提出现代全钢结构轻量化设计理念——二、三、四观点。从而，将方便钢结构的制造和装配，并提升精度，以推广现代钢结构的发展。轻量化设计的钢结构，我国90%以上的钢结构企业都可参与制造与安装。
（1）《广钢设计规程》首次提出“安全经济”，是现代钢结构轻量化的设计理念的必然，是对传统思维——“构件大就是安全”的冲击。因为笨重钢结构，地震力也大。
（2）《广钢设计规程》对某些技术名词正名，为科技人员清晰力学概念、正确选择结构方案提供正能量。
参考文献
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